简述宽带和数字电视的交互网

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北方交通大学多媒体通信实验室 罗华丽 冯玉珉
1.引言

　　近年来,随着数字电视和无线局域网的飞速发展,把广播电视、数据和多媒体业务合并起来并在同一射频(RF)范围内传输,而且上述业务需在宽带RF实现传输。因此,欧洲邮政和通信管理联盟(CEPT)分配40.5-42.5GHz为宽带交互服务,欧洲联盟(EU)也在高级通信技术和业务研究项目中涉及到此问题。宽带蜂窝无线接入业务(CRABS)和蜂窝接入宽带及交互电视业务(CABSINET)两协会更致力于此项研究,并在1999年末和2000年初给EU提出此方面的建议。CRABS主要集中于服务的定义和协议的调查研究并已设计出用于42GHz的硬件。CABSINT主要集中于评估、调制的选择和纠错算法方面。

　　更精确的说,CRABS的实验主要是无线接入交互电视和宽带业务。其主要目的是通过少数用户实验证明在40.5-42.5GHz的频带的无线系统是为宽带交互数字电视(MPEG-2)和多媒体业务提供的,主机(即因特网提供者)转播数字MPEG-2电视节目并通过42GHz RF连接提供给用户。本文主要描写了实验所用的系统结构、网络构造、系统性能的评估和在40.5-42.5GHz的频带发展交互业务所需的专门数据。

2．系统结构定义的要求

　　从一个相对的市场调查和把主机作为因特网提供者的结论完成系统定义,推论如下:

　　(a).用户不愿意作为网络设备接入因特网或其它交互服务使用它而在一天之内占用几个小时电话线,特别应该指出的是大多数用户的家中仅有一条电话线。

　　(b).用户最满意的服务是因特网接入和视频点播。

　　总体来说,交互业务的提供必须基于不占用用户的电话线又能提供高速接入的技术。服务提供者必须提供像VOD一样的高速度的因特网。由于现有无线的速度都很慢,所以利用现有的无线技术提供这些服务是没有前景的。像ISDN和ADSL一样,在现有电话线上提供高速率的前提是在局域交换时附加扩展设备和极大地提高网络容量。很明显,作为交互服务的数字MPEG-2和数据均通过在42GHz的频带无线传送给用户,由于交互服务是相对的,所以每个用户都必须无线返回到传送中心。本实验建议使用蜂窝。用户的要求集中在蜂窝内的一个特殊点并通过一条无线高速信道传送给服务提供者,相对而言,服务提供者通过一条无线高速信道传送给蜂窝内的接点并按需分配给用户。

3．系统结构

　　服务提供者是主机,它转播数字MPEG--2TV并在5.3Km 范围的蜂窝内对实验用户提供快速接入因特网和多媒体应用的交互服务。数字电视源MPEG-2图像通过卫星接收。所有服务通过在42GHz的频带上的RF单元的多路复用传送给用户。

　　蜂窝内的每一个用户直接收到从主机发来的数字电视信号。交互业务通过主蜂窝点提供给用户。在这一点上对地理上分布较远的用户(距离大于500米)称为边缘用户,对本地接入的用户称为有线用户,边缘用户通过运行2.4GHz频带上的扩频来连接。

　　蜂窝内的边缘用户的扩频连接总速率为1.3Mb/s,更重要的是从主机发往蜂窝的速率为2.0Mb/s并按需分配给有线用户和边缘用户。两个重要的参数Br和Bc,Br是有多媒体业务接入到nr个边缘用户和nc个有线用户确定的： 有线接入用户的速率至少等于:

　　　例：如果蜂窝包括一个有线接入和两个边缘接入,系统确保对有线接入用户的速率为1Mb/s和边缘接入用户的速率为0.5Mb/s。由于因特网其它因素的影响,速率会与所描述的有所不同。

4．主机结构

　　卫星发送的MPEG-2信号被低噪声块所接收并用一个带有IF输出的特殊的数字接收机转换到70MHz。以这种方式,它占有频带50-90MHz(27.5M符号/秒的QPSK信号)。从因特网传来的信息和专门服务器上的信息合并到同一个路由器并转换X.21协议为G.703协议(速率为2Mb/s)。数据流经过一个低通滤波器并通过载波为95MHz的载波调制后和70MHz的卫星信号(MPEG-2)多路复用,这就是频分多路复用技术。信号转换到42GHz传送给用户。从用户返回到主机的是接收和解调,基带信号反馈到路由器并分配给因特网和专门服务器。

5．蜂窝构造

　　蜂窝接收到的41.5-42.5GHz的信号经一个专门设计的仪器转换到950-1950MHz,MPEG-2信号通过一个集成的接收器/解码器(QPSK解调器和MPEG-2解码器)把信号传送给电视接收装置,在接入以太网之前,把接收到交互服务的数据流经过一个模拟接收器将协议X.21转换成协议G.703 并送入路由器。

　　蜂窝内的所有用户都必须连接到蜂窝主点的以太网。一些用户,在蜂窝主点以内或距离非常近,可通过电线接入,边缘用户通过本地无线接入点接入。本仪器在用户和本地以太网之间通过扩频解调实现透明、无线数据通信。数据在2.4GHz的频带上以1.3Mb/s的速率通过无线信道传送信息。无线覆盖范围在全向天线时为500米,同时,可以估计出蜂窝直径为1Km。无线本地局域网接入点设计为256个用户,假设用户PC连接到想应无线LAN适配器并提供与蜂窝主点的通信和蜂窝到主机的通信。

6．接入服务和必要设备

　　用户不但可以看数字电视节目而且可以快速接入因特网及得到特殊服务,特殊服务被操作系统是Windows NT主机服务器管理,用户在Windows 98的操作系统下像使用WWW浏览器一样使用特殊服务和接入因特网,一系列的HTML网页提供给用户选择并且用户可以通过因特网反馈给服务器和使用所有Windows 98网络设备。

用户设备的构成：

(a)42GHz的天线和转换950-1950MHz的转换器。

(b)一个用于扩频的全向天线。

(c)解调器和MPEG-2解码器。

(d)电视机。

(e)用于交互业务的安装有合适软硬件的PC,无线用户需要适配器接入无线LAN,有线用户需要常规以太网适配器,软件要求实现TCP/IP和普通的WWW浏览器,所有服务均接入此浏览器。

7．系统性能

　　数字MPEG-2是基于误比特率的测量实现性能评估的。发送机在42GHz输出功率为23dBm,接收机有34dB增益,集成接收译码器如图3所示,接收到的信号通过QPSK解调并通过一个前向纠错装置实现纠错,再解多路复用便可得到输入的MPEG-2节目。把节目分成视频和音频传送给电视机。集成接收译码器是一个带有多种装置的接收机,其中的一个装置是在解多路复用时测BER,本实验测得的在42GHz 5.3Km处BER小于10-5,对于这个BER,图像质量是很好的,无任何噪声。当BER在10-5~10-3之间,图像质量仍然很好,当BER大于10-2时,图像有很多随机噪声点,因此,稀疏图像损失的出现使观看电视节目成为不可能。

　　把多媒体网络性能的评估作为一个平台,包括一个主机、两个有线接入用户(UserC1和UserC2)和两个边缘用户(UserR1和UserR2)。全向天线有6 dB增益,蜂窝主点和边缘之间在42GHz频带上的发射功率为10dBm。在这个平台上的一系列实验证明容量充分使用并公平地分给所有用户。实验中所有的测量是在Windows NT操作系统中专门的WWW浏览器中的一个性能监控软件中进行的。

　　实验一设计是证明在主机和蜂窝主点的理论带宽为2Mb/s并在多媒体服务中已充分应用。假设仅一个用户要求下载一个非常生动的录像片段长为7Mbyte。基于设计目标,用户将得到整个2Mb/s的带宽,下载时间为(7Mbyte*8bit/byte)/2Mb/s=28s。实验证明了所有带宽均已利用,但下载时间为32s(导致速率为1.75Mb/s),多余时间是用于空中数据打包。

　　一系列重复实验在其它用户出现并要求多媒体服务的情况下测得有线用户的比特率的结果与等式(2)完全相符。有力的证明了在主机和蜂窝主点的间2Mb/s的数据速率均匀的分给有线和边缘用户。

　　另外一系列实验是测边缘用户的比特率,假设仅一个用户要求下载一个非常生动的录像片段长为7Mbyte。像前面一样,根据等式(1)推测用户将使用全部1.3 Mb/s的基于无线LAN的扩频,下载时间为43s,实验证明了所有容量均已利用,但实际下载时间为50s,多余时间是用于空中数据打包。

8.交互多媒体业务的特殊数据

　　很明显,提供给蜂窝的2Mb/s的数据流被均匀的分给用户。音频点播由于其实时性而速率低,音频信号被声卡捕获并存在服务器的专门的音频格式。实时回放的数据速率为20Kb/s,网络可以对100个用户同时提供此项服务。为了避免在其它用户接入时产生间断,用户应在回放设备中加入一个缓冲处理。已经证明,音频文件是连续地甚至在其它用户通过2 Mb/s RF下载文件。

　　视频点播服务要求高数据速率,因此实时回放并不太可能,视频文件须先下载到用户的PC上再播放。典型的视频文件有下述特点：

大小：60Mbytes

持续时间：4min

图像分析：384*288

帧率：21.3帧/秒

音频格式：PCM,11025采样/秒,8bit,立体声

　　有线用户下载一个这样的文件的最短时间为4min,也就意味着用户必须4min下载才能播放,但下载时间对边缘用户是成倍的。

　　像流行歌曲的视频节目证明其帧率更慢,假设一个音频文件3min,下载时间为28s,也就是说,用户须等待30s下载文件而仅听3min。

9．总结

　　本文描述的是在42GHz为宽带业务和数字电视服务的无线蜂窝交互网的一个实验结果。本文主要写了系统结构、网络构造以及交互业务的发展所需的专门数据和性能评估等。数字电视节目和交互服务通过无线高速率传送给用户,用户通过WWW浏览器接入交互服务。系统多媒体应用的测量显示1.3Mb/s的扩频连接分给边缘用户而2Mb/s则分给有线用户和边缘用户。数字电视的BER应小于10-5。因为用户根据需要来要求服务,所以交互业务的内容应该是不断变化的和多样的。

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