陳偉麟 江蘇省廣播電視總臺(tái)發(fā)射傳輸臺(tái)

數(shù)字地面電視的WiFi傳輸性能測(cè)試與分析

陳偉麟 江蘇省廣播電視總臺(tái)發(fā)射傳輸臺(tái)

利用WiFi將數(shù)字地面電視信號(hào)發(fā)送給手機(jī)終端用戶，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地面電視的跨屏收看，是數(shù)字地面電視的一種新的應(yīng)用場(chǎng)景。目前市場(chǎng)上尚未有專門針對(duì)數(shù)字地面電視視頻推送的WiFi設(shè)備。本文對(duì)典型的WiFi設(shè)備進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索其功能、性能是否滿足應(yīng)用需求，淺析實(shí)現(xiàn)跨屏收看數(shù)字地面電視的方案及難點(diǎn)。

WiFi 數(shù)字地面電視 跨屏 AP

一、前言

近些年，我國(guó)無(wú)線廣播電視事業(yè)發(fā)展迅速，總局先后組織實(shí)施了農(nóng)村中央廣播電視節(jié)目無(wú)線覆蓋工程、移動(dòng)多媒體廣播電視、中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程。相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬地面電視，數(shù)字地面電視可以應(yīng)用于更多的場(chǎng)合。如今，WiFi技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，給手機(jī)用戶收看數(shù)字地面電視帶來(lái)了可能。本測(cè)試模擬真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，利用新產(chǎn)品WiFi解調(diào)中繼器對(duì)WiFi設(shè)備傳輸視頻流的性能進(jìn)行測(cè)試，為WiFi環(huán)境下使用手機(jī)收看數(shù)字地面電視的可行性提供評(píng)判依據(jù)。

二、架構(gòu)搭建

傳統(tǒng)的數(shù)字地面電視經(jīng)過(guò)天線接收電視塔發(fā)出的地面波信號(hào)，由機(jī)頂盒解調(diào)解碼后在電視機(jī)上播放。本方案中，不需要對(duì)節(jié)目源系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行改造，仍由數(shù)字發(fā)射機(jī)發(fā)射數(shù)字電視節(jié)目，接收端借助新研發(fā)的解調(diào)中繼器接收地面波，解調(diào)解碼為手機(jī)可以播放的視頻IP流，再通過(guò)WiFi設(shè)備（AP）復(fù)制、分發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端播放電視節(jié)目。

圖1 手機(jī)終端接收數(shù)字地面電視

三、測(cè)試環(huán)境

針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，我臺(tái)和上海風(fēng)格公司共同研發(fā)了WiFi解調(diào)中繼器。利用此設(shè)備，我們重點(diǎn)觀測(cè)H3C WA4330無(wú)線接入設(shè)備（下文簡(jiǎn)稱AP）在進(jìn)行數(shù)字地面電視視頻流WiFi傳輸時(shí)的表現(xiàn)，針對(duì)AP的覆蓋范圍、電平門限、接入用戶數(shù)量、多AP組網(wǎng)效果等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，以掌握此方案的系統(tǒng)性能和應(yīng)用實(shí)效。

四、測(cè)試內(nèi)容

1、視頻流傳輸帶寬門限

通過(guò)AC限制并逐漸縮小AP提供的下行帶寬（以100 Kpbs為最小單位），記錄終端可流暢播放節(jié)目（半分鐘以上畫面無(wú)卡頓，無(wú)馬賽克，無(wú)伴音中斷現(xiàn)象，下同）

表1 相關(guān)設(shè)備及軟件

流所需的WiFi信號(hào)的帶寬門限。

測(cè)試中AP采用的無(wú)線協(xié)議為802.11n(2.4G頻段)，單節(jié)目視頻碼率1000 Kpbs，伴音碼率64 Kpbs。

測(cè)試時(shí)，（1）采用使用中繼解調(diào)器在一個(gè)組播流中輸出1套節(jié)目，記錄最小傳輸帶寬；（2）使用中繼解調(diào)器在一個(gè)組播流中輸出4套節(jié)目，記錄最小傳輸帶寬。

測(cè)試結(jié)果如下：

序號(hào) 組播流中節(jié)目數(shù) 輸出總碼率 帶寬門限1 1 1064Kpbs 1300Kpbs 2 4 4256Kpbs 4800Kpbs

2、信號(hào)強(qiáng)度門限&覆蓋半徑

AP發(fā)射WiFi信號(hào)功率固定，通過(guò)增加傳輸距離，降低終端接收的WiFi信號(hào)電平強(qiáng)度。通過(guò)在終端安裝WiFi信號(hào)分析軟件，讀取電平值，找出終端可流暢播放視頻節(jié)目所需的WiFi信號(hào)的電平強(qiáng)度并測(cè)量記錄距離。

測(cè)試中AP采用的無(wú)線協(xié)議為802.11n(2.4G頻段)，單節(jié)目視頻碼率1000 Kpbs，伴音碼率64 Kpbs，AP的射頻模塊發(fā)射功率為20dbm。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 信號(hào)強(qiáng)度門限&覆蓋半徑測(cè)試結(jié)果

3、同頻、鄰頻干擾測(cè)試

使用一臺(tái)AP作為節(jié)目發(fā)射AP，另一臺(tái)AP發(fā)射其他節(jié)目作為干擾信號(hào)。2臺(tái)AP設(shè)置為同信道或相鄰信道。在終端上觀察視頻是否可以正常播放。

測(cè)試中AP采用的無(wú)線協(xié)議為802.11n(2.4G頻段)，單節(jié)目視頻碼率1000 Kpbs，伴音碼率64 Kpbs，AP的射頻模塊發(fā)射功率為20dbm。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 同頻、鄰頻干擾測(cè)試結(jié)果

4、最大用戶容量測(cè)試

使用1至2臺(tái)AP發(fā)射節(jié)目，由1臺(tái)終端起，逐步增加接入終端數(shù)量，觀察視頻可流暢播放的最大終端數(shù)。

測(cè)試中AP采用的無(wú)線協(xié)議為802.11n(2.4G頻段/5G頻段)，單節(jié)目視頻碼率1000 Kpbs、1500 Kpbs、2200 Kpbs，伴音碼率64 Kpbs，AP的射頻模塊發(fā)射功率為20dbm。測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 最大用戶容量測(cè)試結(jié)果

注：1）由于測(cè)試終端數(shù)量有限，部分測(cè)試中全部終端（27臺(tái)）接入后視頻仍可正常播放，因此記錄的支持終端數(shù)量為27+。

2）每個(gè)AP均只啟用一個(gè)射頻模塊。

5、AP組網(wǎng)效果測(cè)試

使用2臺(tái)AP作為節(jié)目發(fā)射AP，放置在不同房間。測(cè)試人員手持終端由AP-1的覆蓋范圍移動(dòng)至AP-2的覆蓋范圍，觀察視頻是否能連續(xù)播放。

測(cè)試中AP采用的無(wú)線協(xié)議為802.11n(2.4G頻段)，單節(jié)目視頻碼率1000 Kpbs，伴音碼率64 Kpbs，AP的射頻模塊發(fā)射功率為20dbm，測(cè)試終端為iPhone6，播放軟件為VLC。測(cè)試結(jié)果如下：

測(cè)試人員手持終端由AP-1的覆蓋范圍移動(dòng)至AP-2的覆蓋范圍時(shí)，視頻會(huì)有短暫的中斷（約2S），隨后恢復(fù)正常播放。

五、結(jié)論與分析

經(jīng)過(guò)本次測(cè)試，基本掌握了H3C WA4330設(shè)備的性能以及可用性。主要測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下：

（1）傳輸固定速率的視頻碼流占用帶寬稍高于視頻碼率，不會(huì)對(duì)AP下行帶寬造成過(guò)多浪費(fèi)。

（2）單個(gè)AP覆蓋半徑約為27至30米，滿足室內(nèi)布點(diǎn)的需求。接收電平門限為-65dbm。

（3）在覆蓋區(qū)域內(nèi)，有相同或相鄰頻率的WiFi信號(hào)干擾時(shí)，視頻仍可以正常播放（本測(cè)試僅考慮了一個(gè)終端的情況）。

（4）單AP最大用戶可以支持到21個(gè)，雙AP組網(wǎng)的情況下至少可以支持27個(gè)終端。

（5）多AP組網(wǎng)時(shí)，自動(dòng)切換功能正常，但會(huì)出現(xiàn)短暫的畫面停頓，但仍在用戶可承受范圍內(nèi)。

根據(jù)上述結(jié)果，可以初步判定此AP設(shè)備可以滿足基本的應(yīng)用需求。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，我們也有所發(fā)現(xiàn)，可以為將來(lái)的新產(chǎn)品提供借鑒。

（1）與地面電視的發(fā)射機(jī)不同，AP設(shè)備并不是將節(jié)目信號(hào)廣播出去，而是遵循WiFi協(xié)議，與手機(jī)建立起無(wú)線連接，對(duì)有播放請(qǐng)求的手機(jī)推送視頻流，表面上看，是以組播的方式，復(fù)制、分發(fā)了電視節(jié)目視頻流。在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，其實(shí)則是組播轉(zhuǎn)單播，使用多個(gè)單播流，推送給不同的終端用戶。因此，傳輸電視節(jié)目的AP需要比傳統(tǒng)家用路由器和室內(nèi)熱點(diǎn)有更強(qiáng)的復(fù)制能力和分發(fā)能力，否則會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中，AP設(shè)備的復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)能力將成為限制用戶接入數(shù)量和接收質(zhì)量的瓶頸。

（2）在視頻流被手機(jī)終端接收之前，手機(jī)終端無(wú)法拆分出一個(gè)組播流中的不同電視節(jié)目，無(wú)論用戶選擇觀看視頻流中的哪個(gè)節(jié)目，都需要將整個(gè)視頻流接收。鑒于一個(gè)終端只會(huì)同時(shí)收看一個(gè)節(jié)目，如采用將多套節(jié)目壓縮在一個(gè)組播流的方式播出，將會(huì)對(duì)AP的下行帶寬產(chǎn)生較多的浪費(fèi)。因此，建議采用STPS傳輸（Single-program transport stream，單節(jié)目傳輸流），用戶通過(guò)不同的傳輸流選擇不同的節(jié)目。

（3）WiFi國(guó)際聯(lián)盟規(guī)定，當(dāng)同一個(gè)環(huán)境中，出現(xiàn)多個(gè)無(wú)線設(shè)備時(shí)，為了將彼此的干擾降到最小，這些設(shè)備必須將自己的頻寬由40MHz降低到20MHz，這樣一來(lái)，設(shè)備的無(wú)線速率也會(huì)受到影響。在實(shí)際應(yīng)用多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，將頻寬降為20MHz，減少干擾，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性可以得到更好的保證。理論速率最高150Mbps的無(wú)線設(shè)備，實(shí)際只能達(dá)到65Mbp左右，而300Mbps的無(wú)線設(shè)備，實(shí)際只能達(dá)到145Mbps左右。因此在設(shè)計(jì)WiFi傳輸視頻流時(shí)應(yīng)當(dāng)充分預(yù)留帶寬的冗余量。

六、結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)終端全部采用手機(jī)，但同樣適用于平板電腦等，實(shí)現(xiàn)真正意義上數(shù)字地面電視節(jié)目的跨屏收看。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，并不是在完全無(wú)物體遮擋、無(wú)其他WiFi信號(hào)干擾的條件下完成的，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可能與理論理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)存在一定的誤差。此外，不同廠商、不同型號(hào)的AP設(shè)備性能和功能也不盡相同，是否都可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，需要在今后的試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。盡管如此，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用WiFi傳輸數(shù)字地面電視的可行性，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字地面電視的跨屏收看打下了基礎(chǔ)。