5G 網絡架構下的多播/廣播電視融合技術應用

黃 瓊

（江西廣播電視臺，江西 南昌 330046）

0 引言

隨著網絡技術的快速發展以及智能終端的普及，視頻廣播和流媒體業務的需求出現了井噴式增長，但是視頻業務的用戶體驗很大程度上取決于網絡的性能和帶寬，特別是稀缺的無線帶寬資源，已經成為當前制約移動視頻業務發展的最大瓶頸。在此背景下，基于演進型多播/廣播多媒體子系統（evolved Multicast/Broadcast Multimedia Subsystem，eMBMS）技術為解決這一矛盾提供了方案[1]。該技術支持基于高功率高塔（High Power High Tower，HPHT）的地面廣播服務，以單向模式（Receive Only Mode，ROM）接收視頻內容。

2020 年，基于長期演進（Long-Term Evolution，LTE）的5G 網絡架構逐步應用于廣播電視。eMBMS采用單頻網（Single Frequency Network，SFN）模式，提升了ROM 模式的接收范圍和接收效果，啟動5G 無線傳輸機制，以豐富的5G 頻譜資源向用戶提供互聯網協議電視（Internet Protocol Television，IPTV）、群組通信等多播/廣播業務數據。因此，深入研究5G 網絡架構下的多播/廣播電視融合技術應用，進一步提升5G+eMBMS 的技術融合能力，對于廣播電視的視頻廣播和流媒體業務發展起到關鍵性作用。

1 5G 網絡架構下的eMBMS 系統架構

多播業務（或稱為組播）是將相同的內容傳輸給被授權的多個用戶設備（User Equipment，UE），既可以實現一次傳輸所有目標節點的數據，也可以只對特定被授權的UE 傳輸數據。廣播業務也是將相同的內容傳輸給多個UE，但是不具有選擇UE 的能力。

現階段，5G 網絡架構存在的主要問題是只有部分基站支持eMBMS，另一部分基站可能不支持eMBMS 業務。當UE 從一個支持eMBMS 業務的5G 源基站（Radio Access Network，RAN）移動到一個不支持eMBMS 業務的5G 目標基站時，若UE 已經加入eMBMS 業務，則需要由共享分發切換到獨立分發的方式來繼續傳輸業務數據，從而實現業務連續性。5G+eMBMS 系統架構如圖1 所示。

圖1 5G+eMBMS 系統架構

為了解決這一問題，結合5G 網絡數據傳輸協議，要求UE 在切換基站前，通過多播/廣播業務會話關聯一個協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU），而后PDU 切換到目標基站再通過PDU 來傳輸多播/廣播業務會話對應的業務數據[2]。按照傳輸方式的不同，5G+eMBMS 業務數據傳輸方案共有3 種，如表1 所示。表1 中，點對點（Point To Point，PTP）是指業務數據通過點對點方式傳輸至各個UE，點對多點（Point To Multipoint，PTM）是指業務數據通過點對點方式傳輸至多個UE。

表1 5G+eMBMS 業務數據傳輸方案

從5G 網絡架構的維度來說，一個eMBMS 會話可同時采用以上多種方案完成業務數據傳輸。從技術能力的融合維度來說，方案一的提升空間更大。

2 5G 網絡架構下的eMBMS 融合技術應用

2.1 5G+eMBMS 無線傳輸技術

對于無線傳輸技術，5G+eMBMS 基于Rel-18的LTE 和多播服務技術特點，采用蜂窩網絡（Cellular Network，CN）完成多播/廣播業務數據PTM/PTP傳輸，同時可根據業務樣式和流量形態進行動態切換[3]。該技術融合的主要特點有3 個：第一，指定在RRC_INACTIVE 狀態（RAN2，RAN3）中UE 對多播業務的接收支持；第二，允許UE 對廣播和單播接收的聯合處理，即支持來自同源/非同源的MBS廣播接收中對包括UE 能力和相關輔助信息報告；第三，在必要時指定增強功能以提高RAN 共享場景中MBS 接收的資源效率。

Rel-17 版本就已支持了多播/廣播功能，旨在實現通用MBS 服務，其實用場景包括公共安全、車用無線通信技術（Vehicle to X，V2X）、IPTV、實況直播、無線和物聯網等。鑒于Rel-17 的MBS已經提供了支持MBS 服務的基本功能，Rel-18的5G+eMBMS 總體主要目標將著重于更好地部署MBS，如對基于Rel-17 下的MBS 以進一步提高資源效率和容量。針對Rel-17 中沒有解決的UE 共享問題，通過技術融合的方式解決在Rel-18 中實現UE 對MBS 廣播和單播接收的聯合處理的信令增強問題和處理RAN 共享場景下對多播廣播業務的資源效率提升的問題。

2.2 多播/廣播業務核心技術

2.2.1 5G NR

5G新空口（New Radio，NR）是基于正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的最新空口設計標準，也是下一代蜂窩移動技術基礎。5G NR 將實現超低時延、高可靠性。該無線電協議棧架構主要分為用戶面（User Plane，UP）和控制面（Control Plane，CP）兩個平面。UP協議棧即用戶數據傳輸采用的協議簇，CP 協議棧即系統的控制信令傳輸采用的協議簇[4]。多播/廣播業務數據下行鏈路如圖2 所示。

圖2 多播/廣播業務數據下行鏈路

值得注意的是，為了達到更高的數據下行傳輸速率，業務數據適配協議（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）和分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）的部分功能被簡化。從圖2 可以看出，MRB1 是基于PTM 傳輸模式的數據樣式，在無線鏈路控制端可以通過分段、切片的方式完成數據分組和整合，達到高速傳輸的同時保持數據包的整體性；MRB3 是基于PTP 傳輸模式的數據樣式，在無線鏈路控制端可以通過頭壓縮的方式來完成分段、自動重傳；MRB2 直接采用了不同路徑傳輸業務數據，即PTP/PTM 動態切換。該融合技術對于數據傳輸信道的要求很高，且對應不同的業務需求，主要包括以下信道：廣播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH），用于廣播系統控制信息的下行傳輸；尋呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH），用于轉發尋呼消息和系統信息變更的下行傳輸；公共控制信道（Common Control Channel，CCCH），當UE 與網絡沒有建立RRC Connection 時，完成UE 與網絡間傳輸控制信息；專用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH），當UE 與網絡已經建立RRC Connection 時，完成UE 與網絡間點對點傳輸控制信息。

2.2.2 PCIe 5.0

基于第5 代快速周邊組件互連協議（PCI Express 5.0）規范，傳輸速率的提升需要更新5G+eMBMS 物理層，主要是進行速率匹配支撐PTP/PTM 無線高速傳輸。

以一個物理層發送事務層包（Transaction Layer Packet，TLP）為例。一個TLP 通過物理層時，首先要加上物理層的前后綴STP 和END 的控制字符，無須加擾；數據鏈路層前綴、TLP 和數據鏈路層后綴都屬于數據字符，需要加擾，并由物理層發向PCIe 鏈路。此時進行速率匹配不影響信息比特的傳輸，只有校驗位會受到影響。因此，速率匹配之后，實際的碼率會與MCS 的目標碼率不同。所以當一個時隙中還有其他參考信號，存在其他高層配置時，實際的碼率會提升，使傳輸的可靠性降低。為了避免這種可靠性的降低，有效的方法是當確知碼率會被抬升之前，高層配置適當地降低payload，以平衡實際碼率。

2.2.3 5G 新空口的服務接入增強

為有效支持5G+eMBMS 的PTP/PTM 傳輸，RAN使用無線電接入技術（Radio Access Technology，RAT）在RAN 各個節點與UE 間進行通信。這些技術主要包括[5]全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）、增強型數據速率GSM 演 進（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）、UMTS 陸地無線接入網（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN），通過核心網提供對5G 新空口的服務接入增強。

2.2.4 PTM/PTP 動態切換

5G+eMBMS 根據業務運行需求自主選擇傳輸方式，即多播/廣播服務中心依據UE 上傳的用戶需求與業務供給之間的信息來動態調整PTM/PTP傳輸方式，如圖3 所示。

圖3 傳輸方式PTM/PTP 的動態切換

UE 可接收從使用點對點PTP 傳輸切換到使用點對多點PTM 傳輸的指示，或基于與PTM 模式相關聯的可靠性條件來確定從使用PTP 傳輸切換到使用PTM 傳輸。在動態轉換過程中，UE 接收第一數據分組時，該UE 可通過擴展數據分組接收窗口的邊界進一步延伸該數據分組的接收窗口，此時基于該第一數據分組的序列號RLC 和偏置量MAC 可用來擴展該邊界。同時，UE 將第二數據分組添加到接收緩沖器C-RNTI 用于進行處理，并且第二組序列號在擴展的數據分組接收窗口的擴展部分內，確保數據傳輸方式切換時不會造成數據沖突。

值得注意的是，PTP 數據分組接收窗口的邊界可以為下一個PTM 數據分組接收窗口的起始邊緣，并且擴展數據分組接收窗口的邊界可包括將起始邊緣的第一值設定為比第一數據分組低偏置量的第二值。當PTM 無法滿足5G+eMBMS 對傳輸可靠性的要求時，可直接轉換以RLC-AM 模式的PTP 傳輸，并通過RLC 的分段自動重傳（Automatic Repeat Request，ARQ）請求提高傳輸可靠性。

3 結語

本文通過對5G 網絡架構下eMBMS 融合技術應用的具體分析，分析技術應用特點，提出科學應用方式，并明確了存在的問題，給出了改進措施，能夠有效提升基于5G+eMBMS 實現多播/廣播業務能力，有望進一步拓展5G 核心網在廣播電視領域的應用范圍。