基于DTMB的多屏互动业务技术模式探析

万 倩，白 鹤，朱佩江，崔竞飞，张国庭

（国家新闻出版广电总局 广播科学研究院，北京 100866）

基于DTMB的多屏互动业务技术模式探析

万 倩，白 鹤，朱佩江，崔竞飞，张国庭

（国家新闻出版广电总局 广播科学研究院，北京 100866）

地面无线广播技术一直是广播电视传输覆盖、实施公共服务的主要手段之一。面对智能终端的快速普及，提出了一种基于地面数字电视广播（DTMB）的多屏互动业务技术模式，能够充分利用现有宝贵的无线频率资源，实现视频业务由面向电视机或接收机单一终端到面向移动智能终端的扩展，实现地面数字电视广播的跨屏融合应用。

地面数字电视广播；多屏互动；流媒体

广播电视网是国家基础信息网络的主要组成部分，是传播党和国家政策方针的主要舆论宣传阵地。无线电技术，尤其是地面无线广播技术一直是广播电视传输覆盖、实施公共服务的主要手段之一。地面数字电视广播（DTMB）支持固定、便携和车载移动接收，虽能实现信号的广度覆盖，但受制于技术和环境保护等客观因素，地面数字电视广播信号难以实现楼宇内部的深度覆盖；而且现有接收终端设备集成度较高，通用性不强；同时，地面数字电视广播的运营模式基本为固定接收和车载接收，缺乏多元化的运营模式。所以探索地面数字电视广播如何实现信号深度覆盖，充分利用现有宝贵的频率资源开展满足人民群众更高层次需求的新业务，挖掘新的运营模式势在必行[1]。

目前随着智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动智能终端的普及，用户通过移动智能终端观看视频的需求日益增长。从统计数据来看，全球500亿支持互联的消费电子类终端，其中150亿具备视频能力，2015年无线设备所产生的流量将超过有线设备。由此可见，使用无线移动设备观看电视和视频的人数逐步上升，视频业务的多屏时代已经来临，跨屏提供视频业务是发展的必然，人们希望能随时随地获得视频业务，视频业务无处不在。

本文将探讨地面数字电视广播与无线局域网结合的多屏互动业务技术模式，充分利用现有宝贵的无线频率资源，实现地面数字电视广播的跨屏融合应用。

1 基于DTMB的多屏互动业务系统

1.1 概述

作为无线网络的一种理想技术形态，WiFi在移动性、数据传输速率和用户需求方面具有一定优势。同时WiFi不仅能分流4G网络流量，在之后很长时间内因为频率使用、技术体制、覆盖成本和终端普及性等方面在最后十米的接入段占据优势。WiFi与地面数字电视广播相比，其覆盖深度好、信号接收门限低，适合做深度覆盖，由于WiFi模块是智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动智能终端的标准配置，WiFi通过与地面数字电视广播结合应用，移动智能终端设备无须安装地面数字电视广播接收模块也能观看数字电视节目，能极大扩展数字电视应用的范围。

本文基于普及的移动智能终端，使用DTMB（中国标准《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》GB20600—2006所代表的系统）技术作为视频内容的中继传输，研究通过DTMB+WiFi无线覆盖技术，实现视频业务由面向电视机或接收机单一终端到面向电视机、智能手机、平板电脑、笔记本电脑等多终端的扩展，实现地面数字电视广播及融合应用的多屏互动业务，扩大DTMB的深度覆盖，以最简便的方式满足老百姓的需求。

1.2 DTMB+WiFi系统架构

地面数字电视广播网络有两种组网方式，多频网和单频网。其中，单频网是网络中所有发射机工作于相同的频率，时间同步地发射相同的节目。相比多频网，单频网具有节省频率资源、节省发射功率、改善覆盖区内接收效果等优势[2]。所以，本文所述DTMB+WiFi无线覆盖技术基于单频网覆盖方式来进行设计，系统架构如图1所示，该系统前端与数字电视现有前端兼容。

图1 DTMB+WiFi系统架构

1.3 业务流程

本系统实现的业务主要为直播业务和推送点播业务。DTMB数字电视前端完成实时节目内容和推送业务内容复用后，输出一路MPEG-2 TS流，通过单频网适配器完成复用流中秒帧初始化包（SIP）的插入以及码率的适配，输出一路或者多路具有同步信息的传输流信号。

传输分配网络负责把具有同步信息的传输流透明地从前端传送到各个发射台站，便于同步调制发射；传输分配网络可采用光纤、数字微波等传输介质，协议可采用PDH、SDH、ATM等传输协议。

其中，GPS接收机为DTMB单频网适配器、DTMB激励器同步系统提供一个高精度的统一的10 MHz基准频率、1 pps（1秒钟1个脉冲）基准时间。

各个发射台站的发射机以相同的频率将前端播出机房送来的信号进行信道编码、同步调制、上变频、功放后，通过发射天线将已调RF信号变成电磁波发射出去。

用户端的网关设备将接收到的地面数字电视RF信号，经调谐、A/D变换、解调等工作产生TS流，通过解复用、解扰、解码直接显示在电视终端上，或通过流媒体打包封装后将IP数据流输出给标准无线路由模块，移动智能终端通过WiFi无线方式接收并实现直播或推送点播的视频收看。同时，移动智能终端设备根据不同的操作系统安装不同的客户端软件，并根据屏幕尺寸完成业务内容在终端的适配。

1.4 关键系统模块

对于本技术模式，关键系统模块在于前端系统和用户端的网关设备，其余系统设备符合相关行业标准要求即可。

1.4.1 前端系统

数字电视前端系统主要包括节目输入、节目处理、条件接收和用户管理，本系统主要实现直播业务和推送点播业务，DTMB前端系统如图2所示。

图2 DTMB前端系统

对于直播业务，实时节目音视频信号通过编码器形成基本码流ES，把基本码流分割成段，并加上相应的头文件打包形成打包的基本码流PES，并将PES包再分段打成有固定长度188 byte的传送包TS流。TS流经系统复用加入PSI/SI信息、推送业务信息、其他业务信息、加密信息等形成多路节目TS流[3]。同时，前端能为手机等移动智能终端提供低码率的视频业务，增大节目容量，便于智能手机、平板电脑等移动智能终端的接收观看。

对于推送业务，推送业务前端系统如图3所示。推送业务前端系统可分为集成管理子系统和推送播控子系统，集成管理子系统实现音视频内容和图文内容的集成、播出缓存、分组管理、播出策略管理等功能。推送业务的数据下发分为图文文件数据广播推送和音视频流文件推送两种方式，其中图文数据播出采用GB/T 28430—2012中定义的对象轮播方式（OC）封装推送，音视频流文件采用音视频流推送协议进行封装推送；推送播控子系统接受集成管理子系统的控制，使用OC打包机对图文内容进行封装和推送，使用音视频推流服务器对音视频流进行封装和推送。

图3 推送业务前端系统

在数字电视前端中，根据管理及服务模式，条件接收系统控制复用器中加扰模块对全部节目或部分节目进行加扰，并通过内容授权接口接收用户管理系统的用户授权信息，并将用户授权信息封装至TS流中，送入复用器中进行复用。

1.4.2 网关设备

用户端接收RF信号的网关设备设计如图4所示。

图4 网关设备

用户端的网关设备将接收到的地面数字电视RF信号，经调谐模块进行下变频得到频率较低的中频信号，完成选台功能；中频信号再经过A/D变换，转换为数字信号，进入DTMB解调芯片进行解调，通过解交织、信道解码等工作产生TS流。

网关设备在逻辑功能不变的情况下，根据覆盖场景的不同，可以采用不同性能的硬件配置完成不同区域的覆盖。对于诸如大学校园或郊区农村等公共覆盖区域，硬件配置需要分发服务器和AP天线，对于家庭覆盖区域，网关设备则集成全部协议功能。

对于直播业务，通过解复用、解扰、解码直接显示在电视终端上，而对于移动智能终端接收，需要流媒体打包封装模块进行进一步处理。根据覆盖场景的不同，直播有两种服务方式：一种是通过调谐器将多个码流同时接收封装后覆盖公共区域；一种是将移动智能终端作为遥控器和网关设备进行选台互动，调谐器根据用户选台接收想要的频道，滤除不要的频道，覆盖家庭区域。

对于推送业务，图文内容通过OC解析下载存储到内置硬盘，音视频流文件通过音视频流推送协议解析下载存储到内置硬盘，用户可以通过电视终端浏览和观看推送点播的服务内容，而对于移动智能终端接收，音视频内容需要流媒体打包封装模块进行进一步处理。

流媒体打包封装模块对直播或推送点播TS流进行RTSP/RTP、HTTP（HLS、MPEG-DASH）等流媒体协议的转换。流媒体打包封装模块将单向广播的流媒体数据传输方式转换成终端设备支持的双向交互的流媒体协议传输方式后，将IP数据流输出给标准无线路由模块，将相应的数字电视节目分发到各个终端，移动智能终端通过WiFi无线方式接收并实现直播或推送点播的视频收看。

网关设备通过流服务处理，实现了基于地面数字电视广播的多屏互动业务，通过WiFi无线发射补点，实现了广播电视信号的深度覆盖。

1.5 流媒体打包封装

1.5.1 流媒体技术

流媒体技术指的是采用流式传输方式传输媒体数据的技术，它的主要特点是媒体数据能够边下载边播放，大大降低用户启动时间和用户侧缓存。

目前主流的流媒体技术包括：传统的基于RTSP/RTP的实时流媒体技术、基于HTTP的自适应流媒体技术、基于HTTP的渐进式下载技术。3种流媒体技术对比如表1所示。

表1 流媒体技术对比

由于本系统需要支持的业务类型包括直播和点播，而基于HTTP的渐进式下载仅支持点播，并非一个真正的流媒体实时传送技术，所以以下重点就基于RTSP/RTP的流媒体技术、基于HTTP的自适应流媒体技术进行概述。

1.5.2 基于RTSP/RTP的流媒体技术

1）RTSP/RTP

RTP（Real-time Transport Protocol，实时传输协议）是由IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）于1996年在RFC 1889中公布的针对多媒体数据流的一种传输协议，后在RFC 3550中进行了更新。RTP适合应用程序传输实时数据，但没有为实时服务提供资源预留的功能，也不能保证服务质量。RTCP（Real-time Transport Control Protocol，实时传输控制协议）提供数据传输质量的反馈、流之间的同步和用户界面等，但不传输任何数据。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，适合传送网上的实时数据[4]。

RTSP（Real-time Streaming Protocol，实时流协议）是由Real Networks和Netscape共同提出的，于1998年被IETF正式采纳为标准的RFC 2326，该协议建立并控制一个或几个时间同步的连续流媒体[5]。RTSP是应用层协议，在体系结构上位于RTP和RTCP之上，控制实时数据的传送，它提供了可扩展框架，使实时数据的受控、点播成为可能。

流媒体播放系统总体架构如图5所示。使用RTP协议族进行流媒体开发时，一般采用RTP传输音视频数据，用RTCP反馈网络状况，用RTSP传输交互信息，它们可以实现流媒体数据的实时传输与控制。

图5 流媒体播放系统总体架构

2）MPEG-2 TS的RTP封装

MPEG-2 TS在RTP协议中的封装格式如图6所示。

图6 MPEG-2TS在RTP协议中的封装格式

为了避免降低系统效率，在RFC2250中规定，一个RTP包负载必须包含整数个MPEG-2 TS包。由于以太网数据链路层协议将MTU限制为1 500 byte，加上RTP包头、UDP包头和IP包头开销，一个RTP包负载最多封装7个188 byte长度的MPEG-2 TS包。

1.5.3 基于HTTP的自适应流媒体技术

基于HTTP的自适应流技术就是将同一媒体内容在不同码率下分别进行编码，提供不同质量的媒体流；在不同带宽的条件下，根据需要动态选择合适码率的流，以实现流畅的播放效果[6]。现有的基于HTTP的自适应流技术方案包括苹果公司的HLS（HTTP Live Streaming）、微软公司的MSS（Mi⁃crosoft Smooth Streaming）、Adobe公司的HDS（HTTP Dynamic Streaming）、MPEG标准组织发布的MPEG-DASH（Dynamic Adaptive Stream over Http）。基于HTTP的自适应流技术方案对比如表2所示。

表2 基于HTTP的自适应流技术方案对比

1）HLS

HLS（HTTP Live Streaming）是由苹果公司提出的基于HTTP协议的流媒体实时网络传输协议。HLS流媒体系统由服务器端、分发端和客户端3部分组成，如图7所示。

图7 HLS流媒体系统结构

其基本思想是服务器端将编码器压缩编码后的视音频媒体内容封装到MPEG-2 TS流后通过分片器切分成一系列连续的ts媒体段文件（后缀名为.ts）存储于分发端，并据此生成包含了所有媒体段文件的列表和元数据信息的索引文件（后缀名为.m3u8）；客户端通过HTTP请求获取和下载索引文件，按照索引获取ts媒体段文件实现视音频的直播或点播。HLS可以通过提供不同码率数据源的方式支持客户端对不同网络状况和不同下载速率的自适应。

2）MPEG-DASH

MPEG-DASH是由MPEG标准组织于2011年底发布的基于HTTP的自适应流技术规范，是基于3GPP第9版的Adp⁃tive HTTP streaming（AHS）和Open IPTV Forum第2版的HTTP Adaptive Streaming（HAS）发展起来的。MPEG-DASH是基于HTTP的自适应流解决方案中唯一的一个国际标准，MPEG-DASH系统基本结构如图8所示。

图8 MPEG-DASH系统基本结构

MPEG-DASH对从标准HTTP服务器端到客户端间媒体内容分发和缓存所需的格式进行了定义，主要包括MPD和媒体分片的格式。图中实线部分为标准定义范围。该标准不对DASH媒体呈现准备、HTTP缓存做具体定义。

在服务器端，多媒体文件被分成若干个媒体分片，并使用HTTP协议进行传送。MPEG-DASH采用媒体呈现描述文件（Media Presentation Description，MPD）描述媒体分片的信息，包括时序、URL、媒体特征（如解析度和比特率）等内容。播放时，DASH客户端根据MPD文件解析得到多媒体内容的信息，通过HTTP下载合适的媒体分片。在节目内容开始传输并缓冲时，客户端继续从服务器端获取媒体分片，并检测网络带宽变化，实现不同下载速率的自适应。

2 应用场景

本系统技术模式适合在家庭、咖啡厅、餐馆、商业楼宇、体育场、高校等公共场所热点区域以及有线电视难以通达的远郊农村地区实施。依据场景实际情况，网关设备可以内部自带WiFi AP模块，实现小范围内的区域覆盖（不超过半径50 m），当需要对大区域范围进行无线网络覆盖时，可以通过网线扩展连接独立的WiFi AP天线设备，实现大范围区域的覆盖。由于WiFi系统工作频段较高，信号反射和绕射损耗较大，同时接收机灵敏度低，因而在进行大范围区域覆盖时需要进行WLAN网络规划，根据现场勘察的实际情况进行覆盖方式选择[7]。

在进行WLAN网络规划时，首先根据需求对覆盖现场进行勘查，获得现场环境参数、传输及点位等资源情况；然后根据室内或室外覆盖方式的现场环境参数进行链路预算，初步确定AP点位及数量；而后进行合理频率规划，规避频率干扰；然后根据用户需求进行容量规划，找到容量和干扰整体最优的结合点；最后根据实测进行相应的优化调整，使网络性能达到最优。

应用场景和相应的覆盖方式如表3所示。

表3 应用场景和覆盖方式

3 总结

基于地面数字电视广播的多屏互动业务技术模式充分利用了单向地面数字电视广播的频率资源，结合WiFi无线覆盖技术实现了直播电视和推送点播业务的无线覆盖和多屏收看，完成了地面数字电视广播业务向电视机、智能手机、平板电脑、笔记本PC等多终端的扩展和深度覆盖，满足了用户在不同应用场景、不同终端便利地观看视频和获取信息的需求，借助各屏特点，极大地扩展了数字电视应用的范围。

[1] 数字电视国家工程实验室（北京）.地面数字电视发射系统与覆盖网络[M].北京：科学出版社，2012：189-204.

[2] GB/T 28433—2012，地面数字电视广播单频网技术要求[S].2012.

[3] ISO/IEC 13818-1，Information technology generic coding of mov⁃ing pictures and associated audio,part 1:systems[S].1996.

[4] RFC3550，RTP:a transport protocol for real-time application [S].2003.

[5]RFC2326，Real time streaming protocol(RTSP)[S].1998.

[6] 廖骥君.浅谈HTTP Adaptive Streaming技术及其前景[J].世界宽带网络，2011，18（6）：33-38.

[7]高峰，高泽华，文柳，等.无线城市：电信级WiFi网络建设与运营[M].北京：人民邮电出版社，2012：257-297.

责任编辑：薛 京

Multi-screen Interactive Business Technical Model Analysis Based on DTMB

WAN Qian,BAI He,ZHU Peijiang,CUI Jingfei,ZHANG Guoting
（Academy of Broadcasting Science,SARFT,Beijing 100866,China）

Terrestrial radio technology is one of the main methods of radio and television transmission coverage and the implementation of public service.In the face of the rapid popularization of the intelligent terminal,a kind of multi-screen interactive business technical model based on DTMB is proposed in this paper.It can make full use of existing valuable wireless frequency resource,realize the extension of video service that is from oriented TV or single terminal receiver to mobile intelligent terminal,and realize the cross screen fusion application of digital television terrestrial broadcasting.

DTMB;multi-screen interaction;streaming media

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.08.001

2014-11-06

【本文献信息】万倩，白鹤，朱佩江，等.基于DTMB的多屏互动业务技术模式探析[J].电视技术，2015，39（8）.