3G電視直播技術的應用與思考

文丨馮毅田

3G電視直播技術的應用與思考

文丨馮毅田

通過分析3G電視直播技術的主要特點、系統架構和實際應用情況，提出當前3G電視直播（傳輸）系統的不足之處及相應的解決建議。

3G移動通信技術；新聞直播（傳輸）； 時效性； 鏈路； 信號接力

內容和時效性堪稱新聞節目的靈魂，要是一條新聞不能以最快的速度呈現在觀眾面前，作為我們電視工作者來說感覺付出了一天的辛勤勞動卻得不到自己想要的結果，會有一種失落感。在當今追求更高、更快、更強的時代，新聞報道除了內容因素外，時間的因素是我們最值得思考的地方。有賴于3G移動通信技術的快速發展，使得電視視音頻素材的傳輸在衛星通信、微波通信和光纖電纜通信之外又多了一種選擇。3G移動通信技術的出現，帶來一種廉價、使用方便靈活的傳輸方式，其在電視信號傳輸領域的應用，成為傳統傳輸方式的一種重要補充。對于地面頻道如果對畫面質量要求不是很高，完全可以利用此技術在新聞類節目中實現常態化直播，特別是對突發事件的直播報道。與傳統傳輸方式相比，3G技術的獨特優勢有。

（1）相對衛星通信技術，衛星通信技術的費用高，使用需要提前申請，不靈活，城市區域受建筑物的遮擋存在不少盲點，不能大范圍、快速移動。3G方式費用低，使用便捷，城鎮區域盲點較少，可以大范圍快速移動。（2）相對微波通信技術，微波技術傳輸距離有限，長距離傳輸需要中繼，每次使用需要架設調試設備，設備昂貴，不能大規模鋪設。3G方式通過電信或移動運營商提供的大規模通信網絡傳輸，傳輸距離長，設備廉價。（3）相對光纖電纜，光纖電纜由于不能大范圍移動，鋪設工程耗時，多點鋪設費用高。而3G方式能靈活移動，有現成的網絡覆蓋，使用成本低。

可見，電視媒體進行突發類新聞直播（傳輸），或者在交通、供電條件惡劣、地形復雜的地方進行直播或傳輸，使用3G方式是一種很好的選擇。例如，一場暴雨導致多個地下車庫的車輛受淹，受交通、供電、衛星頻道需提前申請等因素影響，衛星、微波、光纖等方式難以第一時間提供傳輸支持，這時候，如果現場有3G信號，上述問題就迎刃而解，記者拿著便攜式攝像機甚至手機即可做現場直播報道。

1 3G直播系統概述

在新聞現場通過攝像機采集視音頻信號，3G發射端對視音頻信號進行壓縮編碼處理，數據信號通過3G鏈路回傳到臺內終端，3G接收終端對數據信號進行解碼重組處理，輸出視音頻信號。根據節目的緊急程度，可以有選擇地錄制成文件，進行編輯制作，也可以直接將節目以SDI信號的方式送給演播室進行第一時間播出。系統的技術核心是：以穩定可靠的核心實時數據（視音頻、數據、信息）通信為內核而建立的一套開放應用系統。該系統的面向用戶的理念是：根據用戶的實際通信網絡和具體功能需求，設計系統的應用策略，在滿足用戶的實際需要同時，最大限度適應用戶系統的網絡特性，確保系統使用的功能拓展性和可靠性。其傳輸鏈路如下圖一所示。

圖一

可見，3G傳輸鏈路可以理解為信號源與信號傳輸目的地之間建立了一種無線有線混合的連接，其前端是一種窄帶的無線網絡，這個網絡是社會共享的，后端是窄帶的基于IP的有線網絡。整個傳輸鏈路中，基站與移動核心網、移動核心網與互聯網、互聯網與后方服務端之間都是有光纖、電纜等相對穩定可靠而且高速的連接，而發射端和基站之間只能靠無線網絡傳輸，很明顯，整個系統關鍵在于3G發射端與基站之間的無線網絡。從電視直播技術需求的角度來看，傳輸安全可靠和信號質量高是鮮明的特點。3G網絡的安全機制，抗干擾能力，服務質量QoS保障技術，基站的覆蓋狀況，基站間切換傳輸時是否穩定平滑，帶寬和編解碼技術等技術特性，關系到3G技術在電視領域應用是否可行。

2 3G電視直播（傳輸）

關鍵要素分析

2.1 安全機制要素

為保證信息在網絡傳輸中的安全，同時保證臺內系統與外部網絡的相對隔離，系統設計中可以使用VPDN的網絡安全接入方式。VPDN全名為虛擬私有撥號網絡（Virtual Private Dialup Networks），是指以撥號接入方式上網，通過對網絡數據的封包和加密在公網上傳輸私有數據，達到私有網絡的安全級別，從而利用公眾交換電話網絡（PSTN）的架構來構筑企業之私有網絡。

VPDN的功能特點：（1）通過對網絡數據的封包和加密在公網上傳輸私有數據，達到私有網絡的安全級別，從而利用公網來構筑企業之私有網絡。（2）遠程用戶經過公共網絡，利用VPDN先進的IP虛擬通道技術，通過虛擬的加密通道與企業內部的網絡連接，而公共網絡上的用戶則無法穿過虛擬通道。（3）使用VPDN業務，用戶無需自行投資建立昂貴的廣域網絡便可以建立自己的私有網絡，且節省長途撥號費用，減少運營成本。但是要實現這種安全機制，還是要犧牲一定的設備和帶寬資源，有時為了更好的避免畫面不流暢、延時的情況發生，實際中不得不采用公共網絡，既降低安全性來換取信號的流暢。

2.2 G抗干擾能力

根據3G網絡運營商提供的數據表明，3G的干擾主要包括系統內的干擾和系統間的干擾。對于3G在封閉性好的建筑里面進行測試，結果表明多個拐角和多層墻間隔對信號的傳輸影響不大，因為3G信號對整個建筑的覆蓋情況差不多，所以實際沒什么影響。在所有的應用中，由系統間干擾造成的影響幾乎沒有，或者說影響小到幾乎無法察覺。

2.2.1 服務質量QoS

目前運營商上載帶寬每個扇區共享5.8Mbps左右，每個3G網卡上載帶寬不

超過1.5Mbps，多塊卡經測試不超過3Mbps，這樣導致在很多情況下，無法回傳高清視頻數據，大多數情況下，只能實現標清節目的直播。穩定的帶寬保障以及特殊業務優先接入方面，國內運營商目前所能實現的還是所有3G業務共享同一網絡傳輸平臺及帶寬，沒有對不同的業務做相關的QoS保障，導致視音頻傳輸業務（特別是在人流密集區）無法享受到穩定的帶寬，從而可能會影響到直播業務的傳輸性能和畫面質量。如何針對不同用戶或業務便捷地提供獨享、穩定的帶寬以及業務的優先接入是需要運營商在擴大傳輸平臺的使用率方面應該考慮的事宜。

2.2.2 G基站的覆蓋狀況

目前3G基站的建設和覆蓋正逐年穩步增長，無論是中國聯通的WCDMA基站、中國電信的CDMA2000基站還是移動的TD-SCDMA基站都迅速的由城市向鄉村快速擴展。具國家工信部的權威統計，截止2011年12月31日我國3G基站總數達到79.2萬個。

表一 截止2011年12月31日已建成基站及覆蓋率

由此看出我國的3G網絡建設已取得階段性成果，3G傳輸設備得以大范圍使用。

2.3 目前3G網絡的帶寬

對于電視直播，除了要求信號能夠快捷、安全地回傳到媒體中心之外，信號質量高也是一個重要特征，對應的關鍵技術指標是3G網絡帶寬。對于3G網絡，其上下行速率是不對稱的，一般下行速率較快，對于電視信號在3G通信中的應用，其上行速率是需要重點關注的。國內，中國聯通WCDMA的上行速率理論值是在5.75Mbps，明顯優于移動的TD-SCDMA和電信CDMA2000，因此在實際應用中，中國聯通的WCDMA的3G卡是大多數直播應用中所主要采用的。在單卡情況下實測上行速率對比見下表：

制式 實測上行速率 適用方式聯通WCDMA 1.5Mbps 3G 可用于標清電信CDMA2000 500Kbps移動TD-SCDMA 384Kbps

2.4 編解碼技術

在目前的3G直播中主流的編解碼技術是H.264（既MPEG4/AVC），或者是在其基礎上做部分優化。H.264編碼技術具有低碼流、高網絡適應能力、強丟包控制和誤碼恢復等優點，適應高誤碼率的無線網絡。很適合用在3G直播技術當中。H.264編碼技術的優點：A.高編碼效率，比MPEG2平均節約64%的傳輸碼流，比MPEG4 ASP平均節約39%的傳輸碼流。B.能夠在低碼率情況下提供高質量的視頻畫面。C.高網絡適應能力，H.264可以工作在視頻直播的低延時要求下，也可以工作在沒有延時的視頻存儲中。D.采用DCT變換編碼加DPCM差分編碼的混合編碼結構，增加了如多模式運動估計、幀內預測、多幀預測、基于內容的變長編碼、4×4二維整數變換等新的編碼方式，提高了編碼效率。E.可根據不同的環境使用不同的傳輸和播放速率，并且提供了豐富的錯誤處理工具，可以很好的控制或消除丟包和誤碼。F.具有強大的錯誤恢復功能，提供了解決網絡傳輸丟包的工具，適用于在高誤碼率的無線網絡中傳輸視頻數據。

3 實際應用情況

2011年初，我們臺為熱播的民生新聞欄目《百姓關注》欄目組配備了3G新聞直播設備，關注老百姓身邊的事情，把民生新聞和突發新聞在最短時間，全面呈現在全市觀眾面前，該檔節目時效性強，內容覆蓋范圍廣，要求設備不受時間和地域的限制。在設備的使用上，為欄目其中三組記者各配備一臺3G傳輸終端設備，每臺終端配備4張卡，并在演播室機房部署一臺媒體服務器，前端一般使用聯通WCDMA信號回傳，將攝像機拍到的信號實時傳送到媒體服務器，錄/播服務器通過視頻卡和相應的軟件，輸出多路SDI信號供直播或編輯使用。空閑時段碼率一般不小于1.5Mbps，圖像質量完全可以接受，如果采訪現場使用手機的人較多或3G信號比較弱時，傳輸受到影響，攝像記者就把圖像錄到P2卡中暫時保存，待去到3G網絡穩定的區域時再通過傳輸終端把視頻流回傳到臺里，或者記者將拍攝的素材用裝有非編軟件的筆記本電腦粗編后，再把編輯好并打包生產的文件用3G傳輸終端傳回媒體服務器。3G直播設備的投入使用為我們提供了民生類新聞和遠程連線節目的現場播報手段，尤其在狹窄的街道或崎嶇的山路上，發揮出靈活、快速的作用。

4 系統存在的不足和解決辦法

雖然3G電視直播系統有許多獨特的優勢，在這幾年的應用中運營商網絡和廣電設備廠商方面也在不斷的改進和發展，但是依然暴露出不少問題，具體歸納如下。

（1）客戶端設備集成度不高，重量偏大，可靠性差，應對惡劣環境下的三防設計不足。（2）和導播的通話功能不足或者功能不強大。（3）運營商網絡信號覆蓋存在盲點。由于網絡建設和優化的速度難以同步基礎設施建設，所以3G信號的覆蓋盲點無法短期內消除。（4）常見的信號覆蓋盲點為：電梯內、地下室、地下禮堂、車庫、3G信號屏蔽區域（重要會場）等。由于3G網絡的傳輸距離和傳輸環境限制，在特殊環境下會出現信號偏弱，丟包率高的故障，尤其是3G 基站的邊緣地帶和房間分隔眾多的大樓內部。（5）用戶過多時，帶寬限流。由于每個3G基站覆蓋范圍內支持的用戶數是有限的，如果入網用戶超過基站的承載數量，基站會采用帶寬限流，無法保證每位接入用戶的網絡帶寬。

4.1 根據應用中暴露出的不足，提出的解決方法如下

（1）在應急和突發新聞直播的現場中，記者經常會遇到惡劣的天氣和環境，雨水、灰塵、磕磕碰碰在所難免，為了保證傳輸終端的安全運行，在提高客戶端設備的集成度減少設備本身體積和重量的同時，應采用鋁鎂合金等更輕便更易于散熱的材料，這些材料有利于降低設備重量，同時可以省去散熱孔和風扇，隔絕了粉塵對設備的傷害。

（2）在傳統的新聞直播業務中，導播需要通過多方通話系統或者電話來和現場記者溝通，而通過3G網絡回傳視頻時可以把語音信息加載到視頻數據業務中，實現導播人員在錄/直播服務器上，可以通過監控通道來和現場記者雙向通話。或者至少能夠傳送TALLY指示燈的信號，使得客戶端和解碼接收服務器之間進行數據傳輸時，可以有一個數據開始傳輸的標志，在傳輸中斷或完畢后，顯示相應中斷或停止提示信號。

（3）采用多卡捆綁技術和鏈路聚合技術、多鏈路擴展技術相結合。所謂的鏈路聚合是一種封裝技術，實質是將兩條或多條數據鏈路“組合” 成邏輯上的單條數據通路。而當前最為成熟的H.264編碼圖像在720×576像素下傳輸不能低于1.5Mbps的碼率，3G網絡單卡的傳輸效率是達不到要求的，因此采用多卡捆綁的方式，通過鏈路聚合技術來提高通道的傳輸速率。多卡捆綁方式不僅將速率提升到600Kbps～2.5Mbps，由于采用不同運營商3G卡的組合，形成多鏈路傳輸，使傳輸的質量得到更好的保障。鏈路聚合技術還可以通過多個任意制式的無線信道的捆綁，可在現有的3G/WiFi網絡上將數據有效傳輸帶寬進一步擴展到3Mbps。例如，在特定的時間或地點，中國移動的3G鏈路質量較差，而中國聯通和電信的鏈路質量令人滿意，就可以使用聯通和電信的3G鏈路小范圍區域100～500 m覆蓋范圍不佳的情況，可以利用無線數字微波與3G無線傳輸搭配使用來解決。地面數字微波系統運用600～800 Mhz的廣播電視頻段，同時使用自成體系的發射與接收系統，保證在城市復雜條件下500 m，空曠區域3公里的有效視音頻傳輸，通過地面數字微波系統將視音頻素材信號從 3G信號異常區域，中繼到有3G信號覆蓋且3G信號繼續傳輸，而且通過多鏈路擴展技術，把海事衛星、WiFi、Wimax等無線信道，ISDN、ADSL等有線信道同時作為數據的傳輸通道，當3G信號變弱變差的時候，采用糾錯和自動鏈路負載均衡技術，將多個不可靠、低速鏈路組合成一條可靠的寬帶上行鏈路用來保證視頻節目的實時傳輸。通過以上三項技術的有機結合可以實現大多數區域內的視頻直播。傳輸架構簡圖如圖二

圖二

（4）采用信號接力傳輸方案。對于較為穩定的地方，然后再利用3G直播客戶端設備將視音頻實時回傳到電視臺，實現無縫接力3G電視直播。例如在礦井下或山區里，由于沒有3G信號覆蓋，這時可通過數字微波攝像機在礦井下將拍攝的信號傳送到地面，然后再與3G新聞傳送系統進行接力對接，最終通過3G網絡將現場實況傳回電視臺。如圖三所示。

圖三

圖四

（5）采用視音頻數據本地保存延時播出。對于附近幾公里甚至更遠區域無3G網絡覆蓋或3G覆蓋不穩定的情況。由采集服務器和存儲設備實現延時播放的功能，既來自前端采集（包括采集、編碼和分割）的經過分割的高碼率流發送到采集服務器，采集服務器統一采集并存儲到相關的存儲設備中。當記者返回到信號覆蓋區域時，可以隨時補傳新聞素材，不需要經過其他傳輸設備中轉。如圖四所示。

5 結束語

基于3G通信技術的新聞直播傳輸系統在廣播電視上的應用，極大地豐富了節目的表現形式，可以展現以往節目中難以獲取的珍貴素材，并在實現成本上遠遠低于轉播車或光纖傳輸設備的投入。隨著3G/4G移動通信技術的不斷成熟和推廣，從電視直播轉播的實際應用與需求出發，融入廣播電視領域前沿的科學技術成果，相信新一代的3G乃至4G新聞直播系統會更廣泛的應用在廣播電視行業中，并且真正實現電視節目直播常態化。

（清遠廣播電視臺，廣東清遠 511518）