4G通信技术及其在广播电视领域的应用

李永明

（山东省招远市广播电视台，招远，山东 265400）

4G通信技术及其在广播电视领域的应用

李永明

（山东省招远市广播电视台，招远，山东 265400）

本文首先对4G移动通信技术进行了简单介绍，然后对4G的网络结构、技术特征和关键技术进行了阐述，最后对我国主导的4G国际标准TD-LTE在多个城市应用体验情况，以及4G电视直播系统的优越性进行了重点分析。

4G技术；TD-LTE；应用体验；电视直播

1 引言

当今电视媒体面临着多重的挑战，除了要应对同类媒体其他电视节目的收视竞争，还要与互联网等新兴媒体抢占受众，客观环境和内在需求迫使电视媒体急需提升节目质量，吸引更多观众。在这样的背景下，引入各种新技术手段来丰富电视内容，提高电视媒体的反应速度，是较为有效的方法。

3G网络技术早已悄无声息地融入我们的生活，它不但使我们的生活变得更精彩，让我们的工作更轻松，甚至改变了我们工作和生活的方式。正在人们为之欢呼之时，第四代（4G）网络及技术在世界各国已经悄然兴起，由于其具有传输速率高、时延短、频谱效率高等特点，为广播电视借用“现代通信”手段实现高清电视信号的实时无线传输提供了新的手段。

2 4G移动通信技术概述

4G是第四代移动通信及其技术的简称，是能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G的概念可称为广带接入和分布网络，具有超过2Mb/s的非对称数据传输能力，对全速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

3 4G网络结构和技术特征

3.1 网络结构

4G移动通信网络的根本任务是能够接受、获取到终端的呼叫，在多个运行网络（平台）之间或者多个空中接口之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。

4G采用单一的全球范围的蜂窝核心网来取代3G中密密麻麻的蜂窝网络，其采用全数字全IP技术，这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展，核心网能够支持不同的接入方式，如IEEE 802.11a，WCDMA，Bluetooth等，同时每个用户设备拥有唯一可识别的号码，通过分层结构实现异构系统间的互操作。这种结构使得多种业务透明地与IP核心网连接，具有较好的的通用性和可扩展性。

3.2 技术特征

（1）多种业务的完整融合。个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接成一个整体，满足用户的各项需求。4G有望集成不同模式的无线通信，从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种平台间的互连将更为便捷、安全，针对不同用户要求，更富于个性化。

（2）高速移动中不同系统之间的无缝连接。用户在高速移动中，能够接入到系统中，并在不同系统之间无缝切换，进行高速率的多媒体业务数据传送。

（3）各种价格低廉的用户设备便捷的入网连接。这些设备体积小巧便携、甚至无须接入电源网即可工作。用户与设备不再局限于听、说、读、写的简单交流方式，为满足用户的特殊需要和特殊用户（如残疾人用户）的需要，更多新的人机交换方式将出现。

（4）高度智能化的网络。4G通信网络将是一个高度自治、自适应的网络。它具有良好的重构性、尺度可变性、自组织性等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。

（5）独立的软件平台。技术的发展和市场的需求，将加快并实现目前的计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等多网融合，宽带IP技术和光网络将成为多网融合和支撑技术和结合点。

4 4G关键技术

4.1 正交频分复用（OFDM）技术

4G采用了正交频分复用（OFDM）技术，其基本原理是在频域内将给定的信道划分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波（ICI）间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术还具有以下优点：可以对抗多径干扰和频率选择性衰落；调制解调实现容易；支持非对称业务；适合高速数据传输；OFDM技术还易与和其他多址方式结合使用。

4.2 智能天线技术

智能天线也叫自适应天线阵列（AAA），它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。智能天线采用了空时多址（SDMA）的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，将主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每个用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

4.3 软件无线电技术

软件无线电技术是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现无线电通信系统功能的一种具有开放式结构的新技术，各种功能和信号处理尽可能利用软件实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电技术使无线电通信系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和接口，能支持不同接口的多模式手机和基站，能实现各种不同应用的可变QoS。

4.4 多输入多输出技术（MIMO）

MIMO（多输入多输出）技术又称为多天线技术，是LTE移动通信系统为了提高吞吐量而应用的一项关键技术，MIMO技术是利用多发射、多接收天线进行空间分集和空间复用的技术，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，能够提高系统抗衰落与噪声性能，提高系统通信容量、数据传输速率和传输质量。

4.5 多用户检测技术

4G主要是在系统的基站以及终端运用到此技术，多用户监测主要是利用将信道的信号不是进行噪声方面的处理而是作为有用的信号，从而可以充分地利用用户的信号、时间以及码元、相位等的信息进行各个用户之间的联合检测，因此，具有良好的精确度以及检测能力，该技术还可以对码间的干扰及时消除，从而可以有效地提供系统的性能。

4.6 基于IP的核心网

4G的核心网是基于全IP的开放式移动网络，IP兼容多种无线接入协议，便于灵活设计核心网络，可以实现不同网络间的无缝互联，能允许各种空中接口接入核心网，不必考虑无线接入究竟采用何种方式和协议，能够提供端到端的IP业务。

5 4G 在广电领域的应用

为了加速信息化建设、提高信息技术竞争力，国务院将开发信息技术纳入到国家战略性新兴产业体系，积极推进信息技术研发、应用、推广的配套设施建设，极大地促进了我国4G的发展。2010年10月，我国主导开发的新一代宽带移动技术TD-LTE被国际电信联盟定为国际4G通信标准之一。我国先后在多个大中城市对TD-LTE大进行了有益的尝试，国内4G技术应用取得可喜成果。

5.1 上海世博会TD-LTE演示网

2010年中国移动在上海世博会园区建设了全球首个TD-LTE实验网，室外覆盖全园5.28平方公里、共建15个宏基站，约45个小区，室内共覆盖9个场馆，约20个小区。上海文广在世博园多次测试和试用基于4G的电视直播系统，期间设备和网络进行了持续的优化和改进工作，8月30日使用该系统在信息通信馆进行了直播活动，较为成功。上海世博TD-LTE演示网采用2.3GHz频段，20MHz带宽实现下行峰值速率75Mb/s，上行25Mb/s，下行平均速率40Mb/s，上行15Mb/s。室外覆盖17个站点，包括世博村、主题馆、园二站等；室内覆盖1轴：世博轴；4馆：中国馆+演艺中心+主题馆+世博中心，提供丰富多彩的TD-LTE业务，包括即拍即传、安保、视频监控、网真、视频会议、移动监控等。

5.2 深圳大运动TD-LTE典型业务体验

2011年8月，第26届世界大学生夏季运动会期间，深圳也面向全球展示了TD-LTE的典型业务和体验，深圳移动通信分公司建立了“高清电视中心系统”，将现场即摄即传信号使用LTE网络传输到中心，进而分配发送到深圳广电集团电视总控机房等7个视频系统，为高清电视的采访信号传输，做了新的尝试。系统应用于大运会的各项现场连线，如火炬传递、开幕式、赛事报道等。2012年5月17日（世界电信日），深圳启动TD-LTE试商用，其覆盖面积已达37.58平方公里，包括深圳市中心区，城市主干道和人流密集场所均有较强信号。现TD-LTE网络已覆盖深圳主要城区、各行政区人口密集区域，TD-LTE基站在各试点城市中最多。

5.3 杭州快速公交体验和电视直播

2012年3月30日，浙江移动在杭州B1快速公交线路开通4G体验；6月5日，又在杭州启动了“4G全城”体验。10月13日，中国移动在杭州尝试开放4G网络用于电视直播，浙江电视台经济生活频道被中国移动选为合作伙伴。这是国内首次使用民用4G网络传输的电视直播，双方合作，成功在杭州的民用4G网络上实现清晰流畅电视直播。目前，中国移动在杭州已完成主城区200平方千米的4G网络覆盖，4G的网速经测试能够达到80Mb/s以上。

5.4 江苏广电总台4G专用网络测试

在4G网络尚未完全商用的情景下，北京星光公司利用4G通信核心技术，开发了广播电视LTE无线专用网络，即在没有LTE环境的情况下，利用LTE技术，按照传输需求设计与搭建LTE无线覆盖网络环境，实现即摄即传。其工作频点/传输带宽/系统模式（固定式、游牧式、移动式），均可选操作。2012年9月，总台技术部门联合北京星光公司在奥体中心和总台电视剧场进行了综合测试与实传案例，取得了成功。

此外，该系统采用新一代的互联网流媒体技术解决方案，在传输的同时，其多分辨率可实现包括电视/STB、电脑、MP4播放器、iPad/iPhone和智能手机等的实时监审，其多码率可在150kb/s～8Mb/s带宽范围内自适应，可适用于Internet，3G，IPTV，Wi-Fi，局域网等多网络环境，这使得各级领导与相关人员，在各种环境下实施节目传输直播管理。

6 4G电视直播系统优势

⊙ 图像质量高：4G系统能够以100Mb/s的速度下载，上传的速度也能达到50Mb/s，可以达到广播级的视频图像质量。

⊙ 成本低廉：一辆卫星转播车的造价高达千万元，其中卫星传输设备大约为百万元。TD-LTE远低于卫星和微波信道的使用费，初期固定设备投入低，信道租赁费与卫星可竞争，无需专用的卫星转播车。仅此一项就可节约大量成本开支，且使用费用也将不断下降。

⊙ 信号有保障：使用LTE专用频段，不受干扰。而微波使用开放频段，容易受到其他无线应用的干扰。

⊙ 快速反应：像其他移动终端一样接入，无需经过租用信道等手续，且体积小，可工作于狭小环境。

⊙ 信号有保障：使用LTE专用频段，不受干扰。而微波使用开放频段，容易受到其他无线应用的干扰。

7 结束语

随着4G技术的不断成熟和推广，作为移动互联网时代的典型应用，视频业务前景广阔，包括高清视频点播、高清即摄即传、高清视频会议、高清视频监控等移动视频应用等。4G技术在广播电视领域的应用，将突破以往时间、空间对电视节目的掣肘，将对电视节目制作带来全新的解决方案，为广播电视领域开辟新的制作环境。

[1] 李蔷薇．移动通信技术[M]．北京：人民邮电出版社，2005．

[2] 刘肖强，邓宪法．现代移动通信技术[M]．北京：国防工业出版社，2008．

捷德和Verimatrix演示智能手机的DRM解决方案

近日，在阿姆斯特丹举办的2014年IBC展会上，端对端安全移动解决方案的领先供应商捷德（G&D）与全球知名的、保证提高多网络以及多屏幕数字电视服务收入方面的专家Verimatrix，演示了用于移动视频服务的用户友好数字版权管理（DRM）解决方案，该方案包含了较高的付费电视解决方案安全标准。捷德和Verimatrix是在Verimatrix的展台（四号厅4.A55展位）演示的数字版权管理解决方案。

对于终端用户来说，这一应用程序的用法非常简单：终端用户只需从其兼容的安卓手机的应用商店下载相应的视频服务应用程序，使用用户凭证登录进去，首次登录成功后，只需几秒钟的时间，终端用户即可开始使用视频产品。在如今常见的固定付费电视应用程序中，必要的加密密码被储存在了智能卡上，而该解决方案可省略这一点。关键的数字数据会通过空中方式直接下载至兼容手机的保护区域内，在这一区域内，该应用程序在其整个使用期限内都非常安全，且会受到远程遥控管理。

Application of 4G Communication Technology in the Field of Radio and Television

Li Yongming
(Zhaoyuan Television Station, Zhaoyuan, Shandong, 265400)

First, the 4G mobile communication technology is introduced, And then to the 4G mobilecommunication system network structure, technical features and key technologies are described, Finally, thesuperiority of the TD-LTE 4G international standard of China leading in the application of multiple city experienceand 4G television broadcast system are analyzed.

4G Technology; TD-LTE; Application experience; Live TV

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.009

TN929.5，TN943

A

1672-7274（2014）10-0030-04

李永明，1974年生，助理工程师，主要从事广播电视技术工作。