5G廣播和移動邊緣計算時代衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)與機遇

文 | 沈永言 中國衛(wèi)通集團股份有限公司

一、前言

近年來，全球衛(wèi)星通信行業(yè)的內(nèi)外部環(huán)境正在經(jīng)歷一場深刻的變革。在行業(yè)內(nèi)部，網(wǎng)絡寬帶化、覆蓋星座化、載荷數(shù)字化、天線平板化等構(gòu)成了衛(wèi)星通信發(fā)展的主要特征，同時也為衛(wèi)星通信行業(yè)創(chuàng)造了新的發(fā)展空間。在行業(yè)外部，5G商用不僅會帶動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等領域的系統(tǒng)性發(fā)展，還將引發(fā)全球視頻服務市場的結(jié)構(gòu)性變化。5G的廣覆蓋和超寬帶更容易支持網(wǎng)絡電視（IPTV）、互聯(lián)網(wǎng)電視（OTT TV）和新聞采集，基于移動邊緣計算（MEC）的5G廣播正在成為電信和廣電行業(yè)共有的新型視頻服務形式，這將對衛(wèi)星通信的主體業(yè)務——衛(wèi)星直播電視業(yè)務（DTH）產(chǎn)生直接的影響。

在高通量衛(wèi)星技術的推動下，衛(wèi)星寬帶通信業(yè)務規(guī)模持續(xù)增長，帶寬使用量已大幅超過視頻業(yè)務，但其收入規(guī)模尚未趕上。美國衛(wèi)星工業(yè)協(xié)會（SIA）《2019年衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況報告》表明，這些年全球衛(wèi)星直播電視市場規(guī)模雖然有所下降，但是2018年產(chǎn)值依然達到942億美元，約占衛(wèi)星服務業(yè)的75%。衛(wèi)星寬帶市場雖然增長速度較快，但產(chǎn)值只有20多億美元。因此，衛(wèi)星通信行業(yè)不僅需要進行技術創(chuàng)新，培育新的增長點，更需要進行應用創(chuàng)新，發(fā)掘視頻業(yè)務潛能，以實現(xiàn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5G廣播和MEC是5G中的關鍵技術，既可以與地面內(nèi)容投遞網(wǎng)絡（CDN）結(jié)合應用，也可以與衛(wèi)星廣播/投遞網(wǎng)絡組合使用。前者無疑是衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)，后者則是機遇。因此，關注、研究5G廣播和MEC及其對衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)和機遇，對衛(wèi)星通信行業(yè)的未來發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

二、5G廣播與移動邊緣計算

隨著智能手機、平板電腦等多媒體終端的日益普及，以及高清視頻應用的不斷涌現(xiàn)，移動互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的流量持續(xù)增長。思科公司（CISCO）發(fā)布的《視覺網(wǎng)絡指數(shù)》報告顯示，2017-2022年，移動互聯(lián)網(wǎng)承載的流量將增長7倍，年均復合增長率約為46%，到2020年，高清、超高清音視頻流量將占據(jù)總流量的三分之二，5G單用戶峰值速率可達10～20Gbit/s，與4G相比，5G對視頻業(yè)務的支撐能力有空前的提高，這將進一步刺激移動互聯(lián)網(wǎng)流量，尤其是視頻流量的增長。這就要求必須在移動互聯(lián)網(wǎng)中應用廣播和邊緣計算技術，以緩解由于視頻業(yè)務爆發(fā)增長帶來的帶寬和時延等壓力。

1.5G廣播

多年來，國際標準化組織3GPP一直在開展多媒體廣播組播服務（MBMS）等技術的標準化工作。3GPP Rel-6最初引入MBMS的目的是為3G網(wǎng)絡提供廣播服務。3GPP Rel-7引入了多播/組播單頻網(wǎng)絡（MBSFN），以解決MBMS在小區(qū)邊界的信號傳輸問題。3GPP Rel-9提出了eMBMS（Evolved MBMS），它可以讓LTE網(wǎng)絡支持更大的帶寬和更流暢的應用。3GPP Rel-11對eMBMS進行了改進，提升了用戶終端在含有多個頻段的MBSFN區(qū)域間移動時的業(yè)務連續(xù)性，廣播時隙和雙向通信時隙時分復用在一起，使LTE網(wǎng)絡能夠同時提供雙向通信、單向廣播和交互式廣播服務。3GPP R-14對eMBMS作進一步改進，歐洲產(chǎn)業(yè)界對這種改進型的eMBMS進行了現(xiàn)網(wǎng)試驗，將它稱為“FeMBMS”（Further eMBMS）。3GPP R-16和17將進一步完善5G廣播的業(yè)務要求和技術標準。

在5G中的很多場景，如4K/8K超高清視頻、3D、VR/AR、緊急廣播、物聯(lián)網(wǎng)終端軟件升級等業(yè)務都可以用廣播方式來進行內(nèi)容分發(fā)，這些業(yè)務被統(tǒng)稱為5G廣播業(yè)務。與4G相比，5G廣播技術顯著增強，可提供新興的廣播/單播混合型業(yè)務，能讓傳統(tǒng)廣播業(yè)務具備更強的交互性，可以支持多個基站的融合組網(wǎng)，專用構(gòu)建的廣域廣播網(wǎng)絡可以由幾個網(wǎng)絡運營商共享。

2.MEC

5G把核心網(wǎng)的用戶面功能（UPF）下沉部署至5G無線接入網(wǎng)集中式單元（CU），形成MEC。MEC將計算、存儲與業(yè)務服務能力遷移到網(wǎng)絡邊緣，實現(xiàn)應用、服務和內(nèi)容的本地化。MEC的一大關鍵用例是虛擬CDN，將熱門內(nèi)容預先緩存至5G網(wǎng)絡的邊緣節(jié)點，以減小由網(wǎng)絡傳輸和多級轉(zhuǎn)發(fā)帶來的帶寬與時延壓力。

2014年，歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）開始啟動MEC相關標準化工作，并于2016年將此概念從移動網(wǎng)絡延伸至其他無線網(wǎng)絡（如Wi-Fi），拓展為多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing）。

3GPP將MEC作為5G網(wǎng)絡架構(gòu)中的重要內(nèi)容。通過移動網(wǎng)絡感知、IT計算存儲功能，MEC可以節(jié)省終端能耗、減少終端計算存儲能力、屏蔽遠程云服務網(wǎng)絡連接故障，因而在視頻、物聯(lián)網(wǎng)等領域展現(xiàn)巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對于視頻業(yè)務，MEC的作用主要包括：①視頻分發(fā)本地緩存：傳統(tǒng)移動CDN系統(tǒng)最低層級緩存節(jié)點一般都在移動核心網(wǎng)網(wǎng)關，距離用戶較遠，基于MEC的移動邊緣緩存相當于移動CDN緩存節(jié)點下沉，從而節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，提升用戶體驗。②視頻傳輸業(yè)務優(yōu)化：MEC的移動網(wǎng)絡感知能力可以向第三方應用提供底層網(wǎng)絡狀態(tài)信息，從而可以及時選擇合適碼率、擁塞控制策略等，實現(xiàn)視頻業(yè)務體驗效果與網(wǎng)絡吞吐率的最佳匹配。③視頻交互實時響應：MEC的部署可為AR/VR/互動直播等提供實時響應保障。

三、衛(wèi)星通信面臨的挑戰(zhàn)

5G是對4G的拓展和升級，要想預判5G廣播和MEC時代衛(wèi)星通信面臨的挑戰(zhàn)，就需要回顧4G以來，全球移動視頻服務和衛(wèi)星直播電視行業(yè)的發(fā)展狀況。

早在2014年2月，美國移動運營商Verizon就使用LTE eMBMS技術，向用戶提供“超級碗”（Super Bowl）賽事的實況轉(zhuǎn)播，以及球隊信息查閱、視頻回放、比賽實況預告等，驗證了LTE eMBMS技術移動視頻廣播的有效性。2014年9月，中國電信在青奧會期間實現(xiàn)全球首個LTE eMBMS預商用，有效地保障了青奧會期間LTE移動終端用戶高品質(zhì)的視頻體驗。2015年國際消費電子展（CES）期間，美國高通公司使用驍龍810處理器公開演示了全球首次采用LTE廣播對4K內(nèi)容的傳輸。2017年8月，中國聯(lián)通啟動國內(nèi)第一個商用的基于LTE組播的“高鐵影院”服務。相對于LTE單播，LTE組播極大節(jié)省了頻段資源，提高了熱門視頻內(nèi)容的分發(fā)效率。

近年來，受到IPTV、OTT TV的沖擊，美國、西歐等發(fā)達國家和地區(qū)的有線電視、衛(wèi)星直播電視行業(yè)的用戶數(shù)和收入都呈現(xiàn)出下滑態(tài)勢。這種勢態(tài)充分體現(xiàn)在美國第二大衛(wèi)星直播電視服務提供商Dish Network的營業(yè)收入和用戶數(shù)發(fā)展情況中，見圖1所示。為了應對現(xiàn)實挑戰(zhàn)，DirecTV、Dish Network這些主流衛(wèi)星直播電視運營商都在加強衛(wèi)星電視直播與衛(wèi)星寬帶和互聯(lián)網(wǎng)通信的融合，積極實施跨媒體戰(zhàn)略，提供基于寬帶互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)，面向電視、平板電腦、智能手機的跨屏視頻服務。

圖1 2017-2019年Dish Network營業(yè)收入和用戶數(shù)

與4G相比，5G用戶接入速率可提高百倍。廣播時隙和雙向通信時隙有機結(jié)合、集成CDN功能的MEC逐步成熟，使得5G比4G具有更強的廣播/單播混合服務和新聞采集能力。

5G商用開始后，在德國廣播技術研究所的領導下，Kathrein和R&S公司在“5G Today”研究項目中進行了基于5G FeMBMS的大規(guī)模電視廣播試驗，得到西班牙電信（德國）和德國巴伐利亞廣播公司的支持。從2018年下半年開始，我國中央廣播電視總臺全面加速“5G+4K”落地進程。2018年10月，國內(nèi)首個4K超高清試驗頻道開播，實現(xiàn)了中網(wǎng)公開賽、春晚等內(nèi)容直播。2018年底，中央廣播電視總臺與中國電信、中國移動、中國聯(lián)通及華為公司簽署了合作建設5G新媒體平臺框架協(xié)議，該平臺在2019年春晚、兩會、國慶閱兵等重大活動中，成功地進行了4K超高清和VR內(nèi)容的5G網(wǎng)絡實時傳輸。

5G廣播標準化工作和MEC功能的逐步完善將會對媒體傳播格局、衛(wèi)星通信，尤其是衛(wèi)星直播電視行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。如果任由電信和廣電行業(yè)發(fā)展基于地面CDN的5G廣播服務體系，由強大5G廣播和MEC技術支持的IPTV、OTT TV必將對衛(wèi)星直播電視以及整個衛(wèi)星通信行業(yè)構(gòu)成更大的挑戰(zhàn)。

四、衛(wèi)星通信的機遇

5G廣播和MEC需要與CDN對接，但未必一定是地面CDN，也可以是衛(wèi)星CDN。與地面對接，就是衛(wèi)星通信和衛(wèi)星直播電視的挑戰(zhàn)。與衛(wèi)星對接，則是衛(wèi)星通信和衛(wèi)星直播電視的機遇。要把握這個機遇，同樣需要回顧衛(wèi)星內(nèi)容投遞技術的發(fā)展和應用歷程。早在2000年前，衛(wèi)星通信的廣播功能及其在地面網(wǎng)絡發(fā)展過程的潛在作用和機遇就被電信和媒體行業(yè)的有識之士所深刻認識。

1997-1998年期間，美國Cidera、Ibeam等新創(chuàng)公司積極建設基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的CDN，向互聯(lián)網(wǎng)邊緣投遞視頻等媒體內(nèi)容。設備提供商Skystream公司開發(fā)出包含前端DVB封裝器、邊緣路由器的衛(wèi)星CDN。針對衛(wèi)星內(nèi)容投遞過程中的雨衰、頻率干擾等因素造成的數(shù)據(jù)包丟失問題，Skystream公司還同時開發(fā)出相應的補包技術，該設備和技術曾在很多衛(wèi)星遠程教育和內(nèi)容投遞系統(tǒng)中得到廣泛應用。

2005年，中國工程院李幼平院士提出了基于“廣播電視村村通”網(wǎng)絡，建立廣播+存儲的“播存結(jié)構(gòu)”創(chuàng)新技術，將涵蓋文字、圖片和音視頻的主流文化內(nèi)容高效傳播并存儲于廣大農(nóng)村，實現(xiàn)數(shù)字文化“上山下鄉(xiāng)”的設想。李幼平院士認為，這個基于廣播網(wǎng)絡的“播存結(jié)構(gòu)”與基于地面網(wǎng)絡的“轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)”相互補充，形成“雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)”，可以有效化解地面互聯(lián)網(wǎng)“內(nèi)容難以管控，視頻難以通暢”的困境，到達“內(nèi)容可管、視頻流暢”的目的。

與李幼平院士雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想類似，歐洲電信標準化協(xié)會于2006年在其TS 102 442-2 V1.1.1技術規(guī)范書里，提出了面向2G和3G移動網(wǎng)絡終端用戶的衛(wèi)星版多媒體廣播和組播系統(tǒng)——S-MBMS。S-MBMS提供廣播和組播兩種業(yè)務承載模式，實際上就是一種雙結(jié)構(gòu)移動互聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)。

為了滿足廣大用戶對電視廣播和寬帶接入的雙重需求，歐洲廣播聯(lián)盟（EBU）提出混合廣播寬帶電視（HbbTV），通過混合用戶終端，如機頂盒或內(nèi)嵌接收功能的電視機，實現(xiàn)數(shù)字視頻廣播（DVB）和OTT的結(jié)合，為用戶提供單向廣播和雙向交互綜合信息服務。HbbTV支持的廣播通道包括衛(wèi)星、有線和地面無線三種。HbbTV標準化工作已得到歐洲公共服務廣播、終端設備制造商以及中間件廠商等的全面支持，并形成了行業(yè)聯(lián)盟。目前，HbbTV的應用范圍已從歐洲延伸至中國、美國、澳洲以及東南亞等國家和地區(qū)。

隨著信息網(wǎng)絡天地一體化程度的不斷加深，近年來，國際電信聯(lián)盟（ITU）、3GPP、SaT5G等國際標準化組織紛紛開始研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G的融合問題。3GPP提出了內(nèi)容投遞、基站中繼、固定寬帶接入、移動平臺接入四種應用場景。在2019年歐洲網(wǎng)絡與通信大會上，SaT5G項目宣布成功進行了一系列衛(wèi)星5G演示，其中包括：利用衛(wèi)星和地面集成網(wǎng)絡進行基于MEC的無線分層視頻流傳輸，驗證了多接入MEC代理的比特率自適應、鏈路選擇、分層視頻流傳輸以及為4K視頻用戶提供增強體驗質(zhì)量等能力；利用衛(wèi)星組播實現(xiàn)緩存和實況內(nèi)容分發(fā)，利用MEC平臺實現(xiàn)CDN與高效邊緣內(nèi)容分發(fā)的整合，展現(xiàn)了衛(wèi)星組播在5G實況內(nèi)容分發(fā)方面的帶寬效率和成本優(yōu)勢。

思科公司相關報告預計，到2022年，互聯(lián)網(wǎng)流量的72%將由CDN承載，這說明內(nèi)容投遞將成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)。衛(wèi)星通信的獨特優(yōu)勢是天然具有廣域廣播功能，它的單層廣播網(wǎng)絡可以同時、等量向各地傳輸大容量多媒體內(nèi)容。因此，發(fā)揮衛(wèi)星通信的廣播優(yōu)勢，大力開發(fā)衛(wèi)星內(nèi)容投遞業(yè)務，將成為衛(wèi)星通信行業(yè)技術和市場創(chuàng)新的重要方向。SaT5G項目的成功演示表明，衛(wèi)星內(nèi)容投遞與5G廣播、MEC結(jié)合應用完全可行。與HbbTV相比，衛(wèi)星內(nèi)容投遞與5G廣播、MEC之間不是一般的網(wǎng)絡組合，而是渾然一體的結(jié)構(gòu)融合，這將是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合應用中最精彩的部分。

五、結(jié)語

國際上，5G廣播和MEC的標準化工作已接近尾聲。隨著我國5G正式進入商用階段，基于MEC技術的5G廣播的大容量、廣域覆蓋和綜合信息服務能力正在吸引廣電行業(yè)的高度關注。與國外相比，我國衛(wèi)星通信的市場環(huán)境更加特殊。例如，寬帶衛(wèi)星通信還沒有在“寬帶中國”計劃中發(fā)揮應有的作用，而衛(wèi)星直播電視仍處于面向農(nóng)村和邊遠地區(qū)的公益服務階段，這兩個方面都有待政策上的突破，同時也表明我國衛(wèi)星通信行業(yè)技術和市場創(chuàng)新的緊迫性和必要性。

5G廣播和MEC對于衛(wèi)星通信行業(yè)而言，既是挑戰(zhàn)，又是機遇。只要我國衛(wèi)星通信行業(yè)積極應對挑戰(zhàn)、把握機遇，大力推動衛(wèi)星內(nèi)容投遞與5G廣播和MEC的融合發(fā)展，就一定能夠創(chuàng)造出一片嶄新的天地。因為，與通達終端用戶的衛(wèi)星直播電視相比，通達5G網(wǎng)絡邊緣的衛(wèi)星內(nèi)容投遞在發(fā)展過程中的政策阻力會更小，相關方的利益更加具有一致性。