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                5G廣播電視演進和主要技術特點
                發布日期:2020-04-14

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                5G廣播電視演進和主要技術特點

                作者:鄒峰 (國家廣播電視總局廣播電視科學研究院)

                0 引言

                1895年意大利的馬可尼和俄國的波波夫幾乎同時發明了無線電,相應的發射和接收設備便應運而生,并在很短時間里不斷改進,達到實際應用的水平。世界各國一時競相建設廣播電臺、生產收音機。隨著發射功率的不斷增大,特別是短波頻率的使用,使得無線電波越傳越遠,甚至跨越國界。世界公認的首次電臺播音是1920112日美國威斯汀豪斯公司在匹茨堡的KDKA電臺播出哈定當選總統。

                隨著技術發展,無線廣播從單純的聲音廣播,發展到聲音和電視廣播,從模擬時代到數字時代。地面無線廣播電視作為廣播電視最為重要的傳輸手段,在廣播電視發展的很長一段時間內占據主導地位。直到上個世紀90年代初,隨著數字技術的推廣和普及,有線電視和衛星電視開始大規模超越地面無線廣播電視,傳統地面無線廣播電視已難以滿足人們對于圖像質量、節目數量和雙向個性化的需求。

                2000年開始,隨著信號處理技術的發展、廣播電視傳輸技術與通信技術的融合以及人民生活水平的提高,無線廣播電視技術開始探索向雙向、移動接收領域發展。初期針對普通車載電視,2004年開始確立面向手機等個人移動終端,從而擴大無線廣播電視的業務范圍,和衛星、有線電視實現差異化發展,從家庭屏擴展到個人屏。這成為當時全世界廣播電視從業者的共識,在2008年前后。美國高通公司研發出MediaFLO,歐洲DVB制定DVB-H標準,韓國推出DAB-M標準,日本在ISBT標準上進行移動性修訂,我國制定了CMMB標準,其中,美國高通購買了全美的運營頻率,中國構建了完整的CMMB產業鏈,并進行了全國部署,但是在運營中均以失敗告終,導致上述標準都未能形成事實的成功。而同時期,手機終端卻如火如荼的發展,使廣電人又一次開始探索廣電的未來發展之路。

                1 5G廣播電視(Broadcasting

                的演進及技術特點

                1.1“多媒體廣播多播業務,MBMS” 的提出和主要技術特點

                隨著移動通信技術飛速發展和廣播(Broadcasting,以下同)模式巨大價格及質量潛在優勢,通信運營商開始在通信領域除單播、組播模式外提出應增加廣播模式。2002年在第三代移動通信(3GPPRel6Release6,Release可以理解為3GPP的一個規劃)提出了多媒體廣播多播業務,即MBMSMultimedia Broadcast Multicast Service,也有稱:多媒體廣播組播業務),成為以后手機電視業務的技術基石。后來又發展到Rel72005-6-6 2007-3-6)版本。MBMS標準工作于20017月提出,200210月啟動,20059月標準凍結,實際網絡實施是2007年,2008年前3G網絡開始推廣MBMS業務。多媒體廣播/多播業務(MBMS)在Rel6、Rel7版本的3G系統中已經取得了完整的實現。但是受當時技術的影響,在Rel6/Rel7中,MBMS功能更多的是通過對3G網絡架構的改進而實現的,因此MBMS邏輯架構要依附于已有的3G網絡架構。針對廣播電視技術主要進行了兩方面改進:一是通過增加新的功能實體廣播多(組)播業務中心(BM-SC)來提供與管理MBMS業務;二是在已有的功能實體上(包括:GGSN、SGSN、BSC/RNCUE)增加對MBMS業務的支持。因此Rel6/Rel7MBMS可以看作是對3G系統的一種功能擴展,遠無法滿足日益增長的業務需求,尤其是用戶和運營商對手機電視業務的強烈需求。200913GPP開始了Rel82006-01-23 2009-03-12)的規范制定,同時并行開展Rel92008-03-06 2010-03-25)、Rel102009-01-20 2011-06-08)的研究。

                1.2“演進的多媒體廣播多播業務,EMBMS” 的提出和主要技術特點

                隨著通信LTELong Time Evolution,長期演進)技術的發展,3GPPRel8中對廣播多播技術進行了增強,提出了EMBMS業務,并在后續的Rel10、Rel11版本中進行了優化。EMBMS既支持原有的3G網絡,同時也支持LTE接入網絡,保證了系統的兼容性。EMBMS在邏輯架構、業務模式、傳輸方式和信道結構等方面進行了重大改進。

                在邏輯結構上,EMBMS提出了獨立的架構,見圖1,在核心網中定義了MBMS邏輯實體,在接入網中定義了動態管理(MCE)功能實體,并且定義了相關的控制面、用戶面接口。EMBMS這種完整、獨立的扁平化邏輯架構,便于對MBMS各部分功能進行靈活部署,有利于MBMS的資源優化和性能提升。

                隨后幾年EMBMS得到了飛速發展,EMBMS開始向承載類型演進,在傳輸方式上提供廣播和多播兩種承載類型(傳輸方式)。當使用MBMS承載廣播業務時,業務數據會向業務區域內的所有用戶發送,用戶無需向網絡進行注冊便可以接收數據;在使用多播承載時,業務數據只向特定用戶進行傳輸,為了接收業務數據,用戶必須向網絡進行注冊,并將用戶信息保存在網絡的相關節點之中。MBMS廣播和多播是針對不同的業務需求提供的不同承載類型,具有不同的業務流程。為了滿足業務不斷發展的需要,Rel9正式提出了EMBMS概念,又定義了增強廣播承載類型,這種承載類型介于廣播和組播之間,吸收了廣播中流程簡單和組播中資源優化的優點。同時EMBMS開始了傳輸方式和信道結構的演進。

                在組網方式上,EMBMS在接入網中引入了單頻網(SFN)傳輸方式,即MBSFN傳輸方式,就是多個小區在同一時間以相同頻率同步進行同一廣播節目信號的傳輸。使用這種傳輸方式只需要占用一個頻段,不需要在相臨小區間進行頻率規劃,從而可以有效節約頻率資源,提高頻譜利用率。同時多小區同頻傳輸可帶來分集增益,提升弱信號場景下的接收性能。標準中定義了MBSFN同步傳輸的MBSFN區域和MBSFN同步區域。整個MBSFN區域會被看作是一個MBSFN小區,UE在其中可以連續接收EMBMS廣播信號。為了實現多小區傳輸(即使用MBSFN傳輸方式),引入了邏輯實體MCE的概念,如圖2所示,負責接納控制和為MBSFN區域中的多個小區分配無線資源和傳輸參數(時頻資源和傳輸格式)等。由于是邏輯實體,MCE既可以作為某些功能實體(如:eNodeB)的一部分,也可以是一個獨立的實體。

                MBMS信道結構的的演進中,E定義了兩個邏輯信道來實現數據下發:MCCHMTCH。EMBMS可以使用兩種模式進行業務下發:p-t-p或者p-t-m。當對 MBMS 業務進行單小區傳輸時(非 MBSFN 傳輸方式),使用下行共享信道 DL-SCH;當進行多小區傳輸(MBSFN 傳輸方式)時,則使用 MCH 來進行同步傳輸。同時圖3展示了E-MBMS所支持的多小區傳輸模式,其中AB為兩種在混合小區的傳輸模式,CD為兩種在MBMS專有小區的傳輸模式。當需要對某個單獨的MBMS專用小區進行MBMS業務傳輸時,由于沒有DL-DCH信道而無法進行單小區傳輸,因而仍然可以使用MCH信道、針對單個小區進行多小區傳輸(MBSFN傳輸方式)。

                1.3“進一步演進的多媒體廣播多播業務,FEMBMS” 的提出和主要技術特點

                3GPP廣播技術不斷演進的同時,世界范圍內廣播界也在利用傳統無線廣播電視技術開展雙向、移動接收、車載電視以及面向手機屏幕等運營,以尋求擴大無線廣播電視業務范圍,但是美國、歐洲、日本、中國的實踐均以失敗告終。隨著微電子技術、材料科學、計算機技術迅猛的發展,全球的廣播電視從業者再次意識到:1)無線廣播電視發展的出路依然在個人移動終端;2)傳統廣播電視技術和規模難以支撐所需的新業務發展;3)新技術的發展已使傳統廣播電視技術融入現代通信技術成為可能。為此國際上出現了兩個路線圖,一是以美國ATSC3.0為代表,謀求以美國廣電行業為主,獨自完成的ATSC3.0廣播電視標準為基礎,與3GPP合作發展相關技術,進入3GPP標準序列,但是被3GPP拒絕。二是有鑒于此,歐洲和中國形成共識,認為最佳的技術途徑直接加入3GPP組織,將廣電業務融合到3GPP LTA-A以后的標準序列中,在其內推動廣播電視技術發展,以期減少不確定性,減少隔閡。因此在3GPPRel142014-09-17 2017-06-09)版本中基于廣播行業的用例和需求對EMBMS進行了擴展和增強,根據廣播需求引入了新特性,包括用于V2X(車聯網)通信的MBSFNSC-PTM。其增強性體現在對系統架構和界面的簡化,以及對LTE物理層的擴展。并整合進EnTVEnhanced Televison service)工作項目,5G地面廣播增強方案的研究是以Rel14版本中的EnTV為基礎的。

                但在移動通信領域Rel8只是LTE的第一版協議,并未達到ITU-R規定的4G性能指標,所以此版本也稱為3.9G。但此時LTE相比3G網絡有了以下特征:高峰值吞吐率,高頻譜效率,簡化網絡架構和全IP網絡架構等。Rel9Rel8的基礎上增加了:公共預警系統,Femto Cell,波束賦形和多媒體廣播等部分功能,此時的LTE系統還是只能稱為3.9G。進一步增強后的Rel10已經達到了ITU-R提出的4G性能指標(IMT-Advanced),可以真正的稱為4G系統。為了體現這一點,3GPPLTE Rel10之后的LTE系統更名為LTE-Advanced,簡稱LTE-A。此版本主要添加以下功能:進一步增加MIMO天線數,中繼節點,增強型小區間干擾協調,載波聚合和異構網絡等。對性能提升較大的是MIMO天線數的增加和載波聚合。

                事實上,正是歐廣聯、高通、廣科院等單位在3GPP內部共同推動下,在201865G標準制定第二階段才有了5G廣播研究項目的成功立項。有趣的是,歐廣聯、高通、廣科院等5G廣播標準制定的主要推動單位,在2008年前后都曾有發展移動電視的相同經歷??梢哉f通過移動通信標準組織,將無線廣播電視傳輸到手機,是各個廣播機構不約而同的最終選擇。

                Rel14以前的EMBMS是基于LPLTLow Power Low Tower),但用于廣播的載波資源最高只能達到60%,不能有效滿足廣播業務的帶寬需求。在Rel14中,廣播運營商主導引入了FeMBMSFurther EMBMS),支持高功率廣播大塔的大站間距單頻網組網,使用專用載波近100% 的資源承載廣播業務,支持無SIM卡單向接收和業務數據透傳等。Rel14版本的FeMBMS已經和地面數字電視廣播有很多相似之處,特別是其可利用廣播大塔資源,使它成為了廣播運營商青睞的標準。2018年歐洲在德國慕尼黑開展了Rel14廣播技術試驗,結果充分證明了廣播技術和系統的可用性,驗證了實際效果。2019年我國在廣電總局科技司支持下,廣科院牽頭組織多家機構,在北京開始了3GPP Rel14廣播單頻組網試驗和外場測試。

                3GPP Rel15 2016-06-01 2018-09-14)未對FeMBMS做明顯改進,由于Rel15后的3GPP規范稱為5G規范,故Rel15之后的廣播/多播稱為“5G廣播電視(Broadcasting)”。當前,5G廣播技術已成為國內外廣播行業的研究熱點,也得到5G及相關技術方案提供商的支持。

                5G廣播技術現有混合廣播模式和地面廣播模式兩種技術實現方式。

                1. 混合廣播模式(Mixed-mode)。它是基于5G NR的單播/多播/廣播可以靈活切換的廣播模式,可以動態且無縫的切換單播服務和廣播服務。

                2. 地面廣播模式(Terrestrial mode)。它是基于LTE空口的高塔高功率(HPHT)的廣播模式,是面向新一代數字電視服務的地面廣播專網,適合在專用頻譜上進行全國范圍的大區域廣播覆蓋。

                3GPP所制定的5G廣播電視目標并非由單一廣播模式來完全實現,而是結合不同的業務場景,由兩種廣播模式分別來實現。

                對地面廣播模式的更多的需求,已要求全部在Rel162018-6-11)版本中實現,有望在20206月通過的。2019129日啟動的Rel17將更多地關注混合廣播技術標準的制定,地面廣播技術標準至少在Rel17中將不再有新的演進。20213月全會,將討論批準Rel18立項內容。

                2 3GPP廣播技術標準的發展趨勢

                3GPP Rel16版本中5G地面廣播技術研究取得了一定的進展,但仍存在一系列有待解決的問題,主要是地面廣播模式下覆蓋范圍的提升、采用非均勻星座圖提升廣播電視傳輸的去映射復雜度和性能增益、設計新的參數集滿足地面廣播模式下更高移動速度下的接收。同時,在地面廣播和雙向通信網絡之間建立協同和融合也是需要開展的一個關鍵問題。

                3GPP Rel17版本中將啟動5G混合廣播模式的標準制定,重點關注單播多播廣播的動態切換,也將結合5G新空口技術進行應用,希望能顯著提升5G混合廣播的性能。

                3GPP Rel18版本預計將在2021年啟動意見征集,并確定該版本的技術需求。3GPP更多關注通信解決方案,廣播技術方案并不是其關注和工作推進的熱點,廣播電視技術的推進需要廣電行業以及相關企業做出更多的努力才能夠繼續成為3GPP設計中關注的垂直行業。3GPP后續基于5G或未來6G的廣播服務將對系統持續提出新需求。

                5G地面廣播利用廣播大塔和廣播電視頻率資源,實現對大區域內室外或固定接收的覆蓋。5G混合廣播利用蜂窩基站實現對小區域內熱點覆蓋,實現組播和單播的靈活切換。我國廣電兼具廣播運營商和電信運營商的雙重身份,可以充分考慮兩條演進路線,在技術成熟時選擇一種或兼顧兩種,建設滿足智慧廣電發展需求的廣電5G廣播網。

                對于我國廣播電視行業來說,推動5G地面廣播技術,還有待技術標準的進一步完善,并協同國際范圍內包括運營商、設備商、芯片商、應用提供商對相關產業鏈的大力支持。對于5G混合廣播技術,需要著重于在3GPP技術標準中提出業務需求和技術要求,參與并推動相關標準的制定。

                3 發展建議

                未來3GPP的廣播技術將分為三個階段來發展。

                3.1組播技術與廣播技術的融合

                Rel17標準中,將開展多播技術的研究工作,支持單播、多播和廣播之間的靜態和動態資源分配,支持單播和多播靈活切換,實現廣播和多播的融合化發展。

                3.2與固網融合的廣播電視技術

                未來3GPP在核心網側,將構建有線、寬帶和未來的無線業務在核心網側的融合;在接入網側,完善3GPP與非3GPP接入的互通功能,將有線網用于后傳功能。通過有線、寬帶和移動網絡融合,3GPP支持的無線廣播將具備和基于固網或有線的家庭寬帶網絡實現廣播電視業務的平滑切換能力。

                3.3與衛星網絡融合的廣播電視技術

                3GPP支持的廣播將融合多種廣播電視傳輸的能力,如衛星移動廣播電視,利用衛星的廣播/多播能力為網絡邊緣及用戶終端提供高效的數據分發服務,并且在用戶移動場景下提供跨網絡環境的無縫體驗。

                結合上述的發展趨勢,廣電行業可以考慮做好以下工作:

                1. 3GPP技術標準中,采用廣播電視技術,高效率高質量的提供業務服務,尤其是面向未來的超高清視頻,是必然和必須的發展趨勢。

                2. 5G廣播為契入點,構建5G綜合業務支撐服務平臺,并且以此為基礎,充分發揮廣電內容制作和匯聚的優勢,以及覆蓋更多終端的能力。

                3. 未來的3GPP廣播電視與現在的地面數字電視技術的演進方向存在同質化發展的問題,需要提前考慮好兩者的戰略布局。

                4. 設立5G播控許可制度,建立隸屬于總局的播控中心,在5G環境下從源頭上解決內容安全問題。

                5. 組播技術是5G廣播技術的工作重點,需要提前開展相關研究及試驗工作部署。

                3.4 未來廣播電視網的構成

                目前通信界已經開始6G的研究,而對廣電而言, 6G廣播的核心模式就是:衛星組網+地面廣播+基站覆蓋(作者提出)。廣電有兩強,直播衛星是廣電第一強,覆蓋優勢巨大;頻譜資源目前看是第二強,不利用好會逐漸被蠶食。

                4 總結

                當前,歐洲基本放棄了下一代地面數字電視的發展,美國的ATSC3.0也被認為是該國最后的一個無線廣播電視標準,日本也沒有地面數字電視的升級計劃,因此,廣電能否抓住3GPP5G廣播和未來6G廣播機會,讓廣播電視內容通過廣播網絡進入手機,是廣播電視發展關鍵之戰。成功,則迎來大的發展機遇,失敗,則陷入發展困境,甚至被逐步淘汰。

                靈活多變的媒體形態和應用服務使3GPP廣播電視技術越來越受到關注,上述的廣播電視技術需求將在未來的5G版本,甚至6G中得到滿足。為了更加有效地利用無線資源,廣播與單播、多播的融合已成為5G技術發展的必然趨勢。3GPP中廣播電視有望在未來成為真正能夠覆蓋用戶移動終端的,符合用戶需求和應用習慣的廣播電視技術。

                感謝:廣電總局科技司孫蘇川副司長、一級巡視員,關麗霞處長對本文的指導和提出的具體修改意見;廣播電視科學研究院李繼龍(博士)教授、張宇(博士)教授、施玉海(博士)教授、解偉(博士)教授對本文提出的建議和修改。

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