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移动多媒体广播系统的主要技术研究

摘要
随着基于移动网络的多媒体数据业务的蓬勃发展，移动多媒体广播系统技术日渐成为业内的研究热点。3G时代的到来，人们对手机、PDA等数字终端的功能不再满足于简单的通话、短信、游戏和MP3等，需要支持更强大的多媒体业务功能，如VoIP系统、视频电话、无线多媒体监控系统等。本文通过对移动多媒体广播系统设计时涉及的关键技术：移动多媒体终端、抗干扰的音视频编解码机制、无线通信网络组网及多媒体传输控制等技术的分析与研究，详细的说明了实现移动多媒体广播系统中的关键技术。

关键词: 移动多媒体终端；抗干扰的音视频编解码机制；无线通信网络组网；
多媒体传输控制等技术。

一、 前言
移动多媒体广播系统主要由节目集成与播出、卫星传输、地面覆盖网络、加密授权、运营支撑、双向交互网络及移动多媒体终端等部分组成。移动多媒体广播主要面向手机、PDA 等小屏幕便携手持终端以及车载电视等终端提供广播电视服务。根据移动多媒体广播系统的基本特点，
移动多媒体广播的系统要求为：
（1）可提供数字广播电视节目、综合信息和紧急广播服务，实现卫星传输与地面网络相结合的无缝协同覆盖，支持公共服务。
（2）支持手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑以及在汽车、火车、轮船、飞机上的小型接收终端，接收视频、音频、数据等多媒体业务。
（3）采用具有自主知识产权的移动多媒体广播技术，系统可运营、可维护、可管理，可根据运营要求逐步扩展。
（4）支持中央和地方相结合的运营体系，具备加密授权控制管理体系，支持统一标准和统一运营，支持用户全国漫游。
（5）系统安全可靠,具有良好的可扩展性，能够适应移动多媒体广播技术和业务的发展要求。
二、 移动多媒体终端设计架构
移动多媒体通信终端，能够实现多媒体信息的实时采集、处理（编解码）和网络传输，提供信息源，数据打包，协议支持等功能。
移动多媒体终端系统组成框图如图1所示。系统一般分为四个部分，微处理器系统、多媒体外设、数据存储设备和无线网络接口。

无线网络

摄像机
耳机话筒
键盘
显示设备
智能卡
电池

外设接口
存储器接口

RAM
ROM
SDRAM
FLASH
无线网络接口

微处理系统

多媒体卡或串行数据卡接口

图1移动多媒体终端系统结构框图微处理器系统
(一) 微处理器
中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。
核心微处理器将采集到的原始多媒体数据经过音视频编码设备根据给定的编码标准（H.263、H.264、MPEG-4…）进行编码，以备本地播放或通过网络传输。同时，还要提供必要的多媒体外设接口、外部存储器接口和网络接口。
(二) 多媒体外设
多媒体外设主要包括摄像头、显示设备、音视频处理设备，还包括耳机话筒、网络智能卡、天线和电池等。摄像头采集视频信号，显示设备将从本地或网络得到视频数据打开数据包，进行视频解码，并把得到的视频数据显示出来，同时，如果嵌入式网络多媒体终端需要验证视频压缩的数据的正确性，还可以带有本地解码器，支持解码数据的本地显示。
(三) 数据存储设备
数据存储设备包括RAM、ROM、SDRAM和FLASH，用来扩展系统存储空间，存储经过编解码的多媒体数据和终端控制程序。
(四) 无线网络接口模块
在工业控制系统中，应用现场总线技术、以太网技术等，一般都是基于有线的网络。有线网络高速稳定，但是，有线网络只能沿着一维的线路传输数据，会形成破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病。与此相对应，无线网络向三维空间传送数据，中间无需传输介质，只要在组网区域安装接入点（Access Point）设备，就可以建立局域网；移动终端只要安装了无线网卡就可以在接收范围内自由接入网络。总之，在网络建设的灵活性、便捷性、扩展性方面，无线网络有独特的优势，因此无线局域网技术得到了发展和应用。
无线网络接口模块处理音视频编码流，把音视频数据打包为适合网络传输的数据包，并把它通过无线网络传输出去。并支持系统选定的无线网络传输控制协议。
1. 无线局域网的优点
（1）灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。
（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。
（3）易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。
（4）故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。
（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间"漫游"等有线网络无法实现的特性。
由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。
2. 无线局域网的不足之处
无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：
（1）性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。
（2）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为54Mbit/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。
（3）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。
(五) 以DM642为核心处理器的多媒体终端典型构架
DM642是TI公司专门为多媒体应用而开发的DSP，采用TI的第二代高级超长指令字结构（VelociTI），使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。它可在600MHz时钟频率下工作，每个指令周期可并行8条32bit指令，因此，可达到4800MIPS的峰值计算速度。DM642采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的LIP（16kB）和LID（16kB），只能作为高速缓存使用；第二级L2（256kB）是一个统一的程序/数据空间，可整体作为SRAM映射到存储空间，也可整体作为第二级Cache，或是二者按比例的一种组合来使用。DM642具有64个独立通道的EDMA（扩展的直接存储器访问）控制器，负责片内L2与其他外设之间的数据传输。容量较大的两级缓存和EDMA通道是DM642高性能的体现之一，若能合理使用和管理，将能大幅度提高程序的运行性能。其结构如图2所示。
图2 DM642结构示意图
此外DM642具有丰富的外围设备接口，包括3个可配置的双通道视频端口video port，其中每个video port又分成A和B两个通道，A/B通道可分别处理一路视频采集，因此DM642最多可以处理6路视频采集数据（不带音频）。如果将video port配置成用于视频输出，则只能在A通道输出，B通道不可以，因此DM642最多可支持3路视频输出（不带音频）。如果同时处理音频，每一个video port可以处理两路立体声。另外还包括64bit的外部存储器接口（EMIF）、10/100Mbit/s以太网MAC和多通道音频串行端口（McASP）以及66MHz32bit的PCI接口。
DM642的基本系统由DM642和外扩的存储器以及外设组成，而外扩的存储器和外设均通过DM642的外部存储器接口（EMIF）进行扩展。DM642基本系统所必须的外扩资源包括：
（1）SDRAM（4M64bit），用于存放程序和缓存数字视频/音频数据；
（2）FLASH（4M8bit），用于存放固化程序，以便进行ROM引导；
（3）UART（288bit），扩展2个异步串口（RS232/RS422/RS485）；
（4）板上寄存器（n×8bit），由若干个8位状态/控制寄存器组成；
（5）硬盘接口（2816bit），用于本地大容量存储接口。
由此可见，DM642是一个功能强大的多媒体处理器，可用来实现高速完成大数据量的数字视频/音频编解码处理，特别适合于开发多媒体通信设备。是目前构造数字多媒体应用的理想平台（如图3）。

图3 以DM642为核心的多媒体终端的系统框图

三、 抗干扰的视频编解码技术
视频编码技术是网络电视发展的最初条件。只有高效的视频编码才能保证在现实的互联网环境下提供视频服务。
H.264或称为MPEG-4第十部分（高级视频编码部分）是由ITU-T和ISO/IEC再次联手开发的最新一代视频编码标准。由于它比以前的标准在设计结构、实现功能上作了进一步改进，使得在同等视频质量条件下，能够节省50%的码率，且提高了视频传输质量的可控性，并具有较强的差错处理能力，适用范围更广。在低码率情况下，32kbps的H.264图像质量相当于128kbps的MPEG-4图像质量。H.264可应用于网络电视、广播电视、数字影院、远程教育、会议电视等多个行业。
ITU-T颁布的H. 261标准，用于可视电话和会议电视。后来又陆续发展了H.263、H.263＋、H.264。它们的压缩原理是充分利用视频数据的空间和时间冗余，采用预测与变换的混合编码方法，对残余的数据进行编码，保证了极大的压缩比。
3G-324M作为3GPP提出的第三代移动通信流媒体传输标准，可确保有线视频传输系统与第三代移动视频传输系统之间的互操作性。与ITU-T H.324中的视讯会议标准有较紧密的联系。3G-324M适用于UMTS移动网络中的64kbit/s电路交换链路，其复用协议为H.223、控制协议为H.245，缺省视频编码器采用H.263及MPEG-4简单类第一级，缺省语音编码器则为GSM-AMR和G.723.1。3GPP2也将类似的标准集应用于3GPP2无线网络电路交换视频会议业务。
四、 移动通信网络
目前，能传输多媒体业务的宽带无线接入技术有多种，如VSAT宽带卫星广域接入、以IEEE 802.16为代表的宽带无线接入系统（BWA，包括MMDS、LMDS）、中距离的无线本地环路技术、以IEEE 802.11系列和HiperLAN为代表的无线局域网接入、以IEEE 802.一五无线个人域网WPAN，包括蓝牙、红外、超宽频以及HomeRF为代表的短距离无线互连技术。
(一) 基于2.5G公众移动通信网络
有线通信网络具有容量大、传输速率高、安全性能好和传输质量稳定可靠等特点，能够有效满足行业和企业集团日益增长的对高速数据传输和宽带多媒体通信的需求。在电子政务、远程教育、电子商务等宽带应用领域，有线通信也发挥着不可替代的作用。 
从移动通信自身的发展情况来看，移动通信网络从2G向2.5G乃至3G的全面演进和移动数据业务的不断发展，为移动行业应用奠定了基础。近几年来，由于实现了从2G向2.5G的过渡，国内移动通信网络的数据传输速率获得了全面提升。
(二) 基于无线局域网络
无线局域网络(WLAN)是利用射频或红外线的技术，以无线的方式连接两部或多部需要交换信息的移动多媒体设备。相较于以有线方式所构成的区域网络，无线局域网络具有存取架构简单、高移动性等优势。
为了保证多媒体文件的稳定传输就必须有足够的网络带宽，不同的多媒体文件对网络带宽的要求各不相同，为了达到更好的视频质量，网络带宽就更为重要。无线网络标准协议IEEE802.11b/g/a定义的网络带宽包括多种标准：11Mbps/22 Mbps/54Mbps，其中有效数据传输带宽分别为5Mbps/10Mbps/22Mbps，完全可以满足各种类型的多个并发多媒体文件稳定传输，保证高质量的视频信息。
(三) 未来发展方向——3G
随着3G移动通信系统走向实用，高至2MHz的带宽将为移动多媒体通信提供更加强有力的支持。此时视频的质量将会有极大的改善。显示屏、 CPU 内存、电池和解码软件等关键技术领域的发展也使得移动终端的功能日益增强，更多适合移动多媒体业务的终端不断涌现。
1. 3G网络的优势
3G网络的优势，在于其解决了2G和2．5G网络在高速数据业务方面支撑能力不足的问题。与2.5G网络仅能提供数十k的数据传输速率相比，在理论上3G网络的数据传输速率在静止状态下可以达到2Mbit/s，在步行移动状态下可达到384kbit/s，在快速移动状态下可达到144kbit/s，其数据业务支撑能力与2.5G网络不可同日而语。 
2. 3G与其他无线网络技术的结合 
当前，在公众移动通信持续快速增长、移动通信网络向3G全面演进的同时，WLAN、WiMAX以及UWB、ZigBee、RFID等新的宽带无线接入技术和短距离无线技术相继涌现，并不断走向成熟，无线通信产业发展呈现多样化的新格局。随着通信技术的不断发展和网络的逐步演进，3G与各种宽带无线接入技术和短距离无线技术呈现融合发展的态势，这将为未来移动行业应用开辟更加广阔的空间。 
3. 3G时代，移动行业应用将呈现三大态势 
总体来看，与2.5G时代“由点到面”逐步推广的发展阶段不同，3G时代的移动行业应用将呈现以下特点： 
(1)普及化 未来一个时期，随着3G的全面商用，移动行业应用将在2.5G时代规模化发展的基础上，向政府、公安、金融、交通、物流、电力、工商、中小企业等社会各行各业加速普及，同时还将向工业控制以及家庭数字化领域全面渗透，其应用的广度、深度都将获得全面拓展，应用的层次和质量将得到全面提升。
(2)融合化 随着3G走向商用，固网与移动网的融合进程将不断加快，公众移动通信网络与各种宽带无线接入技术、短距离无线技术也将逐步走向融合。
(3)多媒体化 在3G商用后，在行业应用领域，移动运营商不仅能够满足行业客户对低速率业务应用的需求，而且能够满足他们对高速率业务应用的需求。能够满足用户对包括声音、数据、图像和视频在内的多媒体信息通信的需求，用户对移动行业应用的体验将全面改善。

五、 3G标准
　国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》（简称IMT—2000）；2007年，WiMAX亦被接受为3G标准之一。CDMA是Code Division Multiple Access (码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。下面分别介绍一下3G的几种标准：
W-CDMA
　　也称为WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。
CDMA2000
　　CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。
TD-SCDMA
　　全称为Time Division - Synchronous CDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出，但技术发明始于西门子公司，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。
WiMAX
　　WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，又称为802·16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。

六、 结 论
建立于更高性能的移动多媒体终端、抗干扰的音视频编解码标准、新型的无线传输控制协议及第三代移动通信技术之上的无线实时多媒体通信系统具有宽带、高压缩比、码率可扩展及抗误码等特性，可以乐观的预计：在未来移动通信网络中，各类高速实时移动多媒体系统的应用前景将会是十分广阔的，此外，基于多网融合，实现多媒体的有线网络与无线网路业务的融合，也是必然的发展方向。“多媒体化”是未来移动通信应用的主流趋势，移动多媒体通信技术日渐成为通信应用技术的研究热点。
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