5G廣播技術淺析

［鄭銳生 蔡子華 張紫璇］

1 引言

隨著移動網絡技術迭代速度的加快，移動網絡的升級催生了高清視頻直播、在線點播等新應用模式。其中，以4k/8k 和VR/AR 等高質量視聽媒體內容的需求增長最為凸顯，而現有的廣播電視網和移動通信網均難以滿足這一用戶消費升級需求。傳統廣播電視網采用大區制組網，其覆蓋范圍大、傳播效率高，在公共內容廣播和推送方面具有明顯優勢，但由于其不具備上行回傳信道，無法面向點播業務等交互式應用提供雙向、寬帶的通信能力。移動通信網采用小區蜂窩組網，具備大帶寬和雙向通信能力，且覆蓋方式靈活，但是，其在面對大規模用戶的海量視聽內容需求時，有限的頻譜資源將難以承載爆炸式的流量消耗，進而極大地影響QoS。同時，從網絡的角度看，公共內容的傳輸需要占用多個用戶信道資源，這種方式的廣播和推送效率是低下的。在此背景下，由3GPP 主導的5G 廣播技術為解決上述問題提供了思路。

5G 廣播是指采用3GPP 制定的符合移動通信標準要求的廣播傳輸技術而構建的廣播電視系統。其傳輸技術制定時段在3GPP 的5G 標準制定工作期間，特性符合5G技術性能要求。5G 廣播解決方案包含兩種模式，即基于LTE 的地面廣播模式（Terrestrial）和基于NR 的混合單播/多播/廣播模式（Mixed-Mode）。兩者分別滿足高功率大塔（High Power High Tower，HPHT）和低功率小塔（Low Power Low Tower，LHLT）不同場景下對廣播技術的需求。

基于LTE 的地面廣播模式主要是基于增強電視廣播EnTV（enhanced TV）技術，截至R16 已完成了絕大多數標準制定工作。早在2004 年R6 版本中就提出了MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播多播業務），旨在通過多播/廣播方式向多個用戶傳送相同的內容，相對于單播方式可大幅節省開銷。2007 年的R7引入了MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播/廣播單頻網絡）以解決MBMS 在小區邊界的信號傳輸問題。2009 年的R9，為了進一步提高MBMS 性能以及適應LTE 網絡架構，進一步提出了eMBMS（enhanced MBMS），可支持更大帶寬，具備提供更為流暢的多媒體內容的能力。2017 年的R14 版本在eMBMS 的基礎上進一步演進提出了FeMBMS（Further enhanced MBMS），也稱EnTV，可支持高清、超高清業務在更大范圍單頻網的傳輸。2020 年R16 對EnTV 進行了優化，重點是支持多模式全功能的大塔廣播。基于NR的混合單播/多播/廣播模式則將在R17 中進行相應標準制定工作。因此，現階段的5G 廣播泛指從R9 演進至今的地面廣播技術，暫時不能與NR 網絡架構兼容。

2 5G 廣播網絡架構

5G 廣播網絡的參考架構如圖1 所示。在E-UTRAN和MME 等LTE 的基本網元的基礎上，增設eMBMS GW和BM-SC 網元設備。其中，eMBMS GW 為廣播多播業務網關，負責處理MBMS 業務分發和控制，可與S-GW及P-GW 共部署。BM-SC 為廣播多播服務中心，負責MBMS 業務的管理，包括授權、發起廣播/多播業務、調度、傳輸內容等功能。

圖1 5G 廣播網絡架構

在5G 廣播網絡中，LTE 基本網元實現用戶附著和接入網絡并建立數據承載。內容提供商所提供的廣播業務內容經由BM-SC 轉發至eMBMS GW，再分發給E-UTRAN，最后通過空口發給特定區域內的特定移動終端UE。

3 5G 廣播幀結構和參數集

由于組播發送機制與單播存在較大差異，3GPP 在R8 專門定義了eMBMS 幀結構及MBSFN 子幀，用于承載MBMS 數據和控制信息，如圖2（a）所示。使用MBSFN 特殊子幀的考慮是：一方面，為防止多個小區發送的相同信號之間產生ISI，應使用拓展CP 進行抑制，以保持OFDM 符號間的正交性；另一方面，由于UE 在MBSFN 子幀上接收到的信號來自多個基站，這些多徑信號在頻域上造成更大的頻率選擇性衰落，需要引入多小區共用的下行參考信號MRS 來輔助UE 進行相干解調。此外，MBSFN 業務數據還可通過時分復用與普通數據一起發送。eMBMS 幀長度為10 ms，每10 個子幀中僅有6 個為MBSFN 子幀，其余4 個為單播子幀，也即eMBMS 只能使用60%的載波資源。這種單播和廣播混合傳輸的機制就直接限制了廣播的傳輸比特率。MBSFN 子幀的長度為1 ms，開始部分的1 個或2 個OFDM 符號為單播控制域，用于單播上行鏈路的調度和功率控制命令，其余部分為數據域，又稱MBSFN 域。單播控制域使用常規CP，MBSFN 域則使用拓展CP。

圖2 eMBMS 和FeMBMS 幀結構

3GPP R14 定義的FeMBMS 幀結構，突破了60%的資源限制，97.5%的載波資源可用于分發MBSFN 業務。FeMBMS 幀的長度為10 ms，如圖2（b）所示。為了降低信令和控制信息，FeMBMS 幀引入了小區獲取子幀CAS。CAS 用于攜帶UE 從MBSFN 子幀中接收信息所必需的消息，包括同步信號、基本控制和系統信息。同時，為了兼容LTE 舊版本，CAS 沿用了常規LTE 模式，可使用4.7/5.2 μs CP 或17 μs CP。CAS 子幀位于每連續40 個子幀的開始處，余下的39 個子幀均為MBSFN 子幀。注意到，MBSFN 子幀還去掉了單播控制域，整體信令開銷進一步降低。

在新的幀結構的基礎上，還引入了新的OFDM 參數集，如表1 所示。相對R14，R16 新增了100 μs CP 和300 μs CP 兩種參數模式，前者子載波間隔相對較長，抗多普勒頻移的能力也相對較強，可適用于移動接收速度到達250 km/h 的場景，后者CP 持續時間較長，直接將基站固定接收覆蓋半徑提高到最大90 km。

表1 OFDM 參數集

但這樣一來引發了新的問題，即CAS 與MBSFN 子幀采用的CP 不匹配所導致的覆蓋缺陷。CAS 子幀采用拓展CP 時，其持續時間僅為16.7 μs，覆蓋相對受限，而MBSFN 在采用300 μs CP 時，其固定接收覆蓋半徑是CAS 子幀的近20 倍。由于CAS 信號的正確接收是進一步解調MBSFN 子幀數據的前提，必須在不修改CAS 子載波間隔和CP 長度的條件下，對其魯棒性進行增強。目前，3GPP 已采用了PBCH 重復傳輸、PDCCH 匯聚電平提升等多種增強措施。

4 5G 廣播無線發射系統

5G 廣播無線發射系統主要存在高功率大塔HPHT 和低功率小塔LHLT 兩類形態。

LHLT 是最為常見的移動通信網無線傳輸場景，其特點是僅提供局域覆蓋，但能夠實現雙向傳輸，能夠滿足點播等交互業務的需求。LHLT 預計將采用R17 中定義的兼容于5G 雙向通信的混合廣播（Mixed Mode）方式，可實現單播和廣播服務的動態切換。其無線發射系統包括基帶單元、射頻發射單元、天饋系統、前傳網絡及桿塔等配套，可以充分利用已有的LTE/5G NR 基礎資源設施。

HPHT 的特點是功率大、站址高、廣播傳輸效率高，適合提供共性內容和公共業務服務。HPHT 一般利用廣播電視發射臺站，采用地面廣播（Terrestrial Mode）方式，基于EnTV 技術進行編碼調制，通過大功率放大后輸出。其無線發射系統包括5G 廣播電視激勵器、發射機、天饋系統、前傳網絡及桿塔電源等配套設施。激勵器將業務數據經編碼和調制，產生廣播信道射頻信號。發射機將經由激勵器的廣播信號進行編碼和調制，形成數字電視廣播信號，并放大到所需功率電平。天饋系統將信號發送到無線信道空間。

5 5G 廣播業務承載能力

5G 廣播底層基于MBMS 技術，實現了對同一多播組的數據采用相同的調制與編碼策略（MCS），并以相同功率將相同數據發送給多播組成員，提高了資源使用效率，緩解了傳輸系統壓力。但是，為了使組內所有用戶都能正確接收和解碼多播業務數據，基站只能選擇適配信道條件最差用戶的MCS 進行傳輸，也即是說，系統吞吐量由組內信道最差用戶的信道容量決定。因此，在計算移動接收和固定接收不同場景下的5G 廣播業務承載能力時，應考慮不同場景下的信道條件，選擇合適的MCS 索引值進行估算。

對于移動接收場景，建議選用MCS9，對應QPSK 調制，頻譜效率為0.78 bit/s/Hz。對于固定接收場景，建議選用MCS27，對應64QAM 調制，頻譜效率3.09 bit/s/Hz。按照H.265 編碼格式，每套標清SD 節目碼率約為0.48 Mbit/s，每套高清HD 節目碼率約為1.92 Mbit/s。表2 給出了5 MHz 和20 MHz 條件下，5G 廣播可承載的節目套數估算。

表2 5G 廣播可承載節目套數估算

6 結束語

現階段5G 廣播基于LTE 空口，可充分發揮廣播網絡的低遲延、傳播高效優勢，實現廣播電視節目在更大范圍的固定覆蓋和移動接入。而隨著Mixed-Mode 的標準化和引入，5G 廣播還將依托移動通信網的靈活特征，納入小塔廣播，提供個性化5G交互業務。通過大塔和小塔的聯動，大塔聚焦公共業務內容的廣播和推送，小塔面向熱點區域提供點播等交互式業務，實現廣播電視網和移動通信網的資源共享和協同覆蓋，實現融合媒體服務。