北方交通大學(xué)多媒體通信實(shí)驗(yàn)室 羅華麗 馮玉珉
1.引言

　　近年來(lái),隨著數(shù)字電視和無(wú)線局域網(wǎng)的飛速發(fā)展,把廣播電視、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)合并起來(lái)并在同一射頻(RF)范圍內(nèi)傳輸,而且上述業(yè)務(wù)需在寬帶RF實(shí)現(xiàn)傳輸。因此,歐洲郵政和通信治理聯(lián)盟(CEPT)分配40.5-42.5GHz為寬帶交互服務(wù),歐洲聯(lián)盟(EU)也在高級(jí)通信技術(shù)和業(yè)務(wù)研究項(xiàng)目中涉及到此問(wèn)題。寬帶蜂窩無(wú)線接入業(yè)務(wù)(CRABS)和蜂窩接入寬帶及交互電視業(yè)務(wù)(CABSINET)兩協(xié)會(huì)更致力于此項(xiàng)研究,并在1999年末和2000年初給EU提出此方面的建議。CRABS主要集中于服務(wù)的定義和協(xié)議的調(diào)查研究并已設(shè)計(jì)出用于42GHz的硬件。CABSINT主要集中于評(píng)估、調(diào)制的選擇和糾錯(cuò)算法方面。

　　更精確的說(shuō),CRABS的實(shí)驗(yàn)主要是無(wú)線接入交互電視和寬帶業(yè)務(wù)。其主要目的是通過(guò)少數(shù)用戶實(shí)驗(yàn)證實(shí)在40.5-42.5GHz的頻帶的無(wú)線系統(tǒng)是為寬帶交互數(shù)字電視(MPEG-2)和多媒體業(yè)務(wù)提供的,主機(jī)(即因特網(wǎng)提供者)轉(zhuǎn)播數(shù)字MPEG-2電視節(jié)目并通過(guò)42GHz RF連接提供給用戶。本文主要描寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)所用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造、系統(tǒng)性能的評(píng)估和在40.5-42.5GHz的頻帶發(fā)展交互業(yè)務(wù)所需的專門(mén)數(shù)據(jù)。

2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義的要求

　　從一個(gè)相對(duì)的市場(chǎng)調(diào)查和把主機(jī)作為因特網(wǎng)提供者的結(jié)論完成系統(tǒng)定義,推論如下:

　　(a).用戶不愿意作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入因特網(wǎng)或其它交互服務(wù)使用它而在一天之內(nèi)占用幾個(gè)小時(shí)電話線,非凡應(yīng)該指出的是大多數(shù)用戶的家中僅有一條電話線。

　　(b).用戶最滿足的服務(wù)是因特網(wǎng)接入和視頻點(diǎn)播。

　　總體來(lái)說(shuō),交互業(yè)務(wù)的提供必須基于不占用用戶的電話線又能提供高速接入的技術(shù)。服務(wù)提供者必須提供像VOD一樣的高速度的因特網(wǎng)。由于現(xiàn)有無(wú)線的速度都很慢,所以利用現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)提供這些服務(wù)是沒(méi)有前景的。像ISDN和ADSL一樣,在現(xiàn)有電話線上提供高速率的前提是在局域交換時(shí)附加擴(kuò)展設(shè)備和極大地提高網(wǎng)絡(luò)容量。很明顯,作為交互服務(wù)的數(shù)字MPEG-2和數(shù)據(jù)均通過(guò)在42GHz的頻帶無(wú)線傳送給用戶,由于交互服務(wù)是相對(duì)的,所以每個(gè)用戶都必須無(wú)線返回到傳送中心。本實(shí)驗(yàn)建議使用蜂窩。用戶的要求集中在蜂窩內(nèi)的一個(gè)非凡點(diǎn)并通過(guò)一條無(wú)線高速信道傳送給服務(wù)提供者,相對(duì)而言,服務(wù)提供者通過(guò)一條無(wú)線高速信道傳送給蜂窩內(nèi)的接點(diǎn)并按需分配給用戶。

3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　服務(wù)提供者是主機(jī),它轉(zhuǎn)播數(shù)字MPEG--2TV并在5.3Km 范圍的蜂窩內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)用戶提供快速接入因特網(wǎng)和多媒體應(yīng)用的交互服務(wù)。數(shù)字電視源MPEG-2圖像通過(guò)衛(wèi)星接收。所有服務(wù)通過(guò)在42GHz的頻帶上的RF單元的多路復(fù)用傳送給用戶。

　　蜂窩內(nèi)的每一個(gè)用戶直接收到從主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)字電視信號(hào)。交互業(yè)務(wù)通過(guò)主蜂窩點(diǎn)提供給用戶。在這一點(diǎn)上對(duì)地理上分布較遠(yuǎn)的用戶(距離大于500米)稱為邊緣用戶,對(duì)本地接入的用戶稱為有線用戶,邊緣用戶通過(guò)運(yùn)行2.4GHz頻帶上的擴(kuò)頻來(lái)連接。

　　蜂窩內(nèi)的邊緣用戶的擴(kuò)頻連接總速率為1.3Mb/s,更重要的是從主機(jī)發(fā)往蜂窩的速率為2.0Mb/s并按需分配給有線用戶和邊緣用戶。兩個(gè)重要的參數(shù)Br和Bc,Br是有多媒體業(yè)務(wù)接入到nr個(gè)邊緣用戶和nc個(gè)有線用戶確定的： 有線接入用戶的速率至少等于:

　　　例：假如蜂窩包括一個(gè)有線接入和兩個(gè)邊緣接入,系統(tǒng)確保對(duì)有線接入用戶的速率為1Mb/s和邊緣接入用戶的速率為0.5Mb/s。由于因特網(wǎng)其它因素的影響,速率會(huì)與所描述的有所不同。

4．主機(jī)結(jié)構(gòu)

　　衛(wèi)星發(fā)送的MPEG-2信號(hào)被低噪聲塊所接收并用一個(gè)帶有IF輸出的非凡的數(shù)字接收機(jī)轉(zhuǎn)換到70MHz。以這種方式,它占有頻帶50-90MHz(27.5M符號(hào)/秒的QPSK信號(hào))。從因特網(wǎng)傳來(lái)的信息和專門(mén)服務(wù)器上的信息合并到同一個(gè)路由器并轉(zhuǎn)換X.21協(xié)議為G.703協(xié)議(速率為2Mb/s)。數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器并通過(guò)載波為95MHz的載波調(diào)制后和70MHz的衛(wèi)星信號(hào)(MPEG-2)多路復(fù)用,這就是頻分多路復(fù)用技術(shù)。信號(hào)轉(zhuǎn)換到42GHz傳送給用戶。從用戶返回到主機(jī)的是接收和解調(diào),基帶信號(hào)反饋到路由器并分配給因特網(wǎng)和專門(mén)服務(wù)器。

5．蜂窩構(gòu)造

　　蜂窩接收到的41.5-42.5GHz的信號(hào)經(jīng)一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的儀器轉(zhuǎn)換到950-1950MHz,MPEG-2信號(hào)通過(guò)一個(gè)集成的接收器/解碼器(QPSK解調(diào)器和MPEG-2解碼器)把信號(hào)傳送給電視接收裝置,在接入以太網(wǎng)之前,把接收到交互服務(wù)的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)一個(gè)模擬接收器將協(xié)議X.21轉(zhuǎn)換成協(xié)議G.703 并送入路由器。

　　蜂窩內(nèi)的所有用戶都必須連接到蜂窩主點(diǎn)的以太網(wǎng)。一些用戶,在蜂窩主點(diǎn)以內(nèi)或距離非常近,可通過(guò)電線接入,邊緣用戶通過(guò)本地?zé)o線接入點(diǎn)接入。本儀器在用戶和本地以太網(wǎng)之間通過(guò)擴(kuò)頻解調(diào)實(shí)現(xiàn)透明、無(wú)線數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)在2.4GHz的頻帶上以1.3Mb/s的速率通過(guò)無(wú)線信道傳送信息。無(wú)線覆蓋范圍在全向天線時(shí)為500米,同時(shí),可以估計(jì)出蜂窩直徑為1Km。無(wú)線本地局域網(wǎng)接入點(diǎn)設(shè)計(jì)為256個(gè)用戶,假設(shè)用戶PC連接到想應(yīng)無(wú)線LAN適配器并提供與蜂窩主點(diǎn)的通信和蜂窩到主機(jī)的通信。

6．接入服務(wù)和必要設(shè)備

　　用戶不但可以看數(shù)字電視節(jié)目而且可以快速接入因特網(wǎng)及得到非凡服務(wù),非凡服務(wù)被操作系統(tǒng)是Windows NT主機(jī)服務(wù)器治理,用戶在Windows 98的操作系統(tǒng)下像使用WWW瀏覽器一樣使用非凡服務(wù)和接入因特網(wǎng),一系列的Html網(wǎng)頁(yè)提供給用戶選擇并且用戶可以通過(guò)因特網(wǎng)反饋給服務(wù)器和使用所有Windows 98網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。


用戶設(shè)備的構(gòu)成：

(a)42GHz的天線和轉(zhuǎn)換950-1950MHz的轉(zhuǎn)換器。

(b)一個(gè)用于擴(kuò)頻的全向天線。

(c)解調(diào)器和MPEG-2解碼器。

(d)電視機(jī)。

(e)用于交互業(yè)務(wù)的安裝有合適軟硬件的PC,無(wú)線用戶需要適配器接入無(wú)線LAN,有線用戶需要常規(guī)以太網(wǎng)適配器,軟件要求實(shí)現(xiàn)TCP/ip和普通的WWW瀏覽器,所有服務(wù)均接入此瀏覽器。

7．系統(tǒng)性能

　　數(shù)字MPEG-2是基于誤比特率的測(cè)量實(shí)現(xiàn)性能評(píng)估的。發(fā)送機(jī)在42GHz輸出功率為23dBm,接收機(jī)有34dB增益,集成接收譯碼器如圖3所示,接收到的信號(hào)通過(guò)QPSK解調(diào)并通過(guò)一個(gè)前向糾錯(cuò)裝置實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò),再解多路復(fù)用便可得到輸入的MPEG-2節(jié)目。把節(jié)目分成視頻和音頻傳送給電視機(jī)。集成接收譯碼器是一個(gè)帶有多種裝置的接收機(jī),其中的一個(gè)裝置是在解多路復(fù)用時(shí)測(cè)BER,本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在42GHz 5.3Km處BER小于10-5,對(duì)于這個(gè)BER,圖像質(zhì)量是很好的,無(wú)任何噪聲。當(dāng)BER在10-5~10-3之間,圖像質(zhì)量仍然很好,當(dāng)BER大于10-2時(shí),圖像有很多隨機(jī)噪聲點(diǎn),因此,稀疏圖像損失的出現(xiàn)使觀看電視節(jié)目成為不可能。

　　把多媒體網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估作為一個(gè)平臺(tái),包括一個(gè)主機(jī)、兩個(gè)有線接入用戶(UserC1和UserC2)和兩個(gè)邊緣用戶(UserR1和UserR2)。全向天線有6 dB增益,蜂窩主點(diǎn)和邊緣之間在42GHz頻帶上的發(fā)射功率為10dBm。在這個(gè)平臺(tái)上的一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)容量充分使用并公平地分給所有用戶。實(shí)驗(yàn)中所有的測(cè)量是在Windows NT操作系統(tǒng)中專門(mén)的WWW瀏覽器中的一個(gè)性能監(jiān)控軟件中進(jìn)行的。

　　實(shí)驗(yàn)一設(shè)計(jì)是證實(shí)在主機(jī)和蜂窩主點(diǎn)的理論帶寬為2Mb/s并在多媒體服務(wù)中已充分應(yīng)用。假設(shè)僅一個(gè)用戶要求下載一個(gè)非常生動(dòng)的錄像片段長(zhǎng)為7Mbyte。基于設(shè)計(jì)目標(biāo),用戶將得到整個(gè)2Mb/s的帶寬,下載時(shí)間為(7Mbyte*8bit/byte)/2Mb/s=28s。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所有帶寬均已利用,但下載時(shí)間為32s(導(dǎo)致速率為1.75Mb/s),多余時(shí)間是用于空中數(shù)據(jù)打包。

　　一系列重復(fù)實(shí)驗(yàn)在其它用戶出現(xiàn)并要求多媒體服務(wù)的情況下測(cè)得有線用戶的比特率的結(jié)果與等式(2)完全相符。有力的證實(shí)了在主機(jī)和蜂窩主點(diǎn)的間2Mb/s的數(shù)據(jù)速率均勻的分給有線和邊緣用戶。

　　另外一系列實(shí)驗(yàn)是測(cè)邊緣用戶的比特率,假設(shè)僅一個(gè)用戶要求下載一個(gè)非常生動(dòng)的錄像片段長(zhǎng)為7Mbyte。像前面一樣,根據(jù)等式(1)推測(cè)用戶將使用全部1.3 Mb/s的基于無(wú)線LAN的擴(kuò)頻,下載時(shí)間為43s,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所有容量均已利用,但實(shí)際下載時(shí)間為50s,多余時(shí)間是用于空中數(shù)據(jù)打包。

8.交互多媒體業(yè)務(wù)的非凡數(shù)據(jù)

　　很明顯,提供給蜂窩的2Mb/s的數(shù)據(jù)流被均勻的分給用戶。音頻點(diǎn)播由于其實(shí)時(shí)性而速率低,音頻信號(hào)被聲卡捕捉并存在服務(wù)器的專門(mén)的音頻格式。實(shí)時(shí)回放的數(shù)據(jù)速率為20Kb/s,網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)100個(gè)用戶同時(shí)提供此項(xiàng)服務(wù)。為了避免在其它用戶接入時(shí)產(chǎn)生間斷,用戶應(yīng)在回放設(shè)備中加入一個(gè)緩沖處理。已經(jīng)證實(shí),音頻文件是連續(xù)地甚至在其它用戶通過(guò)2 Mb/s RF下載文件。

　　視頻點(diǎn)播服務(wù)要求高數(shù)據(jù)速率,因此實(shí)時(shí)回放并不太可能,視頻文件須先下載到用戶的PC上再播放。典型的視頻文件有下述特點(diǎn)：

大小：60Mbytes

持續(xù)時(shí)間：4min

圖像分析：384*288

幀率：21.3幀/秒

音頻格式：PCM,11025采樣/秒,8bit,立體聲

　　有線用戶下載一個(gè)這樣的文件的最短時(shí)間為4min,也就意味著用戶必須4min下載才能播放,但下載時(shí)間對(duì)邊緣用戶是成倍的。

　　像流行歌曲的視頻節(jié)目證實(shí)其幀率更慢,假設(shè)一個(gè)音頻文件3min,下載時(shí)間為28s,也就是說(shuō),用戶須等待30s下載文件而僅聽(tīng)3min。

9．總結(jié)

　　本文描述的是在42GHz為寬帶業(yè)務(wù)和數(shù)字電視服務(wù)的無(wú)線蜂窩交互網(wǎng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文主要寫(xiě)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造以及交互業(yè)務(wù)的發(fā)展所需的專門(mén)數(shù)據(jù)和性能評(píng)估等。數(shù)字電視節(jié)目和交互服務(wù)通過(guò)無(wú)線高速率傳送給用戶,用戶通過(guò)WWW瀏覽器接入交互服務(wù)。系統(tǒng)多媒體應(yīng)用的測(cè)量顯示1.3Mb/s的擴(kuò)頻連接分給邊緣用戶而2Mb/s則分給有線用戶和邊緣用戶。數(shù)字電視的BER應(yīng)小于10-5。因?yàn)橛脩舾鶕?jù)需要來(lái)要求服務(wù),所以交互業(yè)務(wù)的內(nèi)容應(yīng)該是不斷變化的和多樣的。