從中國移動與中國廣電網絡共享看移動通信網與廣播電視網的融合發展

丁海煜 曠婧華 劉瀟蔓 曹景陽 張永麗

中國移動通信有限公司研究院 北京 100053

1 移動通信融合廣播電視系統發展趨勢及面臨的挑戰

移動通信網、廣播電視網都是現代信息社會信息傳播的重要基礎設施，在既往發展過程中較為獨立。但隨著移動互聯網中直播、廣播、賽事轉播等視頻類業務持續增多，對無線資源的有效利用成為移動通信網和廣播電視網融合發展的基礎需求，5G網絡亟需一種更高效的廣播業務承載技術，業務層面也存在一定融合訴求；同時廣播電視網也希望將移動終端作為業務訪問入口，便于用戶訪問廣播電視業務。因此，移動通信網和廣播電視網具備明確的融合發展趨勢和強烈的融合發展訴求。5G移動通信網的架構和技術體系較為開放，產業鏈和應用形態富有活力，具備融合廣播電視網的優勢，但也存在諸多挑戰。

挑戰一：5G移動通信網和廣播電視網的技術體系、網絡架構、核心技術差異巨大，如何在保證融合系統性能的前提下最大程度復用5G移動通信網，降低廣播電視網帶來的非通信標準需求。

挑戰二：移動通信融合廣播電視系統面臨長期帶內頻譜共享、帶外頻譜共存的局面，5G移動通信與廣播電視共同面臨頻譜資源高效共享，融合創新發展等問題。

挑戰三：5G移動通信首次融合廣播電視業務，首次承載廣播、組播類業務，該類業務對網絡質量、建網成本和資源利用率都要有一定要求，對運營商組網、建設和運營等方面提出了新的要求。

圍繞這三個挑戰，本文從中國移動、中國廣電聯合產業在移動通信網與廣播電視網的融合發展領域所開展的技術融合、頻譜共享、網絡共建三個方面出發，結合移動通信網與廣播電視網的融合發展將產生的新業務前景，介紹移動通信網與廣播電視網的融合發展趨勢、技術創新和應用實踐。

2 通信廣播技術共融

融合發展的首要前提，是技術層面的融合設計。為了使移動通信網更好地承載廣播電視業務，從第三代移動通信開始，便有了對多播廣播技術，即MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體多播廣播業務)的研究及標準化，通過對3G網絡架構新增網元實現對該技術的支持，后續包含LTE在內的其他標準化版本均是以此為基礎進行功能的增強。這里，多播廣播更多指向其業務特性，即是否在業務層面存在“分組”的概念，而在空口傳輸機制設計上不區分具體為多播還是廣播，其支持的業務主要為公共安全及廣播電視業務。

由于3G/4G MBMS技術的設計中，多播廣播與單播從網絡架構、業務流程到物理信道設計都相對獨立，共性設計較少，因而導致要支持MBMS技術所帶來的網絡建設成本過高，且終端硬件復雜度過大等問題，進而造成了產業支持動力不足的結果，最終導致MBMS技術未能大規模商用。

隨著5G網絡的部署和發展，除了公共安全、廣播電視業務之外，賽事直播、V2X應用等具有多播廣播特性的場景逐漸出現，推動了多播廣播技術在5G的標準化進程?？紤]到3G/4G MBMS技術存在的問題，5G多播廣播旨在以現有5G網絡架構為基礎，進行多播組播與單播的統一融合設計。與之前版本不同的是，5G的“多播廣播”不再指的是業務層面的含義，而是定義了不同的空口傳輸方式，一定意義上實現了業務和傳輸方式的解耦。

2.1 網絡架構設計

在網絡架構上，盡可能復用現有網絡中的功能單元及接口等來支持多播廣播技術的引入，減少對網絡的改造，如圖1[1]所示。其中，新增網元如MBS-SMF、MB-UPF、MBSF等均可與現有SMF、UPF及NEF等合設，從而減少對網絡架構的改造，降低建網成本。

圖1 支持多播廣播的5G網絡架構

2.2 空口設計

在空口設計上，對多播廣播與單播設計資源共享和物理信道融合，并支持對多播廣播業務的多種傳輸方式動態轉換，以及對高QoS要求業務的空口可靠性傳輸、業務連續性保證，從而實現5G多播廣播的靈活、可靠傳輸。

1)資源共享和物理信道融合設計

對于5 G 多播廣播對應的MRB，空口支持兩種傳輸模式：PTM(Point to Multi Point，點到多點傳輸)及PTP(Point to Point， 點到點傳輸)。無論哪種傳輸模式，多播廣播和單播采用的是統一的基于物理層業務共享信道動態調度資源技術，如圖2[2]、圖3[2]、圖4所示。這樣做既可以降低網絡資源開銷，又不引入新的物理信道，從而降低終端硬件復雜度。

圖2 多播會話下行層2協議棧

圖3 廣播會話下行層2協議棧

圖4 PTM調度方案

2)傳輸模式動態轉換

如圖2 所示，多播會話支持PTP和PTM兩種傳輸模式，兩種傳輸模式以PDCP層為錨點。其中PTM傳輸支持兩種HARQ-ACK反饋模式，以此提高傳輸的可靠性，但是，對于PTM傳輸，RLC層僅支持UM模式，因此無法進行RLC層及PDCP層可靠性傳輸保障；與之不同的是，PTP傳輸除了支持HARQ反饋外，還支持RLC層配置AM層模式，PDCP層status report等，以此來進一步提升傳輸的可靠性。網絡可以動態配置UE的傳輸模式為PTP傳輸或PTM傳輸，或者兩種傳輸模式同時配置。通過傳輸模式的動態轉換，實現資源消耗和可靠性的平衡，也突破了以往多播業務的低端質量保障的模式，為多播業務可以應用在如V2X等高可靠傳輸場景提供了技術保障，從而提升了5G多播廣播技術的靈活性。

3 通信廣播頻譜共享

移動通信網與廣播電視網由于通信方式不同，頻譜使用存在顯著差異。廣播電視網采用下行單向鏈路，頻譜采用全下行規劃；移動通信網采用上下行雙向鏈路，因而頻譜規劃為上下行成對使用。從頻譜使用方面，廣播電視網一般部署在專用的低頻頻段上，頻譜帶寬窄，采用傳統的廣播電視系統的空口傳輸技術，為保證廣覆蓋可靠性傳輸，頻譜效率較低。移動通信融合廣播電視系統的部署，首選復用原有廣播電視網的專用頻譜，并通過移動通信網的部署，擴展頻譜帶寬，開放頻譜進行通信和廣播業務傳輸的動態頻譜共享，并盡快完成廣播電視業務的清退。尤其在廣播電視網清頻的過程中，通過創新技術方案，可以提前實現移動通信融合廣播電視系統的業務開通。

3.1 頻譜擴展

FDD頻譜的上下行雙工間隔一般較窄，是因為受基站及終端的PIM(無源互調)干擾等問題的影響。由于國內主要以700MHz作為移動通信網與廣播電視網的融合網絡部署，因而如要擴展700MHz頻譜帶寬，就需要克服這些問題。中國移動通過開展系統性仿真和確定性計算，創新提出了基站帶內帶間PIM干擾在線檢測算法、數字消除算法、終端調度算法、天線多制式信號PIM相關性分析和指標全面性測試，解決困擾業界已久的基站PIM干擾、終端雙工間隔問題。結合基站和終端對于PIM干擾解決能力的差異性，以最大化、最高效利用頻譜資源為目標，又創新提出了非對稱端網帶寬能力設計，提升網絡最大帶寬并同時兼顧終端可行性，使小區帶寬能力擴展一倍，打破了FDD系統帶寬不超過20MHz、端網最大帶寬能力保持一致的傳統，提升700MHz用戶體驗速率50%，減少700MHz小區數50%，極大降低網絡部署時的小區數量和鄰區參數維護難度。同時，該設計引領了FDD帶寬擴展的技術方向，900MHz等頻段也開始擴展帶寬并采用基站終端非對稱最大帶寬的設計方案。4G/5G FDD低頻帶寬情況如表1所示。

表1 4G/5G FDD低頻帶寬情況

3.2 頻譜共享，干擾共存

在700MHz頻段部署移動通信融合廣播電視系統，廣播電視業務與移動通信業務的頻譜動態共享已經通過前述的空口融合設計得以解決。在廣播電視業務清退之前，由于廣播電視網采用大功率的單下行鏈路發送方式，對同頻段內移動通信融合廣播電視系統的上行接收將造成帶內嚴重干擾。因而，在廣播電視業務尚未完成退頻的特定時期內，該干擾直接制約了5G通信廣播融合系統的開通運營進程。頻譜共享的重點工作，在于在該時期內通過創新技術手段，盡量降低廣播電視網對融合系統的干擾，加快5G通信廣播融合系統的開通。

為有效避免廣播塔信號的阻塞干擾導致全帶寬底噪顯著抬升，創新提出切片式子帶濾波器增強方案(如圖5所示)。該方案充分利用廣播塔發射信號的帶寬固定、頻段可知的特點，針對有限數量及組合的干擾源，設計出可以靈活配置的子帶濾波器電路，用以替換原全帶寬數字中頻濾波器?，F網部署時，根據鄰近廣播塔的具體干擾特征，選擇配置適當的子帶濾波器。未配置子帶濾波器時，帶內廣播塔干擾信號可導致其同頻及鄰頻共計16～24MHz上行頻譜不可用；而配置子帶濾波器后，僅同頻8MHz頻譜不可用，鄰頻8～16MHz頻譜可以使用。因此在總計30MHz的上行帶寬內，實現27～53%的頻譜利用率提升。

圖5 切片式子帶濾波器干擾規避方案示意圖

廣播電視網的帶內干擾還同時引起顯著的PIMC干擾問題。PIMC是由基站設備中的接頭、饋線、天線、濾波器、避雷器等無源器件在下行鏈路發射高功率信號時，由于部件本身存在非線性而引起的互調效應。受天饋系統質量問題、安裝問題、老化、外界環境等因素影響不同，無源互調對系統產生的影響也不同。如圖6所示，在5G移動通信融合廣播電視系統700MHz設備中，由于下行和上行頻段間隔較窄，下行高功率發射信號經過無源器件產生的PIM失真分量正好落在上行接收頻段內，引起上行信號噪底抬高10dB以上、上行最大覆蓋收縮50%以上、接收機靈敏度降低等問題，PIM嚴重時甚至能引起上行信號阻塞，需要通過技術手段解決PIM問題。

圖6 700M產品PIM干擾分布圖

廣播電視網清頻結束前，700MHz設備除了受到無源互調干擾外，還同時受到廣播塔的干擾。而廣播塔干擾和無源互調干擾產生的原理機制不同，不能使用同樣的消除算法進行消除。廣播塔干擾目前有成熟的抑制方案，但是由于其抑制方案實施流程在無源互調干擾消除完成后進行，因此廣播塔干擾信號會對PIM抵消算法產生不同程度的影響，嚴重時使PIM抵消算法失去效果。

為解決融合系統帶內高強度廣播塔干擾與無源互調干擾并存時，造成互調干擾消除算法建模精度下降甚至無法進行非線性建模而導致上行最大覆蓋能力收縮50%的問題，提出廣播塔干擾并存的無源互調干擾消除方案，將無源互調干擾對上行系統性能的影響從50%下降至3%。

創新提出的廣播塔干擾與互調干擾并存的PIMC方案包含廣播塔干擾識別、廣播塔干擾抑制、去干擾特性系數計算、去干擾PIM抵消器、PIM干擾抵消五個模塊。根據廣播塔干擾強度自適應識別無源互調干擾產物，再利用抑制廣播塔干擾非線性模型計算殘留互調干擾信號的非線性特征，通過反相抵消電路對含廣播塔干擾的上行業務進行無源互調干擾產物消除，保證上行可用帶寬內無源互調干擾消除的有效性。一方面，在PIMC建模求解PIM特性模塊中利用帶阻濾波器抑制廣播塔等干擾信號，可以避免高功率廣播塔等干擾信號對PIMC算法有效性的影響，提高PIMC算法的建模準確度。另一方面自適應根據廣播塔業務干擾的強度對其進行干擾抑制，保證下行發射信號與上行接收信號同步計算有效性，確保只要上行不進入阻塞狀態，就可以進入PIMC計算流程。最后對沒有受到廣播塔干擾的其他頻段上行信號進行PIM消除，保證上行可用頻點信號不受無源互調干擾的影響。同時也保留了廣播塔等其他干擾信號的原始信息，保證已有成熟干擾抑制方案有效實施。

根據圖7所示的測試環境，在暗室中針對實際天饋系統產生無源互調干擾同時又模擬廣播塔干擾信號的場景進行了方案性能驗證。如圖8所示，在有-70dBm廣播塔干擾存在時，PIM對消性能無回退。主設備PIM對消功能打開后，無廣播塔干擾擊中的5M帶寬內底噪總功率降低10dB以上。如圖9所示，在有-40dBm廣播塔干擾存在時，PIM量級發生了變化。但從測試結果看，PIM對消功能仍能正常工作。主設備PIM對消功能打開后，無廣播塔干擾擊中的5M帶寬內底噪總功率降低10dB以上。

圖7 真實暗室驗證模擬廣播塔干擾與無源互調干擾并存PIMC性能驗證示意圖

圖8 -70dBm帶內干擾時PIM對消能力

圖9 -40dBm帶內干擾時PIM對消能力

4 通信廣播網絡共建

在組網和網絡建設層面，5G移動通信融合廣播電視系統首先需要考慮的問題是建網成本。首先，5G移動通信融合廣播電視系統受傳統電信運營商和新興的廣播運營商的雙頭管理，從網絡成本考慮，應盡可能復用傳統電信運營商的網絡建設基礎和運維經驗，但也要兼顧業務獨立發展需求與管理運營效率。從無線網絡建設的角度，5G移動通信融合廣播電視系統需要全國連續性的網絡覆蓋，因而一是如何充分利用現有基站基礎設施，二是如何在低價值區域進行低成本覆蓋，成為實現網絡成本集約目標的重要問題。

4.1 網絡架構設計

移動通信融合廣播電視系統首先面臨著網絡架構和組網方案的設計問題。基于5G網絡架構，以低成本建網和具備獨立業務發展能力的目標，采用接入網共建共享、核心網獨立的組網方式。但是多運營商共享基站的組網方式容易帶來潛在的多頭管理和安全風險問題，創新提出統一網絡接入和面向全量連接的I-SMF插入路由方案，提高了網絡效率和安全性。

4.2 低成本無線網組網方案

移動通信融合廣播電視系統的無線基站建設中，如何在現有擁擠的站址上增加700M天面成為必須應對的技術挑戰。為了降低對天面空間的占用，降低工程建設難度和租賃成本，運營商的策略是整合現有天面，做到新增頻段而不新增天線。對于中國移動，需要考慮對700M、900M、1 800M和FA頻段(1.9G)多個頻段的整合，天線的集成度要求很高。這其中的一大難點，在于如何實現700M與900M共陣子的同時保持頻段間獨立電調能力。獨立電調需要采用振子級合路方案，傳統的腔體合路器雖然插入損耗低，但大量應用時勢必造成天線重量和成本顯著升高。為了解決這一矛盾，中國移動提出了輕量化微帶合路方案，并聯合產業不斷優化微帶合路器的插入損耗，在批量產品中實現了性能與傳統腔體方案相近，重量下降5Kg，很好地平衡了性能和成本。

700M由于頻段低，傳播能力強，實現同樣面積的覆蓋比高頻段所需的基站數更少，是5G廣域覆蓋的理想打底頻段。為了實現低成本5G廣域覆蓋，中國移動面向低容量場景，突破傳統的3扇區組網方式，創新提出了2扇區組網方案，如圖10所示，單個基站只需要2套設備和天面，可以顯著壓縮建站成本和運行功耗。這其中要解決的關鍵技術，是如何拓展單副天線的覆蓋范圍。傳統的3扇區天線，水平面波束寬度為65度左右，在±60°的功率下降約為12±3dB，以適應單扇區覆蓋水平120度范圍的需求。如果要實現2扇區組網，則需要單副天線的水平覆蓋范圍擴展至180度左右，即±90°的功率下降不能太多，否則在扇區邊緣會出現弱覆蓋。為了實現這一目標，一方面通過優化振子方案，擴大單列波束的水平面波寬至75度左右；另一方面提出了反射板的特殊設計方案，通過倒V型反射板，將兩列振子的波束左右偏轉，分開一定角度。波束偏轉后，在90°的功率下降就可以滿足扇區間連續覆蓋要求。但同時也需要保證左右波束分開之后，波束交疊處的電平，如果交疊電平過低，就會導致法線方向出現弱覆蓋。另外，左右波束間的重疊越多，重疊區域的多流效果就會越好。通過不斷優化調整反射板的折彎角度，確定了單個波束的最佳偏轉角度，使單個天線即能滿足180度的覆蓋需求，同時波束交疊電平不低于傳統3扇區方案，達到了建網成本和功率消耗降低1/3的效果。

圖10 兩扇區組網天線示意圖

為了驗證2扇區天線的覆蓋效果，在外場選取了試點站點進行天線的替換和對比驗證。圖11b)為4個連片試點站的替換情況，白色箭頭為兩扇區天線指向，圖11a)替換前的RSRP，圖11c)為替換后的RSRP。遍歷測試結果表明，替換后平均RSRP雖稍弱于替換前，但替換后的覆蓋仍可滿足正常使用需求。此外，網管指標方面，除PRB利用率略微上漲外，平均用戶數、日均流量、接通率、掉線率及上下行吞吐率等指標均在正常范圍波動，這表明通過2扇區天線組網建設，覆蓋和網絡指標可以滿足需求，而扇區數減少1個，可以節省約1/3的建設投資和基站運行功耗，對于低容量需求的區域而言是極具性價比的建設方案。

圖11 兩扇區組網測試結果

5 移動通信融合廣播電視系統業務發展暢想

移動通信融合廣播電視系統的建成將進一步帶動各類新興流媒體視頻業務的發展，但此類視頻業務也給網絡傳輸帶寬和資源帶來了巨大挑戰。傳統的點對點單播方式效率較低，容易在人群密集場景或上網高峰期出現視頻播放卡頓的情況。5G廣播多播技術通過同時向多個終端傳輸相同的視頻內容，既可提升網絡資源利用率，又能保障視頻流暢度與清晰度。因此，超高清視頻、VR/AR視頻、直播服務可采取5G廣播多播技術分發視頻內容。

此外，5G廣播多播技術同樣適用于公共安全消息、廣告內容推送等場景，可實現短時間一定區域內的多個用戶及時接收信息。中國移動研究院編制的《5G MBS場景分析報告》[3]中，移動通信融合廣播電視系統通過應用5G多播廣播技術，可更好支持以下場景的業務發展。

5.1 場景一：體育賽事和演藝現場直播

國家體育館“鳥巢”、上海梅賽德斯－奔馳文化中心等超大型場館可容納萬人觀看演出及體育賽事，場館內距離舞臺較遠的觀眾難以看清演出及賽事細節，存在用移動終端觀看多角度視頻、賽事精彩回放等直播服務的需求；在演藝場景中，觀眾也存在僅收看某位演員的直拍、后臺采訪花絮的需求，現場熒幕及傳統的單播下發視頻流的方式因單一視角或網絡資源受限往往難以滿足觀眾的個性化需求。

基于直播的“內容相同、觀眾收看時間相同、觀眾密集”的業務特點，當活動現場的眾多觀眾同時使用5G終端收看直播時，可采用5G廣播多播的方式為觀眾統一下發視頻流，以緩解視頻內容傳輸對下行帶寬的壓力，滿足高并發、高帶寬傳輸的業務需求。

5.2 場景二：校園直播

隨著互聯網的發展，直播逐漸走進校園，打破了教室或教學活動舉辦地點的限制，通過線上接入的方式保障教育教學的正常進行，直播回放等服務也方便了師生記錄學習知識、復習學習要點；同時直播教學也可以為教育資源欠發達地區的學生提供優質的教育資源，然而教育欠發達地區可能存在5G網絡建設相對落后的情況，需要更加便捷的網絡技術方案。此外，校園中還會播放冬奧會、世界杯等大型國際體育賽事直播，此類場景的收看人群比教學直播更多，需要更多的網絡資源支撐用戶需求。

5.3 場景三：公共服務

公共服務包括政府等權威部門應對自然災害、社會安全事件等突發公共事件時在一定區域內向公眾傳遞的緊急信息，提供的內容可以包含視頻、文字、聲音等。由于目前接收公共應急信息的終端種類多(大屏、顯示器、手機等)、數量大，采用單播的方式推送安全信息可能造成網絡擁擠，導致信息無法及時傳達。

因此，基于公共服務“內容相同、時間相同、廣域覆蓋”的場景特征，可使用5G廣播多播技術，在節約網絡資源和空口帶寬的前提下，通過循環廣播的方式確保安全信息傳遞給一定范圍的每位用戶。5G廣播多播技術可與電視相結合，利用新技術的廣覆蓋及傳統電視的權威性，共同打造公共服務網絡。

5.4 場景四：車載娛樂

隨著5G與車聯網技術的發展，汽車成為一種可能的終端移動設備，車內的音頻、多屏系統等車載娛樂系統使用戶的駕駛與乘車體驗不再枯燥。然而，傳統單播模式無法同步多路視頻/音頻流，車內會出現多屏畫面不一致的情況。

因此，基于車載娛樂系統“內容相同、時間相同、區域相同”的特征，5G廣播多播技術在車載娛樂系統的場景下可發揮同時向多個用戶傳輸相同內容的技術優勢。5G廣播多播技術通過接收多視角合成的廣播信號可實現多屏同看效果，顯著降低擁塞、延遲等問題的出現，提升用戶體驗。

5.5 場景五：元宇宙

元宇宙世界最大的特點是強交互、高度沉浸感和低時延。在元宇宙中，用戶之間的交互及基于VR/AR和3D技術的視頻等業務都對5G網絡的高速率、低時延優勢提出挑戰。在元宇宙場景下，廣播多播技術可使在一定范圍內的內容生產者直接將業務內容下發給接收者，在數智人、VR藝術展、AR購物等新興業務領域大放異彩，為用戶帶來更多便利和優質體驗。

6 結語

隨著5G新基建基礎設施的廣泛商用部署，后5G時代的5G融合行業發展趨勢愈發凸顯。作為廣播行業與通信行業深度融合、共同可持續發展的典范，移動通信融合廣播電視系統也為電信運營商可持續發展問題提供了探索方向。中國移動和中國廣電通過技術融合、頻譜共享、網絡共建等領域的技術創新，已經建成全球首個、規模最大的移動通信融合廣播電視系統，形成了全球領先示范效應，為全球移動通信發展貢獻了中國智慧，有利于廣播電視媒體行業共享5G開放活躍的產業鏈，滿足人們的文化需求，促進我國先進、主流思想文化的傳播與發展。