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              5G廣播的技術需求與發展方向

              行業新聞廣播與電視技術2020-01-06 10:26打印

              1、3GPP廣播技術

              5G是一種新的無線通信技術,將給媒體行業的相關方帶來新機遇,尤其在內容制作和分發方面。5G目前正處于3GPP標準化的制定的最后階段。廣播公司和其他媒體組織正在為3GPP進程做出貢獻,以確保3GPP規范中考慮了他們的技術和運營需求。

              隨著移動終端用戶數量的不斷攀升帶來視頻業務需求的增加,以及數字電視技術和網絡通信技術的飛速發展,無線廣播業務成為無線應用領域關注的一大熱點。而多媒體廣播多播業務技術,作為手機電視的一種重要實現方式,將在5G系統中扮演重要角色,具有較大的發展前景。

              增強型多媒體廣播多播業務(eMBMS,evolved Multicast Broadcast Multimedia Service) 是在空口層通過多播/廣播的方式為用戶提供實時/非實時多媒體業務的一種關鍵技術。eMBMS能實現高速多媒體業務的廣播傳輸(PTM,Point to Multipoint),提供豐富的視頻、音頻和多媒體業務。在5G系統中進一步發展eMBMS,提升整個廣播系統的能力,從而可以支持更高速更有效的5G廣播的應用場景,比如,將來的,4K/8K超高清視頻、三維立體視頻、多視角視頻、VR(虛擬現實)/AR(增強現實)等等高質量多媒體業務,這將極大促進廣播電視未來向移動端的擴展,帶來高清視頻市場的繁榮。

              本文針對5G中eMBMS的新需求及其技術難點,調研分析了可能的解決方案,對未來落實5G eMBMS技術提供了參考方向。

              2、5G中廣播技術新需求

              3GPP TS 22.261(5G系統的服務要求)已經通過3GPP組織會議的確立,靈活的廣播/多播服務是5G系統應具備的基本能力,并列出了一系列潛在需求[1]。

              1. 5G系統應只支持在特定地理區域(例如一個扇區、一個小區或一組小區)內的僅下行廣播/組播操作。

              2. 對于固定和移動業務,5G系統應支持下行廣播/組播系統在大范圍的地理區域內以頻譜效率的方式運行。5G 系統應支持以高效的頻譜在廣闊的地理區域上僅下行鏈路廣播/多播系統的運行。

              3. 5G系統應允許運營商保留一個或多個無線電載波的0%至100%的無線電資源,以便傳送廣播/多播內容。

              4. 5G網絡應允許UE通過廣播/多播無線運營商接收內容,同時通過另一個無線運營商進行并發數據會話。

              5. 5G系統應能夠支持UHD流視頻的廣播/多播(例如,4K / 8K UHD)。

              6. 5G網絡應允許運營商在一個獨立的基于3GPP的廣播/組播系統中,為同一用戶服務配置和廣播多個質量級別(如視頻分辨率)的廣播/組播內容。

              7. 考慮到UE能力、無線電特性、應用信息等差異,5G網絡應支持將相同用戶服務的廣播/多播內容的多個質量等級(即視頻分辨率)并行傳送到同一UE。

              8. 5G系統應支持將多個多播/廣播用戶服務并行傳輸到UE。

              9. 5G系統應支持由多個單元組成的獨立組播/廣播網絡,站點間距離可達200km。5G 系統應支持獨立的多播/廣播網絡,該網絡包括多個小區,站點間距離可達 200km。

              10. 5G系統應支持通過5G衛星接入網絡,或通過5G衛星接入網絡和其他5G接入網絡的組合支持多播/廣播。

              總結起來,上述的服務要求對5G空口和核心網分別提出的需求。空口方面的需求:

              1. 無線接入網應該優化無線資源,通過增強的PTM(廣播/多播)傳輸和來自用戶的反饋機制來提供進一步的交互性。

              2. 無線接入網應具備更高的靈活性,提供更多可用的波形參數(OFDM參數,如循環前綴/CP和載波間距)上提供,以允許不同類型的網絡部署(如HPHT和LPLT網絡)。

              3. 無線空口應該能夠在用戶移動場景下提供跨網絡環境的無縫體驗。

              4. 無線接入網要求從物理層(如信號處理算法和MIMO的使用)和從網絡部署的角度(即頻率復用)都顯著提高頻譜效率。

              核心網方面的需求:

              1. 對現有單播架構進行改進 2. 網絡運營商內部進行優化設計 3. 將地面廣播視為5G服務一類 4. 簡化系統流程,減少系統開銷 5. 設計支持IP組播的協議 6. 啟用網絡內的緩存能力

              2018年6月,3GPP RANRAN#80全會決定在已有Rel-14 LTE 4G廣播(EnTV)項目基礎上,基于LTE技術在Rel-16(跳過了Rel15)繼續向5G廣播演進。頒布了TR 38.913(Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies,下一代接入技術的場景和要求研究),闡述了5G廣播的十大需求,指明了Study Item的研究方向[2]。

              1. 新的RAT(Radio Access Technology)應支持現有的多播/廣播服務(例如下載,流媒體,群組通信,電視等)和新服務(例如V2X(Vehicle to Everything)等)。

              2. 新的RAT應支持多播/廣播區域的動態調整,例如基于用戶分布或服務要求進行調整。

              3. 新的RAT應支持向用戶同時傳送單播和多播/廣播服務。

              4. 新的RAT應支持至少在頻域和時域中與單播傳輸進行有效復用。

              5. 新的RAT應支持組播/廣播和單播之間的靜態和動態資源分配;新的RAT應特別允許支持高達100%的DL資源用于多播/廣播(100%表示專用MBMS載波)。

              6. 新的RAT應支持多個MNO之間的多播/廣播網絡共享,包括專用MBMS網絡的情況。

              7. 新的RAT應該能夠在SFN模式下通過網絡同步覆蓋整個國家大小的大地理區域,并且如果需要達到該目標,應允許小區半徑達到100km以上。它還應支持地方,區域和國家廣播區域。

              8. 新的RAT應支持固定、便攜和移動終端的多播/廣播服務。應支持高達250 km / h的移動性接收。

              9. 新的RAT應利用RAN設備(硬件和軟件)的使用,包括多天線能力(MIMO)以改善多播/廣播容量和可靠性。

              10. 新的RAT應支持mMTC設備的多播/廣播服務。

              2019年2月在希臘舉行的會議得出研究結論TR 36.776 Study on LTE-based 5G terrestrial broadcast,其中,需求4是否滿足與純廣播架構無關;Rel14的4G廣播能夠滿足或者部分滿足需求1、2、3、5、6、9、10;而對于需求7和需求8,LTE現有參數和架構無法滿足,需要繼續演進。具體結論如表1。

              5G廣播的技術需求與發展方向

              關于需求7:支持更大的地理區域使用Tcp和Tu長于Rel.14 1.25 kHz是有益的,并且將支持MPMT和HPHT1網絡中固定屋頂接收的用例,具有以下一系列改進:

              1. MPMT:頻譜效率提高約100%,SNR改善范圍為5?10dB。

              2. HPHT:頻譜效率提高約500%,SNR改善范圍為8dB?15dB。

              Tcp和Tu應至少為300μs(理想情況下為400μs)且至少為2.6ms。

              3. 新的參數設計應針對SE的改進,考慮RS模式等因素,包括時域和頻域,CP開銷和接收機復雜度。

              關于需求8:支持不同的移動場景

              1. 在一些情況下,發現100μs Tcp和400μs Tu短于Rel.14 1.25kHz是有益的,并且將支持LPLT網絡中車載接收的使用案例,具體如下:

              2. 對于高SNR方案(相應的SE大于1.3bps / Hz),對于相同的SNR水平,100/400可能從鏈路級角度優于Rel.14 1.25 kHz,但1.25kHz從系統級角度實現更高的SNR。

              3. 對于對應于LPLT中95%覆蓋率的SNR點,100/400具有與Rel.14 1.25 kHz數字學相似的性能。

              3、5G廣播發展方向

              5G旨在改善LTE移動網絡的每個方面,包括新的無線接入技術(5G-NR)。要求涵蓋三大類服務[3]:

              1. 增強型移動寬帶(eMBB):人類訪問多媒體內容,服務和數據。

              2. 大規模機器類型通信(mMTC):低功率設備之間的數據交換,具有最小的吞吐量和在延遲方面的寬松約束。

              3. 超可靠的低延遲通信(URLLC):具有嚴格的可用性和延遲水平的連接(自動駕駛汽車,公共安全,工業控制,機器人和無人機,遠程醫療手術)。

              根據3GPP的定義,這三個非常不同的類應全部由單個移動網絡提供。5G平臺旨在使用稱為網絡切片的機制,在具有不同特征和自定義QoS級別的多個邏輯分區網絡中進行調整和動態配置。

              視頻流的傳輸將利用eMBB功能,這也是早期市場部署的首要目標。5G將成為向移動設備分發高質量內容的平臺,并且通過所謂的固定無線接入,將其連接到家庭中的連接電視或機頂盒。

              但是這個具有高頻譜效率的新平臺可以取代傳統電視廣播地面傳輸(目前使用DVB-T / T2、ATSC或ISDB-T技術)方式。在歐洲,隨著700MHz頻譜向移動寬帶的逐步過渡(根據歐盟規則將于2020年完成)以及提供高質量內容的帶寬需求不斷增加,廣播公司正在評估替代方案。

              在RAN#79全體會議之后,廣播工作分為兩個方向,一個是設計NR的混合單播/多播/廣播模式(Mixed-mode),另一個是基于LTE的地面廣播模式(Terrestrial ),兩者的特點如圖1所示。混合廣播模式是可以動態切換單播服務和廣播服務的高效網絡。地面廣播模式是面向新一代數字電視服務的地面廣播專網。

              5G廣播的技術需求與發展方向

              5G廣播的技術需求與發展方向

              3.1 地面廣播

              Rel-14中enTV帶來了多種無線接入層增強功能,包括支持更長的站點間距離,屋頂接收,更高的廣播容量以及移動和固定設備的更多部署靈活性,如圖2所示。在系統方面,增強功能支持僅接收設備(如不需要SIM或服務訂閱的電視),允許內容提供商以本機格式傳送媒體的僅傳輸選項,以及允許多個運營商使用公共廣播運營商的共享廣播。

              enTV對歐洲來說很有意義,因為有一個重新部署700MHz頻段的機會,如圖3所示。Rel-14的enTV規范已經滿足所有歐盟數字電視廣播要求(管理要求、廣覆蓋、多樣化終端、靈活布網),其效率比DVB-T高約2倍,從而允許頻譜被釋放用于新的用例,例如在700MHz部署新的5G NR。未來歐廣聯(EBU)沒有進一步開展DVB-T3標準的制定計劃,基于3GPP的enTV或5G廣播技術有可能成為歐洲下一代地面數字電視的技術標準。

              5G廣播的技術需求與發展方向

              5G廣播的技術需求與發展方向

              3.2 混合廣播模式

              第二種演進路徑是混合廣播模式,如圖4所示,它可以實現單播和廣播服務的動態切換。混合廣播模式可以廣泛應用于許多不同的用例,如圖5所示。

              5G廣播的技術需求與發展方向

              LTE物聯網:物聯網的一個關鍵挑戰是需要將相同的內容分發給大量設備。使用單播是低效的,但對廣播來說是理想的。它可以使無線(OTA,Over-The-Air)固件升級和群發消息更加高效。

              蜂窩網絡V2X:下一代車輛將支持增強的安全性和更自主的駕駛,C-V2X允許車輛有效地與網絡及其周圍環境進行通信。通過廣播,它允許網絡更有效地向車輛傳送實時信息,例如路況信息。

              公共安全:政府和公共服務實體正在尋找與公民溝通的方式,并且正在采用廣播或任務關鍵型按鍵通話(MCPTT,Mission-Critical Push To Talk)來更有效地向各種設備提供實時緊急通知。

              3.3 地面廣播和混合廣播的具體區別

              地面廣播:僅下行鏈路,在專用頻譜上進行全國范圍的大區域覆蓋,例如,電視內容分發[4]。具體區別:1)以LTE EnTV為基礎;2)只支持廣播;3)只支持下行;4)大型和靜態傳輸區域;5)跨小區需要標準化的“協作”。

              混合模式:下行鏈路多播/廣播的概念,具有利用下行鏈路單播和上行鏈路單播的可能性,可在單個小區到大區域之間配置/動態覆蓋范圍,并且可以通過單播進行多路復用和無縫切換。

              具體區別:1)采用MBMS;2)在廣播和單播之間進行切換;3)上下行混合;4)適度和動態配置傳輸區域;5)普通物理層設計(但靈活),以適應不同類型的廣播(例如從單小區到大面積SFN傳輸)。

              混合模式中可用資源通過使用相同的物理信道由單播,多播和廣播服務共享。該資源共享可以在相同的子幀(與LTE中的SC-PTM相同的概念)中執行,或者在允許使用小規模SFN部署(類似MBSFN)的不同子幀中執行。混合模式有利于服務之間的無縫轉換,但作為主要缺點,廣播部分保持單播參數,這可能妨礙一些潛在的用例。

              4、結束語

              在包括EBU和中國廣播電視的支持和推動下,3GPP的廣播技術在技術設計上已經充分的考慮了地面數字廣播的需求,但是標準仍有進一步演進和提升的空間。支持的5G技術用于電視廣播媒體和娛樂(M&E)垂直應用的主要進展已經體現在Rel14。在EBU支持下,在德國慕尼黑開展了Rel14廣播技術試驗,充分證明了5G廣播技術和系統的可用性,驗證了實際效果。但是在5G廣播技術上包括干擾、頻率使用等問題上還有很多工作要開展。Rel15對于5G廣播提出了更多的需求,有望在2020年通過的Rel16版本中實現更多的廣播功能。這需要EBU和廣科院在內的廣播行業單位合作,推動相關技術標準在3GPP內立項,并推動整個5G產業鏈的支持。

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