【大家之言】我国新一代地面数字电视标准体系建设构想-广电猎酷
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【大家之言】是《广播与电视技术》杂志为行业专家学者开设的专栏，旨在为广电科技的研究应用和创新发展建言献策。本文由《广播与电视技术》杂志独家授权，刊发于2018年第3期。
作者：冯景锋1，张文军2，管云峰3，刘骏1，何大治2（国家新闻出版广电总局广播电视规划院1，上海交通大学2，上海数字电视国家工程研究中心有限公司3）【摘 要】
当前，全球广播电视正朝着媒体和网络深度融合方向发展。为了更加主动应对媒体消费模式和传播模式的变革，实现广播电视体制的升级换代，构建我国新一代数字电视标准体系将是主流文化媒体创新发展的技术基础。本文在详细介绍国际上第二代地面数字电视标准研制历程和技术特点的基础上，结合我国国情，提出了我国未来新一代地面数字电视的发展需求、关键技术以及标准体系建议。【关键词】
地面数字电视，融合，物理层，协议层，应用层，标准体系
0 引言
2006年，我国正式颁布了地面数字电视传输标准GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》。截至目前，包括地面数字电视传输标准DTMB、手机电视标准CMMB、卫星数字电视广播传输标准ABS-S以及视频压缩标准AVS+ 等在内的我国第一代自主知识产权数字电视系列标准已进入到大规模应用阶段，并且我国将在2020年全面启动从地面模拟电视广播向地面数字电视广播的转换工作。
当前，全球广播电视的发展已经进入到一个全新的阶段，目前及今后一段时间内，广播电视的主要特点包括：一是高度的沉浸式体验，以实现更高的清晰度、更高的动态范围、更高的视频帧率、更高的视频色域和更多灵活配置的音频体验；二是广泛的融合内容网络，实现广播网络、互联网络与通信网络共同融合的互操作网络架构、全IP化的多源内容调度；三是深度的精准内容关联和控制，实现高度的内容关联、可管可控、智能推送和大数据基础上的定向服务。
党的十八大以来三生酒神仙醋，以习近平同志为核心的党中央高度重视传统媒体和新兴媒体融合发展，习总书记多次在不同场合强调要利用新技术新应用创新媒体传播方式。在广电科技工作方面，2018年，国家新闻出版广电总局将着力抓好10项重点工作：实施一个“战略”（智慧广电战略），推动两个“发展”（推动台网一体化发展、推动无线交互广播电视发展），编制三个“规划”（编制卫星广播电视发展规划、编制监测监管规划、编制网络安全规划），加快四个“建设”（加快有线电视互联互通平台建设、加快全国应急广播体系建设、加快数字音频广播建设、加快数字地面电视广播建设）。
为了更加主动应对媒体消费模式和传播模式的变革，加快构建我国智慧广电的技术体制，实现我国广播技术的升级换代，推动我国无线交互广播电视的发展，构建我国新一代地面数字电视标准体系势在必行。
1 国际第二代地面数字电视标准
自上个世纪90年代起，美国、欧洲和日本陆续颁布了第一代地面数字电视标准。为了应对传统广播电视向融合媒体的转变，同时针对各自标准的不足，2009年，欧洲数字视频广播（DVB）组织发布第二代地面数字电视传输标准DVB-T2 ；2016年，美国高级电视系统委员会（ATSC）陆续颁布了ATSC3.0系列标准。
1.1 欧洲DVB-T2
相比第一代地面数字电视传输标准DVB-T，欧洲的DVB-T2具有如下特点：（1）采用更高阶的调制技术和低密度奇偶校验码（LDPC），信道传输容量提升50%以上；（2）采用独特的多物理层管道（PLP）传输技术，支持更加灵活的业务形态；（3）支持多种灵活的交织方式，包括比特交织、单元交织、时间交织和频域交织等以增强对低、中、高多重传输速率业务的支持。
为了进一步提升广播机构开展移动接收服务的能力，在DVB-T2的基础上，2011年，DVB组织发布了DVB-T2-Lite标准，采用未来扩展帧卡欧斯泰罗（FEF）的方法，支持移动和手持设备接收；同时，针对更为复杂的移动接收要求，在现有DVB-H的基础上，2012年，DVB组织发布了DVB-NGH（Digital Video Broadcasting-Next Generation broadcasting system to Handheld）标准。DVB-NGH引入多输入多输出（MIMO）、时间频率分片（TFS）、非均匀星座、LDPC 编码和时域交织等技术，可同时接收卫星信号与地面信号，能提供包括传统线性广播、各种视听内容、图文信息以及推送下载等在内的富媒体内容服务。
此外，在针对网络融合服务方面，欧洲也加快了HbbTV（Hybrid broadcast/broadband TV）标准的制定步伐。基于HbbTV实现了直播电视、预下载和本地重播的动态选择、宽带网和广播网的动态选择，提供了补充式互联网络视频服务以及多屏应用等各种扩展业务百全毫米波。
1.2 美国ATSC3.0
2013年， 美国ATSC着手开展下一代数字电视系统ATSC3.0标准体系的研制工作。截止目前，ATSC3.0已经陆续发布了20余项标准文件。
1.2.1 研制历程
2013年初，美国ATSC向全球征集下一代数字电视系统物理层方案，从此拉开了美国下一代地面数字电视标准研究的序幕。ATSC3.0标准组织启动、研制和发布标准经历了以下过程：
1. 需求分析及目标确定（2012年-2013年）美国ATSC用了近1年时间向全球征集了新标准用例和系统需求定义，确定了新标准需要支持的特点主要包括：频谱的灵活应用、鲁棒接收、更广泛的移动接收、超高清电视UHDTV、混合服务场景（广播与互联网结合）、多屏多视角业务、3D 内容支持、增强的浸润式音频（3D音频）、公平的无障碍接收（适合残障人士）、先进的应急广播、具备个性化/交互性能力、支持广告/电子商务与适合全球标准推广。
2. 方案征集(2013年)
在确定应用需求后，2013年ATSC建立了二级工作组向全球征集标准提案。ATSC将整个标准体系研制分为4个工作组，其关系和职责如图1所示。

2013年3月，美国ATSC正式向全世界发布了征集下一代数字电视系统物理层方案的公告；截止同年9月上官静儿，共收到来自欧洲DVB、韩美LG/Zenith/Harris、中国数字电视国家工程研究中心、美国高通/ 爱立信、美国辛克莱尔广播集团、韩国三星/日本索尼、美国特艺、日本NHK、加拿大CRC/韩国ETRI、美国AllenLimberg和以色列Guarneri通讯公司提交的11个方案。
3. 标准技术评估选择过程（2013年-2016年）ATSC3.0标准从技术提案到最终确定一般需要经历四个阶段：草案阶段（Draft）、候选阶段（Candidate）、建议阶段（Proposal）以及最终阶段（Final），如图2所示。

4. 国家管理机构审批过程（2017年）工作组经过3年多的努力，形成了ATSC3.0标准体系，提交给美国联邦通讯委员会（FCC）审核。2017年11月16日，美国FCC投票通过了ATSC3.0标准体系，最终通过的ATSC3.0标准簇如图3所示。

1.2.2 ATSC3.0标准技术特点
美国新一代地面数字电视传输标准ATSC3.0的技术特点总结如下：
1. ATSC3.0是一个基于IP协议的广播标准，采用了流媒体网络封装协议技术；
2. ATSC3.0是一个完整的协议堆栈，远不止仅是传输标准；
3. ATSC3.0的目标清晰：替代过于陈旧的ATSC1.0标准、同时支持超高清电视UHDTV 以及结合互联网提供新业务可能；
4. ATSC3.0 物理层（传输）以复杂的代价换取了接近理论界的传输性能，同时配合上层协议支持IP 数据流的输入，支持多业务在单频点同时传输，用一个独特的导引信号支持与移动通信共用频段；
5. ATSC3.0通过基于IP的协议层和各种应用协议来实现与互联网的结合以及支持各种用户新需求；
6. 考虑到要兼顾超高清电视业务和增值服务需求，ATSC3.0标准既要支持复杂的高频谱效率传输（4K、8K节目需要），还要具备灵活的帧结构以及考虑各种数据业务的可能（运营商需要），从而使得ATSC3.0成为有史以来最复杂的一个广播标准。
2 我国新一代地面数字电视标准体系思考
2.1 业务发展及应用需求
DVB-T2和ATSC3.0颁布之后，世界各国开始了从地面数字电视1.0时代向地面数字电视2.0时代迈进。截止目前，我国第一代地面数字电视标准DTMB颁布业已12年，2020年也将开始地面模拟电视向地面数字电视的过渡。为此，有必要制定一个我国地面数字电视的演进计划，并从现在开始启动我国新一代地面数字电视标准的研制工作。为了充分满足未来广大人民群众对更加美好的广播电视服务的向往，我国新一代地面数字电视标准体系应至少满足以下需求：
1. 具备更加安全的可管可控，支持内容保护和用户管理；
2. 支持“富媒体”形态，在多媒体的基础上能够关联各类相关媒体内容而形成了富媒体；
3. 支持泛在性接收，支持各种场景、各种地理环境下的鲁棒接收；
4. 具备浸润式音视频体验，支持4K/8K超高清电视以及3D全息音视频服务；
5. 具备更强的社交性，支持双向的传输能力和组网能力，具备更强的社交特点；
6. 终端具有智能能力，支持对富媒体、浸润式内容的呈现和智能关联能力，具备自主的智能操作系统和客厅设备的人工智能能力。
2.2 标准关键技术
我国新一代地面数字电视标准体系可参照现有通信系统的分层协议结构，结合广播电视的特点，采用如图4所示的媒体网络协议层组架构。

我国新一代地面数字电视标准体系的重点应放在广播物理层传输新技术、媒体传送协议层技术以及各类应用技术上。
2.2.1 物理层新技术
在物理层技术上，考虑到ATSC3.0即使采用最复杂的非规则映射的块交织编码调制（BICM）技术，相对于欧洲DVB-T2标准，也仅是在信道传输性能上稍微又逼近一点香农极限，如图5所示。因此，即使再做进一步优化，信道传输性能提升的空间也仅有0.5dB左右。本文认为，新一代地面数字电视标准物理层应着重考虑高频谱效率下的MIMO 技术、与未来5G系统相兼容的数据结构设计以及窄带回传技术。

新一代地面数字电视系统中的MIMO技术与蜂窝通信、WiFi中的MIMO技术的设计应不同，通信的多用户系统MIMO应用主要考虑的是增大用户容量，新一代地面数字电视系统只有在高频谱效率传输时MIMO技术才会有增益。因此，在新一代地面数字电视系统中，高阶星座映射下的MIMO预滤波及导频技术将是设计的重点。
近年来，全球几乎所有的广播者都在考虑广播和互联网的融合问题，例如：美国ATSC3.0系统中设计了与宽带信号等同带宽的统一导引信号（Boot Strap），用以指示其后尾随的数据帧是广播信号还是宽带信号，即通过导引信号可分时使用广播频谱。预计2019年，5G增强移动宽带（eMBB）标准将进入第二阶段，因此，在我国新一代地面数字电视系统设计过程中，可跟踪3GPP的5G标准的最新进展，设计提出与eMBB相基本兼容的数据结构，并争取国内集成电路设计企业的认同，使得未来的手机基带芯片能较为便捷的集成新一代地面数字电视传输解调模块，这将为新一代地面数字电视传输标准的应用带来革命性的变化。
未来的广播电视需要反向信道，但是广播电视服务本身的反向需求带宽并不高，主要业务是电子商务、视频点播以及信息反馈，是一种典型的双向非对称业务。另外，目前三大运营商的宽带双向业务竞争日趋激烈，并且都已将低功耗广域物联网技术作为发展重点，其核心技术是窄带物联网标准。然而从技术角度来看，用带宽变窄换取低功耗远距离是完全可能的，这尤其适合广播频段以及广播大面积覆盖的应用场景。因此，单载波频分复用技术以及海量用户的MAC层接入技术也应该是新一代地面数字电视标准研究的热点。
2.2.2 协议层关键技术
在媒体信息传送技术上，MPEG-2 TS由于它的规整性，已经被广播网应用了多年，但也正是由于它的这个特性，制约了内容组合的灵活性，不能随时添加、减少或替代媒体单元，也不便于将不同来源的内容关联起来，并根据用户的个
性化需求重新组合起来，然后再通过不同网络传输。另一方面婚前试爱吕颜，互联网的快速发展导致视频内容的极速增长，然而有限的网络资源无法提供给用户高质及时的视频服务。当然，完全依靠点播来实现个性化服务也是对网络资源的极大浪费。基于此微晶石贴图 ，智能媒体传送技术成为国际上的当前发展热点。
在我国新一代地面数字电视标准体系中灵石一中，协议层主要完成智能媒体的传送，设计时应重点考虑实现以下因素：
1. 应针对广播传输和互联网传输设计统一的封装格式和传送协议，在IP之上实现统一，打破广播网和互联网的壁垒，使得融合网络的智能分发成为可能。
2. 通过对关联内容碎片化分级，有效减少冗余仝正国，提高存储传输效率；
3. 实现多源媒体动态自组织，感知聚合，同时满足用户共性和个性化需求。我国新一代地面数字电视标准协议层涉及到的关键技术主要包括：
4. 异构网络的同步技术：针对异构网络时延差异，通过UTC时钟等提出时延预测估计模型，实现异构网络下的多源媒体同步；
5. 智能媒体分发技术：涉及富媒体多元素之间的关联关系定义及“推拉”结合的分发策略设计；
6. 动态自适应纠错编码技术；分析媒体特征属性，结合网络及信道实时状况，对媒体实时流实现动态自适应差异化保护；
7. 媒体呈现技术：设计多屏跨屏耦合同步呈现机制。
2.2.3 应用层关键技术
我国新一代地面数字电视标准应用层应采用开放、多元的技术，可以包括：新一代音视频编码技术、高动态HDR技术、全息音频3D Audio技术、HTML5呈现技术、智能操作系统、人工智能语音识别技术以及音视频大数据分析推荐技术等。
2.3 新一代地面数字电视标准簇建议
鉴于我国数字电视的发展现状，考虑到我国数字电视广播行业发展的需求，我国新一代地面数字电视标准体系可按表1所示进行构建n0837。

3 总结
本文分析了全球数字电视技术的发展趋势，重点介绍了欧洲DVB-T2和北美ATSC3.0标准的发展历程和技术特点，针对未来我国地面数字电视业务及应用的发展需求，提出了我国新一代地面数字电视标准体系，依托该标准体系，充分利用广电在内容方面的优势，摒弃“网络仅仅是管道，网络独立于内容”的思想，进一步整合节目服务与传输服务，构建‘内容+ 网络’、‘广播+ 互联’的未来数字电视协同覆盖网络，从而保证广大受众能像移动互联网用户一样天是红尘岸，随时随地接入未来广电融合网络，享受更加优质的广电服务。

参考文献
[1] GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》
[2] ETSI EN 302 755 V1.3.1，Digital Video Broadcasting（DVB）；Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）.2012-04.
[3] ATSC Physical Layer Protocol Standard，document A/322，Adv. Television Syst. Committee，Washington，DC，USA，2017.第一作者简介冯景锋，男，国家新闻出版广电总局广播电视规划院无线所所长，博士，教授级高级工程师，国家“万人计划”科技创新领军人才，主要从事地面以及卫星等无线广播电视领域新技术的研究工作。
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