5G廣播的技術(shù)需求與發(fā)展方向

1、3GPP廣播技術(shù)

5G是一種新的無線通信技術(shù)，將給媒體行業(yè)的相關(guān)方帶來新機遇，尤其在內(nèi)容制作和分發(fā)方面。5G目前正處于3GPP標準化的制定的最后階段。廣播公司和其他媒體組織正在為3GPP進程做出貢獻，以確保3GPP規(guī)范中考慮了他們的技術(shù)和運營需求。

隨著移動終端用戶數(shù)量的不斷攀升帶來視頻業(yè)務(wù)需求的增加，以及數(shù)字電視技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線廣播業(yè)務(wù)成為無線應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的一大熱點。而多媒體廣播多播業(yè)務(wù)技術(shù)，作為手機電視的一種重要實現(xiàn)方式，將在5G系統(tǒng)中扮演重要角色，具有較大的發(fā)展前景。

增強型多媒體廣播多播業(yè)務(wù)(eMBMS，evolved Multicast Broadcast Multimedia Service) 是在空口層通過多播/廣播的方式為用戶提供實時/非實時多媒體業(yè)務(wù)的一種關(guān)鍵技術(shù)。eMBMS能實現(xiàn)高速多媒體業(yè)務(wù)的廣播傳輸(PTM，Point to Multipoint)，提供豐富的視頻、音頻和多媒體業(yè)務(wù)。在5G系統(tǒng)中進一步發(fā)展eMBMS，提升整個廣播系統(tǒng)的能力，從而可以支持更高速更有效的5G廣播的應(yīng)用場景，比如，將來的，4K/8K超高清視頻、三維立體視頻、多視角視頻、VR(虛擬現(xiàn)實)/AR(增強現(xiàn)實)等等高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，這將極大促進廣播電視未來向移動端的擴展，帶來高清視頻市場的繁榮。

本文針對5G中eMBMS的新需求及其技術(shù)難點，調(diào)研分析了可能的解決方案，對未來落實5G eMBMS技術(shù)提供了參考方向。

2、5G中廣播技術(shù)新需求

3GPP TS 22.261(5G系統(tǒng)的服務(wù)要求)已經(jīng)通過3GPP組織會議的確立，靈活的廣播/多播服務(wù)是5G系統(tǒng)應(yīng)具備的基本能力，并列出了一系列潛在需求[1]。

1. 5G系統(tǒng)應(yīng)只支持在特定地理區(qū)域(例如一個扇區(qū)、一個小區(qū)或一組小區(qū))內(nèi)的僅下行廣播/組播操作。

2. 對于固定和移動業(yè)務(wù)，5G系統(tǒng)應(yīng)支持下行廣播/組播系統(tǒng)在大范圍的地理區(qū)域內(nèi)以頻譜效率的方式運行。5G 系統(tǒng)應(yīng)支持以高效的頻譜在廣闊的地理區(qū)域上僅下行鏈路廣播/多播系統(tǒng)的運行。

3. 5G系統(tǒng)應(yīng)允許運營商保留一個或多個無線電載波的0%至100%的無線電資源，以便傳送廣播/多播內(nèi)容。

4. 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)允許UE通過廣播/多播無線運營商接收內(nèi)容，同時通過另一個無線運營商進行并發(fā)數(shù)據(jù)會話。

5. 5G系統(tǒng)應(yīng)能夠支持UHD流視頻的廣播/多播(例如，4K / 8K UHD)。

6. 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)允許運營商在一個獨立的基于3GPP的廣播/組播系統(tǒng)中，為同一用戶服務(wù)配置和廣播多個質(zhì)量級別(如視頻分辨率)的廣播/組播內(nèi)容。

7. 考慮到UE能力、無線電特性、應(yīng)用信息等差異，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持將相同用戶服務(wù)的廣播/多播內(nèi)容的多個質(zhì)量等級(即視頻分辨率)并行傳送到同一UE。

8. 5G系統(tǒng)應(yīng)支持將多個多播/廣播用戶服務(wù)并行傳輸?shù)経E。

9. 5G系統(tǒng)應(yīng)支持由多個單元組成的獨立組播/廣播網(wǎng)絡(luò)，站點間距離可達200km。5G 系統(tǒng)應(yīng)支持獨立的多播/廣播網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括多個小區(qū)，站點間距離可達 200km。

10. 5G系統(tǒng)應(yīng)支持通過5G衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)，或通過5G衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)和其他5G接入網(wǎng)絡(luò)的組合支持多播/廣播。

總結(jié)起來，上述的服務(wù)要求對5G空口和核心網(wǎng)分別提出的需求?？湛诜矫娴男枨螅?/p>

1. 無線接入網(wǎng)應(yīng)該優(yōu)化無線資源，通過增強的PTM(廣播/多播)傳輸和來自用戶的反饋機制來提供進一步的交互性。

2. 無線接入網(wǎng)應(yīng)具備更高的靈活性，提供更多可用的波形參數(shù)(OFDM參數(shù)，如循環(huán)前綴/CP和載波間距)上提供，以允許不同類型的網(wǎng)絡(luò)部署(如HPHT和LPLT網(wǎng)絡(luò))。

3. 無線空口應(yīng)該能夠在用戶移動場景下提供跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的無縫體驗。

4. 無線接入網(wǎng)要求從物理層(如信號處理算法和MIMO的使用)和從網(wǎng)絡(luò)部署的角度(即頻率復(fù)用)都顯著提高頻譜效率。

核心網(wǎng)方面的需求：

1. 對現(xiàn)有單播架構(gòu)進行改進 2. 網(wǎng)絡(luò)運營商內(nèi)部進行優(yōu)化設(shè)計 3. 將地面廣播視為5G服務(wù)一類 4. 簡化系統(tǒng)流程，減少系統(tǒng)開銷 5. 設(shè)計支持IP組播的協(xié)議 6. 啟用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的緩存能力

2018年6月，3GPP RANRAN#80全會決定在已有Rel-14 LTE 4G廣播(EnTV)項目基礎(chǔ)上，基于LTE技術(shù)在Rel-16(跳過了Rel15)繼續(xù)向5G廣播演進。頒布了TR 38.913(Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies，下一代接入技術(shù)的場景和要求研究)，闡述了5G廣播的十大需求，指明了Study Item的研究方向[2]。

1. 新的RAT(Radio Access Technology)應(yīng)支持現(xiàn)有的多播/廣播服務(wù)(例如下載，流媒體，群組通信，電視等)和新服務(wù)(例如V2X(Vehicle to Everything)等)。

2. 新的RAT應(yīng)支持多播/廣播區(qū)域的動態(tài)調(diào)整，例如基于用戶分布或服務(wù)要求進行調(diào)整。

3. 新的RAT應(yīng)支持向用戶同時傳送單播和多播/廣播服務(wù)。

4. 新的RAT應(yīng)支持至少在頻域和時域中與單播傳輸進行有效復(fù)用。

5. 新的RAT應(yīng)支持組播/廣播和單播之間的靜態(tài)和動態(tài)資源分配;新的RAT應(yīng)特別允許支持高達100%的DL資源用于多播/廣播(100%表示專用MBMS載波)。

6. 新的RAT應(yīng)支持多個MNO之間的多播/廣播網(wǎng)絡(luò)共享，包括專用MBMS網(wǎng)絡(luò)的情況。

7. 新的RAT應(yīng)該能夠在SFN模式下通過網(wǎng)絡(luò)同步覆蓋整個國家大小的大地理區(qū)域，并且如果需要達到該目標，應(yīng)允許小區(qū)半徑達到100km以上。它還應(yīng)支持地方，區(qū)域和國家廣播區(qū)域。

8. 新的RAT應(yīng)支持固定、便攜和移動終端的多播/廣播服務(wù)。應(yīng)支持高達250 km / h的移動性接收。

9. 新的RAT應(yīng)利用RAN設(shè)備(硬件和軟件)的使用，包括多天線能力(MIMO)以改善多播/廣播容量和可靠性。

10. 新的RAT應(yīng)支持mMTC設(shè)備的多播/廣播服務(wù)。

2019年2月在希臘舉行的會議得出研究結(jié)論TR 36.776 Study on LTE-based 5G terrestrial broadcast，其中，需求4是否滿足與純廣播架構(gòu)無關(guān);Rel14的4G廣播能夠滿足或者部分滿足需求1、2、3、5、6、9、10;而對于需求7和需求8，LTE現(xiàn)有參數(shù)和架構(gòu)無法滿足，需要繼續(xù)演進。具體結(jié)論如表1。

關(guān)于需求7：支持更大的地理區(qū)域使用Tcp和Tu長于Rel.14 1.25 kHz是有益的，并且將支持MPMT和HPHT1網(wǎng)絡(luò)中固定屋頂接收的用例，具有以下一系列改進：

1. MPMT：頻譜效率提高約100%，SNR改善范圍為5〜10dB。

2. HPHT：頻譜效率提高約500%，SNR改善范圍為8dB〜15dB。

Tcp和Tu應(yīng)至少為300μs(理想情況下為400μs)且至少為2.6ms。

3. 新的參數(shù)設(shè)計應(yīng)針對SE的改進，考慮RS模式等因素，包括時域和頻域，CP開銷和接收機復(fù)雜度。

關(guān)于需求8：支持不同的移動場景

1. 在一些情況下，發(fā)現(xiàn)100μs Tcp和400μs Tu短于Rel.14 1.25kHz是有益的，并且將支持LPLT網(wǎng)絡(luò)中車載接收的使用案例，具體如下：

2. 對于高SNR方案(相應(yīng)的SE大于1.3bps / Hz)，對于相同的SNR水平，100/400可能從鏈路級角度優(yōu)于Rel.14 1.25 kHz，但1.25kHz從系統(tǒng)級角度實現(xiàn)更高的SNR。

3. 對于對應(yīng)于LPLT中95%覆蓋率的SNR點，100/400具有與Rel.14 1.25 kHz數(shù)字學(xué)相似的性能。

3、5G廣播發(fā)展方向

5G旨在改善LTE移動網(wǎng)絡(luò)的每個方面，包括新的無線接入技術(shù)(5G-NR)。要求涵蓋三大類服務(wù)[3]：

1. 增強型移動寬帶(eMBB)：人類訪問多媒體內(nèi)容，服務(wù)和數(shù)據(jù)。

2. 大規(guī)模機器類型通信(mMTC)：低功率設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，具有最小的吞吐量和在延遲方面的寬松約束。

3. 超可靠的低延遲通信(URLLC)：具有嚴格的可用性和延遲水平的連接(自動駕駛汽車，公共安全，工業(yè)控制，機器人和無人機，遠程醫(yī)療手術(shù))。

根據(jù)3GPP的定義，這三個非常不同的類應(yīng)全部由單個移動網(wǎng)絡(luò)提供。5G平臺旨在使用稱為網(wǎng)絡(luò)切片的機制，在具有不同特征和自定義QoS級別的多個邏輯分區(qū)網(wǎng)絡(luò)中進行調(diào)整和動態(tài)配置。

視頻流的傳輸將利用eMBB功能，這也是早期市場部署的首要目標。5G將成為向移動設(shè)備分發(fā)高質(zhì)量內(nèi)容的平臺，并且通過所謂的固定無線接入，將其連接到家庭中的連接電視或機頂盒。

但是這個具有高頻譜效率的新平臺可以取代傳統(tǒng)電視廣播地面?zhèn)鬏?目前使用DVB-T / T2、ATSC或ISDB-T技術(shù))方式。在歐洲，隨著700MHz頻譜向移動寬帶的逐步過渡(根據(jù)歐盟規(guī)則將于2020年完成)以及提供高質(zhì)量內(nèi)容的帶寬需求不斷增加，廣播公司正在評估替代方案。

在RAN#79全體會議之后，廣播工作分為兩個方向，一個是設(shè)計NR的混合單播/多播/廣播模式(Mixed-mode)，另一個是基于LTE的地面廣播模式(Terrestrial )，兩者的特點如圖1所示?；旌蠌V播模式是可以動態(tài)切換單播服務(wù)和廣播服務(wù)的高效網(wǎng)絡(luò)。地面廣播模式是面向新一代數(shù)字電視服務(wù)的地面廣播專網(wǎng)。

3.1 地面廣播

Rel-14中enTV帶來了多種無線接入層增強功能，包括支持更長的站點間距離，屋頂接收，更高的廣播容量以及移動和固定設(shè)備的更多部署靈活性，如圖2所示。在系統(tǒng)方面，增強功能支持僅接收設(shè)備(如不需要SIM或服務(wù)訂閱的電視)，允許內(nèi)容提供商以本機格式傳送媒體的僅傳輸選項，以及允許多個運營商使用公共廣播運營商的共享廣播。

enTV對歐洲來說很有意義，因為有一個重新部署700MHz頻段的機會，如圖3所示。Rel-14的enTV規(guī)范已經(jīng)滿足所有歐盟數(shù)字電視廣播要求(管理要求、廣覆蓋、多樣化終端、靈活布網(wǎng))，其效率比DVB-T高約2倍，從而允許頻譜被釋放用于新的用例，例如在700MHz部署新的5G NR。未來歐廣聯(lián)(EBU)沒有進一步開展DVB-T3標準的制定計劃，基于3GPP的enTV或5G廣播技術(shù)有可能成為歐洲下一代地面數(shù)字電視的技術(shù)標準。

3.2 混合廣播模式

第二種演進路徑是混合廣播模式，如圖4所示，它可以實現(xiàn)單播和廣播服務(wù)的動態(tài)切換?；旌蠌V播模式可以廣泛應(yīng)用于許多不同的用例，如圖5所示。

LTE物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是需要將相同的內(nèi)容分發(fā)給大量設(shè)備。使用單播是低效的，但對廣播來說是理想的。它可以使無線(OTA，Over-The-Air)固件升級和群發(fā)消息更加高效。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)V2X：下一代車輛將支持增強的安全性和更自主的駕駛，C-V2X允許車輛有效地與網(wǎng)絡(luò)及其周圍環(huán)境進行通信。通過廣播，它允許網(wǎng)絡(luò)更有效地向車輛傳送實時信息，例如路況信息。

公共安全：政府和公共服務(wù)實體正在尋找與公民溝通的方式，并且正在采用廣播或任務(wù)關(guān)鍵型按鍵通話(MCPTT，Mission-Critical Push To Talk)來更有效地向各種設(shè)備提供實時緊急通知。

3.3 地面廣播和混合廣播的具體區(qū)別

地面廣播：僅下行鏈路，在專用頻譜上進行全國范圍的大區(qū)域覆蓋，例如，電視內(nèi)容分發(fā)[4]。具體區(qū)別：1)以LTE EnTV為基礎(chǔ);2)只支持廣播;3)只支持下行;4)大型和靜態(tài)傳輸區(qū)域;5)跨小區(qū)需要標準化的“協(xié)作”。

混合模式：下行鏈路多播/廣播的概念，具有利用下行鏈路單播和上行鏈路單播的可能性，可在單個小區(qū)到大區(qū)域之間配置/動態(tài)覆蓋范圍，并且可以通過單播進行多路復(fù)用和無縫切換。

具體區(qū)別：1)采用MBMS;2)在廣播和單播之間進行切換;3)上下行混合;4)適度和動態(tài)配置傳輸區(qū)域;5)普通物理層設(shè)計(但靈活)，以適應(yīng)不同類型的廣播(例如從單小區(qū)到大面積SFN傳輸)。

混合模式中可用資源通過使用相同的物理信道由單播，多播和廣播服務(wù)共享。該資源共享可以在相同的子幀(與LTE中的SC-PTM相同的概念)中執(zhí)行，或者在允許使用小規(guī)模SFN部署(類似MBSFN)的不同子幀中執(zhí)行?；旌夏Ｊ接欣诜?wù)之間的無縫轉(zhuǎn)換，但作為主要缺點，廣播部分保持單播參數(shù)，這可能妨礙一些潛在的用例。

4、結(jié)束語

在包括EBU和中國廣播電視的支持和推動下，3GPP的廣播技術(shù)在技術(shù)設(shè)計上已經(jīng)充分的考慮了地面數(shù)字廣播的需求，但是標準仍有進一步演進和提升的空間。支持的5G技術(shù)用于電視廣播媒體和娛樂(M&E)垂直應(yīng)用的主要進展已經(jīng)體現(xiàn)在Rel14。在EBU支持下，在德國慕尼黑開展了Rel14廣播技術(shù)試驗，充分證明了5G廣播技術(shù)和系統(tǒng)的可用性，驗證了實際效果。但是在5G廣播技術(shù)上包括干擾、頻率使用等問題上還有很多工作要開展。Rel15對于5G廣播提出了更多的需求，有望在2020年通過的Rel16版本中實現(xiàn)更多的廣播功能。這需要EBU和廣科院在內(nèi)的廣播行業(yè)單位合作，推動相關(guān)技術(shù)標準在3GPP內(nèi)立項，并推動整個5G產(chǎn)業(yè)鏈的支持。