5G 廣播與地面數字電視廣播技術方案比較

董 雷，王瑞明，夏治平

（1.中廣電廣播電影電視設計研究院有限公司，北京 100045；2.新拓尼克（北京）科技研發中心有限公司，北京 100102；3.國家廣播電視總局廣播電視科學研究院，北京 100866）

0 引 言

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）推薦的第一代地面數字電視標準主要有DVB-T，ISDB-T，ATSC 以及DTMB，第二代地面數字電視標準主要有ATSC 3.0，DVB-T2 和DTMB-A。同時，CMMB，ISDB-T 1seg 和DVB-T2 lite 等標準也都支持移動接收。傳統廣播電視行業也在努力將自己的業務范圍向移動接收終端擴展。

2002 年，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）啟動了多媒體廣播多播業務（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），即Release 6 版本的研發工作。MBMS 支持多媒體廣播和組播兩種業務模式。MBMS 在后來的Release 7、Release 8 版本的3G 系統中已經得到了實現，但是仍然無法滿足用戶和運營商對手機電視業務的強烈需求。

2009 年，3GPP 在Release 9 版本中第一次發布了基于LTE 網絡的增強型多媒體廣播多播技術（evolved MBMS，eMBMS），正式確定將eMBMS 作為4G 廣播技術。

2017 年，3GPP Release 14 版本發布了進一步演進的多媒體廣播多播技術（Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services，FeMBMS），也叫作增強電視廣播（Enhanced TV），第一次將大塔納入移動通信標準范圍，標志著移動通信技術與廣播技術的真正融合。

2020 年3 月凍結的Release 16 版本[1]基本完成廣播大塔廣播標準制定，支持無卡接收、高速移動（120 ～250 km·s-1）、大覆蓋（站間距100 km）等。

2022 年，Release 17 版本[2]引入了無線接入網（Radio Access Network，RAN）增強功能，采用30，35，40 物理資源塊（Physical Resource Blocks，PRBs）的物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）帶寬（對應6 MHz、7 MHz、8 MHz）和適用于15 或25 PRBs 的小區采集子幀（Cell Acquisition Subframe，CAS）帶寬（對應3 MHz、5 MHz），以支持在廣播UHF 頻譜中部署基于LTE 的5G 地面廣播。

本文比較了基于3GPP Release 16 和Release 17版本5G 廣播、第二代地面數字電視標準ATSC 3.0和DVB-T2 等標準的各項參數性能。

1 5G 廣播技術的特點

5G 廣播的幀結構如圖1 所示。多媒體廣播單頻網（Multimedia Broadcast Single Frequency Network，MBSFN）區域子幀可以采用多種子載波間距。對于采用?f=7.5 kHz，?f=2.5 kHz 和?f=1.25 kHz 的子幀，MBSFN 區域被定義為一個1 ms 的時隙。對于采用?f≈0.37 kHz 的子幀，MBSFN 區域被定義為一個3 ms 的時隙。圖1（a）展示的幀結構類型用于370 Hz SCS 以外參數的子載波，1.25 kHz SCS 的每個時隙長度為1 ms；圖1（b）展示的幀結構類型用于370 Hz SCS 的子載波；CAS 是非MBSFN 子幀，使用15 kHz SCS 參數。5G 廣播中參數集選項如表1 所示。

表1 基于Release 16 的5G 廣播OFDM 參數集選項

圖1 5G 廣播的幀結構

2 5G 廣播與地面數字電視標準的性能參數比較

5G 廣播與地面數字電視標準的關鍵參數比較主要在頻譜帶寬、帶寬效率、編碼、時間內交織和層分復用、峰值數據速率、峰值頻譜效率、比特交織編碼調制（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）頻譜效率、站間距離（Inter-Site Distance，ISD）等方面。

2.1 頻譜帶寬和帶寬效率的比較

帶寬定義為最大聚合系統帶寬。表2 列出了5G 廣播和第二代地面數字電視標準的頻譜帶寬比較。5G 廣播帶寬效率如表3 所示。第二代地面數字電視系統的帶寬效率如表4 所示。

表2 5G 廣播和地面數字電視標準的頻譜帶寬比較

表3 5G 廣播的帶寬效率

表4 第二代地面數字電視系統（包括CMMB）的帶寬效率

2.2 編碼的比較

DVB-T2 和ATSC 3.0 等第二代地面數字電視標準均采用LDPC+BCH 編碼方式，而FeMBMS 采用Turbo 編碼方式。采用LDPC 的地面數字電視系統比FeMBMS 具有更好的BICM 頻譜效率。在高斯白噪聲（White Gaussian Noise，AWGN）信道下，ATSC 3.0 的最新LDPC 碼和非均勻星座（Non Uniform Constellations，NUC）組合與FeMBMS 的Turbo 碼、QAM 相比，可提供高出約1 ～2 dB 的增益。

2.3 時間交織器的比較

時間交織器將由嚴重衰落信道引起的突發錯誤擴展為隨機錯誤，以便接收器能夠成功解碼。地面數字電視標準中的時間交織器在惡劣的衰落環境中顯示出顯著的性能優勢。FeMBMS 為了支持單播傳輸的延遲要求，旨在最大限度地減少延遲，不允許設置時間交織器。因此，在高速惡劣的移動衰落信道環境下，FeMBMS 與地面數字電視相比，就需要較高的載噪比（Carrier Noise Ratio，CNR）。

2.4 層分復用的比較

ATSC 3.0 采用更為靈活的層分復用（Layered Division Multiplexing，LDM）技術。與傳統的時分和頻分復用方案相比，LDM 具有顯著的性能增益（3 ～9 dB）。在LDM 系統中，由于下層信號固定接收業務的插入，人為降低了覆蓋區內上層信號的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），充分利用了被浪費的發射功率，進而得到了更大的系統傳輸容量。而FeMBMS 不支持層分復用技術，因此，FeMBMS 的靈活性和頻譜效率均不如ATS C3.0 第二代地面數字電視系統。

2.5 峰值數據速率與峰值頻譜效率的比較

峰值數據速率為系統支持的有效載荷的最大傳輸容量。峰值頻譜效率可計算為峰值數據速率除以系統的最大帶寬（Band Width，BW）。

式中：Esp為峰值頻譜效率，Rdp為峰值數據速率，W為系統最大帶寬。

FeMBMS 將同步、采集和系統信息所需的信令被進一步壓縮并打包到新的設計中。通過最小化同步，獲取系統信息所需的信令并將其移入新定義的CAS 中，實現了高達80%廣播資源分配的配置以及幾乎100%廣播分配（97.5%）的專用載波配置，每40 個子幀發送一次的捕獲子幀（CAS）（即2.5%的信令開銷）。每個CAS 出現在連續的39 MBSFN 子幀之后/之前。

對于5G 廣播，峰值數據速率是每個時間傳輸間隔（ Transmission Time Interval，TTI）傳輸的最大傳輸塊大小（Transport Block Size，TBS），不包括CAS 持續時間。峰值數據速率計算如下：

式中：NTBS可以從ETSI TS 136 213 中的表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.1-1A 獲得，T是以秒為單位的子幀持續時間。39/40意味著5G廣播數據子幀的數目為39（一個數據幀包含40 個子幀）。

FeMBMS的空中接口參數包括MBSFN和SC-PTM（Single-Cell Point-to-Multipoint）。選擇不同的調制與編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）指標來提供不同頻譜效率下的系統性能。對于MBSFN 和SC-PTM 配置，每個MCS 索引采用不同的調制和傳輸塊大小，這與碼率直接相關。根據3GPP規范，MCS0—MCS9 對應QPSK，MCS10—MCS16 對應16QAM，MCS17—MCS27 對應64QAM，MCS28—MCS34 對應256QAM[5]。

當使用MCS34時，用于5 MHz FeMBMS的NTBS最大為21 384 bit，而峰值數據速率達到20.85 Mb·s-1。計算過程如下：

同樣可以計算出，當使用MCS9 時，用于5 MHz FeMBMS 的NTBS最大為4 008 bit，而峰值數據速率達到3.91 Mb·s-1。

對于ATSC 3.0 標準，單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）的峰值數據速率只考慮6 MHz系統帶寬的典型值，計算可得到峰值數據速率為58.69 Mb·s-1。因此，峰值頻譜效率為

圖3 比較了AWGN 信道中FeMBMS，DVB-T2和ATSC3.0 標準的峰值頻譜效率。

圖3 AWGN 信道中峰值頻譜效率比較

2.6 BICM 峰值頻譜效率比較

BICM 峰值頻譜效率取決于最大調制階數和有效碼率。峰值頻譜效率定義為所使用的每個信道的比特數（bpc），它是系統支持的最大頻譜效率。

式中：m是每個子載波的比特數，Rc是編碼率（Coding Rates，CR）。對于FeMBMS：

式中：Nb是子幀內可用于數據傳輸的比特數。每個MCS 索引提供不同的有效碼率，因為它們與特定的TBS 直接相關。數據的可用位計算如下：

式中：NRB是使用的RBs 資源塊的數目，Nsymb是專用于PTM 服務的每個RB 資源塊的OFDM 符號數，是每個RB 的子載波數，NRS是每個RB 的參考信令數。

對于5 MHz 帶寬、1.25 kHz SCS 的FeMBMS，當MCS 指數為34 時，采用256QAM 時，m=8，NRB=25，Nsymb=1，=144，NRS=24，ITBS=32 和NTBS=21 384 時的峰值BICM 頻譜效率計算如式（8）、式（9）所示。物理資源塊參數如表6 所示。

表6 物理資源塊參數

ATSC 3.0 標準通常提供單一的6 MHz 帶寬分配[6]。本文只分析6 MHz帶寬的峰值BICM頻譜效率。ATSC 3.0 標準和MBSFN 的峰值BICM 頻譜效率比較如表7 所示。

表7 ATSC 3.0 和MBSFN 的BICM 峰值頻譜效率

2.7 BICM 頻譜效率與CNR 的比較

為了評估不同配置的影響，本節比較了高斯白噪聲、萊斯、瑞利等不同信道場景下的BICM 頻譜效率基于CNR 門限變化的曲線。LTE 配置都使用5 MHz 的帶寬，MBSFN 始終使用?f=1.25 kHz 的子載波間隔。

2.7.1 高斯白噪聲信道

圖4 顯示了針對SC-PTM，MBSFN，DVB-T2和 ATSC 3.0 的BICM 頻譜效率與AWGN 信道中所需CNR 的關系。從圖4 可以看出，與SC-PTM 和MBSFN 相比，ATSC 3.0 和DVB-T2 都能夠提供比較高的頻譜效率，尤其是對于高CNR。

圖4 AWGN 信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關系

2.7.2 瑞利信道

圖5 顯示了具有兩個發射和接收天線的獨立同分布瑞利信道的BICM頻譜效率與所需CNR的比較。ATSC 3.0 和SC-PTM 使用兩個發射機和接收機天線，而MBSFN 采用1×2 單輸入多輸出方案。

圖5 瑞利信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關系

從圖5 可以看出，MBSFN 和SC-PTM 的整體性能略遜于ATSC 3.0 和DVB-T2 標準。

2.7.3 萊斯信道

圖6 描述了萊斯信道模型的BICM 頻譜效率和所需的CNR。在相同的CNR 下，ATSC 3.0 和DVB-T2 的BICM 性能均優于SC-PTM 和MBSFN。

圖6 萊斯信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關系

2.8 ISD（站間距離）比較

為了解決大距離SFN 覆蓋問題和高速移動接收的魯棒性問題，Rel-16 中引入了更長的300 μs循環前綴（Cyclic Prefix，CP），使得單頻網內發射機間距更大，更有效地發揮了HPHT 的廣電傳統優勢，同時，更長的CP 也增強了接收機應對多徑信號的能力。

DVB-T2 和ATSC 3.0 都提供了不同的保護間隔參數，可以根據選擇不同的FFT 模式和保護間隔組合來滿足不同的應用場景。特別是ATSC 3.0 和DVB- T2 都支持32K 的FFT 模式，這樣可以支持較大CP 的插入。但是，長CP 的插入意味著增加了整個系統的開銷，更大系統凈荷和更大的站點間距及抗多徑性能之間的平衡也需要綜合考慮。

在32K 模式下，DVB-T2 可以支持高達532 μs（8 MHz）的CP 長度，而ATSC3.0 更是能支持703 μs（6 MHz）的CP，這些情況下，地面數字電視標準可以提供比5G 廣播更大的SFN 站點間距。

3 結 語

本文比較了5G 廣播和其他地面數字電視技術標準的關鍵性能參數。5G 地面廣播技術雖然在某些性能上略遜色于第二代地面數字電視技術，但5G廣播代表了一種基于3GPP 技術的全球統一標準的廣播方式，基于Rel-16 和Rel-17 5G 廣播的技術成熟度還有待充分的分析與論證，尤其是在實際測試中，如中國北京的754 MHz 項目和德國的5G Today項目。5G 廣播已在3GPP 中達成共識，應進一步支持5G 廣播，促進HPHT 和LPLT 以及“天地一體化”融合，實現5G 廣播“隨時隨地”的使用和觀看。