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摘要：本文以在蘇州成功落地的8K超高清示范項目為例，從傳輸覆蓋方面探索在現有的有線網絡架構下實現對8k超高清播出經濟而有效的支持，驗證通過DVB信道捆綁方式實現8K傳輸的服務質量保障能力，以進一步推進8K技術在有線網絡的落地。
關鍵詞：8K超高清；信道捆綁；組播；服務質量保障
1引言
隨著有線網絡數字化進程的推進升級，4K視頻技術逐步走向成熟，4K電視節目如雨后春筍，極大地豐富了人民群眾精神生活。新世紀的第二個10年，平板顯示新技術一日千里，8K平板逐步走向市場和家庭，人們對電視質量的期待也隨著精神生活的追求更上一層樓，8K電視技術應時而生。目前和可預見的將來，8K超高清電視將是電視視頻領域的最先進技術。8K超高清電視像素數在垂直和水平方向上都是高清電視的4倍，總像素數量是高清電視像素數量的16倍[1]。在提供優秀視音頻質量的同時，其節目碼率遠超目前的各類數字電視傳輸標準，對傳輸與覆蓋技術提出了巨大挑戰?！冻咔逡曨l產業發展行動計劃（2019—2022年）》中提出：“2022年，我國超高清視頻產業總體規模超過4萬億元，4K產業生態體系基本完善，8K關鍵技術產品研發和產業化取得突破”。江蘇有線蘇州分公司順應超高清視頻發展趨勢，加快面向有線網絡的超高清視頻編碼、調制、傳輸、終端解碼等關鍵技術研究，依托現有有線網絡環境開展8K超高清示范應用落地的探索，建設8K超高清端到端傳輸播出試點。
2蘇州8K超高清示范系統傳輸覆蓋技術方案
8K超高清視頻編解碼有H.265、AVS2、AVS3等多種格式。其中，AVS3標準是由數字音視頻編解碼技術標準（AVS）工作組牽頭定制的中國自主知識產權最新編解碼標準，在基礎塊劃分結構、幀間編碼工具、幀內編碼工具和濾波器等方面做了全面提升，壓縮率比H.265提升了30%，較好地支撐8K60p和8K120p的實時在線編碼，滿足了8K超高清更高的編碼效率要求。8K超高清系統在采用優秀編碼壓縮技術，提供超高清視頻服務的同時，一個典型的外在特征是系統碼率比傳統視頻急劇提高，從而對傳輸覆蓋提出了更高的要求。8K超高清電視不同技術體系下具體碼率如表1所示。無論采用哪種編解碼壓縮方案，對應于視頻碼率，超高清電視都具有遠遠超過傳統視頻傳輸的碼流/帶寬需求（在80~140Mbps之間甚至更高），傳統有線網絡承載8K超高清節目面臨技術上的諸多挑戰，同時，尚需考慮在相當長時間內需要和目前的電視業務共存的情況。
2.1基于DVB廣播標準體系覆蓋方案
我國傳統的有線網絡數字節目基于DVB-C標準，能在提供完善的安全播出機制的同時保證優秀的視頻質量。從有線網絡的特性看，8K帶來更高的分辨率，最直接的意義可能會體現在直播上[2]?；贒VB廣播標準體系開展超高清業務，能實現和傳統業務的良好兼容性，現有網絡無需做出很大的變動，就能實現快速部署。在我國的標準頻帶寬度劃分中，8MHz的帶寬顯然無法滿足超高清節目的碼率需求。本示范項目中，設計信道捆綁方案提供8K的碼流帶寬服務需求。信道捆綁是在ITUJ.183協議的基礎上，設計TS層多信道捆綁協議，將一個8K碼流拆分成三個帶有時間戳及標識信息的子碼流，在接收端進行子碼流合并，從而提供大約140Mbps的峰值碼流，滿足8K超高清直播需求。其基本架構如圖1所示。示范項目通過三個子碼流在不同頻點進行256QAM調制并傳輸，從而保證了8K120p內容傳輸所需要的最低80Mbps、峰值140Mbps的網絡帶寬要求。在項目實現中，拆分的子碼流需要增加相應的標識信息，確保接收終端（機頂盒）能夠辨別當前8K視頻流的傳輸頻點（共3個）、各子碼流的時間順序等。基于DVB廣播的8K超高清傳輸TS流拆分示意如圖2所示。對8K超高清機頂盒來講，傳統的電視頻帶單高頻元件顯然已無法滿足接收的需求。在當下，民用電視頻帶高頻頭已經有具備寬帶（多頻道鄰頻）或者全頻帶的產品提供。本示范項目采用全頻帶高頻頭，其優點是具備接收離散頻點發送信號的能力，且成本上差距并不大，從而能實現和傳統業務更好地共存，擴展示范項目的適用性。直播時，8K超高清（DVB）機頂盒（8KUHDDVBSTB）通過全頻帶高頻頭同時接收3頻點信號，根據TS層多信道捆綁協議，從3個256QAM調制的頻點接收并解調3個子碼流，并根據接收的時序以及PSI/SI信息，將3個子碼流合并成一個完整的8K碼流，由解碼器進行解碼，并輸出至8K超高清電視機等設備。
2.2基于全IP傳輸覆蓋
在現代信息業的快速迭代發展大潮下，視頻傳輸的IP化已經是大勢所趨。8K超高清作為有線網絡新生事物，對IP傳輸新技術的包容性直接關系到其未來的發展前景。作為一個示范應用平臺，蘇州有線網絡8K超高清示范項目對基于IP的傳輸技術提供了方案設計和支持。與DVB體系相比，IP傳輸覆蓋的一大優勢是編碼后直接形成IP流，進入IP視頻分發網進行業務分發（組播、單播等），然后通過IP接入網（純IP、PON、CMTS+CableModem或者這些方式的混合方案等）進入8K超高清機頂盒解碼輸出。因此，IP傳輸覆蓋的總體網絡架構相對簡單，具體如圖3所示。8K超高清IP傳輸覆蓋模式包括組播和單播。8K超高清（IP）機頂盒（8KUHDIPSTB）通過以太網口接收8K節目流并進行處理，輸出8K視頻至8K超高清電視機等。IP組播屬于一對多服務模式，適用于全網直播或小范圍的準直播。組播協議根據接受者的需要對（視頻）數據流進行復制轉發，它提高了網絡數據傳輸效率，降低了網絡擁塞的可能性，提高了網絡資源的利用率[3]。系統工作時，首先將8K編碼器輸出的8K組播源注入（IP）視頻分發網，在核心交換機上配置組播匯聚點，依靠IP視頻分發網，通過三層組播傳輸至接入網匯聚設備。同時，在接入網匯聚設備上需配置組播復制點，組播源與組播復制點之間配置動態組播路由，匯聚設備通過IGMP協議進行組播下發。8K超高清（IP）機頂盒切至8K頻道時，即自動加入組播組，匯聚設備動態建立到組播源的組播路由，機頂盒即可通過組播方式接收8K組播流，通過解碼芯片進行解碼播放。當機頂盒切出8K節目時，即退出組播組，匯聚設備檢測到組播組成員為零時自動拆除組播路由，釋放帶寬。IP單播傳輸是為了視頻點播等業務而生，其特點是單個用戶行為即占用一個IP流，資源占用比較大，而優點是可以為用戶提供完全個性化的服務（時間、形式等），同時可以利用糾錯機制糾正傳輸過程中的誤碼，利用緩存機制解決網絡存在波動時保證服務質量。單播傳輸中，8K編碼器提供8K超高清IP單播視頻源，通過IP城域網交換機傳入接入網，按相關點播指令協議傳送至8K超高清（IP）機頂盒。
38K超高清直播傳輸覆蓋測試
8K超高清端到端傳輸覆蓋測試主要是驗證傳輸覆蓋技術方案的可行性，同時對比在不同編碼方式、調制方式、頻點分布等情況下，8K超高清視頻的碼率穩定性、視頻體驗等。
3.1基本測試方案
8K超高清端到端傳輸測試示意如圖4所示，8K信號發生器（8K信號源）輸出4×12G的基帶信號到8K實時編碼器，編碼器進行AVS3編碼。信號源通過8K超高清播放機提供，視頻分辨率為7680×4320，幀率為50fps，顏色深度為10bit，4:2:0格式采樣，HLG亮度曲線，BT.2020色域。8K實時編碼采用當虹科技AVS3編碼器，編碼之后的信號分為兩路，一路進入DVB播出覆蓋系統，按前述技術路線進行拆分調制后進入HFC網分發至8K超高清（DVB）機頂盒；一路直接進入視頻分發網（IP）進行分發，通過DOCSIS（CMTS+CableModem）分發至8K超高清（IP）機頂盒。
3.2測試評估過程簡述
（1）DVB廣播
DVB廣播分別在連續頻點和離散頻點進行傳輸測試，主觀評價基本以《數字電視圖像質量主觀評價方法》為參照，但側重主觀視頻感受，客觀指標以終端誤碼作為重點考察內容。最終測試結果如表2及表3所示。經過在蘇州傳輸中心現網環境測試驗證，從測試結果看，基于DVB廣播（信道拆分）的8K超高清端到端傳輸覆蓋解決方案具備技術可行性。在現網無需改造的情況下，DVB方案實現碼率高達140Mbps的極致8K超高清傳輸覆蓋。無論是連續頻點還是離散頻點均能很好地達到覆蓋目標。
（2）IP傳輸覆蓋
IP傳輸覆蓋評估主要基于DOCSIS3.1體系（CMTS+CableModem）進行，同時也對FTTH（EPON）進行了一些探索，均以主觀評價為主。從測試結果看，兩種環境均能保障8K組播的低時延流暢播出，但相比DVB三頻點綁定覆蓋模式，其時延略高。得益于IP網絡的糾錯和緩存特性，IP組播和IP單播兩種模式下，8K超高清直播播放穩定流暢，視頻效果滿意。
4示范系統部署實施與并網試播
蘇州有線網絡以承辦中超聯賽為契機，聯合信號、編解碼、機頂盒及網絡通信領域的頭部合作伙伴，完成了8K超高清端到端播出示范系統建設并試播，其基本方案如圖5所示，和測試架構基本相同。示范系統主要包含蘇州奧體中心現場部分和江蘇有線蘇州傳輸中心兩個部分。在蘇州奧體中心，將8K信號接入8K編碼器，再通過交換機進行8K信號分發。一路8K信號以IP組播方式輸出至現場8K超高清（IP）機頂盒，于現場特制的8K超高清LED巨幕播放展示；另一路8K信號回傳至江蘇有線蘇州傳輸中心進行有線網內的IP覆蓋和HFCDVB覆蓋。示范系統涵蓋DVB廣播、IP組播、圖5蘇州8K超高清示范系統基本結構示意IP單播等多種傳輸方式，并在蘇州有線網內順利首次完成國內大型體育賽事（中超冠亞軍決賽）端到端8K超高清并網試播，成功實施8K超高清直播覆蓋的信號采集、制作、編碼、調制、傳輸、入戶接收、終端解碼和大屏顯示等全流程試點，取得8K超高清播出的技術參考與經驗總結，為蘇州進行的北京冬奧會8K超高清直播落地探索出有效的覆蓋方案。
5結語
8K超高清示范系統對DVB廣播（頻點捆綁）、IP組播、IP單播等多種傳輸覆蓋方式進行了探索。示范項目設計出基于DVB信道捆綁的傳輸解決方案，在無需對有線HFC網絡現網架構進行改動的前提下，捆綁三個頻點（256QAM調制），實現8K超高清入戶覆蓋；設計TS層多信道捆綁協議，可任意選擇連續或離散的標準頻點進行捆綁，支持64QAM、256QAM等多種主流調制方式，兼顧了國內現有HFC網絡條件，具備廣泛的普適性，并實現和現有的有線網絡業務完美共存。IP組播與單播方案通過廣電現網廣泛部署的FTTH、DOCSIS等傳輸接入方式覆蓋入戶，為8K超高清節目在有線網內及更為廣闊的全IP網絡空間的落地覆蓋技術選擇提供了有益的參考與應用示范。
作者：戴鴻高 單位：江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司蘇州分公司
