溫豪 彭漢龍 林淦 黃凱珊

摘要：文章結(jié)合3GPP介紹了早期廣播演進(jìn)的歷史以及5G廣播的地面廣播和混合廣播兩種未來(lái)的技術(shù)路線(xiàn)，探討了5G廣播存在的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：5G廣播；技術(shù)演進(jìn)；混合模式；雙網(wǎng)協(xié)同

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.005

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.53? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-00-04

5G Broadcast： Technological Evolution and Path to Implementation

WEN Hao1， PENG Hanlong2， LIN Gan2， HUANG Kaishan2

（1.The State Radio-monitoring-center Testing Center， 100041 Beijing， China;

2.Shenzhen University， Shenzhen 518000， China）

Abstract： First， the background of 5G broadcasting is introduced. The historical evolution of broadcasting， in conjunction with 3GPP， is then discussed. Subsequently， two future technical routes of 5G broadcasting， namely terrestrial broadcasting and hybrid broadcasting， are presented. Finally， the opportunities and challenges of 5G broadcasting are explored and summarized.

Keywords：5G broadcasting; technological evolution; hybrid model; dual network coordination

1? ?研究背景

當(dāng)人口密集和擁擠地區(qū)的用戶(hù)訂閱直播視頻服務(wù)并同時(shí)請(qǐng)求相同的內(nèi)容時(shí)，增加了對(duì)系統(tǒng)帶寬的峰值需求，使得資源分配問(wèn)題變得更加具有挑戰(zhàn)性。這種情況下，無(wú)論是基于單播的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或者是業(yè)務(wù)較為單一的傳統(tǒng)廣播電視網(wǎng)絡(luò)，都難以滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需求。因此，社會(huì)各界對(duì)新一代廣播電視系統(tǒng)的呼聲越來(lái)越高，5G廣播技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野。

2? ?早期廣播技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程

2.1 MBMS的提出及主要技術(shù)特點(diǎn)

21世紀(jì)初，由于移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和廣播模式的潛在優(yōu)勢(shì)日漸顯露，通信運(yùn)營(yíng)商們開(kāi)始推薦在通信領(lǐng)域中增加廣播模式。2002年，3GPP在Release6規(guī)范中，首次提出了“多媒體廣播多播業(yè)務(wù)”，也就是MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播多播業(yè)務(wù)）[1]，這為未來(lái)手機(jī)電視廣播技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在MBMS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，BMSC（Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業(yè)務(wù)中心）對(duì)后續(xù)廣播技術(shù)的演進(jìn)具有重要意義。

2.2 eMBMS的提出及主要技術(shù)特點(diǎn)

eMBMS（增強(qiáng)多媒體廣播多播業(yè)務(wù)）是一種利用移動(dòng)通信的廣播信道發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)，尤其適用于傳輸大帶寬需求的視頻等數(shù)據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠顯著降低運(yùn)營(yíng)商在LTE網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)向多個(gè)用戶(hù)提供高帶寬內(nèi)容（如視頻、音頻等）的成本。

在3GPP Release9協(xié)議中，提出了增強(qiáng)型廣播多播技術(shù)（eMBMS），該技術(shù)可應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)，支持更大的帶寬、更多頻道以及更流暢的多媒體內(nèi)容，從而提升用戶(hù)體驗(yàn)。因此，eMBMS能夠同時(shí)兼容3G與LTE網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)兼容性。在Release9之后，eMBMS在傳輸方式和信道結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行演變。eMBMS在接入網(wǎng)絡(luò)中，eMBMS采用了SFN（單頻網(wǎng)）傳輸方式，允許多個(gè)小區(qū)以相同頻率同時(shí)傳輸相同的廣播節(jié)目信號(hào)。3GPP將Release 9后基于LTE架構(gòu)的SFN傳輸方式稱(chēng)為MBSFN（Multicast/Broadcast Single-Frequency Network）傳輸方式[2]。3GPP在Release13中引入了單基站點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)服務(wù)（SC-PTM）與Release 9中提出的MBSFN一同作為eMBMS的傳輸方式[3]。在一定UE數(shù)量范圍內(nèi)，SC-PTM的頻譜效率比MBSFN高，當(dāng)UE數(shù)量較多時(shí)，MBSFN具有更高的頻譜效率。

2.3 FeMBMS的提出及主要技術(shù)特點(diǎn)

得益于計(jì)算機(jī)行業(yè)、電子行業(yè)、材料行業(yè)的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信終端性能不斷提升，傳統(tǒng)廣播電視技術(shù)融入現(xiàn)代通信技術(shù)成為可能，3GPP在Release14中對(duì)eMBMS進(jìn)行了擴(kuò)展和增強(qiáng)，使其更加適合廣播電視業(yè)務(wù)，同時(shí)還使MBSFN和SC-PTM技術(shù)能夠用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信[4]。Release14對(duì)eMBMS的增強(qiáng)主要體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和界面進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以及對(duì)LTE物理層進(jìn)行了擴(kuò)展，并整合進(jìn)EnTV（Enhanced Televison）項(xiàng)目中，作為5G地面廣播技術(shù)的基礎(chǔ)[5]。

3? ?5G廣播的演進(jìn)過(guò)程

3.1 5G廣播的定義

由于廣播技術(shù)自提出時(shí)就與廣播電視業(yè)務(wù)密不可分。所以在廣電行業(yè)，5G廣播一般指5G廣播電視系統(tǒng)，是采用了3GPP制定的符合移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)要求的廣播傳輸技術(shù)。由于其傳輸技術(shù)制定時(shí)段在3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作周期內(nèi)，其特性符合5G技術(shù)性能要求，因此被稱(chēng)為“5G廣播”。如今，5G廣播的應(yīng)用已不再局限于傳統(tǒng)電視直播，還有交互式現(xiàn)場(chǎng)直播、與OTT平臺(tái)結(jié)合的新媒體業(yè)務(wù)、應(yīng)急廣播、數(shù)據(jù)推送等。

3.2 5G廣播的演進(jìn)路線(xiàn)

目前，3GPP標(biāo)準(zhǔn)下的5G廣播系統(tǒng)有兩種演進(jìn)路線(xiàn)，第一種是基于LTE的5G廣播系統(tǒng)[6]，如圖1所示。在2020年凍結(jié)的Release16版本中，3GPP明確了基于LTE技術(shù)的5G廣播路線(xiàn)，主要是在Release14中FeMBMS/EnTV的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)。同時(shí)，3GPP在Release17中已明確：基于LTE的5G廣播系統(tǒng)在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（RAN）側(cè)將不會(huì)繼續(xù)演進(jìn)[7]。而另一種演進(jìn)路線(xiàn)是在Release17中提出的，基于5G NR的5G廣播系統(tǒng)[8]，如圖2所示。

這兩種演進(jìn)路線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，由于EnTV（Enhanced TV）使傳統(tǒng)的地面廣播電視大塔可以加入到MBMS服務(wù)中。所以在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在Release16中定義的基于LTE的5G廣播系統(tǒng)，被業(yè)界稱(chēng)為“5G地面廣播”，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式為地面廣播模式（Terrestrial mode）；Release17定義了基于5G NR的5G廣播系統(tǒng)使用的是混合模式（Mixed mode）的廣播，業(yè)界稱(chēng)其為“5G混合廣播”。

3.2.1 5G地面廣播系統(tǒng)

5G地面廣播系統(tǒng)基于廣播大塔實(shí)現(xiàn)，同時(shí)輔助以小塔進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)，主要是為了滿(mǎn)足共性?xún)?nèi)容和公共服務(wù)的基本覆蓋。根據(jù)廣播電視科學(xué)研究院編制的報(bào)告[9]可知，國(guó)內(nèi)大塔無(wú)線(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)包括5G廣播激勵(lì)器、5G廣播發(fā)射機(jī)、前傳網(wǎng)絡(luò)及桿塔、電源、機(jī)房等配套設(shè)施，如圖3所示。我國(guó)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)廣播電視發(fā)射塔大部分是DTMB和FM發(fā)射塔，少部分是中短波發(fā)射塔?，F(xiàn)有的DTMB發(fā)射系統(tǒng)主要由地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)和天饋線(xiàn)系統(tǒng)組成。對(duì)于DTMB廣播大塔，在從DTMB向5G廣播電視技術(shù)體制的實(shí)施過(guò)程中，需要將DTMB激勵(lì)器改造為5G廣播電視激勵(lì)器[9]。

基于大塔廣播EnTV技術(shù)，用戶(hù)在戶(hù)外各種場(chǎng)景中，可以使用手機(jī)等移動(dòng)終端直接接收大塔發(fā)出的廣播電視信號(hào)，并在客戶(hù)端App上收看電視節(jié)目。這種情況下，終端是通過(guò)廣播接收的方式獲取信號(hào)，因此不用消耗流量。并且沒(méi)有SIM卡的終端也可以收看節(jié)目，這得益于Release14提出的“Receive Only Mode”，為純下行的free-to-air（FTA）業(yè)務(wù)形態(tài)實(shí)現(xiàn)了無(wú)SIM業(yè)務(wù)。

當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)到大塔覆蓋不到的區(qū)域，如位于室內(nèi)場(chǎng)景時(shí)，可以通過(guò)連接到運(yùn)營(yíng)商部署在互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器，繼續(xù)收看廣播電視節(jié)目。此時(shí)，手機(jī)終端獲取節(jié)目?jī)?nèi)容的方式為互聯(lián)網(wǎng)接收方式，因此需要接入Wi-Fi或使用數(shù)據(jù)流量。

3.2.2 5G混合廣播系統(tǒng)

5G混合廣播系統(tǒng)主要是利用移動(dòng)通信小塔實(shí)現(xiàn)的，其目的是向用戶(hù)提供定制的互動(dòng)式服務(wù)，并且適合于進(jìn)行臨時(shí)性的小范圍廣播電視服務(wù)[9]。如圖4所示，5G混合廣播系統(tǒng)包括室內(nèi)基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）或有源天線(xiàn)單元（AAU）、前傳網(wǎng)絡(luò)及桿塔、電源、機(jī)房等配套設(shè)施，具有低功率、低站址的特性[10]。

在Release 17中，5G NR接入技術(shù)加入了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M播和廣播功能。用戶(hù)在體育場(chǎng)館、演出現(xiàn)場(chǎng)等熱點(diǎn)區(qū)域，使用手機(jī)等移動(dòng)終端可以直接接收運(yùn)營(yíng)商小塔發(fā)出的5G廣播電視信號(hào)，并在客戶(hù)端App上進(jìn)行觀(guān)看。在這個(gè)廣播過(guò)程中，終端不需要經(jīng)過(guò)鑒權(quán)就可以收看節(jié)目。與此同時(shí)，業(yè)務(wù)提供商可以通過(guò)多個(gè)角度機(jī)位拍攝或通過(guò)高速攝影記錄精彩瞬間，以增值業(yè)務(wù)形態(tài)向用戶(hù)提供AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、多視角、慢動(dòng)作回放等方式的高新視音頻內(nèi)容供用戶(hù)選擇播放，提供沉浸式的視聽(tīng)體驗(yàn)。使用這些增值業(yè)務(wù)時(shí)，需要終端提前訂閱該服務(wù)，通信小塔會(huì)以組播的形式，向通過(guò)鑒權(quán)的終端提供增值服務(wù)[11]。

4? ?5G廣播雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋的方案

如今，越來(lái)越多的廣電研究者提到了雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋的方案。雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋指的是將5G廣播網(wǎng)和5G移動(dòng)通信網(wǎng)合并，共享一張核心網(wǎng)?！半p網(wǎng)協(xié)同”在某些文獻(xiàn)中也稱(chēng)為“雙頻段協(xié)同”，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)使用了不同的頻段進(jìn)行廣播。5G廣播網(wǎng)主要使用大塔廣播，5G移動(dòng)通信網(wǎng)使用小塔通信，兩者結(jié)合能夠充分發(fā)揮大塔和小塔各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋從根本上講也是大塔和小塔的協(xié)同覆蓋。

早在Release14之前，就有研究者提出雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋的思想。文獻(xiàn)[12]提出了將廣播大塔資源整合進(jìn)LTE-A（LTE Advance）架構(gòu)中，從而使LTE-A網(wǎng)絡(luò)不僅能夠使用大塔資源進(jìn)行大范圍廣播傳輸，還能使用eMBMS中的小塔資源進(jìn)行小范圍的單播多播傳輸。由于可以將流行內(nèi)容從蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變到廣播網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，大大降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸成本。

4.1 廣播網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)融合

傳統(tǒng)的廣播網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)是根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)的。移動(dòng)通信網(wǎng)通過(guò)單播方式傳輸數(shù)據(jù)，在覆蓋范圍內(nèi)，距離基站較近的用戶(hù)由于信道條件好，通信速率較高，能夠獲得更好的視頻接收體驗(yàn)；而位于覆蓋區(qū)域邊緣的用戶(hù)，由于信道條件較差，視頻接收體驗(yàn)也較差。根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，移動(dòng)通信網(wǎng)的用戶(hù)容量會(huì)受到限制。在架構(gòu)上，移動(dòng)通信網(wǎng)具有開(kāi)放性的架構(gòu)，業(yè)務(wù)豐富、靈活。

廣播網(wǎng)的通信方式是單向通信，更重視點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的服務(wù)。廣播網(wǎng)通常是按照覆蓋范圍內(nèi)信道條件最差的用戶(hù)能夠正常接收視頻服務(wù)的原則而設(shè)計(jì)的，覆蓋范圍內(nèi)的所有用戶(hù)都能獲得同樣好的視頻接收體驗(yàn)，并且用戶(hù)容量沒(méi)有限制。在架構(gòu)上，由于廣播網(wǎng)在建成之時(shí)，便只支持固定的業(yè)務(wù)，所以架構(gòu)較封閉。

對(duì)比廣播網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)更適合提供個(gè)性化的點(diǎn)播、交互類(lèi)業(yè)務(wù)，廣播網(wǎng)更適合提供廣區(qū)域覆蓋的基礎(chǔ)廣播類(lèi)業(yè)務(wù)。兩者在通信方式、覆蓋能力、用戶(hù)容量、業(yè)務(wù)形式上各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在5G廣播電視網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，采用廣播網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)協(xié)同融合的方案能實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿(mǎn)足多樣化的業(yè)務(wù)需求。

4.2 雙網(wǎng)協(xié)同覆蓋的實(shí)現(xiàn)形式

雙網(wǎng)協(xié)同分為基本協(xié)同和增強(qiáng)協(xié)同兩種策略，基本協(xié)同旨在確保5G廣播電視業(yè)務(wù)的廣泛覆蓋；而增強(qiáng)協(xié)同又包括補(bǔ)差協(xié)同和分層協(xié)同，在保障5G廣播電視業(yè)務(wù)基本覆蓋的前提下，實(shí)現(xiàn)更多數(shù)據(jù)交互，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)視聽(tīng)體驗(yàn)的更高要求。

基本協(xié)同主要通過(guò)廣播電視大塔和補(bǔ)點(diǎn)小塔共同發(fā)射廣播信號(hào)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)廣域覆蓋。同時(shí)，通信小塔會(huì)發(fā)揮輔助作用，對(duì)其覆蓋范圍內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行鑒權(quán)和收視統(tǒng)計(jì)。雖然補(bǔ)點(diǎn)小塔與通信小塔的功能不同，但可以將其進(jìn)行共站址建設(shè)，以節(jié)約成本[13]。

增強(qiáng)協(xié)同是指在5G廣播網(wǎng)和5G移動(dòng)通信網(wǎng)廣覆蓋的前提下，兩種網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)層面上的進(jìn)一步協(xié)同，包括補(bǔ)差協(xié)同和分層協(xié)同。

補(bǔ)差協(xié)同是指在“5G地面廣播”信號(hào)覆蓋不足的區(qū)域，用戶(hù)終端通過(guò)單播將丟包情況告知該區(qū)域的5G通信小塔，小塔再以單播方式將丟失的數(shù)據(jù)傳回用戶(hù)終端。而在信號(hào)盲區(qū)，利用5G通信小塔的單播或廣播，即“5G混合廣播”（又稱(chēng)“5G蜂窩廣播”），對(duì)區(qū)域內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸，這種的方式實(shí)現(xiàn)了信號(hào)覆蓋的無(wú)縫銜接，讓用戶(hù)在任何地方都能享受到高速、穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

分層協(xié)同是指在“5G地面廣播”傳輸?shù)幕A(chǔ)視頻層之上，通過(guò)“5G蜂窩廣播”使用分層視頻編碼的技術(shù)為用戶(hù)提供更高質(zhì)量的視頻服務(wù)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

5G廣播技術(shù)源于早期廣播技術(shù)，融合了高速率、低時(shí)延的5G通信技術(shù)，節(jié)省了頻譜資源，提升了用戶(hù)視覺(jué)體驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了社會(huì)公共服務(wù)，為通信行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文首先結(jié)合3GPP標(biāo)準(zhǔn)，追溯了早期廣播技術(shù)的演進(jìn)歷程；接著探討了5G廣播未來(lái)的技術(shù)路線(xiàn)。5G廣播技術(shù)隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)將為用戶(hù)帶來(lái)更便捷、豐富、高效的廣播服務(wù)體驗(yàn)，我們也需要做好準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的技術(shù)和管理方面的挑戰(zhàn)。

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