下一代广播电视网无线系统

基金项目：“十一五”国家科技重大专项(2009ZX03005-004)

    随着世界经济文化的快速发展，移动用户对信息业务的需求量快速增长。据初步估计，在2011年至2015年期间，世界范围内移动用户对信息业务的需求量将以92%的复合年均增长率增长，到2015年将累计增长超过26倍[1]。为了应对信息业务需求量的快速增长，广播和通信业界都在积极研发传输速率和频谱利用率更高的新一代广播和通信标准[2-5]。尽管如此，无线网络传输容量的提升速度还是远远落后于信息业务数据量的增长速度。

    在未来无线移动网络中，单独依靠传统广播网或传统双向通信网，都无法实现移动信息业务的最优化传输。传统广播网采用大区制组网方式，覆盖范围大，单向广播效率高，有利于公共业务内容的广播和推送，但是其不具备上行回传信道，无法实现点播或宽带接入，不利于个性化内容的传输。现有移动通信网采用小区制蜂窝组网方式，双向通信效率高，有利于个性化内容的传输，但是其覆盖范围小，广播和推送效率低，不利于公共业务内容的广播和推送。实现广播网和双向通信网的融合，是解决移动信息业务数据量快速增长和无线网络传输容量受限之间的矛盾的有效途径。

    通过建立网络资源和频谱资源的统一调度机制，根据各种移动信息业务的不同特点，有针对性地分配网络资源和频谱资源，选择最优传输方式，可以显著提高系统整体无线频谱利用率。

    广播和双向通信业务融合，因其技术合理性和广阔市场前景，在世界范围内，受到了学术界和工业界的广泛关注[6-8]。

    中国政府对广播和双向通信的业务融合非常重视。国家“十一五”规划明确提出：“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合”。2008年12月，国家广电总局与科技部签署了《国家高性能宽带信息网暨中国下一代广播电视网自主创新合作协议书》，确定了以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支撑，以有线电视网数字化整体转换和移动多媒体广播电视(CMMB)[9]的成果为基础，实现建设可同时传输数字和模拟信号的、具备双向交互、组播、推送播存和广播4种工作模式的、可管可控可信的、全程全网的宽带交互式下一代广播电视网(NGB)的目标。

    按照国家规划，2015年中国将完成广播电视模拟数字转换。这将释放出大量超高频(UHF)频段资源，而下一代广播电视网无线系统(NGB-W)的核心任务就是有效利用这一重要频谱资源，实现无线广播和双向通信的融合共存，促进广电向无线全业务服务方向发展。

1 NGB-W技术需求分析
    为了满足用户的综合业务需求，NGB-W应与中国移动数字多媒体广播(CMMB)等数字化无线广播网络有机融合，提供单向广播、数据推送、双向互动、和宽带双向接入等服务。NGB-W应充分利用UHF频段空闲频谱资源，实现与B3G/4G系统相当的频谱效率与传输速率。NGB-W应支持多种组网模式，实现全国区域的基本覆盖和局部区域的增强覆盖，降低网络部署成本，并支持全网漫游。NGB-W必须实现全程全网可管、可控、可信，支持对网络传输、用户接入、网络内容的安全保证。现有数字广播网技术(如CMMB标准、DVB标准)或移动通信网(如LTE eMBMS标准)技术，都无法完全满足上述NGB-W技术要求。因此，只有遵循无线广播和双向通信相互融合的技术路线，才能够达到NGB-W特有技术要求。

    以此为出发点，本文探讨了适合无线广播和双向通信融合共存的NGB-W网络架构，并进一步明确了需要实现的NGB-W关键技术。

2 NGB-W网络架构
    根据NGB总体规划，NGB网络由核心网和接入网构成。其中，NGB核心网承载NGB的业务平台、运营维护、网络管理、计费鉴权和安全管理等网络支撑平台，为用户提供全面的三网融合服务；NGB接入网由NGB有线系统(NGB-C)和NGB无线系统构成，NGB-C为用户提供宽带入户服务，NGB-W为用户提供无线广播和双向通信服务，而两者能够在网络层实现无缝切换和漫游，最终实现NGB全程全网覆盖。

    NGB-W由NGB-W广域网和NGB-W家庭局域网共同构成。移动用户可以根据其所处通信环境，选择适当的接入网络。当移动用户处于NGB-W家庭局域网覆盖范围内时，可以通过NGB-W家庭局域网与无线家庭网关连通，进而通过NGB-C接入核心网；当移动用户处于NGB-W广域网覆盖范围内时，则可以直接通过NGB-W广域网接入核心网。基于NGB总体架构，在综合考虑NGB-W技术需求和建设成本的基础上，NGB-W广域网网络架构可采用两种方案：广播网与双向通信网双层重叠式组网方案，以及广播网和窄带回传链路相结合的组网方案。

2.1 广播网和双向通信网双层重叠式的NGB-W广域网网络架构
    大区制广播网和小区制双向通信网双层重叠式的NGB-W广域网网络架构方案以及NGB-W在NGB总体架构中的位置如图1所示。在这种NGB-W网络架构中，广播大塔和双向通信基站协同覆盖，广播推送和双向传输相互融合；其中，广播大塔以传统广播网络为基础，主要实现单向广播和数据推送的大区域覆盖；双向通信基站以传统蜂窝网络为基础，主要实现广播补点覆盖、数据推送补充传输、小区组播，以及点播和双向通信等业务。

    与传统广播网大区制网络架构和传统双向通信网小区制网络架构相比，这种双层重叠式的网络架构充分体现了无线广播和双向通信相互融合的技术特点。其优点是网络容量大、传输效率高，可以满足复杂业务需求；其缺点是所需建设经费较多。因此，比较适合应用于移动用户分布密集、信息业务需求量大的城市地区。

2.2 广播网和窄带回传链路相结合的NGB-W广域网网络架构
    大区制广播网和窄带回传链路相结合的NGB-W广域网网络架构如图2所示。该架构基本沿用传统大区制广播网的网络架构，只增加了由用户终端至广播大塔的窄带直连回传链路。广播大塔不仅需要承担单向广播和数据推送的任务，而且还需要与窄带回传链路相互配合，承担点播和双向通信的任务。

    这种网络架构的优点是网络架构简单、部署速度快、成本低；缺点是回传链路容量小，难以支持上行速率要求较高的业务。因此，比较适合应用于NGB-W初期建设阶段，或应用于移动用户分布较为稀疏、信息需求量较小的农村和边远地区。

3 NGB-W关键技术
    为了达到NGB-W的技术要求，在设定网络架构前提下，还需要细致研究相关关键技术，主要包括：NGB-W下行广播传输技术、双层重叠式广播/双向网络中的数据推送技术、双向无线接入技术、感知无线电和频谱共享技术等。

3.1 NGB-W下行广播传输技术
    NGB-W下行广播传输技术将在CMMB的基础上，兼顾移动接收和固定接收的要求，借鉴国际上DVB-T2和DVB-NGH的技术发展趋势，进一步提高空口的传输效率。

    (1)信道编码调制技术
    数字电视广播信道是一个信道时延扩展长、频率选择性强的多径衰落信道。NGB-W需要进一步考虑广播大塔/双向通信小塔协作同频广播的应用场景，因而其可能面临更为严重的多径干扰问题。
为了提高NGB-W广播信号的传输可靠性，NGB-W需要研究编码效率和纠错能力更强的低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)和Turbo码、信号空间分集增益更高的比特编码调制技术以及低复杂度的迭代解调译码技术[10]。

    (2)多天线技术
    为了提高NGB-W下行广播传输的速率和可靠性，达到NGB-W下行广播技术需求，必须考虑设计并应用适当的多输入多输出(MIMO)技术。从发射天线配置角度观察，MIMO技术可以分为共置式MIMO技术(广播大塔单独传输)和分布式MIMO技术(广播大塔和双向通信小塔协同传输)；从MIMO编码方式角度观察，MIMO技术包括MIMO开环空分复用技术和MIMO开环发射分集技术(如STBC码或单频网)。

    不同MIMO技术，具有不同的技术特点和实现复杂度，NGB-W应根据具体应用场景和技术要求，选用不同的MIMO技术。

    (3)载波聚合技术
    NGB-W还可以利用载波聚合技术[11]，将数据分配到多个空闲广播电视频道上进行同步传输，以此提高其传输带宽和传输速率。由于NGB-W工作频带由多个连续或不连续的空闲广播电视频道构成，因而必须考虑连续载波聚合和不连续载波聚合两种技术选项。由于各个广播电视频道上的信道衰落特性有所不同，需要研究NGB-W可用频段内的信道特性，并设计一个支持载波聚合的无线资源调度算法，以提高NGB-W传输频谱利用率。

3.2 双层重叠式广播/双向网络中的数据推送技术
    传统广播网进行数据推送时，由于必须考虑广播大区内最恶劣的用户接收环境，广播大塔只能采用相对保守的编码调制方式进行数据推送，在这种情况下，频谱利用率较低；传统双向通信网进行数据推送时，由于小区覆盖范围较小，需要部署数量较多的双向通信小塔，才能保证数据推送的覆盖效果，在这种情况下，即使采用同频网传输模式，功率利用率也较低。而在采用双层重叠式网络架构的NGB-W中，数据推送由广播大塔(点对多点)初始传输、用户反馈、双向通信小塔(点对点或点对多点)补充传输这3个阶段共同完成。由于存在基于用户反馈的补充传输机制，广播大塔能够以较高速率进行初始传输，实现广播大区的基本覆盖。未能成功接收初始传输的用户，可以要求所属双向通信小塔进行补充传输，以便再次接收。采用该传输模式，可以充分利用大区制广播网和小区制双向通信网各自的优势，实现较高的广播传输效率。为了提升NGB-W数据推送的传输效率，需要设计效率更高、纠错能力更强的编码方案(如数字喷泉码等[12] )，需要设计基于NGB-W双层重叠式网络架构的、以优化NGB-W数据推送的整体传输效率为目标的、能够根据NGB-W网络状态(包含广播网络状态和双向通信网络状态)调整广播大塔初始传输和双向通信小塔补充传输的传输模式的自适应模式切换技术。

3.3 双向无线接入技术
    为满足NGB-W系统对高带宽的双向交互需求，NGB-W将借鉴宽带无线通信领域的最新技术发展趋势，结合NGB-W工作频段特点以及NGB-W系统的网络架构和业务需求，研究适合NGB-W的双向无线接入技术。

    (1)先进的多址接入技术
    多址接入技术是NGB-W双向接入网络物理层的核心。针对广播和双向通信等多种业务的特点，NGB-W系统采用目前最先进的正交频分多址/单载波-频分多址(OFDMA/SC-FDMA)技术作为多址接入的主体框架，并针对NGB-W系统的网络架构和业务特点进行改进型研究，以研究出支持高移动性、高传输速率、高功率效率和频谱效率的接入技术。值得注意的是，NGB-W需要支持载波聚合技术以实现宽带双向接入。

    (2)广播大区窄带回传技术
    在NGB-W网络建设初期，可能存在广播大塔单独覆盖的状况，为了配合广播大塔实现投票、拉数据、电子邮件和电子购物等窄带宽双向交互业务，可以建立从用户终端至广播大塔的直连回传链路。由于广播大塔和用户终端的发射功率差别较大，造成上下行链路预算差别较大，需要研究编码增益更大的信道编码(如LDPC码或先进级联码)来提高回传链路的传输可靠性。

    (3)邻区干扰管理技术
    NGB-W工作在UHF频段，无线信号的信号强度随传播距离增大而衰减的速率较低，因此NGB-W中的邻区干扰将比工作在2 GHz频段的蜂窝移动通信系统中的邻区干扰有显著增加，双向通信小区的边缘用户的接收性能受到很大影响。为了提高系统容量和提高小区边缘用户的接收性能，可以考虑使用频率复用、小区间干扰协调、负载均衡等动态、静态、半静态邻区干扰管理技术，降低邻区干扰对系统容量和用户接收性能的影响。

    (4)负荷分流技术
    NGB-W工作在UHF频段，无线信号的信号强度随传播距离增大而衰减的速率较低，因此NGB-W小区半径较大，覆盖的用户数量可能较多。如果同时请求数据通信的用户数量较大，总带宽需求量超出小区容量，则用户成功接入概率降低，用户体验也会下降。在这种情况下，需要研究利用负荷分流技术，将一定比例的数据通信负荷，通过NGB-W局域网和NGB有线网，转移至其他接入网络，减小双向通信小区内的数据通信负荷，改善用户体验。

3.4 认知无线电技术
    为了提高NGB-W频谱利用率，需要建立统一静态频谱规划信息和动态频谱感知信息的无线资源管理机制。第一，掌握全国各地的完整的静态频谱规划信息，建立静态频谱规划地理信息数据库；第二，通过认知无线电频谱感知技术[13]，建立NGB-W动态空闲频谱发现和报告机制；第三，利用认知无线电频谱共享技术，建立动态空闲频谱管理机制。其中，NGB-W频谱感知是指利用频谱感知技术来获取NGB-W频谱使用特征、发现动态空闲广播电视频道的机制；NGB-W频谱共享是指利用频谱共享技术，协调和管理NGB-W中动态空闲广播电视频道的机制。为了提高NGB-W整体频谱利用率，需要研究更先进的频谱共享技术和频谱共享技术。

4 NGB-W应用前景
    NGB-W是广电行业无线三网融合的解决方案，服务于广电打造无线新媒体的总体目标，可以提供应急信息多平台广播、音视频指挥、视频云服务、内容推送、现场新闻采编与播报、移动电视、互动电视、VoIP、在线游戏、家庭宽带互联、多屏互动、虚拟社区服务、高级驾乘助理等业务应用，覆盖城市管理、行业应用、企业服务、家庭全媒体等经济社会生活的方方面面，具有广阔的应用前景。

5 结束语
    为最大限度地缓解无线带宽日益增长的需求和有限的能力提升之间的矛盾，NGB-W系统提出了大塔广播与小塔通信相结合的技术路线，所纳入的关键技术基于对不同场景下实际业务需求和应用定位的综合考虑。
NGB-W能够适应社会发展水平的不平衡性：在城镇信息化基础较好地区，可以进一步提升城镇的无线基础设施，服务于城市管理等专网应用，并且可以实现NGB有线业务向无线领域的延伸，服务于社区、企业、家庭和个人；在城市远郊、农村等信息化基础薄弱地区，NGB-W可以重点服务于实现无线三网融合的普遍服务，用以消弭数字鸿沟。

6 参考文献
[1] Cisco visual networking index: Global mobile data traffic forecast update, 2010-2015 [R]. Cisco Systemc Inc, 2011.
[2] ETSI EN 302 755 V1.1.1. Digital video broadcasting (DVB): Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) [S]. 2009.
[3] ETSI EN 300 744 V1.6.1. Digital video broadcasting (DVB): Frame structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television [S]. 2009.
[4] 3GPP LTE Release 10 and beyond [R]. to be released.
[5] IEEE P802.16m/D8. IEEE draft amendment standard for local and metropolitan area networks - Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems - advanced air interface [S]. 2010.
[6] ROADiBROM (roadmapping digital broadcasting / mobile convergence RTD 2015) [R/OL]. [2009-11-23]. http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=PROJ_ICT&ACTION=D&CAT=PROJ&RCN=80515.
[7] ETSI TS 102 468 V1.1.1. Digital video broadcasting (DVB): IP datacast over DVB-H: Set of specifications for phase 1 [S]. 2007.
[8] 3GPP TS 26.346 V10.0.0. Multimedia broadcast/multicast service(MBMS): protocols and codecs:(Release 10) [S]. 2011.
[9] GY/T 220. 移动多媒体广播 [S]. 2006.
[10] NOUR C A, DOUILLARD C. Improving BICM performance of QAM constellations for broadcasting applications [C]//Proceedings of the 5th International Symposium on Turbo Codes and Related Topics,Sep 1-5,2008,Lausanne, Switzerland. Piscataway,NJ, USA: IEEE, 2008:55-60.
[11 RATASUK R, TOLLI D, GHOSH A. Carrier aggregation in LTE-advanced [C]//Proceedings of the 71st Vehicular Technology Conference (VTC-Spring’10), May 16-19, 2010, Taipei, China. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2010:5p.
[12] SHOKROLLAHI A. Raptor codes [J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006,52(6):2551-2567.
[13] ZHANG Y, ZHENG J, CHEN H. Cognitive radio: Architecture, protocols, and standards [M]. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2010.

收稿日期：2011-05-05

[摘要] 基于下一代广播电视无线网(NGB-W)技术需求分析，文章给出了两种广播与双向通信融合的网络架构，讨论了下行广播传输、广播与通信融合数据推送、双向无线接入、频谱感知等方面涉及的关键技术，并探讨了NGB-W的应用前景。文章认为采用广播与双向通信融合网络，NGB-W系统可以充分利用超高频(UHF)频谱资源，根据各种信息业务的不同特点，有针对性地分配网络资源和频谱资源，选择最优传输方式，从而提高系统整体无线频谱利用率。

[关键词] 下一代广播电视网；下一代广播电视网无线系统；广播与通信融合；网络架构；推送

[Abstract] This paper proposes two network architectures in which broadcast and bidirectional communications are converged. These architectures are based on the next-generation broadcast wireless network (NGB-W). This paper discusses the application prospects of NGB-W and key technologies such as downlink broadcast transmission, data push of converged broadcast and communications, bidirectional wireless access, and spectrum sensing. It suggests that by using a converged broadcast and bidirectional communication network, the NGB-W system can make better use of ultrahigh frequency (UHF) spectrum resources, distribute network and spectrum resources more efficiently, choose suitable transmission schemes for various services, and improve efficiency in wireless spectrum use.

[Keywords] next-generation broadcast (NGB) network; NGB-wireless (NGB-W); broadcast and communication convergence; network architecture; push service