5G廣播技術演進發展趨勢

溫豪 彭漢龍 林淦 黃凱珊

摘要：文章結合3GPP介紹了早期廣播演進的歷史以及5G廣播的地面廣播和混合廣播兩種未來的技術路線，探討了5G廣播存在的機遇和挑戰，并進行了總結。

關鍵詞：5G廣播；技術演進；混合模式；雙網協同

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.005

中圖分類號：TN 929.53? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

當人口密集和擁擠地區的用戶訂閱直播視頻服務并同時請求相同的內容時，增加了對系統帶寬的峰值需求，使得資源分配問題變得更加具有挑戰性。這種情況下，無論是基于單播的傳統通信網絡或者是業務較為單一的傳統廣播電視網絡，都難以滿足用戶多樣化的需求。因此，社會各界對新一代廣播電視系統的呼聲越來越高，5G廣播技術逐漸進入大眾視野。

2? ?早期廣播技術的演進過程

2.1 MBMS的提出及主要技術特點

21世紀初，由于移動通信技術的飛速發展和廣播模式的潛在優勢日漸顯露，通信運營商們開始推薦在通信領域中增加廣播模式。2002年，3GPP在Release6規范中，首次提出了“多媒體廣播多播業務”，也就是MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播多播業務）[1]，這為未來手機電視廣播技術的發展奠定了基礎。在MBMS的網絡架構中，BMSC（Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業務中心）對后續廣播技術的演進具有重要意義。

2.2 eMBMS的提出及主要技術特點

eMBMS（增強多媒體廣播多播業務）是一種利用移動通信的廣播信道發送數據的技術，尤其適用于傳輸大帶寬需求的視頻等數據。這項技術能夠顯著降低運營商在LTE網絡上同時向多個用戶提供高帶寬內容（如視頻、音頻等）的成本。

在3GPP Release9協議中，提出了增強型廣播多播技術（eMBMS），該技術可應用于LTE網絡，支持更大的帶寬、更多頻道以及更流暢的多媒體內容，從而提升用戶體驗。因此，eMBMS能夠同時兼容3G與LTE網絡，確保系統兼容性。在Release9之后，eMBMS在傳輸方式和信道結構方面進行演變。eMBMS在接入網絡中，eMBMS采用了SFN（單頻網）傳輸方式，允許多個小區以相同頻率同時傳輸相同的廣播節目信號。3GPP將Release 9后基于LTE架構的SFN傳輸方式稱為MBSFN（Multicast/Broadcast Single-Frequency Network）傳輸方式[2]。3GPP在Release13中引入了單基站點對多點服務（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數量范圍內，SC-PTM的頻譜效率比MBSFN高，當UE數量較多時，MBSFN具有更高的頻譜效率。

2.3 FeMBMS的提出及主要技術特點

得益于計算機行業、電子行業、材料行業的飛速發展，移動通信終端性能不斷提升，傳統廣播電視技術融入現代通信技術成為可能，3GPP在Release14中對eMBMS進行了擴展和增強，使其更加適合廣播電視業務，同時還使MBSFN和SC-PTM技術能夠用于車聯網（V2X）通信[4]。Release14對eMBMS的增強主要體現在對系統架構和界面進行了簡化，以及對LTE物理層進行了擴展，并整合進EnTV（Enhanced Televison）項目中，作為5G地面廣播技術的基礎[5]。

3? ?5G廣播的演進過程

3.1 5G廣播的定義

由于廣播技術自提出時就與廣播電視業務密不可分。所以在廣電行業，5G廣播一般指5G廣播電視系統，是采用了3GPP制定的符合移動通信標準要求的廣播傳輸技術。由于其傳輸技術制定時段在3GPP的5G標準制定工作周期內，其特性符合5G技術性能要求，因此被稱為“5G廣播”。如今，5G廣播的應用已不再局限于傳統電視直播，還有交互式現場直播、與OTT平臺結合的新媒體業務、應急廣播、數據推送等。

3.2 5G廣播的演進路線

目前，3GPP標準下的5G廣播系統有兩種演進路線，第一種是基于LTE的5G廣播系統[6]，如圖1所示。在2020年凍結的Release16版本中，3GPP明確了基于LTE技術的5G廣播路線，主要是在Release14中FeMBMS/EnTV的基礎上進行增強。同時，3GPP在Release17中已明確：基于LTE的5G廣播系統在無線接入網（RAN）側將不會繼續演進[7]。而另一種演進路線是在Release17中提出的，基于5G NR的5G廣播系統[8]，如圖2所示。

這兩種演進路線對應不同的技術實現方式，由于EnTV（Enhanced TV）使傳統的地面廣播電視大塔可以加入到MBMS服務中。所以在此基礎上發展起來的，在Release16中定義的基于LTE的5G廣播系統，被業界稱為“5G地面廣播”，其技術實現方式為地面廣播模式（Terrestrial mode）；Release17定義了基于5G NR的5G廣播系統使用的是混合模式（Mixed mode）的廣播，業界稱其為“5G混合廣播”。

3.2.1 5G地面廣播系統

5G地面廣播系統基于廣播大塔實現，同時輔助以小塔進行補點，主要是為了滿足共性內容和公共服務的基本覆蓋。根據廣播電視科學研究院編制的報告[9]可知，國內大塔無線發射系統包括5G廣播激勵器、5G廣播發射機、前傳網絡及桿塔、電源、機房等配套設施，如圖3所示。我國現有無線廣播電視發射塔大部分是DTMB和FM發射塔，少部分是中短波發射塔。現有的DTMB發射系統主要由地面數字電視發射機和天饋線系統組成。對于DTMB廣播大塔，在從DTMB向5G廣播電視技術體制的實施過程中，需要將DTMB激勵器改造為5G廣播電視激勵器[9]。

基于大塔廣播EnTV技術，用戶在戶外各種場景中，可以使用手機等移動終端直接接收大塔發出的廣播電視信號，并在客戶端App上收看電視節目。這種情況下，終端是通過廣播接收的方式獲取信號，因此不用消耗流量。并且沒有SIM卡的終端也可以收看節目，這得益于Release14提出的“Receive Only Mode”，為純下行的free-to-air（FTA）業務形態實現了無SIM業務。

當用戶移動到大塔覆蓋不到的區域，如位于室內場景時，可以通過連接到運營商部署在互聯網上的服務器，繼續收看廣播電視節目。此時，手機終端獲取節目內容的方式為互聯網接收方式，因此需要接入Wi-Fi或使用數據流量。

3.2.2 5G混合廣播系統

5G混合廣播系統主要是利用移動通信小塔實現的，其目的是向用戶提供定制的互動式服務，并且適合于進行臨時性的小范圍廣播電視服務[9]。如圖4所示，5G混合廣播系統包括室內基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）或有源天線單元（AAU）、前傳網絡及桿塔、電源、機房等配套設施，具有低功率、低站址的特性[10]。

在Release 17中，5G NR接入技術加入了數據傳輸的組播和廣播功能。用戶在體育場館、演出現場等熱點區域，使用手機等移動終端可以直接接收運營商小塔發出的5G廣播電視信號，并在客戶端App上進行觀看。在這個廣播過程中，終端不需要經過鑒權就可以收看節目。與此同時，業務提供商可以通過多個角度機位拍攝或通過高速攝影記錄精彩瞬間，以增值業務形態向用戶提供AR增強現實、多視角、慢動作回放等方式的高新視音頻內容供用戶選擇播放，提供沉浸式的視聽體驗。使用這些增值業務時，需要終端提前訂閱該服務，通信小塔會以組播的形式，向通過鑒權的終端提供增值服務[11]。

4? ?5G廣播雙網協同覆蓋的方案

如今，越來越多的廣電研究者提到了雙網協同覆蓋的方案。雙網協同覆蓋指的是將5G廣播網和5G移動通信網合并，共享一張核心網。“雙網協同”在某些文獻中也稱為“雙頻段協同”，主要是因為兩個網絡使用了不同的頻段進行廣播。5G廣播網主要使用大塔廣播，5G移動通信網使用小塔通信，兩者結合能夠充分發揮大塔和小塔各自的優勢，實現優勢互補。因此，雙網協同覆蓋從根本上講也是大塔和小塔的協同覆蓋。

早在Release14之前，就有研究者提出雙網協同覆蓋的思想。文獻[12]提出了將廣播大塔資源整合進LTE-A（LTE Advance）架構中，從而使LTE-A網絡不僅能夠使用大塔資源進行大范圍廣播傳輸，還能使用eMBMS中的小塔資源進行小范圍的單播多播傳輸。由于可以將流行內容從蜂窩網絡轉變到廣播網絡中進行傳輸，大大降低了網絡傳輸成本。

4.1 廣播網與移動通信網融合

傳統的廣播網與移動通信網是根據不同的應用場景和業務需求而設計的。移動通信網通過單播方式傳輸數據，在覆蓋范圍內，距離基站較近的用戶由于信道條件好，通信速率較高，能夠獲得更好的視頻接收體驗；而位于覆蓋區域邊緣的用戶，由于信道條件較差，視頻接收體驗也較差。根據業務的不同，移動通信網的用戶容量會受到限制。在架構上，移動通信網具有開放性的架構，業務豐富、靈活。

廣播網的通信方式是單向通信，更重視點對多點的服務。廣播網通常是按照覆蓋范圍內信道條件最差的用戶能夠正常接收視頻服務的原則而設計的，覆蓋范圍內的所有用戶都能獲得同樣好的視頻接收體驗，并且用戶容量沒有限制。在架構上，由于廣播網在建成之時，便只支持固定的業務，所以架構較封閉。

對比廣播網和移動通信網各自的優缺點，可以發現移動通信網更適合提供個性化的點播、交互類業務，廣播網更適合提供廣區域覆蓋的基礎廣播類業務。兩者在通信方式、覆蓋能力、用戶容量、業務形式上各有優缺點，所以在5G廣播電視網絡建設上，采用廣播網與移動通信網協同融合的方案能實現兩種網絡優勢互補，滿足多樣化的業務需求。

4.2 雙網協同覆蓋的實現形式

雙網協同分為基本協同和增強協同兩種策略，基本協同旨在確保5G廣播電視業務的廣泛覆蓋；而增強協同又包括補差協同和分層協同，在保障5G廣播電視業務基本覆蓋的前提下，實現更多數據交互，滿足用戶對視聽體驗的更高要求。

基本協同主要通過廣播電視大塔和補點小塔共同發射廣播信號實現業務廣域覆蓋。同時，通信小塔會發揮輔助作用，對其覆蓋范圍內的用戶進行鑒權和收視統計。雖然補點小塔與通信小塔的功能不同，但可以將其進行共站址建設，以節約成本[13]。

增強協同是指在5G廣播網和5G移動通信網廣覆蓋的前提下，兩種網絡在數據層面上的進一步協同，包括補差協同和分層協同。

補差協同是指在“5G地面廣播”信號覆蓋不足的區域，用戶終端通過單播將丟包情況告知該區域的5G通信小塔，小塔再以單播方式將丟失的數據傳回用戶終端。而在信號盲區，利用5G通信小塔的單播或廣播，即“5G混合廣播”（又稱“5G蜂窩廣播”），對區域內的用戶進行視頻數據傳輸，這種的方式實現了信號覆蓋的無縫銜接，讓用戶在任何地方都能享受到高速、穩定的5G網絡服務。

分層協同是指在“5G地面廣播”傳輸的基礎視頻層之上，通過“5G蜂窩廣播”使用分層視頻編碼的技術為用戶提供更高質量的視頻服務。

5? ?結束語

5G廣播技術源于早期廣播技術，融合了高速率、低時延的5G通信技術，節省了頻譜資源，提升了用戶視覺體驗，進一步優化了社會公共服務，為通信行業帶來了新的機遇與挑戰。本文首先結合3GPP標準，追溯了早期廣播技術的演進歷程；接著探討了5G廣播未來的技術路線。5G廣播技術隨著通信技術不斷發展的同時將為用戶帶來更便捷、豐富、高效的廣播服務體驗，我們也需要做好準備應對隨之而來的技術和管理方面的挑戰。

參考文獻

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