基于4G网络传输的马拉松直播

杨 光，杨慕松，宋斌洋

(大连广播电视台 技术制作中心，辽宁 大连 116022)

基于4G网络传输的马拉松直播

杨 光，杨慕松，宋斌洋

(大连广播电视台 技术制作中心，辽宁 大连 116022)

由于马拉松赛道复杂，传统转播设备拍摄及传输存在着诸多难度。4G，也称为第四代通信技术，它是3G以后的又一次无线通信技术演进。介绍了2014大连国际马拉松直播中首次使用4G移动传输的应用案例，以及马拉松赛道4G网络情况，探讨4G网络移动传输存在问题,分析了问题产生的原因和解决办法。

4G网络；LTE；OFDM；MIMO

大连国际马拉松赛是被国际路跑协会、中国田径协会路跑委员会列入国际标准的马拉松赛事之一 。从 1987 年第 1 届大连万人国际马拉松赛至2014年已连续成功举办了26届，是国内历史最悠久的马拉松赛事之一。

国际马拉松赛事直播是电视转播最具挑战、难度最大的一项任务，由于马拉松赛道长、周边环境复杂、干扰源不确定、要在移动中拍摄比赛传输信号，因此马拉松转播中对转播设备和技术团队提出了很大的挑战。与往届不同，本届马拉松赛是大连广播电视台首次利用自己的设备，自己的人员进行这次转播；在全国马拉松首次使用4G移动传输；首次采用高清制作，高标清同步直播；首次在马拉松直播中应用虚拟植入技术。直播环节有起终点主持人连线、运动员采访、颁奖仪式、演播室嘉宾解说等方式，将马拉松比赛精彩画面，多视角、全方位地呈现在电视荧屏。

1 转播方案的确定

1.1 赛事路线

如图1所示，马拉松冠军赛的起、终点均在大连经济技术开发区金石滩黄金海岸的南湖街。全程路线单程绕带(景观绿化带)环路(金石路、辽河西路)往返一周；全程转折点在东北四街的日本电产(大连)有限公司楼前南绿化带；半程马拉松路线在全程路线上，折返点在大连高金数控集团10.548 75 m的绿化带转折。

1.2 转播方案

转播方案确定是以转播环境和设备为依据的。其他城市转播马拉松赛事时，主要的设备是依靠无线微波和动中通相结合的方式。大连台转播马拉松主要设备依靠动中通，由于卫星通信是一个开放的通信系统，因此通信链路易受外部条件影响。影响广播电视卫星传输的因素很多，诸如通信信号、大气环境、 天气、周边环境等，因此只依靠动中通来转播马拉松赛事几乎不可能。实际测试结果显示整个赛道共有断点40余处，其中3处断点中断时间很长，为了保证赛事无间断播出，使用了动中通，也在在全程布置了7个单机点通过光缆传输到演播室，但由于光缆架设和实际设备投入情况，能够解决断点信号还是比较有限的，因此仅仅依赖上面两种传输方式还不能完成整个赛事的直播。必须有一个更好的办法来解决，因此笔者就想到能否利用4G网络传输来解决断点问题。

图1 2014大连国际马拉松赛路线图(截图)

1.3 赛前测试

比赛前期笔者做了大量的协调和4G测试工作， 4G传输经过反复综合测试，确定整个赛道的视音频信号传输质量和断点情况，最终形成的测试结果与4G移动运营商共同探讨解决马拉松全程4G传输存在的问题。具体测试结果见表1。

根据移动运营商4G网络最终调试情况以及马拉松赛事转播节目流程，最终确定转播技术方案为：动中通负责男子组，4G根据信号实际测试结果负责男子前半程及女子组比赛。具体转播流程如图2所示。

2 4G移动通信技术

随着广播电视高清电视业务的发展，传统电视媒体与网络媒体、通信业务合作越来越密切，技术和应用层面上是全方位互补与融合，全媒体概念也由此提出。近几年随着电信行业无线4G网络技术的日臻完善，4G技术越来越普遍地应用在各类大型直播活动、新闻连线及大型互动节目中。这也是目前电视转播中一种全新的跨平台应用方式。

4G是第四代移动通信技术的简称，是能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。如表2所示，4G系统理论能够以100 Mbit/s的速度下载，上传的速度也能达到20 Mbit/s，其网络速度可达3G网络速度的十几倍到几十倍[1]。

LTE(Long Term Evolution)采用OFDM(正交频分复用技术)和MIMO(多入多出技术)作为其无线网络演进的主要技术方式。实现在20 MHz频谱带宽下提供下行326 Mbit/s与上行86 Mbit/s的峰值速率。

无线演进必然是一步步向4G的要求靠拢的，这种演进并不是阶段性的，更多的是一个持续的过程，而且是一系列相似或相关联的系统并行演进过程[2]。4G时代中LTE网络占有主导地位，所以通常把二者结合在一起，称为4G LTE。

LTE根据其具体实现细节、采用技术手段和研发组织的差别，形成了许多分支，最主要的两大分支是LTE-TDD(TD-LTE)和LTE-FDD(FD-LTE)。其中，TD和FD分别代表时分双工和频分双工。其中TD-LTE正式被中国确定为4G标准。

表1 2014大连国际马拉松赛道4G信号接收情况表

图2 2014大连国际马拉松转播流程图

3G/4GCDMA2000TD-SCDMAWCDMATD-LTE下行单用户峰值速率/(Mbit·s-1)3.11.6814.460上行单用户峰值速率/(Mbit·s-1)1.80.555.7520

3 大连国际马拉松中4G网络与终端配置

在大连国际马拉松路线区域，中国移动的TD-LTE网络架设使用基站型号是华为DBS3900，射频拉远单元RRU采用的是8通道的RRU3257。站点的配置是最常见的每个站点3个小区，每个小区1面8T8R天线(8发8收)的配置。对于多入多出技术的使用，基站使用了2T2R(2发2收)，而终端采用1T2R(1发2收)。带宽方面中国移动采用的是20M带宽，马拉松赛道沿线基站频段为D频段：2 575～2 595 MHz。时隙和特殊时隙配比为SA2/SSP7，如表3[3]和表4[4]所示，根据3GPP协议，下行业务和上行业务时隙比为3∶1，特殊时隙配置为10∶2∶2。

表3 特殊子帧配置

特殊子帧配置下行普通循环前缀下行扩展循环前缀DwPTSUpPTS上行普通循环前缀上行扩展循环前缀DwPTSUpPTS上行普通循环前缀上行扩展循环前缀06592·Ts119760·Ts221952·Ts324144·Ts426336·Ts2192×Ts2560×Ts7680·Ts20480·Ts23040·Ts25600·Ts7680·Ts2192×Ts2560×Ts56592·Ts619760·Ts721952·Ts824144·Ts4384×Ts5120×Ts20480·Ts23040·Ts4384·Ts5120·Ts——————

表4 上下行子帧配置

上下行配置下行上行转换周期/ms子帧数012345678905DSUUUDSUUU15DSUUDDSUUD25DSUDDDSUDD310DSUUUDDDDD410DSUUDDDDDD510DSUDDDDDDD65DSUUUDSUUD

表4中：D表示上行子帧；U表示下行子帧；S为特殊子帧。

由此下行峰值速率为

Throughput_dl=S×NPRB×NSF/TF

(1)

其中：Throughput_dl表示下行峰值速率；S是空间复用的层数，它与收发天线数目有关；NPRB是每个传输时间间隔(TTI)里下行最大传输比特数，根据3GPP 36.213 7.1.7章节中的表7.1.7.2-1传输块大小计算表，此例中为75 376；NSF是每帧里下行子帧的个数；TF为一帧的时间长度。

对于NSF下行子帧的个数，由上下行时隙和特殊时隙配置可知

NSF=NNSF+2×NDLSSF/NSSF

(2)

在每帧里，NNSF是常规下行子帧的数目；NDLSSF是下行特殊子帧DwPTS的数目；NSSF是全部特殊子帧的数目。

根据大连国际马拉松4G传输的配置，由式(1)～(2)可得

Throughput_dl= 2×75 376×(6+2×10/14)/(10×10-

3)=112 Mbit/s

类似地，上行传输峰值速率为

Throughput_ul=NTB×NUSF/TF

(3)

其中：Throughput_ul表示上行峰值速率；NTB为上行每传输时间间隔(TTI)里传输块最大比特数；NUSF为每帧里上行子帧个数；TF为一帧的时间长度。

如表5所示[5]，上行传输中，LTE协议对终端类型及其单位时间内发送传输快的能力做了规定。

表5 终端类型与上行物理层参数设定

终端类型UL-SCH信道中每TTI传输块最大比特数上行是否支持64QAMCategory15160NoCategory225456NoCategory351024NoCategory451024NoCategory575376Yes

目前常用的是CAT3和CAT4类终端，由式(3)计算出上行理论峰值

Throughput_ul=51 024×2/(10×10-3) = 10.2 Mbit/s

所以如果终端为CAT4类终端，大连国际马拉松赛道沿线4G移动通信网络下行理论峰值速率为112 Mbit/s，上行理论峰值速率为10.2 Mbit/s。但实际应用过程中会有多种因素影响速率，使之无法达到峰值。

4 4G直播上行设备及系统

4.1 4G直播上行设备

4G上行设备选择的是法国AVIWEST DMNG PRO180-RA 视频直播上行链路系统，其特点是有10 路蜂窝连接(8 个带内置高效率定制天线阵列的3G/4G-LTE 内置调制解调器，和用于附加USB 调制解调器的2个USB 接口)，1路WiFi 连接(内置WiFi 调制解调器)，DMNG PRO180-RA 前面板上有8个MCX 天线连接器，可在上面插入2个AVIWEST QUAD 宽频带外接蜂窝天线阵列，在苛刻的环境，比如在拥挤地区(路演、体育场馆)或从移动车辆上进行直播时，可增强信号的传输。上行设备采用H.264 视频解码器，比特率100 kbit/s～10 Mbit/s。这个设备能将高清晰度视频直播流传输给接收机，延迟短，可实现不间断直播采访。设备外观如图3所示。

图3 4G直播上行设备

4.2 宽频移动天线

图4 宽频移动天线

AVIWEST QUAD 宽频移动天线阵适合苛刻条件下的超强3G/4G 信号复原，用于视频直播传输。如图4所示，QUAD 综合了4 种高效专利宽频天线，运行范围为600 MHz～3 GHz，覆盖3G 和4G 网络在全球范围内所使用的所有频段。这4 种天线具有半全向辐射模式和高增益，覆盖连续上行和下行通信所使用的所有频段。可显著改善视频直播传输性能，适用于直播自行车赛事或马拉松赛事等。

4.3 DMNG 演播室

DMNG 演播室(图5)是DMNG 系统接收机服务器，可管理远程发射机机群，并可通过与远程媒体记者互动及选择发布直播流，创建动态交互式直播节目。

图5 DMNG演播室界面(截图)

该应用程序的主要功能有：

1) 接收传入流和推送文件；

2)对视频流进行解码；

3)录制视频文件；

4)播放视频文件。

该服务器可管理一个流媒体服务器用于网络应用， 还可安装一个单独的流媒体服务器平台，以支持大量同步连接。

4.4 系统构成

如图6所示，系统构成主要有摄像机、4G上行单元PRO180-RA、宽频移动天线阵QUAD、4G无线网络、演播室接收机服务器、演播室系统。

图6 4G直播上行系统构成

5 实际应用中存在的问题及解决方案

4G传输是利用第三方运营商(联通、电信、移动)网络进行传输，因此传输效果受到了第三方网络的制约。马拉松是在移动过程中利用4G网络传输视音频信号，这就比定点拍摄传输难度大很多，这必然对4G网络提出更高的要求。由于笔者使用的上行设备编码方式是H.264/AVC Main/High Profile，这次应用中发现在4G网络速率达到6 Mbit/s以上时，信号非常流畅，画面清晰。当速率达到8 Mbit/s时主观评测，杂波基本不可见。

在这次直播中，主要出现以下常见问题：

1)图像质量逐步变差，最终中断。

2)图像流畅，但画面质量比较低。

3)视音频不流畅出现闪断或卡顿现象。

4)视音频质量非常好，突然出现闪断或卡顿。

5)现场镜头画面变化很大或镜头摇移太快时，接收到的视频信号有拖尾现象。

6)4G网络自动切换到3G网络。

影响转播中4G信号传输的因素主要包括：

1)网络与终端配置

马拉松4G高清视频传输对上行速率要求较高，下行速率对转播质量影响较小，因此需要在网络和终端配置上最大限度地保证上行速率，例如基站上下行时隙配比由1∶3变为2∶2可以增加上行子帧的数量从而提高上行速率。除了无线接入端基站的配置变化，核心网中服务质量QoS的提高也可以为电视转播提供差异化的服务，从而比一般用户拥有更高的服务优先级，最大程度地保证带宽和接入。

类似的诸多方法均可提高转播传输质量，但同时考虑到实际网络情况和4G其他网络用户需求，网络配置和参数设定的转播保障需要与运营商进行较好的沟通合作与协商。

2)网络覆盖

网络覆盖无论是对4G通信，还是对2G、3G的网络通信质量均起到关键的作用。大连国际马拉松赛道沿线基站发射功率40 W，大致覆盖范围小于700 m。在单程约21 km的赛道上，沿途相关基站为二十余个，地理位置分布如图7所示。

图7 2014大连国际马拉松赛道沿线中国移动4G基站分布图

可以看到在部分区域网络覆盖不足，可考虑工程补点来增加基站数目，保证信号覆盖。对于附近存在基站但信号覆盖不足的问题，可与网络优化人员合作，采取调整基站发射功率或天线倾角方向角等手段提高网络传输质量。

3)切换

终端从一个基站信号覆盖小区向相邻基站信号覆盖小区移动时，会发生切换过程，这是移动通信中最基本的过程和应用。目前国内3G、4G信号电视转播多为定点使用，机位基本保持固定或在小范围移动，此种情况下几乎可以忽略切换问题。但对于马拉松赛事，终端需要以一定的速度移动几十公里，切换过程的成功率与数据速率保证就显得尤为重要。网络覆盖，信令丢失，乒乓切换，小区重选滞后或者过于频繁，接入困难等许多现象均可造成切换失败，以至于视频信号中断。这些情况依然需要网络优化工作来改善。此外，4G网络可以通过相关接口自动建立临区关系，改变切换相关参数，完成很多网络自优化的过程和配置，从而比之前的通信网络大大提高了网络优化的效率和质量。

4)终端信号由4G切回3G

LTE技术规范中要求网络和终端可以实现跨无线接入技术(RAT)切换，即4G LTE与3G乃至2G网络之间的切换。这是对移动性的必要要求，可以保证终端在4G信号盲区或者信号微弱的区域正常的通信业务。在大连国际马拉松中出现了终端信号由4G切回3G的情况，它对传输质量有较大的影响，有时4G网络依然可以保证传输质量，但终端会自动切回3G，这是转播过程中希望避免的现象。改善这种状况主要的手段有调整网络覆盖；优化网络和终端参数，例如切换和测量门限等。但是调整网络参数可能会对其他用户造成影响，所以多采用终端调整来进行优化。还有一种方式是使用4G的 MIFI设备，在MIFI设备通过软件设置，限制4G网络切回到3G。

5)其他传输因素

接入失败，信令丢失，站间信号干扰以及掉话等问题也严重影响转播安全和质量。如前所述，这些问题都属于网络优化的范畴，需要与相关部门和人员配合，改善整个网络的传输质量。

出现上述情况的原因很多，主要原因是传输过程中，受到传输速率限制或网络状况有较大波动引起的。比如现场周围人员密集，同时使用网络的人员较多，造成网络拥挤、堵塞等，一般这种情况短时间内，就能恢复正常。如果长时间不能恢复正常，可以通过调整编、解码器的参数来改善图像传输质量。

6 结束语

4G网络技术的快速发展，对广播电视行业来说是一次革命性的进步，移动传输设备、转播车、演播室等系统构建都会产生极大的变革。通过这次马拉松赛事直播，笔者在4G传输上进行了大胆的尝试，4G传输与卫星、微波及光缆相比有其独特的优势：

1)4G设备使用和调试简便，上行设备体积小，携带非常方便，传输完全依靠三大运营商的网络，不用再单独搭建基站和天线。只要是4G网络条件好，可不受场地条件的限制，快速调试好传输通道，极适合各类突发事件及无法使用传统传输方式的场合。

2)4G系统搭建简单，演播室只需要接收服务器，这减少了转播前期设备投入和搭建的强度，从而减少了技术人员的配置，使转播整体预算大大降低。

总之，4G网络传输技术作为一项前沿技术，在实际使用中有独特的优势，也有诸多问题，随着4G技术的发展，这些问题都将会被解决。

[1] 刘晓岚.贵州广播电视台3G技术在新闻直播中的应用[J].现代电视技术，2013(10)：98-100.

[2] 赵训威，林辉，张明，等. 3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 3GPP TS 36.211 V9.1.0 Physical channels and modulation. Table 4.2-1： Configuration of special subframe (lengths of DwPTS/GP/UpPTS)[S].2010.

[4] 3GPP TS 36.211 V9.1.0 Physical channels and modulation. table 4.2-2： uplink-downlink configurations[S].2010.

[5] 3GPP TS 36.306 V8.2.0 UE radio access capabilities. Table 4.1-2： uplink physical layer parameter values set by the field ue-Category[S].2008.

Marathon Live Based on 4G Network

YANG Guang, YANG Musong, SONG Binyang

(DLTVProgramProductionCenter,LiaoningDalian116022,China)

Due to the complexity of Marathon track, there are many challenges for photographing and signal transmission by utilizing traditional TV broadcasting instruments. The 4G, short for the 4thgeneration of telecommunication is the evolution of 3G wireless communication technology. The technology of 4G mobile transmission has been applied to Dalian International Marathon live transmission for the first time in 2014. The 4G network of the whole Marathon track is illustrated, the problems of 4G mobile transmission are discussed, and also the reasons are analyzed and the solutions for the problems are put forward.

4G network; LTE; OFDM; MIMO

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.24.020

2015-07-01

杨 光(1969— )，高级工程师，主要从事节目剪辑、后期包装、片头动画制作、非编网络设计、演播室转播车节目录制及系统设计等工作。

责任编辑：闫雯雯