基于4G传输技术的高清电视直播系统的设计

林华明

（杭州文化广播电视集团，浙江 杭州 310008）

责任编辑:任健男

1 即时高清电视直播需求迫切

近几年，国家广电总多次发文促进高清电视的发展。目前全国共有十多个电视台开通高清频道，而且越来越多的电视台加入到高清阵营。高清频道目前面临的最大问题就是缺乏高清内容，特别是高清的直播新闻节目。传统的新闻直播通常使用微波、光纤、卫星、3G等各种技术手段。这些技术都或多或少存在一些问题，微波、光纤、卫星传输技术稳定可靠，带宽大，但成本高，使用麻烦；3G传输技术虽然方便，但带宽小、不稳定。表1是本系统与卫星直播的比较。随着国内外4G传输技术的快速发展，该项技术逐步被使用到了电视直播中，例如2010年上海世博会与刚刚闭幕的深圳大运会上，中国移动就成功应用TD-LTE技术对高清视频进行了传输。本文结合实际应用研究并设计了一种基于4G传输技术的高清电视直播系统。

2 基于4G传输技术的高清电视直播的可行性分析

与现有的3G直播系统相比，要实现基于4G传输技术的高清电视直播，关键在传输带宽及质量保证。下面就从4G网络的概念、关键技术来及几种4G标准的比较阐述可行性。

2.1 4G网络的概念

第四代移动通信技术（4G）也称为广带接入和分布网络[1]。4G是集多种无线技术和无线LAN系统为一体的综合系统，也是宽带IP接入系统。在这个系统上，移动用户可以实现全球无缝漫游，享用更多的服务，可以通过智能服务向导，轻轻松松地在服务空间畅游。第四代移动通信系统是以用户为中心的移动通信系统。

表1 4G与卫星直播的比较

2.2 4G的关键技术

4G的关键技术主要包括:正交频分复用（OFDM）、自适应编码调制（AMC）、切换技术、软件无线电（SDR）、智能天线（SA/IA，原名为自适应天线阵列AAA）、多入多出（MIMO）、下一代的互联网协议（MIMO-OFDM、IPv6）、移动定位技术[2]。这些关键技术使得4G不仅具有频谱利用率高、抗码间串扰能力强、传输速率高的优点，还具有增加信息传输可靠性和抗噪声、高质量高可靠移动、便捷的“软”控“硬”、减少空间电磁污染和降低移动用户间信号相互干扰、提高空间分集增益和增大无线系统覆盖范围等功能。

2.3 几种4G标准的比较

目前国际电信联盟纳入到4G标准主要有WiMAX，HSPA+和LTE等。这几种标准的演进路线如图1所示。从图中可以看出，按照中国目前三大电信运营商所采用的3G标准来演进，都会演进成为LTE标准（中国联通可以先演进到HSPA+）。但也不排除将来会引进WiMAX标准的可能。

这3种标准的无线技术方式、商用时间比较如表2所示。

表2 3种4G标准的无线技术方式、商用时间比较

这3种标准的指标比较如表3所示。

表3 3种4G标准的指标比较

从以上综合比较可以看出，LTE标准在数率、移动性、覆盖效率等方面都比其他2种标准适合传输高清视频。

2.4 LTE-TDD与LTE-FDD

LTE标准按照双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种。LTE-TDD即TD-LTE，是TD-SCD⁃MA的长期演进技术，是我国具有自主知识产权的新一代移动通信技术。LTE-FDD是WCDMA的长期演进技术。LTE-TDD与LTE-FDD由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，后者受到了国际传统移动运营商的支持，中国移动则是前者的主要支持者。这两种标准的主要技术及综合对比如表4所示。可以看出，这两种标准各有优势。从成熟度、运营商及厂商支持度来看LTE-FDD略胜一筹；从频谱效率来看，在未来LTE-TDD中具有较强的优势，所以未来采用双模的可能性较大。

2.5 小结

未压缩的高清电视信号具有很高的数据率，目前国内有线电视经过压缩编码的高清节目播出码流要求在15～20 Mbit/s左右，但有线电视运营商为了节省宽带，基本上把码流降到了10 Mbit/s以下，有的甚至采用动态码流分配，最低码流在4 Mbit/s左右[3]。本系统假定电视台高清频道播出码流是10 Mbit/s，那么从以上分析可以得出，LTE和WiMAX两种4G标准都能承担高清电视的传输，但介于国情，本系统的设计采用LTE为主标准，预留WiMAX及其他标准的接口。

3 4G高清电视直播系统的设计

3.1 系统架构

4G高清电视直播系统架构主要包括信源、编码、传输、解码、播出等部分。信源包括手机、摄像机、DV等常用拍摄设备；编码主要为目前流行的H.264编码；传输由4G网络承载，3G等其他网络补充；解码部分主要由解码服务器等组成。详细的系统架构图如图2所示。

表4 LTE-TDD与LTE-FDD比较

3.2 编码与发射子系统

为了方便专业与业余人员使用，本子系统包括硬件客户端（针对专业人员）与软件客户端（针对业余人员），目的都是为了对信源进行编码及发送。

3.2.1 硬件客户端

硬件客户端，即所谓的摄像机采集发射模块，需要做到操作简单，只需一键即可进行直播，可支持LTE-TDD和LTE-FDD两种标准，有服务保证，有管理接口等功能，其功能结构图如图3所示。

关键功能有:

1）网络自动接入与自适应

设备可以快速自动拔号接入4G网络，自动侦测信号强弱和传输速度并显示以上信息，在多卡的情况下显示不同卡的不同信息，可以自动或手动切换到信号较好的通道上。设备可以自动根据实际的网络情况（网络带宽，延时和稳定性），选择合适的视音频编码和传输参数，以达到最好的传输效果。在信号不好的地方会提示记者，以免受限于网络质量而导致数据传输失效。

2）先进的编码

直播节目对内容同步要求较高。为了使视频能低延时、高质量回传到直播室，设备需要采用先进的H.264/AVC编码，在高压缩比保证画面质量的同时能在几乎零延时的情况下把视频压缩编码好。

3）多卡多模绑定

在一些特殊情况下，局限于某一运营商信号不佳或一卡达不到预期速率时，为了能够确保带宽达到传输要求，需要采用多卡绑定技术来获得足够的带宽资源。多卡绑定主要是实现多卡多模对采集的信号进行自适应传输，实现对多信道的带宽利用率最大化，弥补单卡单模存在缺陷，避免当某一运营商信号抖降时，无法正常传输视频的问题[4]。

4）负载均衡

负载均衡就是将一定量的数据传输压力分配到不同的信道中进行传送，降低对一条信道的负担和依赖性，适当利用多条信道共同完成数据传输的工作。负载均衡检测程序利用与4G基站之间的实时通信数据，判定其信道的质量。并将信道质量的数据提供给负载均衡程序作为其进行均衡的依据，实时进行负载调整，达到对每个信道的充分利用，并且尽可能地减少由于网络带宽变化而导致的丢包现象。

5）缓冲区

硬件客户端将编码后的音视频数据存入缓冲区，从中调用这些数据并发送，从而使视频数据传送能够有效克服网络抖动和丢包。增大缓冲区可以增加图像的流畅性，系统简单，对无线环境的要求低，但时延增加。减少缓冲区能够有效减少时延，缺点是系统复杂，对恶劣无线环境的容忍度降低[5-6]。

6）智能天线

智能天线是4G的关键技术之一，该技术有可自动分析到达无线阵列的信号、自动跟踪及灵活地使用波束等智能功能，可显著提高4G移动通信系统的性能，降低移动用户间信号的相互干扰，节约系统成本，减少空间电磁污染。

7）自动后台存储

设备包含固态存储器，在边拍边传的同时，设备会对视频同时进行存储，并可选择性地对视频进行后期上传。在信号恶劣的情况下，可能会降低直播的码率，但对此视频进行再次编辑时需要用到高质量的视频，这时就可以用到上传的视频。

硬件客户端的规格要求如表5所示。

表5 硬件客户端的规格

3.2.2 软件客户端

软件客户端即手机软件客户端，可以直播安装在手机上，通过手机的摄像头来捕获视频并通过手机发射模块来发射信号到互联网，视频的分辨力由手机本身自带的摄像头来决定，一般以720p居多。软件子系统需要支持Apple iOS和Android等流行智能操作系统，主要功能有手机边拍边直播、手机边拍边上传、手机通话系统等。

1）手机边拍边直播

用户在手机上进行视频直播，直播程序打开后利用手机摄像头录制视频，通过手机话筒或蓝牙耳机录制声音，将采集到的视频和声音经过H.264编码压缩后发到服务器，实现直播功能。每台手机相当于一台远程无线直播终端。直播内容延时要求在1 s以内。考虑到手机信号的不稳定，程序能根据当前的通信码流对直播视频的码率进行自适应控制，保证视频的流畅。

用户只须打开直播程序，点击开始，就可以进行视频直播，在直播过程中修改直播标题、将直播信息通过手机短信发送给其他人。在直播过程中，系统会自动屏蔽呼入的电话和短信，确保直播流畅进行。

2）手机边拍边上传

对于实时性要求不高的视频，用户用手机拍的同时，由客户端上传高质量的视频版本到服务器上。客户端程序可以运行在后台，用户直接调用手机的摄像机程序进行拍摄，拍摄开始后，后台的客户端程序自动开始上传视频。视频上传支持断点续传，在网络不佳的情况下，也能保证续传，将视频完整地传到服务器。支持多个视频排队上传，用户可以调整视频上传的优先级。

3）手机通话系统

对于专业的用户，通过程序上的通话系统可以直接联系到我们的导播，实时进行沟通。通话系统要做到与手机本身的录音系统不相互干扰，一般情况要求使用蓝牙耳机。同时还需要在传输过程不影响视频的传输。

3.3 接收解码子系统

接收解码子系统接收客户端发过来的TCP/IP包。硬件解码后生成模拟和数字视音频流，分别进视频矩阵，从而接入数字演播室系统。导播通过电视墙可随时调用4G回传的视音频信号。同时PC客户端也可以通过导播页面，对直播内容、素材进行切换，系统支持双屏输出，导播操作页面和输出页面分开，方便使用。接收解码子系统接入直播演播室系统的流程如图4所示。

管理软件可以配置系统中可连接的设备数、端口、IP地址、编码格式等。系统内置HTTP配置服务，可远程管理该服务器，进行远程配置、远程启动、状态诊断等操作。考虑到连接外网所带来的感染病毒风险，专线需要经过防火墙连接到服务器，建议该系统采用Linux操作系统。

系统配备广播级视音频I/O板卡，支持SDI，VGA，DVI等方式输出视频信号，普通音箱接口输出声音信号，并可直接将视频转码成Flv码流输出到网页上。系统可支持双机热备份，防止服务器宕机。系统在硬件方面对关键部件进行了双备份，如网口、电源、风扇等。

3.4 系统特点

本系统以4G传输技术为手段对传统高清电视节目进行传输，可以让用户随时随地实况直播高清电视，为专业与业余用户提供较好性价比和灵活性的高清视频传输手段。

本系统的特点主要有:1）易接受。任何人可以使用、没有任何限制（卡车、有线、室内、室外）。2）低成本。更多团队、更广实况覆盖、促生新业务。3）易使用。兼容任意摄像机、一般4G智能手机，一键操作即可搞定。4）可移动。移动到记者或摄像师所去的任何地方。5）高清。最高达到1080p的分辨力，方便了高清新闻直播。6）抗衰弱。采用自适应、多卡多模绑定、负载平衡、智能天线等关键技术，增加系统传输带宽，抵抗信道衰弱。

4 总结

在各种类型的高清电视节目中，观众很关注的新闻节目目前还很少高清化，特别是突发事件现场高清直播。其主要原因是使用传统的直播方式成本昂贵，系统复杂，对环境和技术的要求苛刻。本文所设计的基于4G传输技术的高清电视直播系统，在新闻与节目的传输上有一定的借鉴价值。希望能不断通过把新技术应用到广播电视中，提高广播电视技术水平，进而增强广播电视节目的竞争力。

[1]刘洪雷，王瑛玉.浅析第四代移动通信技术[J].网络与信息，2010（5）:45.

[2]吴钟海，王洪源，钱文霞.基于第四代移动通信系统的关键技术研究[J].数字技术与应用，2010（8）:118-119.

[3]杨建平.高清规格和清晰度的关系[J].卫星电视与宽带多媒体，2011（6）:50-57.

[4]孙勉.3G多卡多模高速无线采集传输装置:中国，201020279524.6[P].2011-02-16.

[5]卢姗，孙达.TD-LTE即摄即传业务分析[J].电信技术，2010（12）:19-21.

[6]李小文，梁琳.TD-LTE下行信道估计的DSP实现[J].电视技术，2011，35（7）:44-48.