超高清电视时代的新一代地面数字电视广播技术（下）

肖振华 程宏 安贵江 刘新同

四.美国ATSC 3.0的发展及应用

尽管ATSC1.0地面数字电视广播系统非常普及，其基础性的构成技术已经使用了20年。技术在不断演进，观众的期望也在日益提升。美国高级电视系统委员会（ATSC）启动了新一代广播电视系统研究工作，即ATSC 3.0。ATSC 3.0的宗旨是提供更高品质的音视频，提升观众的电视观看体验；改善和提高固定和移动设备接收的灵活性；提高访问的便捷性、个性化和互动性。ATSC还为更广泛的设备提供电视内容，以满足消费者不断变化的消费行为和偏好。同时，ATSC正在努力提升广播服务平台的附加值，扩大其覆盖范围，开辟新的业务模式。

与2008年推出的DVB-T2相比，ATSC3.0最重要的进展不在效率的提高上。ATSC3.0首先是从需求调研入手，ATSC3.0技术组（TG3）下面成立了四个专家组，分别是系统需求（S31）、物理层（S32）、管理与协议层（S33）、应用与表述层（S34）。根据S31收集到的应用需求，进行物理层、协议层、应用层的设计。

ATSC3.0的最大亮点有两个：第一是完全放弃了广播TS流，转而采用以IP为中心的技术方案。再者，在此基础上实现的网络融合——未来广播网络可以和电信网及互联网真正融合起来。

从前的制播环节尽管已经实现了IP化，但是传输仍然采用TS流方式，到用户接收端，所有IP接收设备仍需一次转换才能实现观看。ATSC3.0以后，电视台制作的节目，不仅可以通过广播网络进行分发，也一样可以通过互联网和电信网进行分发，相同的协议采用使得无论是通过什么网络传输的数据流在到达用户端后都可以同步协同呈现。

以多语种为例，当该节目在西班牙语播出的时候，过去的做法要么是所有西班牙語听众都通过互联网通道进行点播，占用大量带宽，要么是将西班牙语的IP流重新解复用、解码，再复用成新的TS流下发到广播通道。采用ATSC3.0标准以后，只需要将西班牙语的IP数据流转到广播通道下发即可，广播流程发生了彻底变化。

2013年，美国ATSC着手开展下一代数字电视系统ATSC3.0标准体系的研制工作，ATSC3.0已经陆续发布了20余项标准文件。2013年初，美国ATSC向全球征集下一代数字电视系统物理层方案，从此拉开了美国下一代地面数字电视标准研究的序幕。工作组经过3年多的努力，形成了ATSC3.0标准体系，提交给美国联邦通讯委员会（FCC）审核。2017年11月16日，美国FCC投票通过了ATSC3.0标准体系。

2018年3月5日，美国联邦通信委员会（FCC）有关下一代广播电视标准ATSC 3.0可按自愿原则部署的法规正式生效，这标志着美国下一代电视标准部署进程正式启动。WRAL-TV是采用这一标准的先驱电视台，已进行了ATSC 3.0广播测试，首次以4K格式播送了冬奥会内容。

2018年6月15日，2018年俄罗斯世界杯揭幕战的开启标志着全球首个具备沉浸式和交互式功能的广播电视节目的正式播出。韩国SBS电视台通过基于ATSC3.0标准的超高清视频技术直播该项赛事，由Fraunhofer主导研发的MPEG-H电视音频系统的高级功能为用户带来沉浸式和交互式音频体验。为了给观众带来身临其境的视听享受，体育场内的沉浸式环境音将以5.1+4H声道的布局方式进行拾取和传输，并配以具有高动态范围控制功能的超高清视频内容。得益于MPEG-H基于对象的功能，针对每一场超高清赛事，SBS为观众打造了三种音频预设：纯粹环境音、韩语解说版和英文解说版。通过MPEG-H的对白增强功能还可以根据自身需求优化对白混音效果，该功能也将帮助听力障碍人士更好地理解节目内容。

五.我国DTMB-A技术标准及应用

2015年7月8日，国际电信联盟（ITU）8日公布：由中国政府提交的中国地面数字电视传输标准的演进版本（DTMB-A，DTMB Advanced）被正式列入国际电联ITU-R BT.1306建议书“数字地面电视广播的纠错、数据成帧、调制和发射方法”，成为其中的系统E（如图3）。这标志着DTMB-A已经成为数字电白方视国际标准。数字电视地面广播传输演进系统DTMB-A，通过对帧结构、星座映射、纠错编码等部分进行改进，获得更优的系统性能。DTMB-A系统在8MHz带宽下，可支持5.00Mbit/s-49.51Mbit/s的系统净荷数据率。

清华大学教授、北京数字电视国家工程实验室主任杨知行指出，中国数字电视DTMB标准是继美、欧、日之后的第四个数字电视国际标准。由于“后发优势”中国DTMB标准在第一代标准中处于领先地位。而此次研制推出的DTMB-A，主要是为了应对欧洲第二代数字电视标准DVB-T2的国际市场竞争和适应超高清电视广播传输的需要。DTMB-A具有传输容量大、信号接收灵敏度高、抗干扰能力强、高速移动接收性能好等特征，是在原有DTMB标准基础上的增强和提高。DTMB-A主要技术特点包括：新的灵活帧结构大幅度降低接收机复杂度和能耗，灵活支持多种业务；支持256QAM/256APSK等高阶调制，使得数字电视传输演进系统频谱利用率相比于现有国标DTMB有明显提高；基于Golay-APSK的调制体制，在提高频谱效率的同时提高差错控制性能，保证传输的可靠性；新型LDPC码进一步降低载噪比门限；多天线发射分集技术获得空间分集增益，可消除传统单频网系统中“人工多径”的影响，获得更好的信号覆盖；基于时频二维信号处理的测距和定位算法，可实现在视距条件下的高精度、低复杂度的无线定位算法。

这一标准已经开始了产业化之路。2013年，在国家发改委支持下，北京、上海和深圳数字电视国家工程实验室（或研究中心）共同推进DTMB-A芯片的产业化工作，中关村数字电视产业联盟完成了DTMB-A产业链建设。在商务部支持下，巴基斯坦将首先采用DTMB-A标准。杨知行教授表示，DTMB-A标准成功“国际化”，使得以标准输出为“龙头”，带动我国数字电视技术、产品、服务、文化和金融等多个产业链的成套出口成为可持续发展的模式。

DTMB-A秉承“继承并发展已有核心技术”、“创新与性能并重，坚持自主知识产权”两大基本原则，从全面提升数字电视系统的传输性能、全面拓展数字电视系统的应用领域这两个不同层面出发，着力提升频谱效率、接收门限、单频组网、抗多径能力和高速移动接收等主要性能指标，使其达到或超越D V B-T2标准，继续占领技术制高点，全方位支持地面数字电视广播的超高清、高清、标清、手机电视节目、互联网数据等业务。地面国标演进系统（DTMB-A）在一些关键技术上做了重大改进，并取得了技术突破，包括：

1.增加256A P S K和F F T参数选项，确保净载荷容量能够有效增加，最高传输码率超过了欧洲第二代标准DVB-T2，且获得的测试指标相当。目前，DVB-T2主要模式下，其传输码率在38.6Mb/s左右；而DTMB-A应用示范系统在四路高清传输时的传输码率则已达到39.4Mb/s；即使在常规模式下也能够达到49.3Mb/s（比DTMB系统有将近50%的提升）。

2.采用G r a y-A P S K星座图和新型L D P C码，兼容多种码率设计（1/2、2/3、5/6）和多种码长设计（15360、61440），接收C/N门限优于DVB-T2。

3.采用新型复帧信令结构和时频二维动态分配，从而可以更方便地支持多业务。

4.基于TDS-OFDM天线分集技术，可以有效降低单频网构架的复杂度，改善用户接收性能。

5.基于星座图扩展的降峰均比技术。

DTMB-A系统仿真平台在各种信道条件下完成与DVB-T2的性能对比。仿真结果表明DTMB-A在频谱效率、接收门限、单频组网、抗多径能力和高速移动接收等主要性能指标达到或超越DVB-T2的水平。目前完成的数字电视传输演进系统的DTMB-A原型样机，在8MHz的广播频段内，鲁棒的固定接收码率可达38.7Mbit/s；稳定的移动接收码率可达23Mbit/s；接收门限在同等传输速率下，达到国外第二代地面数字电视传输标准D V B-T2的指标要求；高速移动条件下的接收性能也远好于DVB-T2。数字电视国家工程实验室（北京）现已经组织DTMB标准产业链企业进行DTMB-A试验样机研发，并于2012年1月完成了DTMB-A系统试验样机的联通，固定接收的传输速率接近 40Mbit/s，移动接收的传输速率达到20Mbit/s以上，与原DTMB《地面数字电视接收机通用规范》相比，在复杂多径信道下接收信噪比门限有1.5dB以上的改善。

香港地面数字电视广播，一直在积极充当国家数字电视广播创新发展的先锋。2012年9月，香港电台及无线和亚视，联合北京数字电视国家工程实验室，在香港进行了DTMB-A测试（同时还进行E-DTMB数据业务的测试），虽然传输码率高达37.6Mb/s（最高可达近50Mb/s），显著提高了频谱的利用率和传输码率，并进一步降低了接收门限，效果达到甚至优于DVB-T2。在香港进行的DTMB-A测试验证了电视台直接利用DTMB系统来做，可以兼容DTMB系统原有的基础设施，传输容量显著提升；验证了DTMB-A高效率模式在香港复杂环境下也可以实现可靠接收，特别是在香港有山、有海、有潮汐等地理环境下。

2018年11月，数字電视国家工程实验室（北京）与清华大学在浙江嘉兴进行了中国首次超高清电视地面无线广播试验，实现了单频道单点发射超高清电视无线覆盖。这次超高清电视地面广播试验主要参数如下：

支持50或60帧4K超高清视频；

信道传输：DTMB-A， 256APSK、LPDC码率；

传输码率超过40Mb/s；

发射频道：中心频率562M H z，8MHz带宽

发射功率1KW，发射塔天线高120m；

覆盖范围达40KM。

此外，数字电视国家工程实验室（北京）和清华大学在地面数字电视标准的演进技术包括MIMO传输和多频道绑定技术等方面已开展了深入研究，积累了大量具有自主知识产权的重要成果。通过进一步改进和完善技术方案，可以实现逐步8K地面数字电视无线广播覆盖。

六.前5G通讯时期中的广播通讯技术

在4G＼LTE时代，终端用户对移动视频业务的需求与日俱增，基于L T E的演进型多媒体广播/多播技术规范也在相应继续完善。3GPP一方面进一步提高MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务）的业务性能，另一方面则需适应新的SAE/LTE的系统架构要求。3GPP在2010年开始完成了基于LTE的eMBMS（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service）技术。eMBMS基于3GPP R9协议规定，在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进，更加适应移动视频业务在LTE网络上的传送和使用。eMBMS也被称为LTE广播，是一种先进的移动数据传输技术，可以使运营商显著降低在LTE网络上同一时间向多个用户提供诸如视频、音频等高带宽内容的成本。

2014年，德国慕尼黑进行了全球首个大型的增强型多媒体广播多播业务（eMBMS）4G电视广播单频试验网络，目的在于向业界证明4G LTE网络可作为传统/经典地面数字电视广播网络的补充。该试验所采取的是UHF频段中进行数字电视广播的“黄金”频段——700MHz频段，即3GPP的Band 28，并采用APT700方案。试验网络覆盖了高达400平方公里的地域。

此次大地域覆盖试验实现了将传统的线性广播电视节目延伸传输至人们的便携式移动智能终端设备，相关系统具备了融合传输/分发线性电视内容、非线性电视内容、点播电视与交互式电视的能力。项目组还研究了如何通过提高无线频谱资源利用效率来减小需要部署4G电视广播功能的基站数量，从而达到减小将来现网部署所需成本的目的。试验中还部署了LTE机顶盒设备，从而实现了基于广播/宽带网络融合、可替代传统地面数字电视广播的4G电视广播。试验发现，对于欧洲的某移动通信基础网络运营商，仅在其三分之一的基站中部署4G电视广播功能，即可覆盖与现有DVB-T网络相同覆盖面积。另外，此次大型试验还实现了对于人们通过智能手机观看电视内容时的体验的重大改进，具备非常丰富的用户体验——用户使用智能手机可以很轻松地切换使用电视服务与点播或Internet服务。传统上通过广播网络与宽带网络结合起来才能提供的联网电视服务或HbbTV（广播/宽带混合型电视）服务，在此次试验中仅通过单一的4G电视广播网络就全部实现了。如图4所示，试验中，还实现了将智能手机作为电视机顶盒——智能手机把从4G电视广播网络所接收到的内容“投射”至大屏幕电视机。这使得4G电视广播相比于传统的地面数字电视广播又多了一大优势：对于后者，每制定并发布一个最新版本的技术标准，就需要电视机顶盒或一体化电视机具备很好的后向兼容性，而前者则无需进行相关考虑。智能手机的创新周期要短得多，而且可以更快地为大众所使用。这样，用户就可以不用更换家里的电视机，而通过智能手机进行投屏连接，从而可随时随地作为移动电视机、智能遥控器、电视机顶盒等。

2015年CES展会期间，Qualcomm使用骁龙810公开演示了全球首次采用LTE广播对4K内容的传输。通过LTE广播可以将4K的内容非常有效的传输给移动终端，并且能保证较高的质量。由于采用“一对多”的传输模式，在实际应用中可以帮助运营商卸载对频谱占用较大的高需求内容的传输。为了加速LTE广播技术的开发，Qualcomm已经推出了一套面向增强型多媒体广播多播业务（eMBMS）的完整LTE广播解决方案，包括LTE芯片、广播客户端、多媒体服务以及用于LTE广播应用开发且经过验证的软件开发工具包（SDK）。

2017年，冻结的3GPP Release 14中，3GPP对eMBMS作了一些改进/演进（比如扩大OFDM符号的循环前缀长度）。刚冻结才几个月的时间，目前，欧洲产业界就已经开始对这种演进型的eMBMS进行现网试验了，而且把它称为“FeMBMS”（Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Service）。

一个5G广播试验场正在德国巴伐利亚奥伯兰设立，这是巴伐利亚研究项目“5G Today”的一部分。在广播技术研究所（IRT）的领导下，项目合作伙伴Kathrein公司和罗德与施瓦茨公司正在研究5G网络上进一步演进的多媒体广播多播服务（FeMBMS）模式的大规模电视广播。此项目得到关联合作伙伴西班牙电信（德国）和德国巴伐利亚广播公司的支持。该项目主要采用5G广播模式FeMBMS。FeMBMS是eMBMS（增强型多媒体广播多播业务）进一步开发的结果。

5G时代更大量的移动用户、更为增强的终端能力、更高容量网络的部署，对于目前业界进行的新兴技术的研究及应用将带来很大的挑战。“5G广播”的发展目标很明确：一是5G网络要能提供新兴的广播/单播混合型业务；二是让经典广播方式具备更强的交互性。

2018年“5·17”世界电信和信息社会日当天，中国首个基于5G测试网络的8K视频应用平台在上海正式首发。发布会现场，上海广播电视台旗下东方明珠新媒体股份有限公司、百视通公司，与中国电信上海分公司、富士康科技集团、诺基亚、Intel、华为、中兴、烽火、爱立信、晨兴软件、小鸟看看、杜比实验室、未来媒体、上海交通大学、南京邮电大学等15家合作伙伴联合宣布成立“5G+8K”产业联盟，共同启动相关测试平台——“5G+8K试验网”。希望共同发挥上下游主流企业在各自领域的产业优势，进行资源整合、合作創新，共同推进产业建设的新未来。

2018年12月，第十二届音乐盛典咪咕汇在上海盛大开幕，周杰伦、张惠妹等华语乐坛著名歌手悉数亮相。在上海移动、咪咕、华为的通力合作下，本次音乐盛典成功实现了5G网络切片在全球大型活动直播中的首次应用。

2018年12月，中央广播电视总台与中国移动和华为等四家单位共同签署了《合作建设5G新媒体平台框架协议》，各方共同表达了对于5G网络应用于新媒体的期待。5G网络以其“高速率、低时延、大容量”的特征，将为超高清视频技术的大规模应用提供必要条件，而5G技术与4K、8K、VR等超高清视频结合，将会为视频内容的采、编、播、传等各个环节带来革命性的变化。

2019年1月，中国移动与央视合作便有了新进展，中国移动在中央广播电视总台光华路办公区率先开通2.6GHz+4.9GHz 5G双频网试验点。1月13日，中央广播电视总台联合中国移动、华为公司在广东深圳成功开展了5G网络4K电视传输测试。走过36年的央视春晚，将在深圳分会场历史性地首次实现4K超高清内容的5G网络传输。

经过现场测试，在双频设备均开通100M带宽时，5G网络下行带宽能力达5Gb/s以上。

5G双频基站将直接支撑中国移动与中央广播电视总台合作中的创新业务测试及新媒体应用实践。

七.技术应用趋势与展望

截止目前，我国第一代地面数字电视标准DTMB颁布业已12年，2020年也将开始地面模拟电视向地面数字电视的过渡。因此，有必要制定一个我国下一代地面数字电视的科研计划，开始启动我国新一代地面数字电视标准的研制工作。制定出我国新一代地面数字电视标准体系，充分利用广电在内容方面的优势，摒弃“网络仅仅是管道，网络独立于内容”的思想，进一步整合节目服务与传输服务，构建‘内容+网络、‘广播+互联的未来数字电视协同覆盖网络，从而保证广大受众能像移动互联网用户一样，随时随地接入未来广电融合网络，享受更加优质的广电服务。

我国新一代地面数字电视标准应用层应采用开放、多元的技术，可以包括：新一代音视频编码技术、高动态HDR技术、全息音频3D Audio技术、HTML5呈现技术、智能操作系统、人工智能语音识别技术以及音视频大数据分析推荐技术等。全球几乎所有的广播者都在考虑广播和互联网的融合问题。未来的广播电视需要反向信道，但是广播电视服务本身的反向需求带宽并不高，主要业务是电子商务、视频点播以及信息反馈，是一种典型的双向非对称业务。

随着移动通信和终端技术的发展，用户获得信息服务的渠道和观看视频的方式发生了变化，广电行业面临严峻挑战。移动网络正在从传统的以语音为主的通信网向具有综合承载能力的信息网络转变，成为一个信息承载平台。广电网络要抓住这个变革的机遇，推动移动通信网和广电网络融合，开展基于双向通信和单向广播融合的无线交互广播电视业务，以服务大众，传播主流文化，满足新时代的新需求。为此，总局科技司发起成立了“无线交互广播电视”工作组，制定与5G融合的新一代无线广播标准。

2018年4月20日，国家广播电视总局在北京组织召开了无线交互广播电视工作组成立会议。总局科技司司长许家奇讲到，中央提出了推进媒体深度融合、移动优先的战略要求，广播电视网与移动通信網的协同、融合是支撑广播电视业务发展的客观要求。无线交互广播电视工作组将秉承开放、包容的原则，充分学习、借鉴国际先进标准组织的成功经验，研究5G背景下的无线广播电视技术。联合各行各界产学研用相关单位，共同推进落实智慧广电战略，打造新一代无线交互广播电视网。工作组制定的相关技术标准和体系需要经得起时间考验、实践考验和用户的考验。

2018年底，国家广播电视总局向各省广电局、总局直属各单位和中央广播电视总台印发了《关于促进智慧广电发展的指导意见》。《指导意见》提出加快建立面向5G的移动交互广播电视技术体系。统筹无线广播电视数字化与下一代无线通信技术发展，推动融合演进、协同创新、重点突破，加快构建面向移动人群的新型无线广播电视网络，加强技术研发、标准制定，推进技术试验和应用试点。突出移动优先策略。主动适应新技术条件下媒体服务泛在化、移动化、交互化、个性化的潮流趋势，贴近受众需求、提升受众体验，把资源、技术、力量向移动端倾斜，补齐广播电视移动短板，把握移动机遇，服务移动受众。《指导意见》提出加快智慧广电传播体系建设，以服务用户为中心，加快广播电视网络传播体系整体性转型升级。加快智慧广电生态体系建设，加快培育和建立智慧广电新生态；推动广电治理能力现代化；推动共建共享与多元共治；推动开放合作与共同发展。B&P

（全文完）

参考文献：

[1]《ITU-R：全球4K/8K超高清晰度地面数字电视广播网络现网试验现状》李远东著。

[2]www.dtnel.org数字电视国家工程实验室（北京）网站。

[3]《美国新一代数字电视atsc+3.0标准技术体系介绍》 上海交通大学未来媒体网络协同创新中心、数字电视国家工程研究中心。

[4]《我国新一代地面数字电视标准体系建设构想》 冯景锋，张文军，管云峰，刘骏，何大治著。

[5] http：//bc.tech-ex.com（科讯网）

[6] http：//www.rti.cn/ （《广播电视信息》）

[7] www.lieku.tv （国家新闻出版广电总局广播电视规划院）