5G广播的技术需求与发展方向

1、3GPP广播技术

5G是一种新的无线通信技术，将给媒体行业的相关方带来新机遇，尤其在内容制作和分发方面。5G目前正处于3GPP标准化的制定的最后阶段。广播公司和其他媒体组织正在为3GPP进程做出贡献，以确保3GPP规范中考虑了他们的技术和运营需求。

随着移动终端用户数量的不断攀升带来视频业务需求的增加，以及数字电视技术和网络通信技术的飞速发展，无线广播业务成为无线应用领域关注的一大热点。而多媒体广播多播业务技术，作为手机电视的一种重要实现方式，将在5G系统中扮演重要角色，具有较大的发展前景。

增强型多媒体广播多播业务(eMBMS，evolved Multicast Broadcast Multimedia Service) 是在空口层通过多播/广播的方式为用户提供实时/非实时多媒体业务的一种关键技术。eMBMS能实现高速多媒体业务的广播传输(PTM，Point to Multipoint)，提供丰富的视频、音频和多媒体业务。在5G系统中进一步发展eMBMS，提升整个广播系统的能力，从而可以支持更高速更有效的5G广播的应用场景，比如，将来的，4K/8K超高清视频、三维立体视频、多视角视频、VR(虚拟现实)/AR(增强现实)等等高质量多媒体业务，这将极大促进广播电视未来向移动端的扩展，带来高清视频市场的繁荣。

本文针对5G中eMBMS的新需求及其技术难点，调研分析了可能的解决方案，对未来落实5G eMBMS技术提供了参考方向。

2、5G中广播技术新需求

3GPP TS 22.261(5G系统的服务要求)已经通过3GPP组织会议的确立，灵活的广播/多播服务是5G系统应具备的基本能力，并列出了一系列潜在需求[1]。

1. 5G系统应只支持在特定地理区域(例如一个扇区、一个小区或一组小区)内的仅下行广播/组播操作。

2. 对于固定和移动业务，5G系统应支持下行广播/组播系统在大范围的地理区域内以频谱效率的方式运行。5G 系统应支持以高效的频谱在广阔的地理区域上仅下行链路广播/多播系统的运行。

3. 5G系统应允许运营商保留一个或多个无线电载波的0%至100%的无线电资源，以便传送广播/多播内容。

4. 5G网络应允许UE通过广播/多播无线运营商接收内容，同时通过另一个无线运营商进行并发数据会话。

5. 5G系统应能够支持UHD流视频的广播/多播(例如，4K / 8K UHD)。

6. 5G网络应允许运营商在一个独立的基于3GPP的广播/组播系统中，为同一用户服务配置和广播多个质量级别(如视频分辨率)的广播/组播内容。

7. 考虑到UE能力、无线电特性、应用信息等差异，5G网络应支持将相同用户服务的广播/多播内容的多个质量等级(即视频分辨率)并行传送到同一UE。

8. 5G系统应支持将多个多播/广播用户服务并行传输到UE。

9. 5G系统应支持由多个单元组成的独立组播/广播网络，站点间距离可达200km。5G 系统应支持独立的多播/广播网络，该网络包括多个小区，站点间距离可达 200km。

10. 5G系统应支持通过5G卫星接入网络，或通过5G卫星接入网络和其他5G接入网络的组合支持多播/广播。

总结起来，上述的服务要求对5G空口和核心网分别提出的需求。空口方面的需求：

1. 无线接入网应该优化无线资源，通过增强的PTM(广播/多播)传输和来自用户的反馈机制来提供进一步的交互性。

2. 无线接入网应具备更高的灵活性，提供更多可用的波形参数(OFDM参数，如循环前缀/CP和载波间距)上提供，以允许不同类型的网络部署(如HPHT和LPLT网络)。

3. 无线空口应该能够在用户移动场景下提供跨网络环境的无缝体验。

4. 无线接入网要求从物理层(如信号处理算法和MIMO的使用)和从网络部署的角度(即频率复用)都显著提高频谱效率。

核心网方面的需求：

1. 对现有单播架构进行改进 2. 网络运营商内部进行优化设计 3. 将地面广播视为5G服务一类 4. 简化系统流程，减少系统开销 5. 设计支持IP组播的协议 6. 启用网络内的缓存能力

2018年6月，3GPP RANRAN#80全会决定在已有Rel-14 LTE 4G广播(EnTV)项目基础上，基于LTE技术在Rel-16(跳过了Rel15)继续向5G广播演进。颁布了TR 38.913(Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies，下一代接入技术的场景和要求研究)，阐述了5G广播的十大需求，指明了Study Item的研究方向[2]。

1. 新的RAT(Radio Access Technology)应支持现有的多播/广播服务(例如下载，流媒体，群组通信，电视等)和新服务(例如V2X(Vehicle to Everything)等)。

2. 新的RAT应支持多播/广播区域的动态调整，例如基于用户分布或服务要求进行调整。

3. 新的RAT应支持向用户同时传送单播和多播/广播服务。

4. 新的RAT应支持至少在频域和时域中与单播传输进行有效复用。

5. 新的RAT应支持组播/广播和单播之间的静态和动态资源分配;新的RAT应特别允许支持高达100%的DL资源用于多播/广播(100%表示专用MBMS载波)。

6. 新的RAT应支持多个MNO之间的多播/广播网络共享，包括专用MBMS网络的情况。

7. 新的RAT应该能够在SFN模式下通过网络同步覆盖整个国家大小的大地理区域，并且如果需要达到该目标，应允许小区半径达到100km以上。它还应支持地方，区域和国家广播区域。

8. 新的RAT应支持固定、便携和移动终端的多播/广播服务。应支持高达250 km / h的移动性接收。

9. 新的RAT应利用RAN设备(硬件和软件)的使用，包括多天线能力(MIMO)以改善多播/广播容量和可靠性。

10. 新的RAT应支持mMTC设备的多播/广播服务。

2019年2月在希腊举行的会议得出研究结论TR 36.776 Study on LTE-based 5G terrestrial broadcast，其中，需求4是否满足与纯广播架构无关;Rel14的4G广播能够满足或者部分满足需求1、2、3、5、6、9、10;而对于需求7和需求8，LTE现有参数和架构无法满足，需要继续演进。具体结论如表1。

关于需求7：支持更大的地理区域使用Tcp和Tu长于Rel.14 1.25 kHz是有益的，并且将支持MPMT和HPHT1网络中固定屋顶接收的用例，具有以下一系列改进：

1. MPMT：频谱效率提高约100%，SNR改善范围为5〜10dB。

2. HPHT：频谱效率提高约500%，SNR改善范围为8dB〜15dB。

Tcp和Tu应至少为300μs(理想情况下为400μs)且至少为2.6ms。

3. 新的参数设计应针对SE的改进，考虑RS模式等因素，包括时域和频域，CP开销和接收机复杂度。

关于需求8：支持不同的移动场景

1. 在一些情况下，发现100μs Tcp和400μs Tu短于Rel.14 1.25kHz是有益的，并且将支持LPLT网络中车载接收的使用案例，具体如下：

2. 对于高SNR方案(相应的SE大于1.3bps / Hz)，对于相同的SNR水平，100/400可能从链路级角度优于Rel.14 1.25 kHz，但1.25kHz从系统级角度实现更高的SNR。

3. 对于对应于LPLT中95%覆盖率的SNR点，100/400具有与Rel.14 1.25 kHz数字学相似的性能。

3、5G广播发展方向

5G旨在改善LTE移动网络的每个方面，包括新的无线接入技术(5G-NR)。要求涵盖三大类服务[3]：

1. 增强型移动宽带(eMBB)：人类访问多媒体内容，服务和数据。

2. 大规模机器类型通信(mMTC)：低功率设备之间的数据交换，具有最小的吞吐量和在延迟方面的宽松约束。

3. 超可靠的低延迟通信(URLLC)：具有严格的可用性和延迟水平的连接(自动驾驶汽车，公共安全，工业控制，机器人和无人机，远程医疗手术)。

根据3GPP的定义，这三个非常不同的类应全部由单个移动网络提供。5G平台旨在使用称为网络切片的机制，在具有不同特征和自定义QoS级别的多个逻辑分区网络中进行调整和动态配置。

视频流的传输将利用eMBB功能，这也是早期市场部署的首要目标。5G将成为向移动设备分发高质量内容的平台，并且通过所谓的固定无线接入，将其连接到家庭中的连接电视或机顶盒。

但是这个具有高频谱效率的新平台可以取代传统电视广播地面传输(目前使用DVB-T / T2、ATSC或ISDB-T技术)方式。在欧洲，随着700MHz频谱向移动宽带的逐步过渡(根据欧盟规则将于2020年完成)以及提供高质量内容的带宽需求不断增加，广播公司正在评估替代方案。

在RAN#79全体会议之后，广播工作分为两个方向，一个是设计NR的混合单播/多播/广播模式(Mixed-mode)，另一个是基于LTE的地面广播模式(Terrestrial )，两者的特点如图1所示。混合广播模式是可以动态切换单播服务和广播服务的高效网络。地面广播模式是面向新一代数字电视服务的地面广播专网。

3.1 地面广播

Rel-14中enTV带来了多种无线接入层增强功能，包括支持更长的站点间距离，屋顶接收，更高的广播容量以及移动和固定设备的更多部署灵活性，如图2所示。在系统方面，增强功能支持仅接收设备(如不需要SIM或服务订阅的电视)，允许内容提供商以本机格式传送媒体的仅传输选项，以及允许多个运营商使用公共广播运营商的共享广播。

enTV对欧洲来说很有意义，因为有一个重新部署700MHz频段的机会，如图3所示。Rel-14的enTV规范已经满足所有欧盟数字电视广播要求(管理要求、广覆盖、多样化终端、灵活布网)，其效率比DVB-T高约2倍，从而允许频谱被释放用于新的用例，例如在700MHz部署新的5G NR。未来欧广联(EBU)没有进一步开展DVB-T3标准的制定计划，基于3GPP的enTV或5G广播技术有可能成为欧洲下一代地面数字电视的技术标准。

3.2 混合广播模式

第二种演进路径是混合广播模式，如图4所示，它可以实现单播和广播服务的动态切换。混合广播模式可以广泛应用于许多不同的用例，如图5所示。

LTE物联网：物联网的一个关键挑战是需要将相同的内容分发给大量设备。使用单播是低效的，但对广播来说是理想的。它可以使无线(OTA，Over-The-Air)固件升级和群发消息更加高效。

蜂窝网络V2X：下一代车辆将支持增强的安全性和更自主的驾驶，C-V2X允许车辆有效地与网络及其周围环境进行通信。通过广播，它允许网络更有效地向车辆传送实时信息，例如路况信息。

公共安全：政府和公共服务实体正在寻找与公民沟通的方式，并且正在采用广播或任务关键型按键通话(MCPTT，Mission-Critical Push To Talk)来更有效地向各种设备提供实时紧急通知。

3.3 地面广播和混合广播的具体区别

地面广播：仅下行链路，在专用频谱上进行全国范围的大区域覆盖，例如，电视内容分发[4]。具体区别：1)以LTE EnTV为基础;2)只支持广播;3)只支持下行;4)大型和静态传输区域;5)跨小区需要标准化的“协作”。

混合模式：下行链路多播/广播的概念，具有利用下行链路单播和上行链路单播的可能性，可在单个小区到大区域之间配置/动态覆盖范围，并且可以通过单播进行多路复用和无缝切换。

具体区别：1)采用MBMS;2)在广播和单播之间进行切换;3)上下行混合;4)适度和动态配置传输区域;5)普通物理层设计(但灵活)，以适应不同类型的广播(例如从单小区到大面积SFN传输)。

混合模式中可用资源通过使用相同的物理信道由单播，多播和广播服务共享。该资源共享可以在相同的子帧(与LTE中的SC-PTM相同的概念)中执行，或者在允许使用小规模SFN部署(类似MBSFN)的不同子帧中执行。混合模式有利于服务之间的无缝转换，但作为主要缺点，广播部分保持单播参数，这可能妨碍一些潜在的用例。

4、结束语

在包括EBU和中国广播电视的支持和推动下，3GPP的广播技术在技术设计上已经充分的考虑了地面数字广播的需求，但是标准仍有进一步演进和提升的空间。支持的5G技术用于电视广播媒体和娱乐(M&E)垂直应用的主要进展已经体现在Rel14。在EBU支持下，在德国慕尼黑开展了Rel14广播技术试验，充分证明了5G广播技术和系统的可用性，验证了实际效果。但是在5G广播技术上包括干扰、频率使用等问题上还有很多工作要开展。Rel15对于5G广播提出了更多的需求，有望在2020年通过的Rel16版本中实现更多的广播功能。这需要EBU和广科院在内的广播行业单位合作，推动相关技术标准在3GPP内立项，并推动整个5G产业链的支持。