原创 从技术的角度看目前手机电视的发展(上)

本文作者余智先生，北京邮电大学博士生；余兆明先生，南京邮电大学信息工程学院教授。 

    关键词：手机电视　DVB-H　信源编码　信道编码　数据压缩　GPRS　H.264

概述

　　“手机电视”可谓时下最热门的话题。2003年Sony开发成功手机微波数字电视调谐器模块，功耗不到150mW，能够收看VHF频带7个频道和UHF频带13～62个频道数字电视节目。中国移动、联通公司分别试验了各自的“手机电视”业务。运营商通过2.5GHz或2.75GHz网络传输技术来播放“手机电视”节目。采用通用无线分组业务(GPRS)技术，目前GPRS平均速率在40kb/s左右。或通过CDMA1X开展手机电视传输试验，平均速率在100kb/s左右。

　　从我国目前几款手机电视情况来看，不管采用什么样的技术，播放的图像帧速率有两种：(1)1～2帧/秒；(2)12～15帧/秒。由于帧速率太慢，图像象素数太少，达不到电视实时传输的效果，而且收看时间也就一小时左右。

　　要在手机上看电视，技术上需要处理好三个环节：信号源、传播途径和接收终端。信号源方面，需要高压缩比的信源压缩编码标准；传播途径方面，不外乎无线微波和网络传输两种技术。为了实现移动接收，需要抗干扰能力强的数字调制和信道处理技术。接收终端方面，必须开发高集成度、体积小、重量轻、耗电小的芯片，以及体积小、高容量的充电电池。下面就这些技术问题作进一步探讨。

移动通信的传输速率

　　任何一种通信工具，不管承担什么样的信号传送功能，与它采用的技术、所载信息的传输速率密切相关。目前广泛使用的2G手机传输信息的速率大约为19.2kb/s，由于速率低，只能用来传话音，不能传图像。2.5G移动通信采用GPRS技术，理论上传输速率最高能够达到171.2kb/s，可传输较高帧速(12～15帧/秒)的可视电话图像，但目前普遍采用40kb/s速率，可用来传输1～2帧/秒的低速人头图像。3G移动通信最高传输速率可达1.92Mb/s，可用来传送MPEG-1/-2/-4压缩标准的图像和声音，能达到电视实时传输的效果。就目前已掌握的技术而言，要用手机看电视，必须使用3G移动手机。

2.5G中的GPRS技术

　　GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络，与原有的GSM相比，具有许多优势：只要激活GPRS应用，将永远保持在线，不存在掉线问题，而且不必担心费用问题，因为只有产生通信流量时才计费；类似于一种无线专线网络；全新的分组服务，无需以往长时间的拨号建立连接过程；话音和数据业务可以切换使用。

GPRS业务及其特点

　　GPRS为用户提供端到端分组交换和传输方式数据业务，能有效地利用网络资源。GPRS应用业务有以下特点：

　　(1)适用于突发(非周期)的数据业务；
　　(2)频繁传送少量数据，适用于每分钟传送几次小于500B的短数据业务；
　　(3)非频繁传送大量数据，适用于每小时内传送几次几kB的长数据业务。
　　GPRS网为移动数据用户主要提供突发数据业务，并能快速建立连接,无时延。提供的数据业务种类包括：点对点数据业务(PTP)、一点对多点数据业务(PTM)、补充业务、短消息业务等。还能提供以GPRS承载业务为基础的各种电信数据业务，即网络应用业务。

GPRS网络的特点

　　(1)灵活使用无线资源。多个GPRS用户可共享一个时隙，或者一个用户最多可使用8个时隙，即可以按需分配无线资源和传输容量，在没有数据时可释放容量。这样，有限的无线资源将可以容纳更多的用户。而且上下行链路可不对称，数据速率可变，系统可以动态地分配信道资源给分组数据用户和话音用户，从而大大提高无线信道的利用率。
　　(2)更高的数据速率。GPRS以可变的速率提供数据连接，根据无线环境，分别采用CS1(9.05kb/s)、CS2(13.4kb/s)、CS3(15.6kb/s)、CS4(21.4kb/s)四种编码方案来提供业务，当占用８个时隙时，速率最高可达171.2kb/s。考虑各种开销和信道编码因素，实际的最高速率为115kb/s。目前较多GPRS系统仅支持CS1和CS2。
　　(3)始终在线。GPRS用户一旦接通后，即成为网络的服务对象，且只在收发数据时才利用网络资源，并且当资源释放后再次接入网络时，无需重新发起业务，接入延迟非常短。
　　(4)计费方式。按流量计费，计费方式更趋合理。
　　(5)灵活选择使用模式。根据网络和MS的工作模式，用户可以分别／交替／同时进行话音和分组数据业务。
　　(6)ＰＣ通过3+1 GPRS手机上网浏览，峰值速率可达40kb/s；利用FTP传输文件的平均速率可达30kb/s。
　　(7)WAP与GPRS已实现对接，可用WAP手机直接访问WAP网关。

可用于手机电视的传输标准——DVB-H

DVB-H系统结构

　　DVB-H支持的是手机等小型移动终端设备，可望成为手机数字电视传输标准。DVB-H是建立在DVB数据广播和DVB-T传输之上的标准，更注重于协议实现。系统前端由DVB-H封装机和调制器构成，前者负责将IP数据封装成MPEG-2传输流，后者负责信道编码和调制。系统终端由DVB-H解调器和终端构成，前者负责信道解调、解码；后者负责相关业务显示、处理。DVB-H传输系统还具有以下特殊要求：
　　(1)为延长电池的使用时间，终端周期地关掉一部分接收电路以节省功耗；
　　(2)能漫游，漫游时仍能非常顺利地接收DVB-H业务；
　　(3)传输系统能保证在各种移动速率下顺利接收DVB-H业务；
　　(4)系统具有很强的抗干扰能力；
　　(5)系统具有相当的灵活性，以适应不同传输带宽和信道带宽应用。

协议层次划分

　　DVB-H标准将实现数据链路层和物理层。
　　(1)数据链路层——采用时间分片技术，用于降低平均功耗，便于进行平稳、无缝的业务交换；采用MPE前向纠错技术，提高移动使用中的C/N门限和多普勒性能，增强抗脉冲干扰能力。
　　(2)物理层——与DVB-T相比，增加了4k传输模式和深度符号交织等内容。
　　其它技术特点包括：在传输参数信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)比特中增加DVB-H信令，用于提高业务发展速度；蜂窝标识(在TPS中)用于支持移动接收时快速信号扫描和频率交换；增加4k模式以适应移动接收和单频蜂窝网，提高网络设计、规划的灵活性；2k和4k模式进行深度符号交织，进一步提高移动环境和冲击噪声环境下的鲁棒性。

关键新技术

　　功耗
　　DVB-H要求射频接收和信道解调、解码部分的功耗小于100mW。

　　网络设计
　　由于DVB-H终端在网络内移动时接收天线小巧且单一，必须优化设计单频网。为此，DVB-H增加了新的技术模块，主要包括：
　　时间分片——基于时分复用技术，节省接收终端功耗和便于网络交换；
　　MPE-FEC——基于RS纠错编码技术，增加额外的前向纠错编码，提高系统的移动和抗脉冲干扰能力；
　　4k模式——用于提高网络设计的灵活性；
　　DVB-H TPS——为DVB-H专用的传输参数信令，用于提高系统同步和业务访问速度。

　　时间分片
　　DVB-H信号由许多时间片组成，时间分片采用突发方式传送数据，每个突发时间片传送一个业务，单独占有全部数据带宽，并指出下一个相同业务时间片产生的时刻，能够在指定的时刻接收选定的业务；空闲时间节能，降低平均功耗。在相同业务的两个时间片之间，将会传送其他业务数据。接收到的数据并非恒定速率，它以离散的方式间隔到达，称之为突发传送。如果解码终端要求恒定码率，可以先进行缓冲，生成速率不变的数据流。

　　(1)时间分片与功耗
　　时间分片、突发传送数据，具有更高的瞬时速率。为节省功耗，突发带宽一般为固定带宽的10倍左右。例如一个恒定速率为350kb/s的业务流，要求4Mb/s左右的突发带宽。突发带宽为固定带宽的两倍时，功耗可节省50%，如果为10倍，则功耗可以节省90%。

　　(2)时间分片与PSI/SI
DVB-H标准规定PSI/SI信息不进行时间分片处理，分配一个固定带宽。

　　手持终端需访问SI中的NIT和INT表。NIT表的内容是恒定的，当手持终端加入一个新网络中时，首先要接收该表，确定网络参数。当在不同的传输流之间切换时，手持终端须读取INT表，INT表变更信息在PSI的PMT表中标识。

　　由于DVB标准规定PSI信息必须每隔100ms重传一次，如果突发脉冲的业务传送时间超过100ms，则手持终端能够在接收业务的同时访问所有PSI信息；如果业务传送时间小于100ms，手持终端须在业务接收完毕后继续工作一段时间，确保完成所请求PSI表的接收。

　　(3)时间分片与业务交换

　　采用时间分片技术，使手持终端能够在业务传送空闲周期对相邻蜂窝进行监视，扫描其他频率信号、测试信号强度，但并不中断本业务的接收。当用户进入新的网络时，根据监视结果在空闲周期切换到具有相同业务的不同传输流上，从而实现准最优、无缝业务交换。如果在前端对业务同步精确编排，能够使相同业务及时出现在相邻峰窝的不同时隙上，而用户不会察觉这种变化。

　　(4)时间片和条件接收

　　DVB-H可采用两种条件接收方式。其中一种是基于IP的条件接收系统(IP-CAS)，所有的CAS相关信息都在IP数据中，并可以支持时间分片技术，以减小功耗。

　　MPE-FEC

　　DVB-H在数据链路层为IP数据报增加了RS纠错编码，作为MPE的前向纠错编码，校验信息将在指定的FEC段中传送，称之为MPE-FEC。提高移动信道中的C/N、多普勒性能及抗脉冲干扰能力。

　　4k模式和深度符号交织

　　为进一步提高移动时4k模式的抗脉冲干扰性能，DVB-H标准特别引入了深度符号交织技术。

　　4k模式符号具有较长的周期和保护间隔，能够建造中型单频网，并能够更好地进行网络优化，以提高频谱效率。虽然这种优化不如8k模式的效率高，但是4k模式比8k模式的符号周期短，能够更频繁地进行信道估计，提供比8k更好的移动性能。

　　DVB-H传输参数信令

　　DVB-H的TPS能够为系统提供一个鲁棒、易访问的信令机制，能使接收机更快地发现DVB-H业务。TPS是一个具有良好鲁棒性的信号，即使在低C/N的条件下，解调器仍能快速将其锁定。

　　DVB-H标准适用于移动通信和多媒体业务，为电视广播做准备，因此视频压缩技术至关重要。传统的视频压缩标准如MPEG-2显然不能满足DVB-H的要求，为此针对DVB-H考查了多种视频压缩格式，其中最为令人瞩目的是H.264(即MPEG-4的第10部分)。