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  • 5G广播的技术需求与发展方向

    行业新闻广播与电视技术2020-01-06 10:26打印

    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??湛诜矫娴男枨螅?/p>

    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。

    5G广播的技术需求与发展方向

    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?;骼嘈屯ㄐ?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?;旌瞎悴ツJ绞强梢远谢坏ゲシ窈凸悴シ竦母咝?。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。

    5G广播的技术需求与发展方向

    5G广播的技术需求与发展方向

    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。

    5G广播的技术需求与发展方向

    5G广播的技术需求与发展方向

    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?;旌瞎悴ツJ娇梢怨惴河τ糜谛矶嗖煌挠美?,如图5所示。

    5G广播的技术需求与发展方向

    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?;旌夏J接欣诜裰涞奈薹熳?,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。

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