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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，將給媒體行業(yè)的相關(guān)方帶來(lái)新機(jī)遇，尤其在內(nèi)容制作和分發(fā)方面。5G目前正處于3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)程做出貢獻(xiàn)，以確保3GPP規(guī)范中考慮了他們的技術(shù)和運(yùn)營(yíng)需求。

隨著移動(dòng)終端用戶(hù)數(shù)量的不斷攀升帶來(lái)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(wú)線(xiàn)廣播業(yè)務(wù)成為無(wú)線(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的一大熱點(diǎn)。而多媒體廣播多播業(yè)務(wù)技術(shù)，作為手機(jī)電視的一種重要實(shí)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(qiáng)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(guò)多播/廣播的方式為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的一種關(guān)鍵技術(shù)。eMBMS能實(shí)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(jìn)一步發(fā)展eMBMS，提升整個(gè)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(chǎng)景，比如，將來(lái)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(shí))/AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))等等高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，這將極大促進(jìn)廣播電視未來(lái)向移動(dòng)端的擴(kuò)展，帶來(lái)高清視頻市場(chǎng)的繁榮。

本文針對(duì)5G中eMBMS的新需求及其技術(shù)難點(diǎn)，調(diào)研分析了可能的解決方案，對(duì)未來(lái)落實(shí)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(guò)3GPP組織會(huì)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(gè)扇區(qū)、一個(gè)小區(qū)或一組小區(qū))內(nèi)的僅下行廣播/組播操作。

2. 對(duì)于固定和移動(dòng)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(yùn)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(yùn)行。

3. 5G系統(tǒng)應(yīng)允許運(yùn)營(yíng)商保留一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)電載波的0%至100%的無(wú)線(xiàn)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(guò)廣播/多播無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)商接收內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)另一個(gè)無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行并發(fā)數(shù)據(jù)會(huì)話(huà)。

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(yùn)營(yíng)商在一個(gè)獨(dú)立的基于3GPP的廣播/組播系統(tǒng)中，為同一用戶(hù)服務(wù)配置和廣播多個(gè)質(zhì)量級(jí)別(如視頻分辨率)的廣播/組播內(nèi)容。

7. 考慮到UE能力、無(wú)線(xiàn)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(hù)服務(wù)的廣播/多播內(nèi)容的多個(gè)質(zhì)量等級(jí)(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(gè)多播/廣播用戶(hù)服務(wù)并行傳輸?shù)経E。

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

10. 5G系統(tǒng)應(yīng)支持通過(guò)5G衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)，或通過(guò)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(lái)，上述的服務(wù)要求對(duì)5G空口和核心網(wǎng)分別提出的需求。空口方面的需求：

1. 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)應(yīng)該優(yōu)化無(wú)線(xiàn)資源，通過(guò)增強(qiáng)的PTM(廣播/多播)傳輸和來(lái)自用戶(hù)的反饋機(jī)制來(lái)提供進(jìn)一步的交互性。

2. 無(wú)線(xiàn)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(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)部署(如HPHT和LPLT網(wǎng)絡(luò))。

3. 無(wú)線(xiàn)空口應(yīng)該能夠在用戶(hù)移動(dòng)場(chǎng)景下提供跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的無(wú)縫體驗(yàn)。

4. 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)要求從物理層(如信號(hào)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(duì)現(xiàn)有單播架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn) 2. 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 3. 將地面廣播視為5G服務(wù)一類(lèi) 4. 簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo) 5. 設(shè)計(jì)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(huì)決定在已有Rel-14 LTE 4G廣播(EnTV)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，基于LTE技術(shù)在Rel-16(跳過(guò)了Rel15)繼續(xù)向5G廣播演進(jìn)。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(chǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)整，例如基于用戶(hù)分布或服務(wù)要求進(jìn)行調(diào)整。

3. 新的RAT應(yīng)支持向用戶(hù)同時(shí)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(shí)域中與單播傳輸進(jìn)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(dòng)態(tài)資源分配;新的RAT應(yīng)特別允許支持高達(dá)100%的DL資源用于多播/廣播(100%表示專(zhuān)用MBMS載波)。

6. 新的RAT應(yīng)支持多個(gè)MNO之間的多播/廣播網(wǎng)絡(luò)共享，包括專(zhuān)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(guò)網(wǎng)絡(luò)同步覆蓋整個(gè)國(guó)家大小的大地理區(qū)域，并且如果需要達(dá)到該目標(biāo)，應(yīng)允許小區(qū)半徑達(dá)到100km以上。它還應(yīng)支持地方，區(qū)域和國(guó)家廣播區(qū)域。

8. 新的RAT應(yīng)支持固定、便攜和移動(dòng)終端的多播/廣播服務(wù)。應(yīng)支持高達(dá)250 km / h的移動(dòng)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(xiàn)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(huì)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(mǎn)足與純廣播架構(gòu)無(wú)關(guān);Rel14的4G廣播能夠滿(mǎn)足或者部分滿(mǎn)足需求1、2、3、5、6、9、10;而對(duì)于需求7和需求8，LTE現(xiàn)有參數(shù)和架構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足，需要繼續(xù)演進(jìn)。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(zhǎng)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(jìn)：

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(jì)應(yīng)針對(duì)SE的改進(jìn)，考慮RS模式等因素，包括時(shí)域和頻域，CP開(kāi)銷(xiāo)和接收機(jī)復(fù)雜度。

關(guān)于需求8：支持不同的移動(dòng)場(chǎng)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(chē)載接收的使用案例，具體如下：

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

3. 對(duì)于對(duì)應(yīng)于LPLT中95%覆蓋率的SNR點(diǎn)，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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)方面，包括新的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)(5G-NR)。要求涵蓋三大類(lèi)服務(wù)[3]：

1. 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)：人類(lèi)訪(fǎng)問(wèn)多媒體內(nèi)容，服務(wù)和數(shù)據(jù)。

2. 大規(guī)模機(jī)器類(lèi)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(yán)格的可用性和延遲水平的連接(自動(dòng)駕駛汽車(chē)，公共安全，工業(yè)控制，機(jī)器人和無(wú)人機(jī)，遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù))。

根據(jù)3GPP的定義，這三個(gè)非常不同的類(lèi)應(yīng)全部由單個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供。5G平臺(tái)旨在使用稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)切片的機(jī)制，在具有不同特征和自定義QoS級(jí)別的多個(gè)邏輯分區(qū)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行調(diào)整和動(dòng)態(tài)配置。

視頻流的傳輸將利用eMBB功能，這也是早期市場(chǎng)部署的首要目標(biāo)。5G將成為向移動(dòng)設(shè)備分發(fā)高質(zhì)量?jī)?nèi)容的平臺(tái)，并且通過(guò)所謂的固定無(wú)線(xiàn)接入，將其連接到家庭中的連接電視或機(jī)頂盒。

但是這個(gè)具有高頻譜效率的新平臺(tái)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(dòng)寬帶的逐步過(guò)渡(根據(jù)歐盟規(guī)則將于2020年完成)以及提供高質(zhì)量?jī)?nèi)容的帶寬需求不斷增加，廣播公司正在評(píng)估替代方案。

在RAN#79全體會(huì)議之后，廣播工作分為兩個(gè)方向，一個(gè)是設(shè)計(jì)NR的混合單播/多播/廣播模式(Mixed-mode)，另一個(gè)是基于LTE的地面廣播模式(Terrestrial )，兩者的特點(diǎn)如圖1所示?；旌蠌V播模式是可以動(dòng)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(zhuān)網(wǎng)。

3.1 地面廣播

Rel-14中enTV帶來(lái)了多種無(wú)線(xiàn)接入層增強(qiáng)功能，包括支持更長(zhǎng)的站點(diǎn)間距離，屋頂接收，更高的廣播容量以及移動(dòng)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(qiáng)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(jī)格式傳送媒體的僅傳輸選項(xiàng)，以及允許多個(gè)運(yùn)營(yíng)商使用公共廣播運(yùn)營(yíng)商的共享廣播。

enTV對(duì)歐洲來(lái)說(shuō)很有意義，因?yàn)橛幸粋€(gè)重新部署700MHz頻段的機(jī)會(huì)，如圖3所示。Rel-14的enTV規(guī)范已經(jīng)滿(mǎn)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(lái)歐廣聯(lián)(EBU)沒(méi)有進(jìn)一步開(kāi)展DVB-T3標(biāo)準(zhǔn)的制定計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。

3.2 混合廣播模式

第二種演進(jìn)路徑是混合廣播模式，如圖4所示，它可以實(shí)現(xiàn)單播和廣播服務(wù)的動(dòng)態(tài)切換。混合廣播模式可以廣泛應(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(gè)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(duì)廣播來(lái)說(shuō)是理想的。它可以使無(wú)線(xiàn)(OTA，Over-The-Air)固件升級(jí)和群發(fā)消息更加高效。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)V2X：下一代車(chē)輛將支持增強(qiáng)的安全性和更自主的駕駛，C-V2X允許車(chē)輛有效地與網(wǎng)絡(luò)及其周?chē)h(huán)境進(jìn)行通信。通過(guò)廣播，它允許網(wǎng)絡(luò)更有效地向車(chē)輛傳送實(shí)時(shí)信息，例如路況信息。

公共安全：政府和公共服務(wù)實(shí)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(huà)(MCPTT，Mission-Critical Push To Talk)來(lái)更有效地向各種設(shè)備提供實(shí)時(shí)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(zhuān)用頻譜上進(jìn)行全國(guó)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L(fǎng)TE 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(biāo)準(zhǔn)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(gè)小區(qū)到大區(qū)域之間配置/動(dòng)態(tài)覆蓋范圍，并且可以通過(guò)單播進(jìn)行多路復(fù)用和無(wú)縫切換。

具體區(qū)別：1)采用MBMS;2)在廣播和單播之間進(jìn)行切換;3)上下行混合;4)適度和動(dòng)態(tài)配置傳輸區(qū)域;5)普通物理層設(shè)計(jì)(但靈活)，以適應(yīng)不同類(lèi)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(guò)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(lèi)似MBSFN)的不同子幀中執(zhí)行?；旌夏Ｊ接欣诜?wù)之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，但作為主要缺點(diǎn)，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(yǔ)

在包括EBU和中國(guó)廣播電視的支持和推動(dòng)下，3GPP的廣播技術(shù)在技術(shù)設(shè)計(jì)上已經(jīng)充分的考慮了地面數(shù)字廣播的需求，但是標(biāo)準(zhǔn)仍有進(jìn)一步演進(jìn)和提升的空間。支持的5G技術(shù)用于電視廣播媒體和娛樂(lè)(M&E)垂直應(yīng)用的主要進(jìn)展已經(jīng)體現(xiàn)在Rel14。在EBU支持下，在德國(guó)慕尼黑開(kāi)展了Rel14廣播技術(shù)試驗(yàn)，充分證明了5G廣播技術(shù)和系統(tǒng)的可用性，驗(yàn)證了實(shí)際效果。但是在5G廣播技術(shù)上包括干擾、頻率使用等問(wèn)題上還有很多工作要開(kāi)展。Rel15對(duì)于5G廣播提出了更多的需求，有望在2020年通過(guò)的Rel16版本中實(shí)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(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在3GPP內(nèi)立項(xiàng)，并推動(dòng)整個(gè)5G產(chǎn)業(yè)鏈的支持。