DVB-H与手机电视原理及其前景展望

河南电视台都市频道技术部 牛志

2005年中国西部电视技术协会第十七届年会技术论文三等奖 摘要：本文首先对于手机电视的发展现状进行了简单的介绍与总结，并且提出了移动接受所要面对的主要问题及解决方案探讨，并由此引出了DVB-H这一下一代数字移动接受技术标准，本文使用了大量篇幅对于DVB-H的原理及新技术进行了较为详细的阐述，最后对于DVB-H与手机电视的前景进行了展望。

关键词：DVB-H标准，手机电视，时间分片技术

随着时代的进步和技术的发展，手机的功能也变得越来越多，从最初简单的移动电话功能，到后来的短信收发、拍照、录音、游戏下载、听音乐、接收FM信号等等功能，今年又兴起了一个全新的功能——手机电视。此概念一经推出，立即引起了业界和各大生产厂商的注意，随着业界研发力度的不断加强，DVB-H这一新一代多媒体移动标准也逐渐浮出水面，下面我们就来简单地介绍一下手机电视及其使用的DVB-H标准。

手机电视的发展现状

我国移动电话用户已经突破2．5亿，营业收入超过5 000亿元，培育了一个庞大的移动用户群。针对这个庞大移动人群的多媒体视频广播越来越引起各个方面的关注，人们希望从中找到新的商机。

各种统计数据表明，人们对数字多媒体视频信息的需要具有明显的非对称性，这种非对称性决定了个人移动视频的网络结构特点。正如 UMTS 论坛报告指出的那样：“从经济角度考虑，蜂窝网用于多播，电视广播网用于单播，可能两者都不是最佳的”，但两个网络的合作将会产生新的个人移动视频多媒体商业模式。据国际市场调查公司(Dataquest)的调查报告显示，2005年手机电视初露端倪，欧洲通信厂商新研发的手机电视系统，使电视节目能够借助地面数字电视广播网络进行传输。这种手机电视使得交互式数字电视能够传输到手机电视，人们看电视不必局限于室内，而能够随时随地收看电视节目。

手机电视属于移动接收的范畴，用户可以使用具有操作系统和视频功能的智能手机观看电视节目，是未来移动接收业务的重要发展方向之一，它能够处理包括图像、音乐、视频在内的多种媒体形式，因而可以提供可视电话、上网冲浪、电子商务等多种服务。因此必须具备以下功能特点：

对不同的网络带宽必须具备较强的适应能力。由于移动用户在同一地点的不同时间或在同一时间的不同地点所能使用的网络带宽会有很大不同，所以用统一带宽速率压缩的内容无法满足不同用户的实时播放需求。 接收机的功耗和天线安装问题。作为一种随身携带的便携式移动接收设备，手机电视的体积和重量不可能太大，这就对接收天线的尺寸和电池容量提出了极高的要求。天线尺寸太大则手机无法容纳，电池容量太小则用不了多长时间。对于前者来说，可以通过集成电路和微电子科技的进步而逐渐解决，而后者则需要通过降低手机功耗和开发新材料增加电池容量来解决。 必须使用数字信号。对于移动设备来说，接收数据量极大的模拟广播电视信号是很难实现的，因为模拟信号的处理十分复杂和困难，第一代移动电话使用的就是模拟信号，因而体积庞大功能单一，同样的技术如果应用在手机电视上将是不可想象的。为了解决这个问题，广播电视信号必须首先实现数字化。 容错能力。作为一种无线移动接收设备，手机电视在使用过程中经常会遇到信号衰减的情况，造成信号衰减的原因是多种多样的，既有在移动过程中走入信号阴影区而产生的遮挡性衰落，也有由于电波多径传输而造成的衰落。而后者不仅能够造成信号的衰落，还会造成数字系统误码率的增加，因此手机电视必须具备诸如带宽冗余和丢包重发之类的措施来保证容错。此外，对于高速的移动接收来说还需要注意无线信号多普勒效应所带来的麻烦。 现在已经有许多手机生产厂商已经推出或者即将推出手机电视，以期能够在这片新拓展出来的移动应用新蛋糕中分得一杯羹。

手机电视所使用的DVB-H标准

DVB-H标准的全称为Digital Video Broadcasting Handheld（手持式数字视频广播），它是建立在DVB和DVB-T两个标准之上的标准，虽然它是一个传输标准，但是事实上注重于协议实现，是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。和DVB-T相比，DVB-H终端具有更低的功耗，更优越的移动接收和抗干扰性能，因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收信号，可以成为手机电视的传输标准。DVB-H系统主要由以下几个部分组成：DVB-H封装机和DVB-H调制器构成了系统前端，其中DVB-H封装机负责将IP数据封装成MPEG-2视频编码流，然后交给DVB-H调制器进行信道编码和调制，当数据传输到系统终端后，由DVB-H解调器进行信道解调、解码，并在DVB-H终端上显示出来，后两者构成了DVB-H系统的系统终端。

DVB-H系统总体方案

如前所述，DVB-H是建立在DVB和DVB-T两个标准之上的标准，因此无论是结构模式还是数据类型均与后两者相近甚至相同，但是它又不完全等同于两个标准的简单叠加，而是基于自身独特的系统要求，在增加了许多新的技术模块之后而推出的新一代传输标准。下面就来介绍一下DVB-H的系统要求和使用的新技术：

系统要求：

具备较强的灵活性以适应各种不同带宽和信号传输的需要，同时还要具备良好的可扩展能力以便今后的升级和新业务的开展； 由于接收终端即手机通常使用电池供电，因此必须尽量降低功耗以延长使用时间； 由于数据量庞大，因此该系统必须具有较强的抗干扰能力，能够有效减少各种信号衰减所造成的影响； 由于接收端经常要处于移动状态，且移动速率不定，因此传输系统必须能够保证在各种移动速率条件下数据信号的稳定接收。

经过上述介绍，我们可以发现，尽管DVB-T在移动便携接收等方面的出众性能已经得到

了证明，但是对于手持设备而言该协议在功耗、网络结构和移动性能等方面的表现还显得有些差强人意，显然不适合手机电视使用，因此有必要对其进行改进，以适应手机电视业务的开展，于是新一代的移动传输标准DVB-H便应运而生了，该协议所采用的新技术如下：时间分片技术(time slicing)。

时间分片技术堪称DVB-H中最具革命性的新技术，它成功地解决了困扰手机电视发展的高功耗问题，同时还为不同网络间实现平稳的业务交换打下了坚实的基础。

顾名思义，时间分片技术是一种时分复用技术，其工作原理如下：发射端将所有的数据分成若干份打包封装，在某一个特定的时间片内向某一台接收端传送一个数据包，在该时间片内该数据包将单独占有全部数据带宽，同时该数据包还包括下一个数据包到达的时刻，对于接收端来说，只需要在数据包规定的时刻接收数据即可，而在其他空闲时间里面则可以做节能处理，这样一来手持终端功耗将会显著降低。而对于发射端来说则毫无影响，它可以在这期间向其他接收端传送数据从而充分利用带宽，提高效率。显然，利用时间分片技术所传送的数据并非是传统的线性数据流，而是离散的数据包，这种以突发脉冲串的方式进行数据传送的方式被称为突发传送，这项技术的实施是以下列二个与业务有关的问题的折衷为基础的：业务需要什么数据率？而在接收机这边应当节省多少电池的电力? 时间分片技术突发传送方式与传统数据流业务相比其降低功耗的效果是相当显著的，举例说来，我们假设现在发射端需要向10部手机传送数据，每一部手机的数据量为10兆，网络带宽为5兆，如果采用传统的线性数据流的方式同时向这10部手机传送数据，那么理论上无论是发射端还是接收端都需要工作20秒，而如果采用了时间分片突发传送方式呢，那么发射端的工作时间不变，还是20秒，而接受端的工作时间却可以显著降低，每一部手机只需要工作2秒钟就可以获得所需要的数据了，功耗降低了90%。当然这仅仅只是理想状况下的理论计算结果，实际情况远没有这么简单，但是尽管如此，时间分片技术对于接受端功耗降低的作用已经非常明显了。

除了降低功耗外，时间分片技术的应用还有利于不同网络间实现平稳的数据交换。在数据传送的空闲时间段里，移动终端可以对相邻蜂窝进行监视，扫描其他频率信号、测试信号强度，这样一来当用户进入新的网络时，移动终端会根据监视结果在空闲时间段里将信号切换到不同的传输流上，从而实现不同网络间平稳的数据交换。不过这么一来必将影响移动终端降低功耗的要求，毕竟鱼与熊掌不可兼得，不过如果能够将这种监测工作进行优化设置，降低监视时间，减少所要扫描的信号数量，满足DVB-H系统的要求还是能够实现的。

多协议封装-前向纠错(MPE-FEC)。

与DVB-T相比，DVB-H标准在数据链路层为IP数据报增加了RS（Reed-Solomon）纠错编码，作为MPE的前向纠错编码，校验信息将在指定的FEC段中传送，我们称之为MPE-FEC，它是用来改善单天线的移动接收性能的，但是这种误码保护只在一个时间片工作。MPE-FEC的目标是提高移动信道中的C/N、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。由于该部分内容在DVB-H标准中不是强制的，因此没有MPE-FEC功能的接收终端可以简单地略过FEC段完成数据接收。

有资料显示即使在非常糟糕的接收环境中，适当的使用MPE-FEC仍可以准确无误恢复出IP数据。MPE-FEC的数据开销分配非常灵活，在其它传输参数不变的情况下，如果校验开销提高到25%，则MPE-FEC能够使手持终端达到和使用天线分集接收时相同的C/N。实际上，我们可以通过选定一个高配置的传输参数提高传输码率来补偿MPE-FEC的开销，而它将提供比DVB-T好得多的性能，例如在高速、单一天线的情况下，采用MPE-FEC的手持终端能够在DVB-T环境下接收8K/16-QAM甚至是8K/64-QAM信号，此外MPE-FEC提供非常好的抗脉冲干扰能力。

但传输的误码通常不是单个的误码而是作为突发误码串出现的，如果时间片被扰乱太多，业务就丢失，不仅在时间片的期间，也延伸直到下个时间片被传输的期间。MPE-FEC是一个在较高的协议层的附加FEC，能够校正在较低层上的剩余误码，但只能在某个范围内。因此，DVB-H对它的有效比特没有独立的保护。

（3） 4K模式和深度符号交织

众所周知，DVB-T系统采用了两种主要的工作模式——2K（2048）和8K（8192）模式（2K和8K指的是副载波的数量），其中2K模式由于符号周期较短因此相对于8K模式能够提供更好的移动接收性能，但是正是因为2K模式的符号周期和保护间隔非常短，因而使得2K模式仅仅适用于小型单频网，而8K模式由于符号周期较长因此移动接收性能不如2K模式，只能用于高速移动接收环境下而不能用于超高速移动接收环境，但是同样由于该模式的符号周期较长因而使得噪声功率可以被分得更散从而拥有更好的抗干扰性能。

用上面的分析我们可以知道，2K和8K模式特点分明各有利弊，因此DVB-H标准就在DVB-T原有的两种模式下增加了4K（4096）模式已收鱼与熊掌兼得之效。该模式的工作性能介于2K和8K模式之间，取两者之长而弃二者之短，与前两者相比，4K模式较2K模式拥有更长的符号周期和保护间隔，因而抗干扰性能更强，虽然这种抗干扰能力不如8K模式，但是4K模式比8K模式的符号周期短，能够更频繁的进行信道估计，所以移动性能比8K更好，而且为了进一步提高移动时2K和4K模式的抗脉冲干性能，DVB-H标准还引入了深度符号交织（in-depth interleaving）技术，利用8K符号的交织器对2K和4K进行深度符号交织，使二者能够具有接近8K模式的抗脉冲干扰性能。总之，4K模式的性能介于2K和8K之间，为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的选项。

那么对于这样一种新的工作模式式否需要专门的设备呢？事实是完全没有必要，由于DVB-T移动解调器（8K）已经具有足够的RAM和逻辑控制单元，而且4K模式的发射频谱与2K和8K模式非常相似，因此理论上DVB-H完全可以使用DVB-T移动解调器而不需要进行改造，这样又可以省下一大笔设备方面投资。

DVB-H中3种模式关于单频网峰窝规模和移动接收性能的特点

（4）DVB-H传输参数信令

DVB-H创新性的采用了传输参数信令（TPS）这一信令机制，在采用了该机制之后，接收机能够更快地发现DVB-H业务。TPS是一个具有良好鲁棒性的信号，即使在低C/N地条件下，解调器仍能快速将其锁定。DVB-H系统使用两个新TPS比特标识时间片和可选的MPE-FEC是否存在，另外用DVB-T中已存在的一些共享比特表示4K模式、符号交织深度和峰窝标识。

未来展望

按照计划，DVB-H业务在2005年就可以投入使用，到2007年手机电视用户预计将达到1亿，而到2009年这个数字将增长到3亿。由于DVB-H继承自DVB-T，因此对于采用DVB-T的欧洲国家来说，推广起来相当方便，所耗资金也不会太多；但是对于北美和日本等非DVB-T地区来说（北美采用的是8-VSB技术，日本采用的是ISDB-T标准）， 如果想要使用该标准可能就必须花大力气进行改造了，耗资自然是不菲的，不过由于两者在各项性能参数上都与DVB-H有着不小的差距，因此预计DVB-H的推广将不会是什么太难的事情。

由于 DVB-H标准主要是为数字电视广播做准备，而传统的视频压缩标准如MPEG-2的码流又太高无法满足DVB-H的需求，因此DVB-H将有可能采用H.264(即MPEG-4的第10部分)作为其使用的视频压缩标准。对于中国来说，能否在最终确

定的数字电视地面传输标准上做微小的改动，推出适合手机等移动便携设备收看数字电视的标准，值得关注。目前在手机等移动便携设备上收看数字电视的实现方案有两种：基于移动通信系统、基于数字地面广播。中国联通和中国移动目前推出的手机电视业务属于前者，实际上是一种移动网络上的流媒体业务。比较而言，后者的优势在于频谱资源丰富，对用户数量敏感度低，视频流传输速度及质量与带宽无关，而前者在这些方面明显处于弱势；后者对突发及应急事件承受能力强，而前者则会争夺资源，一旦用户饱和就不能传送。支持DVB-H的诺基亚7700

西门子最新DVB-H手机

目前，诺基亚和韩国的三星都在DVB-H标准上大力发展他们的手机产品，诺基亚公司曾经宣布，将在芬兰赫尔辛基启动一个实验项目。参加试验的500名手机用户，除了通过他们手中的诺基亚7710智能手机收看电视节目外，还可以观看一些国际电视节目，以及收听电台节目。韩国三星电子在美国的“CTIA Wireless 2005”上展示了嵌有DVB-H接收模块的CDMA手机。三星此前已经展示过嵌入同类模块的GSM/GPRS手机。飞利浦半导体也宣布，它计划于年内推出兼容DVB-H的移动数字电视接收器/解调器，而丹麦Protelevision公司在NAB 2004上也展示了遵循DVB-H手机微波数字电视广播规格的传输设备。该设备是在该公司原有的DVB-T传输设备上安装DVB-H规格的软件而实现的。

随着手机用户需求的不断增长以及各大手机生产厂商不遗余力的推动，相信很快我们就能够实现拿着手机，一边走路一边看的梦想了。