摘要：本文以在苏州成功落地的8K超高清示范项目为例，从传输覆盖方面探索在现有的有线网络架构下实现对8K超高清播出经济而有效的支持，验证通过DVB信道捆绑方式实现8K传输的服务质量保障能力，以进一步推进8K技术在有线网络的落地。
关键词：8K超高清；信道捆绑；组播；服务质量保障
1引言
随着有线网络数字化进程的推进升级，4K视频技术逐步走向成熟，4K电视节目如雨后春笋，极大地丰富了人民群众精神生活。新世纪的第二个10年，平板显示新技术一日千里，8K平板逐步走向市场和家庭，人们对电视质量的期待也随着精神生活的追求更上一层楼，8K电视技术应时而生。目前和可预见的将来，8K超高清电视将是电视视频领域的最先进技术。8K超高清电视像素数在垂直和水平方向上都是高清电视的4倍，总像素数量是高清电视像素数量的16倍[1]。在提供优秀视音频质量的同时，其节目码率远超目前的各类数字电视传输标准，对传输与覆盖技术提出了巨大挑战。《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》中提出：“2022年，我国超高清视频产业总体规模超过4万亿元，4K产业生态体系基本完善，8K关键技术产品研发和产业化取得突破”。江苏有线苏州分公司顺应超高清视频发展趋势，加快面向有线网络的超高清视频编码、调制、传输、终端解码等关键技术研究，依托现有有线网络环境开展8K超高清示范应用落地的探索，建设8K超高清端到端传输播出试点。
2苏州8K超高清示范系统传输覆盖技术方案
8K超高清视频编解码有H.265、AVS2、AVS3等多种格式。其中，AVS3标准是由数字音视频编解码技术标准（AVS）工作组牵头定制的中国自主知识产权最新编解码标准，在基础块划分结构、帧间编码工具、帧内编码工具和滤波器等方面做了全面提升，压缩率比H.265提升了30%，较好地支撑8K60p和8K120p的实时在线编码，满足了8K超高清更高的编码效率要求。8K超高清系统在采用优秀编码压缩技术，提供超高清视频服务的同时，一个典型的外在特征是系统码率比传统视频急剧提高，从而对传输覆盖提出了更高的要求。8K超高清电视不同技术体系下具体码率如表1所示。无论采用哪种编解码压缩方案，对应于视频码率，超高清电视都具有远远超过传统视频传输的码流/带宽需求（在80~140Mbps之间甚至更高），传统有线网络承载8K超高清节目面临技术上的诸多挑战，同时，尚需考虑在相当长时间内需要和目前的电视业务共存的情况。
2.1基于DVB广播标准体系覆盖方案
我国传统的有线网络数字节目基于DVB-C标准，能在提供完善的安全播出机制的同时保证优秀的视频质量。从有线网络的特性看，8K带来更高的分辨率，最直接的意义可能会体现在直播上[2]。基于DVB广播标准体系开展超高清业务，能实现和传统业务的良好兼容性，现有网络无需做出很大的变动，就能实现快速部署。在我国的标准频带宽度划分中，8MHz的带宽显然无法满足超高清节目的码率需求。本示范项目中，设计信道捆绑方案提供8K的码流带宽服务需求。信道捆绑是在ITUJ.183协议的基础上，设计TS层多信道捆绑协议，将一个8K码流拆分成三个带有时间戳及标识信息的子码流，在接收端进行子码流合并，从而提供大约140Mbps的峰值码流，满足8K超高清直播需求。其基本架构如图1所示。示范项目通过三个子码流在不同频点进行256QAM调制并传输，从而保证了8K120p内容传输所需要的最低80Mbps、峰值140Mbps的网络带宽要求。在项目实现中，拆分的子码流需要增加相应的标识信息，确保接收终端（机顶盒）能够辨别当前8K视频流的传输频点（共3个）、各子码流的时间顺序等。基于DVB广播的8K超高清传输TS流拆分示意如图2所示。对8K超高清机顶盒来讲，传统的电视频带单高频元件显然已无法满足接收的需求。在当下，民用电视频带高频头已经有具备宽带（多频道邻频）或者全频带的产品提供。本示范项目采用全频带高频头，其优点是具备接收离散频点发送信号的能力，且成本上差距并不大，从而能实现和传统业务更好地共存，扩展示范项目的适用性。直播时，8K超高清（DVB）机顶盒（8KUHDDVBSTB）通过全频带高频头同时接收3频点信号，根据TS层多信道捆绑协议，从3个256QAM调制的频点接收并解调3个子码流，并根据接收的时序以及PSI/SI信息，将3个子码流合并成一个完整的8K码流，由解码器进行解码，并输出至8K超高清电视机等设备。
2.2基于全IP传输覆盖
在现代信息业的快速迭展大潮下，视频传输的IP化已经是大势所趋。8K超高清作为有线网络新生事物，对IP传输新技术的包容性直接关系到其未来的发展前景。作为一个示范应用平台，苏州有线网络8K超高清示范项目对基于IP的传输技术提供了方案设计和支持。与DVB体系相比，IP传输覆盖的一大优势是编码后直接形成IP流，进入IP视频分发网进行业务分发（组播、单播等），然后通过IP接入网（纯IP、PON、CMTS+CableModem或者这些方式的混合方案等）进入8K超高清机顶盒解码输出。因此，IP传输覆盖的总体网络架构相对简单，具体如图3所示。8K超高清IP传输覆盖模式包括组播和单播。8K超高清（IP）机顶盒（8KUHDIPSTB）通过以太网口接收8K节目流并进行处理，输出8K视频至8K超高清电视机等。IP组播属于一对多服务模式，适用于全网直播或小范围的准直播。组播协议根据接受者的需要对（视频）数据流进行复制转发，它提高了网络数据传输效率，降低了网络拥塞的可能性，提高了网络资源的利用率[3]。系统工作时，首先将8K编码器输出的8K组播源注入（IP）视频分发网，在核心交换机上配置组播汇聚点，依靠IP视频分发网，通过三层组播传输至接入网汇聚设备。同时，在接入网汇聚设备上需配置组播复制点，组播源与组播复制点之间配置动态组播路由，汇聚设备通过IGMP协议进行组播下发。8K超高清（IP）机顶盒切至8K频道时，即自动加入组播组，汇聚设备动态建立到组播源的组播路由，机顶盒即可通过组播方式接收8K组播流，通过解码芯片进行解码播放。当机顶盒切出8K节目时，即退出组播组，汇聚设备检测到组播组成员为零时自动拆除组播路由，释放带宽。IP单播传输是为了视频点播等业务而生，其特点是单个用户行为即占用一个IP流，资源占用比较大，而优点是可以为用户提供完全个性化的服务（时间、形式等），同时可以利用纠错机制纠正传输过程中的误码，利用缓存机制解决网络存在波动时保证服务质量。单播传输中，8K编码器提供8K超高清IP单播视频源，通过IP城域网交换机传入接入网，按相关点播指令协议传送至8K超高清（IP）机顶盒。
38K超高清直播传输覆盖测试
8K超高清端到端传输覆盖测试主要是验证传输覆盖技术方案的可行性，同时对比在不同编码方式、调制方式、频点分布等情况下，8K超高清视频的码率稳定性、视频体验等。
3.1基本测试方案
8K超高清端到端传输测试示意如图4所示，8K信号发生器（8K信号源）输出4×12G的基带信号到8K实时编码器，编码器进行AVS3编码。信号源通过8K超高清播放机提供，视频分辨率为7680×4320，帧率为50fps，颜色深度为10bit，4:2:0格式采样，HLG亮度曲线，BT.2020色域。8K实时编码采用当虹科技AVS3编码器，编码之后的信号分为两路，一路进入DVB播出覆盖系统，按前述技术路线进行拆分调制后进入HFC网分发至8K超高清（DVB）机顶盒；一路直接进入视频分发网（IP）进行分发，通过DOCSIS（CMTS+CableModem）分发至8K超高清（IP）机顶盒。
3.2测试评估过程简述
（1）DVB广播
DVB广播分别在连续频点和离散频点进行传输测试，主观评价基本以《数字电视图像质量主观评价方法》为参照，但侧重主观视频感受，客观指标以终端误码作为重点考察内容。最终测试结果如表2及表3所示。经过在苏州传输中心现网环境测试验证，从测试结果看，基于DVB广播（信道拆分）的8K超高清端到端传输覆盖解决方案具备技术可行性。在现网无需改造的情况下，DVB方案实现码率高达140Mbps的极致8K超高清传输覆盖。无论是连续频点还是离散频点均能很好地达到覆盖目标。
（2）IP传输覆盖
IP传输覆盖评估主要基于DOCSIS3.1体系（CMTS+CableModem）进行，同时也对FTTH（EPON）进行了一些探索，均以主观评价为主。从测试结果看，两种环境均能保障8K组播的低时延流畅播出，但相比DVB三频点绑定覆盖模式，其时延略高。得益于IP网络的纠错和缓存特性，IP组播和IP单播两种模式下，8K超高清直播播放稳定流畅，视频效果满意。
4示范系统部署实施与并网试播
苏州有线网络以承办中超联赛为契机，联合信号、编解码、机顶盒及网络通信领域的头部合作伙伴，完成了8K超高清端到端播出示范系统建设并试播，其基本方案如图5所示，和测试架构基本相同。示范系统主要包含苏州奥体中心现场部分和江苏有线苏州传输中心两个部分。在苏州奥体中心，将8K信号接入8K编码器，再通过交换机进行8K信号分发。一路8K信号以IP组播方式输出至现场8K超高清（IP）机顶盒，于现场特制的8K超高清LED巨幕播放展示；另一路8K信号回传至江苏有线苏州传输中心进行有线网内的IP覆盖和HFCDVB覆盖。示范系统涵盖DVB广播、IP组播、图5苏州8K超高清示范系统基本结构示意IP单播等多种传输方式，并在苏州有线网内顺利首次完成国内大型体育赛事（中超冠亚军决赛）端到端8K超高清并网试播，成功实施8K超高清直播覆盖的信号采集、制作、编码、调制、传输、入户接收、终端解码和大屏显示等全流程试点，取得8K超高清播出的技术参考与经验总结，为苏州进行的北京冬奥会8K超高清直播落地探索出有效的覆盖方案。
5结语
8K超高清示范系统对DVB广播（频点捆绑）、IP组播、IP单播等多种传输覆盖方式进行了探索。示范项目设计出基于DVB信道捆绑的传输解决方案，在无需对有线HFC网络现网架构进行改动的前提下，捆绑三个频点（256QAM调制），实现8K超高清入户覆盖；设计TS层多信道捆绑协议，可任意选择连续或离散的标准频点进行捆绑，支持64QAM、256QAM等多种主流调制方式，兼顾了国内现有HFC网络条件，具备广泛的普适性，并实现和现有的有线网络业务完美共存。IP组播与单播方案通过广电现网广泛部署的FTTH、DOCSIS等传输接入方式覆盖入户，为8K超高清节目在有线网内及更为广阔的全IP网络空间的落地覆盖技术选择提供了有益的参考与应用示范。
作者：戴鸿高 单位：江苏省广电有线信息网络股份有限公司苏州分公司
