基于ITU-T J.183的8K广播电视传输方案与实现

张冬青，李海波，郑智伦

（广东省广播电视网络股份有限公司，广东 广州 510623）

0 引言

近两年，国内8K技术及制作方面已经取得一定进展。中央广播电视总台计划于2021年开展8K超高清试验，并可望在2022年北京冬奥会前夕开通8K的超高清试验频道。工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合发布的《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》，提出坚持“4K先行、兼顾8K”的总体技术路线，实现我国超高清视频产业快速、健康、有序发展。8K超高清视频对画面质量将带来质的提升，实现对现实场景的高程度还原，甚至接近于人眼的感受。在赛事/演出直播、游戏等消费娱乐领域，8K可以为观众和用户带来更加震撼的视觉冲击力，以及细节上的精密展现。而8K更深层次的价值在于，其更大的信息密度承载能力，以及更多细节呈现力，将可以催生出更多的应用场景。8K节目制作也正逐步融入主流，并且在特殊应用场景中，8K将是不可或缺的。随着5G时代的到来，8K超高清产业将迎来更大的发展机遇。作为视频业务的专业运营商，广东省广播电视网络股份有限公司（以下简称“广东广电网络”）于2019年开始布局8K广播电视的技术研究，并于2020年开展试点工作。

1 可行性分析

随着超高清视频产业的不断发展，直播点播视频传输对带宽要求越来越高。目前广东广电网络数字广播电视传输采用的是DVB-C标准，高清互动电视采用的NGOD标准，由于这两个标准均没有类似DOCSIS的信道绑定技术，因此单个频点无论是采用64QAM（约38 Mb/s）调制还是256QAM（约50 Mb/s）调制，均难以实现8K（100 Mb/s +）视频传输。如要通过广播电视网络实现8K视频传输，需进行两个或以上的信道绑定，才能满足传输的带宽要求。因此，选择一个可在广播电视网络中适用的技术标准是第一步。国际电联ITU-T J.183协议中的信道绑定标准以及欧洲的DVB-C2标准均有在广播电视网络实现8K传输的解决方案。广东广电网络自行研发的家庭智能网关（DVB）支持将同轴网络中的广播电视信号进行解调，并通过TS over IP的方式在家庭网络中分发，8K电视机或8K机顶盒接收后对视频进行解码并呈现。

1.1 TDM与信道绑定方案

ITU-T J.183《Time-division multiplexing of multiple MPEG-2 transport streams and generic formats of transport streams over cable television systems》标准规范详细规定了采用基于 TDM（time-division multiplexing）与信道绑定的方式传输超高清电视（UHDTV）的技术。

具体说来，由于传统DVB-C网络的单个信道不足以提供传输一套8K超高清电视节目所需的容量，因此就需要捆绑多个物理频道。在前端，8K音视频被封装到TS，由于码率很大，必须将TS进行分割，然后被复用进一种ITU-T J.183所规定的TSMF（Transport Stream Multiplexing Frame）“超级帧”，最后对每一个超级帧进行64 QAM或256 QAM调制，可以调制到有线电视网络中任何一个物理频道；另外在前端SIG中需要指定NIT的Cable Delivery System Descriptor中对应频点的Frame_Type为TSMF_Type，从而使得终端获知该频点包括TSMF帧。在TSMF帧中通过Stream_ ID和Original_Network_ID惟一标志在TSMF中的一个TS流，在前端SIG中还需要在SDT表中包括TSMF帧中的TS对应的Service描述。而在用户端，接收设备对解调后的每一个超级帧进行解复用、同步、组合等处理，重建出8K的TS，再进行解码。具体方案如图1所示。

图1 基于TDM与信道绑定的8K传输方案

图中，8K视频源通过IP组播方式播发，TSMF分割打包服务器接收到8K视频码流后，将TS流分割，并按照ITU-T J.183的规范封装成TSMF超级帧，再通过复用调制器交付到HFC网络；相应的SIG的NIT以及SDT需要根据TSMF规范添加上文所述的相应参数和描述，并同样通过复用调制器交付到HFC网络；家庭网关按照ITU-T J.183的规范对每一个超级帧进行解复用、同步、组合处理重建出8K视频流，然后以TS over IP方式分发到家庭网络。

1.2 DVB-C2方案

DVB-C2比DVB-C具有更高的传输效率，支持传输8K业务。需要指出的是，如果使用DVB-C2技术，要求家庭智能网关的Tuner必须支持DVB-C2，同时需要升级前端的复用调制器以支持COFDM调制。如图2所示。

图2 基于DVB-C2的8K传输方案

图中，8K视频源通过IP组播方式播发，前端系统接收到8K视频码流后，转为TS over IP汇入到COFDM复用调制器，通过COFDM复用调制器交付到HFC网络。终端需要采用支持C2的解调器与，通过支持DVB-C2的TUNER/DEMUX解调出8K视频流，然后以TS over IP方式分发到家庭网络。

1.3 技术选型

广东广电网络决定采用ITU-T J.183协议的信道绑定标准来制定方案并实施。其中，数码视讯的下一代数字电视复用调制平台已有工程机支持ITU-T J.183协议的信道绑定标准；华为海思的Hi3796CV300机顶盒芯片是国内较为成熟的8K解码方案；广东广电网络自主研发并规模商用的家庭智能网关（DVB版本）配置有Full-Band Tuner，通过软件升级可实现对ITU-T J.183协议的信道绑定标准的支持。

2 技术方案

2.1 8K直播与点播方案

在ITU-T J.183协议中，帧头字段里有较多用来描述多个视频TS流的合并信息，主要用于slot的检索。为了便于设计，方案对此进行精简，不考虑多个视频TS流合并的情景（在8K场景中可不应用多个视频TS流合并，如果需要在一个捆绑的多频点信道中传多个节目，只需要将多个节目复用为一个TS流），即只支持一个TS流（SPTS），省略终端的slot检索过程，一个TS流中的不同节目可以用PID区分。8K直播传输方案如图3所示。

图3 8K直播传输方案

编码器输出8K节目IP-TS流，承载单个/多个节目。8K IP-TS流经复用加扰后，传输到IPQAM。IPQAM负责对每个IP-TS流里接收到的TS流拆分成多路，每路都封装成TSMF帧，然后按DVB-C 的信道协议进行信道编码和调制，最终通过多个信道输出RF-TS流。由于在拆分的子码流中添加了时间及标识信息，可任意选择DVB通道进行信道绑定，进一步提升了该方案的普适性[1]。8K点播传输方案如图4所示。

图4 8K点播传输方案

VSS（推流服务器）输出IP-TS流到IPQAM、融合CDN把HLS的流转为IP-TS流到IPQAM。

IPQAM负责对每个IP-TS流里接收到的TS流拆分成多路，每路都封装成TSMF帧，然后按DVB-C的信道协议进行信道编码和调制，最终通过多个信道输出RF-TS流。1个TSMF帧有一个长度为188字节的TSMF_header和52个TS包组成。由于多信道绑定，为了便于接收端对齐信道，要求信道间的超帧尽可能对齐，为了减少接收端的缓存空间，要求信道间的传输延迟不超过5 ms。

2.2 终端接收及呈现

2.2.1 8K码流接收方案

采用TSMF方案传输8K视频时，需有相对应的终端支持。从多个频点解调输出TS流（TSMF格式），利用TSMF_header字段中的内容对齐每个频点输出的超帧（superframe）。然后通过carrier sequence序号，合并输出数据。

采用TDM与信道绑定的方式传输时。网关中的业务终结系统需要升级以包括TSMF组包处理以及8K业务终结，其中TSMF组包模块用于完成TSMF的解复用，同步以及组合处理重建8K的TS流，而8K业务终结需要增补8K业务对应的SI/PSI信令处理。

2.2.2 8K直播搜台方案

基于广东广电网络的搜台方案（配置表）进行如下改动，来满足8K直播节目的搜台需求，这种改动不会修改原有配置表的结构。

（1）增 加ServiceInfo表ServiceArray中ServiceType和ReferServiceId两个属性的新的取值和含义定义，如增加ServiceType取值为66（注：66为举例值）时，表示该节目为8K节目，增加ReferServiceId值的含义解析，当ServiceType取值为6 6时，ReferServiceId的值表示的是TSMF_PID的值。

（2）对于8K节目，通过ServiceInfo表的多个ServiceArray字段来描述其所传输的多个频点和TSMF_PID的信息。

2.2.3 8K点播改造方案

图5中，红色字体部分即为针对8K点播节目所增加的步骤。根据流程，主要对互动平台推流、资源分配及媒资相关系统模块进行改造，涉及VSS（推流服务器）、ERM（边缘资源管理）、CDN（内容分发网络）、Portal（门户系统）、媒资系统。

图5 8K点播接收改造

3 方案实施

由于目前国家标准的AVS3编码方案未完全定版，基于本方案进行测试的8K视频暂时采用AVS2 编码方案，码率设定为95 Mb/s。2020年6月上旬，在广东广电网络实验室基于上述方案实现了8K直播的播出。

测试过程中发现，由于家庭智能网关需要通过软件拼接TSMF帧并在局域网进行IP分发，处理一路AVS2 95 Mb/s编码的8K视频时家庭智能网关CPU的占用在60%左右，设备处于较高负荷状态。AVS3的目标编码性能理论比AVS2将提升一倍，通过AVS3编码可在现有的网络和终端上继续提升8K视频的帧率与色域等指标，充分发挥8K视频的高阶特性。

图6 8K直播效果

4 结束语

本方案采用ITU-T J.183协议对复用调制设备、家庭网关设备 进行改造，在广播电视网络上实现了8K视频的传输与呈现。与采用DVB-C2、DOCSIS3.1标准的8K传输方案 相比，该方案整体改造成本低，可延长HFC网络与家庭智能网关（DVB版本）的商用寿命。不过，由于目前广电总局尚未发布广播电视网络的8K电视传输标准，基于该方案进行规模商用可能存在一定政策风险。此外，市面上缺乏支持ITU-T J.183协议的设备也是制约该方案规模商用的一个重要因素。