5G廣播技術(shù)淺析

［鄭銳生 蔡子華 張紫璇］

1 引言

隨著移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迭代速度的加快，移動網(wǎng)絡(luò)的升級催生了高清視頻直播、在線點(diǎn)播等新應(yīng)用模式。其中，以4k/8k 和VR/AR 等高質(zhì)量視聽媒體內(nèi)容的需求增長最為凸顯，而現(xiàn)有的廣播電視網(wǎng)和移動通信網(wǎng)均難以滿足這一用戶消費(fèi)升級需求。傳統(tǒng)廣播電視網(wǎng)采用大區(qū)制組網(wǎng)，其覆蓋范圍大、傳播效率高，在公共內(nèi)容廣播和推送方面具有明顯優(yōu)勢，但由于其不具備上行回傳信道，無法面向點(diǎn)播業(yè)務(wù)等交互式應(yīng)用提供雙向、寬帶的通信能力。移動通信網(wǎng)采用小區(qū)蜂窩組網(wǎng)，具備大帶寬和雙向通信能力，且覆蓋方式靈活，但是，其在面對大規(guī)模用戶的海量視聽內(nèi)容需求時，有限的頻譜資源將難以承載爆炸式的流量消耗，進(jìn)而極大地影響QoS。同時，從網(wǎng)絡(luò)的角度看，公共內(nèi)容的傳輸需要占用多個用戶信道資源，這種方式的廣播和推送效率是低下的。在此背景下，由3GPP 主導(dǎo)的5G 廣播技術(shù)為解決上述問題提供了思路。

5G 廣播是指采用3GPP 制定的符合移動通信標(biāo)準(zhǔn)要求的廣播傳輸技術(shù)而構(gòu)建的廣播電視系統(tǒng)。其傳輸技術(shù)制定時段在3GPP 的5G 標(biāo)準(zhǔn)制定工作期間，特性符合5G技術(shù)性能要求。5G 廣播解決方案包含兩種模式，即基于LTE 的地面廣播模式（Terrestrial）和基于NR 的混合單播/多播/廣播模式（Mixed-Mode）。兩者分別滿足高功率大塔（High Power High Tower，HPHT）和低功率小塔（Low Power Low Tower，LHLT）不同場景下對廣播技術(shù)的需求。

基于LTE 的地面廣播模式主要是基于增強(qiáng)電視廣播EnTV（enhanced TV）技術(shù)，截至R16 已完成了絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。早在2004 年R6 版本中就提出了MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播多播業(yè)務(wù)），旨在通過多播/廣播方式向多個用戶傳送相同的內(nèi)容，相對于單播方式可大幅節(jié)省開銷。2007 年的R7引入了MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播/廣播單頻網(wǎng)絡(luò)）以解決MBMS 在小區(qū)邊界的信號傳輸問題。2009 年的R9，為了進(jìn)一步提高M(jìn)BMS 性能以及適應(yīng)LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)一步提出了eMBMS（enhanced MBMS），可支持更大帶寬，具備提供更為流暢的多媒體內(nèi)容的能力。2017 年的R14 版本在eMBMS 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步演進(jìn)提出了FeMBMS（Further enhanced MBMS），也稱EnTV，可支持高清、超高清業(yè)務(wù)在更大范圍單頻網(wǎng)的傳輸。2020 年R16 對EnTV 進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)是支持多模式全功能的大塔廣播。基于NR的混合單播/多播/廣播模式則將在R17 中進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。因此，現(xiàn)階段的5G 廣播泛指從R9 演進(jìn)至今的地面廣播技術(shù)，暫時不能與NR 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼容。

2 5G 廣播網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 廣播網(wǎng)絡(luò)的參考架構(gòu)如圖1 所示。在E-UTRAN和MME 等LTE 的基本網(wǎng)元的基礎(chǔ)上，增設(shè)eMBMS GW和BM-SC 網(wǎng)元設(shè)備。其中，eMBMS GW 為廣播多播業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)處理MBMS 業(yè)務(wù)分發(fā)和控制，可與S-GW及P-GW 共部署。BM-SC 為廣播多播服務(wù)中心，負(fù)責(zé)MBMS 業(yè)務(wù)的管理，包括授權(quán)、發(fā)起廣播/多播業(yè)務(wù)、調(diào)度、傳輸內(nèi)容等功能。

圖1 5G 廣播網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G 廣播網(wǎng)絡(luò)中，LTE 基本網(wǎng)元實現(xiàn)用戶附著和接入網(wǎng)絡(luò)并建立數(shù)據(jù)承載。內(nèi)容提供商所提供的廣播業(yè)務(wù)內(nèi)容經(jīng)由BM-SC 轉(zhuǎn)發(fā)至eMBMS GW，再分發(fā)給E-UTRAN，最后通過空口發(fā)給特定區(qū)域內(nèi)的特定移動終端UE。

3 5G 廣播幀結(jié)構(gòu)和參數(shù)集

由于組播發(fā)送機(jī)制與單播存在較大差異，3GPP 在R8 專門定義了eMBMS 幀結(jié)構(gòu)及MBSFN 子幀，用于承載MBMS 數(shù)據(jù)和控制信息，如圖2（a）所示。使用MBSFN 特殊子幀的考慮是：一方面，為防止多個小區(qū)發(fā)送的相同信號之間產(chǎn)生ISI，應(yīng)使用拓展CP 進(jìn)行抑制，以保持OFDM 符號間的正交性；另一方面，由于UE 在MBSFN 子幀上接收到的信號來自多個基站，這些多徑信號在頻域上造成更大的頻率選擇性衰落，需要引入多小區(qū)共用的下行參考信號MRS 來輔助UE 進(jìn)行相干解調(diào)。此外，MBSFN 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)還可通過時分復(fù)用與普通數(shù)據(jù)一起發(fā)送。eMBMS 幀長度為10 ms，每10 個子幀中僅有6 個為MBSFN 子幀，其余4 個為單播子幀，也即eMBMS 只能使用60%的載波資源。這種單播和廣播混合傳輸?shù)臋C(jī)制就直接限制了廣播的傳輸比特率。MBSFN 子幀的長度為1 ms，開始部分的1 個或2 個OFDM 符號為單播控制域，用于單播上行鏈路的調(diào)度和功率控制命令，其余部分為數(shù)據(jù)域，又稱MBSFN 域。單播控制域使用常規(guī)CP，MBSFN 域則使用拓展CP。

圖2 eMBMS 和FeMBMS 幀結(jié)構(gòu)

3GPP R14 定義的FeMBMS 幀結(jié)構(gòu)，突破了60%的資源限制，97.5%的載波資源可用于分發(fā)MBSFN 業(yè)務(wù)。FeMBMS 幀的長度為10 ms，如圖2（b）所示。為了降低信令和控制信息，F(xiàn)eMBMS 幀引入了小區(qū)獲取子幀CAS。CAS 用于攜帶UE 從MBSFN 子幀中接收信息所必需的消息，包括同步信號、基本控制和系統(tǒng)信息。同時，為了兼容LTE 舊版本，CAS 沿用了常規(guī)LTE 模式，可使用4.7/5.2 μs CP 或17 μs CP。CAS 子幀位于每連續(xù)40 個子幀的開始處，余下的39 個子幀均為MBSFN 子幀。注意到，MBSFN 子幀還去掉了單播控制域，整體信令開銷進(jìn)一步降低。

在新的幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還引入了新的OFDM 參數(shù)集，如表1 所示。相對R14，R16 新增了100 μs CP 和300 μs CP 兩種參數(shù)模式，前者子載波間隔相對較長，抗多普勒頻移的能力也相對較強(qiáng)，可適用于移動接收速度到達(dá)250 km/h 的場景，后者CP 持續(xù)時間較長，直接將基站固定接收覆蓋半徑提高到最大90 km。

表1 OFDM 參數(shù)集

但這樣一來引發(fā)了新的問題，即CAS 與MBSFN 子幀采用的CP 不匹配所導(dǎo)致的覆蓋缺陷。CAS 子幀采用拓展CP 時，其持續(xù)時間僅為16.7 μs，覆蓋相對受限，而MBSFN 在采用300 μs CP 時，其固定接收覆蓋半徑是CAS 子幀的近20 倍。由于CAS 信號的正確接收是進(jìn)一步解調(diào)MBSFN 子幀數(shù)據(jù)的前提，必須在不修改CAS 子載波間隔和CP 長度的條件下，對其魯棒性進(jìn)行增強(qiáng)。目前，3GPP 已采用了PBCH 重復(fù)傳輸、PDCCH 匯聚電平提升等多種增強(qiáng)措施。

4 5G 廣播無線發(fā)射系統(tǒng)

5G 廣播無線發(fā)射系統(tǒng)主要存在高功率大塔HPHT 和低功率小塔LHLT 兩類形態(tài)。

LHLT 是最為常見的移動通信網(wǎng)無線傳輸場景，其特點(diǎn)是僅提供局域覆蓋，但能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸，能夠滿足點(diǎn)播等交互業(yè)務(wù)的需求。LHLT 預(yù)計將采用R17 中定義的兼容于5G 雙向通信的混合廣播（Mixed Mode）方式，可實現(xiàn)單播和廣播服務(wù)的動態(tài)切換。其無線發(fā)射系統(tǒng)包括基帶單元、射頻發(fā)射單元、天饋系統(tǒng)、前傳網(wǎng)絡(luò)及桿塔等配套，可以充分利用已有的LTE/5G NR 基礎(chǔ)資源設(shè)施。

HPHT 的特點(diǎn)是功率大、站址高、廣播傳輸效率高，適合提供共性內(nèi)容和公共業(yè)務(wù)服務(wù)。HPHT 一般利用廣播電視發(fā)射臺站，采用地面廣播（Terrestrial Mode）方式，基于EnTV 技術(shù)進(jìn)行編碼調(diào)制，通過大功率放大后輸出。其無線發(fā)射系統(tǒng)包括5G 廣播電視激勵器、發(fā)射機(jī)、天饋系統(tǒng)、前傳網(wǎng)絡(luò)及桿塔電源等配套設(shè)施。激勵器將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)編碼和調(diào)制，產(chǎn)生廣播信道射頻信號。發(fā)射機(jī)將經(jīng)由激勵器的廣播信號進(jìn)行編碼和調(diào)制，形成數(shù)字電視廣播信號，并放大到所需功率電平。天饋系統(tǒng)將信號發(fā)送到無線信道空間。

5 5G 廣播業(yè)務(wù)承載能力

5G 廣播底層基于MBMS 技術(shù)，實現(xiàn)了對同一多播組的數(shù)據(jù)采用相同的調(diào)制與編碼策略（MCS），并以相同功率將相同數(shù)據(jù)發(fā)送給多播組成員，提高了資源使用效率，緩解了傳輸系統(tǒng)壓力。但是，為了使組內(nèi)所有用戶都能正確接收和解碼多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，基站只能選擇適配信道條件最差用戶的MCS 進(jìn)行傳輸，也即是說，系統(tǒng)吞吐量由組內(nèi)信道最差用戶的信道容量決定。因此，在計算移動接收和固定接收不同場景下的5G 廣播業(yè)務(wù)承載能力時，應(yīng)考慮不同場景下的信道條件，選擇合適的MCS 索引值進(jìn)行估算。

對于移動接收場景，建議選用MCS9，對應(yīng)QPSK 調(diào)制，頻譜效率為0.78 bit/s/Hz。對于固定接收場景，建議選用MCS27，對應(yīng)64QAM 調(diào)制，頻譜效率3.09 bit/s/Hz。按照H.265 編碼格式，每套標(biāo)清SD 節(jié)目碼率約為0.48 Mbit/s，每套高清HD 節(jié)目碼率約為1.92 Mbit/s。表2 給出了5 MHz 和20 MHz 條件下，5G 廣播可承載的節(jié)目套數(shù)估算。

表2 5G 廣播可承載節(jié)目套數(shù)估算

6 結(jié)束語

現(xiàn)階段5G 廣播基于LTE 空口，可充分發(fā)揮廣播網(wǎng)絡(luò)的低遲延、傳播高效優(yōu)勢，實現(xiàn)廣播電視節(jié)目在更大范圍的固定覆蓋和移動接入。而隨著Mixed-Mode 的標(biāo)準(zhǔn)化和引入，5G 廣播還將依托移動通信網(wǎng)的靈活特征，納入小塔廣播，提供個性化5G交互業(yè)務(wù)。通過大塔和小塔的聯(lián)動，大塔聚焦公共業(yè)務(wù)內(nèi)容的廣播和推送，小塔面向熱點(diǎn)區(qū)域提供點(diǎn)播等交互式業(yè)務(wù)，實現(xiàn)廣播電視網(wǎng)和移動通信網(wǎng)的資源共享和協(xié)同覆蓋，實現(xiàn)融合媒體服務(wù)。