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4G电视直播传输系统在南京青奥会直播中的应用
发布时间:2015-01-30 13:45:36

摘 要:4G具有传输速率高、时延短、频谱效率高等特点,为传统电视直播传输提供了技术创新手段。本文对4G电视直播传输系统进行了概述,并着重介绍了其在2014年南京青奥会直播中的应用。

一、现阶段电视直播信号传输的主要手段

传统媒体时代以来,直播一直是电视媒体与其他媒体竞争的优势所在。多年来,电视媒体投入大量的人力、物力和财力,逐步形成常态化、规模化的直播传输模式。该模式下,传输的设施主要以卫星车、微波车为主。直播现场摄像机的视音频信号通过电缆或光缆传送到卫星车、微波车,再经卫星、微波等传输信道回传到电视台。目前,传统直播传输模式已经广泛应用于大型会议、体育赛事等重大活动的实况转播中。然而,这种模式往往受限于多种客观因素:

1、交通、供电要求严格

卫星车、微波车等传输设施是传统电视直播的关键环节,出车的先决条件是良好的交通情况和供电条件。在交通管制和电源供给不足的情况下,直播工作就无法正常开展。

2、设备费用昂贵、调度繁琐

卫星车和传输接收系统造价高,卫星一般都是公用,使用时需要提前申请;微波每次使用前需要架设调试设备,设备昂贵,不能大规模铺设。两者均不能大范围、快速移动。

3、传输能力有限、易受干扰

城市区域,卫星信号受建筑物的遮挡存在不少盲点;微波传输距离有限,长距离传输需要中继,使用开放频段,容易受到其他无线应用的干扰。

4、人力资源投入大

由于传统的广电设备复杂庞大,直播期间使用时需要配备多个工种的人员。

新媒体时代下,受众对直播节目的需求不断增加,对电视媒体的直播信号传输手段提出了更高的要求。因此,寻找轻量级的解决方案,作为传统电视直播传输的补充手段,成为广电行业内探讨的重要课题。其中,4G传输是业内专家较为认可的一种方案。

二、4G电视直播信号传输概述

1. 4G移动通信技术

4G是第四代移动通信及其技术的简称,是3G之后的延伸。它集3G与WLAN于一体,能够传输高质量视频图像,其图像传输质量与高清电视不相上下。4G具有传输速率高、时延短、频谱效率高等特点。

一般来说,现在的4G网络指的是LTE网络。4G 移动通信技术的国际标准主要有FDD-LTE、FDD-LTE-Advanced、TD-LTE以及TD-LTE-Advanced。其中,TD-LTE、TD-LTE-Advanced 是我国主导制定的4G 国际标准。

1)LTE

LTE(长期演进)项目是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。FDD-LTE和TDD-LTE分别是LTE的两种不同的系统模式。两个模式的基础技术都是一样的,主要区别在于FDD为频分双工,TDD为时分双工。FDD-LTE是LTE的FDD版本,TDD-LTE是LTE的TDD版本。2007年,国家工业和信息化部把TDD-LTE命名为TD-LTE。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素,FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TDD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的,终端种类最丰富的一种4G标准。

4G演进形态和速率如表所示。从速率上看,LTE 移动通信网络系统在20MHz的频谱带宽下能够提供下行100Mbps(TD-LTE)或150Mbps(FDD-LTE)、上行50Mbps(TD-LTE)或40Mbps(FDD-LTE)的峰值速率。4G在移动网络速率上与3G比较,上传速率和下载速率提升了一个数量级。

表1

通信标准

3G

4G

网络制式

CDMA2000

(EVDO RA)

TD-SCDMA

(HSPA)

WCDMA(HSPA)

TD-LTE

FDD-LTE

下行速率

3.1Mbps

2.8Mbps

14.4Mbps

100Mbps

150Mbps

上行速率

1.8Mbps

2.2Mbps

5.76Mbps

50Mbps

40Mbps


2) LTE-Advanced

    LTE-Advanced是一个后向兼容技术,完全兼容LTE。它针对室内环境进行了技术优化,并采用了载波聚合等技术。载波聚合技术能够弹性分配频谱,可以获得更宽的频谱带宽。LTE-Advanced能有效地支持新频段和大带宽应用。LTE-Advanced 移动通信网络系统在100MHz 频谱带宽下能够提供下行1Gbps、上行500Mbps 的峰值速率,LTE-Advanced 也分为FDD-LTE-Advanced和TD-LTE-Advanced。

2. 4G电视直播传输系统

2013年12月4日,国家工业和信息化部正式向中国移动、中国电信和中国联通三家运营商发放了4G牌照,标志着我国的4G进入实质性推进阶段。4G技术近年来的稳步发展无疑给电视领域注入了新的活力,4G电视直播信号传输为传统电视直播提供了创新的理念和手段。

4G电视直播传输系统是3G系统的后续和改进。近年来,3G电视直播传输系统在电视直播中发挥了一定的作用,但在实际使用中也出现了一些问题,比如:图像质量受传输速率(带宽)限制;网络状况不佳会出现马赛克现象,尤其是切换镜头时,如果整个画面内容变化很大时,无法有效处理图像信号中的冗余,接收的信号质量严重下降,甚至无法使用;视音频信号延时过长,出现抖动或丢帧,影响播出效果等。

如前所述,4G技术相较于3G,无论是在上传速率还是在视音频质量上都有了质的飞跃,因此,4G电视直播传输系统在性能方面很大程度上弥补了上一代系统的缺陷。

4G电视直播传输系统架构与3G系统一致,主要包括信源、编码、传输、解码、播出等部分。信源包括摄像机、DV等专业拍摄设备;编码采用主流的H.264编码;传输由4G网络承载,支持3G等其他网络;解码部分采用专业的解码服务器。系统主要模块有:

1) 采集编码模块:该模块以硬件客户端为主。硬件客户端分为便携式和背包式两种方式。信源与硬件客户端相连,将视音频信号输入客户端的采集端口,端口支持模拟及数字信号的采集。硬件客户端的编码器将视音频信号转码为H.264格式。

2) 传输模块:传输模块一般采用多卡绑定技术来获得足够的带宽资源。多卡绑定主要是实现多卡多模对采集编码的信号进行自适应传输,实现对多信道的带宽利用率最大化,弥补单卡单模存在的缺陷,避免当某一运营商信号不佳时,无法正常传输视频的问题。

3) 接收解码模块:视音频接收解码模块采用专业服务器+硬件板卡的方式。接收服务器配备广播级视音频I/O板卡,支持解码生成模拟或者数字视音频信号,同时接入演播室系统。

4G电视直播传输系统继承了3G系统的优点:系统结构简单,携带、操作方便,设备价格适中。在4G信号覆盖的范围内,直播人员只需要一台摄像机和一台硬件客户端,就可以不受地点、时间限制,自行将视音频信号实时地从现场传输回演播室,极大提高了直播的灵活性和报道的时效性。

总之,4G电视直播传输拥有传统电视直播传输手段所不具备的显著优势,在行业内受到越来越多的关注。自2010年起,它作为一种全新的尝试和突破,结合运营商提供的4G即摄即传业务,被越来越多地应用于新闻直播、体育赛事直播、重大活动直播等重要转播中。

三、南京电视台南京青奥会4G电视直播传输系统应用

2014年8月,南京举办第二届青年奥林匹克运动会。南京地区建成的200多座4G基站,全面覆盖比赛场馆、青奥村等场所。同时,最新的移动4G即摄即传设备,为4G直播提供了技术支撑。

青奥会期间,南京电视台为了更好地完成青奥转播任务,在卫星车、微波车等进入奥体中心条件受限的情况下,决定使用4G电视直播传输系统,对青奥会火炬传递、国际奥组委新闻发布会、开闭幕式观众采访等进行现场直播。笔者作为台内负责奥体中心开闭幕当天4G直播的现场技术支持人员,亲身参与了此次工作。

1. 系统介绍及工作原理

4G电视直播传输系统包括采集端和接收端两个部分。

采集端采用专用便携式直播机,可由单人操作。支持4G传输,3G传输,有线网络传输、WIFI传输、卫星传输。采用多链路捆绑技术,同时支持4G、3G、有线、WIFI、卫星等链路捆绑传输。内置Windows平台,平台下安装实时传输采集端软件,采用可视化界面,可以在直播过程中查看实时带宽、帧率、所采集的画面,同时可以自动根据实际的网络情况(网络带宽,延时和稳定性),选择合适的视音频编码和传输参数,以达到最好的传输效果。

接收端采用1U专业服务器,效率高、稳定性强。Windows操作系统下安装实时传输接收端软件。内置SDI板卡,支持SDI输出。接收端服务器可以管理采集端,远程调节直播参数,例如码率、输出分辨率、画面延时等。

基于4G网络传输的系统架构如图1所示。摄像机将现场实时视音频信号通过SDI线输入到采集端端口,采集端外插4G卡,快速拨号接入4G网络,然后通过4G网络等将编码的视音频数据传输到接收端服务器;接收端服务器与固网连接,对接收到的数据进行解码,最终把数据封装成SDI格式通过SDI板卡输出到新闻演播厅系统,导播可以随时调用4G回传的视音频信号。

图1.jpg

图1 基于4G网络传输的系统架构

系统工作流程如图2所示。编解码部分是整个系统工作流程的核心。4G电视直播传输系统采用实时传输软件进行实现。采集端和接收端分别安装对应的实时传输软件。采集端软件对直播现场的视音频信号编码,封装成TCP/IP或UDP/IP数据包进行发送;接收端软件对数据包解封装,对视音频数据进行相应的解码。系统采用基于H.264的高效率视频压缩优化算法,保证在同样码率的前提下,比MPEG-4/H.264具有更高的压缩效率,在高压缩比保证画面质量的同时能在几乎零延时的情况下把视频压缩编码好,适用于传输信道质量复杂的网络环境。

图2.jpg

图2 4G电视直播传输系统工作流程图

同时,系统采用网络自适应传输算法,其目的是保证在不同的网络下都能尽可能地提供良好的服务质量。一方面是当网络情况变好时,能够向上提升服务质量,传输高码率、高质量的视音频数据。另一方面是当网络带宽下降时能向下调整,传输低码率、低质量的视频数据。基本思想是在接收服务器端完成RTCP的传输控制协议,利用RTCP与数据传输协议RTP对应的控制机制,实现RTCP来获得网络自适应传输所需要的反馈信息。获取的网络状况参数包括丢包率、延迟等。传输过程中,当网络延时过高无法满足实时传输的要求时,通过接收服务器端发送码率调整或降低采集端图像分辨率来降低网络数据传输量,实现自适应传输。

2.新闻发布会直播传输系统应用

南京青奥会开幕式当天,南京电视台从早上10点到晚上11点进行了13小时的直播大连线。所有直播连线均通过4G电视直播传输系统完成。连线次数接近20次,地点遍布整个奥体中心及周边区域。整个实际直播过程中,系统画面延迟设定为3s,码率稳定在2Mb/s,帧数稳定在25fps。回传的高清视频画面清晰流畅,没有出现定帧、马赛克等现象。

其中,下午2点开始的国际奥组委新闻发布会是13小时直播大连线的重中之重。南京电视台是全国唯一一家对此次新闻发布会做全程直播的电视台。本次成功的直播为今后长时间的4G电视直播提供了可借鉴的经验。

相较于普通4G直播连线,新闻发布会直播存在较长的时间跨度和室内无线信号的不确定性。为此,台内技术人员充分考虑到信号稳定和电池更换这两个因素,制定出“有线+4G双运营商双链路备份”的解决方案。系统架构如图3所示。

图3.jpg

图3 有线4G双运营商双链路备份电视直播系统架构

其中一台采集端以太网口连接预先在新闻发布厅内布设的20M运营商固网专线,接受端服务器同样连接专线。摄像机选择广播级摄像机索尼PMW-580,一个SDI输出接口连接有线网络传输的采集端,另一个SDI输出接口则连接4G网络传输的采集端。两路采集端同时工作。相同条件下,有线网络比无线网络传输的信号稳定性更高。因此,一般情况下,接收端服务器以有线网络传输的视音频信号作为主路信号进行输出。当主路采集端需要更换电池时,接收端服务器可以在确认备路采集端已更换新电池的情况下,预先切换至备路信号。笔者在新闻演播厅现场通过与演播室保持沟通,顺利更换电池,并完成直播任务。证明这种解决方案是切实可行的。

另外,4G电视直播传输系统还应用在南京青奥会火炬实体传递的直播中,效果令人满意。如图4所示。

 

图1.jpg

图4

 

四、结语

4G电视直播传输系统在南京青奥会的成功应用,不但为南京电视台积累了4G直播的宝贵经验,而且为行业内的类似应用提供了有价值的参考。4G电视直播有着相对于传统电视直播传输手段的优势。它开辟了全新的解决方案,使得传统电视媒体可以借用现代通信手段实现高清电视信号的实时无线传输。

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