3G电视直播技术的应用与思考

摘　要：通过分析3G电视直播技术的主要特点、系统架构和实际应用情况，提出当前3G电视直播（传输）系统的不足之处及相应的解决建议。

关键词：3G移动通信技术；新闻直播（传输）； 时效性； 链路； 信号接力

内容和时效性堪称新闻节目的灵魂，要是一条新闻不能以最快的速度呈现在观众面前，作为我们电视工作者来说感觉付出了一天的辛勤劳动却得不到自己想要的结果，会有一种失落感。在当今追求更高、更快、更强的时代，新闻报道除了内容因素外，时间的因素是我们最值得思考的地方。有赖于3G移动通信技术的快速发展，使得电视视音频素材的传输在卫星通信、微波通信和光纤电缆通信之外又多了一种选择。3G移动通信技术的出现，带来一种廉价、使用方便灵活的传输方式，其在电视信号传输领域的应用，成为传统传输方式的一种重要补充。对于地面频道如果对画面质量要求不是很高，完全可以利用此技术在新闻类节目中实现常态化直播，特别是对突发事件的直播报道。与传统传输方式相比，3G技术的独特优势有。
（1）相对卫星通信技术，卫星通信技术的费用高，使用需要提前申请，不灵活，城市区域受建筑物的遮挡存在不少盲点，不能大范围、快速移动。3G方式费用低，使用便捷，城镇区域盲点较少，可以大范围快速移动。（2）相对微波通信技术，微波技术传输距离有限，长距离传输需要中继，每次使用需要架设调试设备，设备昂贵，不能大规模铺设。3G方式通过电信或移动运营商提供的大规模通信网络传输，传输距离长，设备廉价。（3）相对光纤电缆，光纤电缆由于不能大范围移动，铺设工程耗时，多点铺设费用高。而3G方式能灵活移动，有现成的网络覆盖，使用成本低。
可见，电视媒体进行突发类新闻直播（传输），或者在交通、供电条件恶劣、地形复杂的地方进行直播或传输，使用3G方式是一种很好的选择。例如，一场暴雨导致多个地下车库的车辆受淹，受交通、供电、卫星频道需提前申请等因素影响，卫星、微波、光纤等方式难以第一时间提供传输支持，这时候，如果现场有3G信号，上述问题就迎刃而解，记者拿着便携式摄像机甚至手机即可做现场直播报道。
1　3G直播系统概述
在新闻现场通过摄像机采集视音频信号，3G发射端对视音频信号进行压缩编码处理，数据信号通过3G链路回传到台内终端，3G接收终端对数据信号进行解码重组处理，输出视音频信号。根据节目的紧急程度，可以有选择地录制成文件，进行编辑制作，也可以直接将节目以SDI信号的方式送给演播室进行第一时间播出。系统的技术核心是：以稳定可靠的核心实时数据（视音频、数据、信息）通信为内核而建立的一套开放应用系统。该系统的面向用户的理念是：根据用户的实际通信网络和具体功能需求，设计系统的应用策略，在满足用户的实际需要同时，最大限度适应用户系统的网络特性，确保系统使用的功能拓展性和可靠性。其传输链路如下图一所示。

图一

可见，3G传输链路可以理解为信号源与信号传输目的地之间建立了一种无线有线混合的连接，其前端是一种窄带的无线网络，这个网络是社会共享的，后端是窄带的基于IP的有线网络。整个传输链路中，基站与移动核心网、移动核心网与互联网、互联网与后方服务端之间都是有光纤、电缆等相对稳定可靠而且高速的连接，而发射端和基站之间只能靠无线网络传输，很明显，整个系统关键在于3G发射端与基站之间的无线网络。从电视直播技术需求的角度来看，传输安全可靠和信号质量高是鲜明的特点。3G网络的安全机制，抗干扰能力，服务质量QoS保障技术，基站的覆盖状况，基站间切换传输时是否稳定平滑，带宽和编解码技术等技术特性，关系到3G技术在电视领域应用是否可行。
2　3G电视直播（传输）关键要素分析
2.1　安全机制要素
为保证信息在网络传输中的安全，同时保证台内系统与外部网络的相对隔离，系统设计中可以使用VPDN的网络安全接入方式。VPDN全名为虚拟私有拨号网络（Virtual Private Dialup Networks），是指以拨号接入方式上网，通过对网络数据的封包和加密在公网上传输私有数据，达到私有网络的安全级别，从而利用公众交换电话网络（PSTN）的架构来构筑企业之私有网络。
VPDN的功能特点：（1）通过对网络数据的封包和加密在公网上传输私有数据，达到私有网络的安全级别，从而利用公网来构筑企业之私有网络。（2）远程用户经过公共网络，利用VPDN先进的IP虚拟通道技术，通过虚拟的加密通道与企业内部的网络连接，而公共网络上的用户则无法穿过虚拟通道。（3）使用VPDN业务，用户无需自行投资建立昂贵的广域网络便可以建立自己的私有网络，且节省长途拨号费用，减少运营成本。但是要实现这种安全机制，还是要牺牲一定的设备和带宽资源，有时为了更好的避免画面不流畅、延时的情况发生，实际中不得不采用公共网络，既降低安全性来换取信号的流畅。
2.2　G抗干扰能力
根据3G网络运营商提供的数据表明，3G的干扰主要包括系统内的干扰和系统间的干扰。对于3G在封闭性好的建筑里面进行测试，结果表明多个拐角和多层墙间隔对信号的传输影响不大，因为3G信号对整个建筑的覆盖情况差不多，所以实际没什么影响。在所有的应用中，由系统间干扰造成的影响几乎没有，或者说影响小到几乎无法察觉。
2.2.1　服务质量QoS
目前运营商上载带宽每个扇区共享5.8Mbps左右，每个3G网卡上载带宽不
超过1.5Mbps，多块卡经测试不超过3Mbps，这样导致在很多情况下，无法回传高清视频数据，大多数情况下，只能实现标清节目的直播。稳定的带宽保障以及特殊业务优先接入方面，国内运营商目前所能实现的还是所有3G业务共享同一网络传输平台及带宽，没有对不同的业务做相关的QoS保障，导致视音频传输业务（特别是在人流密集区）无法享受到稳定的带宽，从而可能会影响到直播业务的传输性能和画面质量。如何针对不同用户或业务便捷地提供独享、稳定的带宽以及业务的优先接入是需要运营商在扩大传输平台的使用率方面应该考虑的事宜。
2.2.2　G基站的覆盖状况
目前3G基站的建设和覆盖正逐年稳步增长，无论是中国联通的WCDMA基站、中国电信的CDMA2000基站还是移动的TD-SCDMA基站都迅速的由城市向乡村快速扩展。具国家工信部的权威统计，截止2011年12月31日我国3G基站总数达到79.2万个。
表一   截止2011年12月31日已建成基站及覆盖率

由此看出我国的3G网 络建设已取得阶段性成果，3G传输设备得以大范围使用。
2.3　目前3G网络的带宽
对于电视直播，除了要求信号能够快捷、安全地回传到媒体中心之外，信号质量高也是一个重要特征，对应的关键技术指标是3G网络带宽。对于3G网络，其上下行速率是不对称的，一般下行速率较快，对于电视信号在3G通信中的应用，其上行速率是需要重点关注的。国内，中国联通WCDMA的上行速率理论值是在5.75Mbps，明显优于移动的TD-SCDMA和电信CDMA2000，因此在实际应用中，中国联通的WCDMA的3G卡是大多数直播应用中所主要采用的。在单卡情况下实测上行速率对比见下表：

2.4　编解码技术
在目前的3G直播中主流的编解码技术是H.264（既MPEG4/AVC），或者是在其基础上做部分优化。H.264编码技术具有低码流、高网络适应能力、强丢包控制和误码恢复等优点，适应高误码率的无线网络。很适合用在3G直播技术当中。H.264编码技术的优点：A.高编码效率，比MPEG2平均节约64%的传输码流，比MPEG4 ASP平均节约39%的传输码流。B.能够在低码率情况下提供高质量的视频画面。C.高网络适应能力，H.264可以工作在视频直播的低延时要求下，也可以工作在没有延时的视频存储中。D.采用DCT变换编码加DPCM差分编码的混合编码结构，增加了如多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4×4二维整数变换等新的编码方式，提高了编码效率。E.可根据不同的环境使用不同的传输和播放速率，并且提供了丰富的错误处理工具，可以很好的控制或消除丢包和误码。F.具有强大的错误恢复功能，提供了解决网络传输丢包的工具，适用于在高误码率的无线网络中传输视频数据。
3　实际应用情况
    2011年初，我们台为热播的民生新闻栏目《百姓关注》栏目组配备了3G新闻直播设备，关注老百姓身边的事情，把民生新闻和突发新闻在最短时间，全面呈现在全市观众面前，该档节目时效性强，内容覆盖范围广，要求设备不受时间和地域的限制。在设备的使用上，为栏目其中三组记者各配备一台3G传输终端设备，每台终端配备4张卡，并在演播室机房部署一台媒体服务器，前端一般使用联通WCDMA信号回传，将摄像机拍到的信号实时传送到媒体服务器，录/播服务器通过视频卡和相应的软件，输出多路SDI信号供直播或编辑使用。空闲时段码率一般不小于1.5Mbps，图像质量完全可以接受，如果采访现场使用手机的人较多或3G信号比较弱时，传输受到影响，摄像记者就把图像录到P2卡中暂时保存，待去到3G网络稳定的区域时再通过传输终端把视频流回传到台里，或者记者将拍摄的素材用装有非编软件的笔记本电脑粗编后，再把编辑好并打包生产的文件用3G传输终端传回媒体服务器。3G直播设备的投入使用为我们提供了民生类新闻和远程连线节目的现场播报手段，尤其在狭窄的街道或崎岖的山路上，发挥出灵活、快速的作用。
4　系统存在的不足和解决办法
虽然3G电视直播系统有许多独特的优势，在这几年的应用中运营商网络和广电设备厂商方面也在不断的改进和发展，但是依然暴露出不少问题，具体归纳如下。
（1）客户端设备集成度不高，重量偏大，可靠性差，应对恶劣环境下的三防设计不足。（2）和导播的通话功能不足或者功能不强大。（3）运营商网络信号覆盖存在盲点。由于网络建设和优化的速度难以同步基础设施建设，所以3G信号的覆盖盲点无法短期内消除。（4）常见的信号覆盖盲点为：电梯内、地下室、地下礼堂、车库、3G信号屏蔽区域（重要会场）等。由于3G网络的传输距离和传输环境限制，在特殊环境下会出现信号偏弱，丢包率高的故障，尤其是3G 基站的边缘地带和房间分隔众多的大楼内部。（5）用户过多时，带宽限流。由于每个3G基站覆盖范围内支持的用户数是有限的，如果入网用户超过基站的承载数量，基站会采用带宽限流，无法保证每位接入用户的网络带宽。
4.1　根据应用中暴露出的不足，提出的解决方法如下
（1） 在应急和突发新闻直播的现场中，记者经常会遇到恶劣的天气和环境，雨水、灰尘、磕磕碰碰在所难免，为了保证传输终端的安全运行，在提高客户端设备的集成度减少设备本身体积和重量的同时，应采用铝镁合金等更轻便更易于散热的材料，这些材料有利于降低设备重量，同时可以省去散热孔和风扇，隔绝了粉尘对设备的伤害。
（2） 在传统的新闻直播业务中，导播需要通过多方通话系统或者电话来和现场记者沟通，而通过3G网络回传视频时可以把语音信息加载到视频数据业务中，实现导播人员在录/直播服务器上，可以通过监控通道来和现场记者双向通话。或者至少能够传送TALLY指示灯的信号，使得客户端和解码接收服务器之间进行数据传输时，可以有一个数据开始传输的标志，在传输中断或完毕后，显示相应中断或停止提示信号。
（3） 采用多卡捆绑技术和链路聚合技术、多链路扩展技术相结合。所谓的链路聚合是一种封装技术，实质是将两条或多条数据链路“组合” 成逻辑上的单条数据通路。而当前最为成熟的H.264编码图像在720×576像素下传输不能低于1.5Mbps的码率，3G网络单卡的传输效率是达不到要求的，因此采用多卡捆绑的方式，通过链路聚合技术来提高通道的传输速率。多卡捆绑方式不仅将速率提升到600Kbps～2.5Mbps，由于采用不同运营商3G卡的组合，形成多链路传输，使传输的质量得到更好的保障。链路聚合技术还可以通过多个任意制式的无线信道的捆绑，可在现有的3G/WiFi网络上将数据有效传输带宽进一步扩展到3Mbps。例如，在特定的时间或地点，中国移动的3G链路质量较差，而中国联通和电信的链路质量令人满意，就可以使用联通和电信的3G链路继续传输，而且通过多链路扩展技术，把海事卫星、WiFi、Wimax等无线信道，ISDN、ADSL等有线信道同时作为数据的传输通道，当3G信号变弱变差的时候，采用纠错和自动链路负载均衡技术，将多个不可靠、低速链路组合成一条可靠的宽带上行链路用来保证视频节目的实时传输。通过以上三项技术的有机结合可以实现大多数区域内的视频直播。传输架构简图如图二

                                  图二
（4） 采用信号接力传输方案。对于小范围区域100~500 m覆盖范围不佳的情况，可以利用无线数字微波与3G无线传输搭配使用来解决。地面数字微波系统运用600~800 Mhz的广播电视频段，同时使用自成体系的发射与接收系统，保证在城市复杂条件下500 m，空旷区域3公里的有效视音频传输，通过地面数字微波系统将视 音频素材信号从 3G信号异常区域，中继到有3G信号覆盖且3G信号较为稳定的地方，然后再利用3G直播客户端设备将视音频实时回传到电视台，实现无缝接力3G电视直播。例如在矿井下或山区里，由于没有3G信号覆盖，这时可通过数字微波摄像机在矿井下将拍摄的信号传送到地面，然后再与3G新闻传送系统进行接力对接，最终通过3G网络将现场实况传回电视台。如图三所示。
  
                              图三
（5） 采用视音频数据本地保存延时播出。对于附近几公里甚至更远区域无3G网络覆盖或3G覆盖不稳定的情况。由采集服务器和存储设备实现延时播放的功能，既来自前端采集（包括采集、编码和分割）的经过分割的高码率流发送到采集服务器，采集服务器统一采集并存储到相关的存储设备中。当记者返回到信号覆盖区域时，可以随时补传新闻素材，不需要经过其他传输设备中转。如图四
图四
5　结束语
基于3G通信技术的新闻直播传输系统在广播电视上的应用，极大地丰富了节目的表现形式，可以展现以往节目中难以获取的珍贵素材，并在实现成本上远远低于转播车或光纤传输设备的投入。随着3G/4G移动通信技术的不断成熟和推广，从电视直播转播的实际应用与需求出发，融入广播电视领域前沿的科学技术成果，相信新一代的3G乃至4G新闻直播系统会更广泛的应用在广播电视行业中，并且真正实现电视节目直播常态化。

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