5G通信廣播融合系統關鍵技術研究及應用

丁海煜 鄧 偉 曠婧華 周 嬌 景 旭

中國移動通信有限公司研究院 北京 100053

1 研究背景、面臨挑戰及攻關思路

5G是新基建之首及助推經濟數字化轉型的關鍵基礎設施。我國通過大規模5G商用實現了全球5G領先，但部署成本亟需降低、網絡價值亟需提升，是5G網絡從全球領先進一步走向“可持續發展”“高質量發展”的關鍵問題。

利用低頻開展5G通信廣播融合系統的建設和運營，是解決上述問題的一個成功案例。廣播網所采用的低頻頻譜700MHz是移動通信系統部署的黃金頻段資源，對5G網絡的重要性不言而喻。700MHz當前已部署的無線廣播網采用DTMB技術，存在產業鏈單一、業務形態單一等問題，5G通信廣播融合網的建設和運營，不僅能夠以5G網絡大大提升數字廣播業務的頻譜效率、靈活性、產業鏈及業務形態的豐富性，還將為廣播電視行業的數智化轉型預留發展空間。

此前，全球還沒有實際實現商用部署的5G通信廣播融合系統。建設和運維5G通信廣播融合系統面臨著諸多挑戰：首先需要實現技術融合；而后需要通過攻克低頻段干擾，實現頻率共存。在組網方面，5G通信廣播融合系統可以充分借鑒移動通信網絡的深刻理解和豐富經驗，實現網絡共生和融合運營。最后，5G通信廣播融合系統需要以業務融合激活應用生態，從而實現業務的靈活高效承載。總結而言，5G通信廣播融合系統在基礎技術、頻譜、網絡、業務等方面面臨諸多挑戰，需要開展多方面技術攻關。

2 創新技術攻關成果

2.1 技術融合、標準突破，為5G通信廣播融合系統奠定技術基礎

5G系統在演進版本中，面向廣播技術融合目標開展了5G廣播多播技術的系統設計和空口技術革新。與既往前代通信系統中，廣播與單播空口資源采用靜態切分不同，5G廣播多播采用單組播一體化的架構設計[1]，并將業務與會話管理功能進行解耦。通過對現有單播網元的功能和流程加以增強來實現組播的激活與移動性管理，同時在功能和流程上也解耦了會話管理和業務管理的相關功能，使能運營商按需部署網元，降低了部署成本。

5G廣播多播的空口設計采用融合統一的空口技術[2-4]，保障了廣播組播業務和單播業務的資源融合。如圖1所示，融合統一空口技術對廣播組播單播采用統一的基于物理層業務共享信道動態調度資源分配技術，并支持單組播間HARQ共享機制，融合的空口技術降低了終端支持廣播的硬件改動，利于開展產業化研發。動態單組播技術通過統一的單組播承載框架，支持在組播業務體驗無法得到保障時，由基站將組播動態切換到單播提供保障，首次為組播業務引入了業務質量保障，并且還可以根據空口用戶數動態調整發送模式達到最大化傳輸效率。組播移動性采用基于核心網統一分配的PDCP序列機制，同步了基站間數據包傳輸的一致性，解決組播廣播的業務連續性問題。

圖1 5G組播會話層二下行架構示意圖

3 G P P 對廣播原有承載頻段n 2 8 頻段帶寬的定義為2×4 5 M H z，該頻段的起止頻點為703～748/758～803MHz。2020年3月25日，工業與信息化部下發《工業和信息化部關于調整700MHz頻段頻率使用規劃的通知》[5]，明確了將702～798MHz頻段頻率使用規劃調整用于移動通信系統，并將703～743/758～798MHz頻段規劃用于頻分雙工(FDD)工作方式的移動通信系統。但屆時3GPP對n28單載波帶寬僅有最大2×20MHz的定義。為了提高中國國內700MHz頻譜利用效率，提高終端業務體驗，3GPP核心標準將n28單載波帶寬擴展至2×30MHz/2×40MHz[6]，單載波帶寬最大擴展提升幅度達100%。為對700MHz擴展帶寬產品的研發和入網提供指導，700MHz系列企業標準和行業標準在制定過程中，通過創新性方案解決大帶寬系統接入不同能力終端時的系列端網不匹配兼容性問題。國際標準、行業標準、企業標準等700MHz大帶寬核心標準的制定，大大提升了700MHz在國內部署的頻譜利用效率和網絡能力，為大帶寬產品的研發和入網掃清了障礙。

2.2 頻譜共存、干擾攻克，為商用開通提供先決條件

廣播網與通信網由于通信方式的不同，頻譜使用方式存在顯著差異。廣播網采用下行單向鏈路，頻譜采用全下行規劃；通信網采用上下行雙向鏈路，因而頻譜規劃為上下行成對使用。廣播網低頻頻譜用于5G通信廣播融合系統，必須首先解決下行對通信系統上行鏈路的頻譜共存問題。

采用700MHz頻段部署5G通信廣播融合系統，首先需要解決700MHz數字電視廣播塔在該頻段的干擾問題。700MHz數字廣播網采用廣播塔方式組網，發射設備架設高、功率大，業務以下行為主，對700MHz 5G蜂窩移動通信網絡的宏基站上行接收造成嚴重干擾，導致該頻段上的數字廣播電視業務的清退進度直接制約了5G通信廣播融合系統的開通運營進程。

為避免網絡開通受制于干擾清退進度，提出廣播塔干擾源定位方案，通過高干擾小區范圍確定、同類型高干擾小區簇聚類和小區干擾最強方向確認方案，基于人工智能算法形進行干擾源定位方案，將廣播塔干擾定位速度提升至秒級識別。

針對5G宏基站受廣播塔干擾無法正常接收近端終端上行發射信號的問題，在5G宏基站接收端引入基于干擾圖譜的干擾避讓方案，創新提出了廣播信號對應的接入參考信號跳頻部署，保證終端可避開干擾接入系統；通過感知學習干擾規律，形成干擾圖譜，配置控制信道和業務信道位于干擾較低位置。

為有效避免廣播塔阻塞干擾影響全帶寬底噪顯著抬升，提出切片式子帶濾波器增強方案(示意圖如圖2所示)，利用廣播塔發射信號的帶寬固定、頻段可知的特點，針對有限數量及組合的干擾源，設計出可以靈活配置的子帶濾波器電路。根據現網廣播塔具體干擾特征，選擇配置適當的子帶濾波器。未配置子帶濾波器時，帶內廣播塔干擾信號可導致其同頻及鄰頻共計16～24MHz上行頻譜不可用；而配置子帶濾波器后，僅同頻8MHz頻譜不可用，鄰頻8～16MHz頻譜可以使用。因此在總計30MHz的上行帶寬內，實現27～53%的頻譜利用率提升。

圖2 切片式子帶濾波器干擾規避方案示意圖

2.3 網絡共生、融合運營，快速平滑、降本增效達成規模商用

5G通信廣播融合系統的網絡架構和組網方式，需要兼顧通信網的耦合現網、各代共生需求，又要兼顧廣播網運營商無托底現網而又迫切需要快速開通的需求，因而需要充分提前考慮未來融合運營的困難和問題。

綜合考慮通信與廣播運營商的業務獨立發展運營需求，又充分考慮到通信與廣播運營商在融合網絡的建設、運營、管理經驗積累上的差距，對接入網資源開展網絡共享，將有利于最大程度復用電信運營商的建設運營積累，對齊建設運營標準，并最大程度節省建設運營成本。業務策略也是廣播與電信運營商亟需實現統一化標準的重要方面，是確保未來5G通信廣播融合系統能夠實現無線資源高效靈活應用的關鍵。

采用全球首創的控制面統一、業務面橋接的接入網共享的網絡架構，既滿足雙方業務發展的獨立性、保障最大程度復用電信運營商在接入網方面豐富的運維優化經驗，又針對性開展了兩項網絡架構創新：一是設計了網絡控制面的統一匯聚，面向無現網的廣播運營商實現全面融合托底，達成融合網絡快速開通運營的目標；二是設計了網絡業務面的橋接架構，面向共享雙方運營商的業務策略和網絡管理標準亟需拉齊的需求，通過橋接核心網的運維管理，實現雙方業務策略、網絡管理運維的標準一致性，并有效實現了安全隔離。

全球首創的控制面統一、業務面橋接的接入網共享網絡架構，與標準的MOCN方案形成了顯著差異，可實現多頻段、多制式接入資源整合，實現全程全網的融合網絡運營。在該網絡架構下，通過業務連續性、話音、互聯互通等業務流程創新方案，實現控制面的低成本管控和用戶面的高效業務疏通。與MOCN架構中除接入網外其他網元均獨立運維形成顯著區別之處還在于，如上全球首創的共享網絡架構可以帶來靈活高效的網絡運維管理手段。業務策略可以實現靈活的分域管控下發，達成會話級及QoS Flow級別業務管控；流量識別的顆粒度可實現載波級別，主輔載波的計費可達成差異化統計和處理。

全程全網的網絡共生架構，除了達成5G通信廣播融合系統的快速商用和平滑演進目標外，還是運營商實現低成本建網、“雙碳”節能目標的“降本增效”利器。

確定融合共生的組網架構后，可進一步采用低頻融合網對中頻段5G現網實現有效協調和性能補充。700MHz能夠靈活補充中頻段在覆蓋廣度、覆蓋深度、時延和上行速率等方面的網絡性能，但是700MHz與中低頻段的覆蓋性能差異明顯，使中低頻段協同組網面臨跨站部署等諸多部署限制，針對非共站部署的TA差異和傳輸時延對中低頻段協同組網性能造成的影響，通過基于TA的上行載波輪發創新方案、基于邊界感知的多頻協同切換等創新方案，提升了中低頻跨站協同組網的部署靈活性和組網性能，并通過有效利用中低頻段組網方案，有效地將現網中頻段高干擾場景的業務速率提升了4倍。

2.4 業務共融、激活應用，構建融合開放的融媒體業務

作為新興的廣播業務承載媒介，5G網絡大大提升了數字廣播業務的業務服務質量、頻譜效率和產業鏈豐富度。結合傳統廣播電視業務運營商的優質內容資源和平臺優勢，5G網絡能夠與主流文化宣傳業務形成業務共融的緊密協同，并引導構建“網絡+業務”開放共享的“融媒體”生態。

傳統廣播業務采用獨占頻譜、高塔廣播發送，沒有按需定向的業務播發能力；同時，接收數字廣播電視業務的終端形態單一，無法復用5G豐富的產業鏈。依托5G技術，可借助移動通信系統的靈活資源分配機制實現廣播、組播與單播的靈活轉換，并可借助5G宏基站設備形態，真正實現按需定向的廣播業務發送，結合蜂窩小區組網技術，在較傳統方式大大提高頻譜利用效率的基礎上同時還能兼顧用戶的上行反饋。同時，5G終端形態豐富，移動性強，進一步實現了廣播業務的高移動性、終端形態靈活等發展愿景，真正發揮多屏互動的融媒體宣傳價值(如圖3所示)。5G作為新基建之首，一旦成為主流文化宣傳媒介入口，將有助于借助5G覆蓋普遍性和5G產業鏈生態豐富性，為社會大眾提供用戶無差別、高頻譜效率、高覆蓋度、高時效性、高移動性的融媒體新聞傳播服務，充分發揮多屏價值，提供極致頻譜效率的廣播電視互聯網融媒體業務。

圖3 5G多播廣播平臺及業務融合生態

3 創新技術攻關價值

5G通信廣播融合系統的大規模建設和運營部署具有重要意義。

作為全球首例、規模最大的5G通信廣播深度融合網絡，5G通信廣播融合系統引領了全球5G網絡的技術革新與先進價值應用，在中國5G商用領先的基礎上，為全球的通信廣播行業融合貢獻了中國智慧。廣播網與通信網的雙網融合，以5G技術牽引廣播網絡的頻譜效率提升、服務業態豐富和產業鏈開放，提升全行業的數字化服務能力。

5G通信廣播融合系統可低成本地實現全面的5G連續覆蓋，對于5G網絡實現重點鄉鎮和部分重點行政村覆蓋的鄉村數字基礎設施建設目標的達成，有極為重要的意義。低頻5G通信廣播融合系統是達成5G鄉村數字基礎設施建設目標的重要基礎，不僅極大程度地降低5G建設成本，還將有效降低5G現網能耗，并在容量、覆蓋、時延等網絡指標方面對現有5G網絡實現有效補充和改善。

5G通信廣播融合系統是推進中國5G發展和普及的重大舉措，為使5G網絡成為主流媒體宣發媒介網絡、提升5G網絡價值和網絡內容豐富度奠定基礎，帶動我國5G生態鏈和產業鏈的價值提升。5G通信廣播融合系統將帶動電信運營商從基礎網絡設施提供商向信息服務科技創新能力與移動通信信息內容提供商角色轉型，促進5G時代信息內容生產與傳播媒介的供給側范式變革，確保中國5G從網絡到業務的全面領先。

4 總結與展望

在我國實現5G商用全球5G領先的基礎上，進一步降低5G網絡的建設運營及能耗成本、提升5G網絡價值，仍是擺在中國5G運營商面前的兩項難題。5G通信廣播融合系統對這兩項問題分別給出了答案，一方面實現重點鄉鎮和部分重點行政村覆蓋的鄉村數字基礎設施建設目標的達成，對5G建設投資和能耗成本的降低起著重要作用；另一方面引導和發揮5G網絡作為主流宣發媒介的作用，促成電信網絡與業務信息內容服務的全建設全服務全運營拉通，增值5G網絡價值。隨著5G通信廣播融合系統的商用和發展，我國將從5G商用全球領先，逐步走向5G發展質量的全球領先，實現“降本增效”“雙碳集約”的可持續發展與“主流業務”“網絡增值”的高質量發展齊頭并進的發展態勢。