Labs 導(dǎo)讀

伴隨移動通信技術(shù)的發(fā)展，廣播電視用戶對移動端音視頻需求快速增長。傳統(tǒng)的廣播電視技術(shù)，已無法滿足市場需求;世界各國組織機(jī)構(gòu)逐漸意識到，5G 無線網(wǎng)將成為廣播電視媒體的重要傳播渠道，積極推動5G 無線廣播技術(shù)的發(fā)展。前文講述了700MHz為啥是黃金頻道，主要介紹了5G 700M 相關(guān)的概念和標(biāo)準(zhǔn)。本文主要圍繞5G 廣播的關(guān)鍵技術(shù)展開討論，邊學(xué)邊探究。

本文分析研究包括，無線廣播技術(shù)的發(fā)展歷程，5G 無線廣播技術(shù)的解決方案，例如地面廣播模式、混合廣播模式、大塔小塔融合模式;同時介紹無線上行增強(qiáng)技術(shù)的幾個典型原理，包括3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的無線上行增強(qiáng)技術(shù)，雙連接、載波聚合、輔助上行鏈路、上行發(fā)射通道切換、超級上行、時頻雙聚合技術(shù)。

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1、背景

1.1 無線廣播技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

傳統(tǒng)廣播電視行業(yè)使用廣播電視塔(即大塔，覆蓋范圍>100km)提供單向廣播業(yè)務(wù)，采用的是地面廣播技術(shù);傳統(tǒng)移動通信行業(yè)使用通信基站(即小塔)提供雙向通信業(yè)務(wù)，采用的是單播技術(shù)。這兩個行業(yè)，在3G 時代以前沒有交集。

3G 時代，廣播電視行業(yè)涌現(xiàn)出多種移動多媒體廣播技術(shù)。ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會)于2004 年發(fā)布了手持?jǐn)?shù)字視頻廣播技術(shù)DVB-H;3GPP 于2004 年在Release 6 中，發(fā)布了多媒體廣播多播業(yè)務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)，支持在蜂窩系統(tǒng)中建設(shè)組播/廣播網(wǎng)絡(luò);但這些廣播技術(shù)都未與移動通信技術(shù)融合，終端需要額外增加芯片或接收器，未能得到廣泛應(yīng)用[1]。

4G 時代，2009年3GPP在Release 9 版本中第一次發(fā)布了基于LTE 網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型多媒體廣播多播技術(shù)(evolved MBMS, eMBMS)，實現(xiàn)了組播區(qū)域廣播。2017 年3GPP Release 14 版本發(fā)布了進(jìn)一步演進(jìn)的多媒體廣播多播技術(shù)(Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, FeMBMS)，也稱增強(qiáng)電視廣播(Enhanced TV, EnTV)，第一次將大塔納入移動通信標(biāo)準(zhǔn)范圍，標(biāo)志著移動通信技術(shù)與廣播技術(shù)的真正融合。

5G 時代，2020 年7 月凍結(jié)的Release 16 版本基本完成EnTV 標(biāo)準(zhǔn)制定，包括無卡接收、高速移動(120-250km/s)、大覆蓋(站間距100km)。在正在開展的Release 17 中，將制定基于小塔的混合廣播(Mixed Mode)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)單播和組播/廣播的智能切換。

2019 年，中國廣電(中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司)獲頒5G商用牌照;2020 年，獲得700MHz(703-733/758-788MHz)頻段使用許可。2020 年，中國廣電在3GPP 的Release 16 會議中，提出700MHz 的2×30/40MHz 技術(shù)提案獲采納，將原來2×20MHz 擴(kuò)展為2×30/40 MHz，成為全球首個5G 低頻段(Sub-1GHz)大帶寬國際標(biāo)準(zhǔn)。同時中國廣電積極推動基于小塔的混合廣播(Mixed Mode)以及5G 多播服務(wù)在Release 17 版本的支持。5G 多播服務(wù)將在現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)能力基礎(chǔ)上增加支持組播/廣播的網(wǎng)元和架構(gòu)。

1.2 中國廣電與中國移動共建共享

2020 年5 月，中國廣電與中國移動簽訂5G 共建共享合作框架協(xié)議，明確共建共享700MHz 5G 無線網(wǎng)絡(luò)資源，中國移動有償共享2.6GHz 以及3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議實現(xiàn)了雙方優(yōu)勢互補(bǔ)，廣電減輕5G 從零開始的建設(shè)壓力，并有望實現(xiàn)5G 無線廣播技術(shù);移動可實現(xiàn)5G 偏遠(yuǎn)地區(qū)的低成本連續(xù)覆蓋和上行增強(qiáng)，降本增效。2021 年1 月，中國移動與中國廣電訂立了一系列具體合作協(xié)議，就建設(shè)、維護(hù)、市場和結(jié)算等具體問題充分溝通，達(dá)成共識。

1.3 中國廣電700MHz 頻譜規(guī)劃

除了700M 以外，工信部在2020 年1 月將4.9 GHz頻段授權(quán)給中國廣電。由于5G 廣播頻道方案暫未公布，基于已有頻譜需求，廣播電視科學(xué)研究院給出3種劃分策略(如表1)。

表1 中國廣電5G 頻譜劃分策略

• 策略1：在700MHz 頻段開展5G 廣播業(yè)務(wù)。700MHz 以下仍用于數(shù)字電視地面廣播(DTMB)。策略1 的700MHz 不能充分發(fā)揮5G 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。
• 策略2：在700MHz 頻段開展雙向通信業(yè)務(wù)，700MHz 以下頻段用于5G 大塔廣播和DTMB。策略2 現(xiàn)網(wǎng)改造少，700MHz 充分發(fā)揮優(yōu)勢，性價比高。
• 策略3：在700MHz 頻段內(nèi)同時開展雙向通信業(yè)務(wù)和5G 廣播業(yè)務(wù)。策略3 為實現(xiàn)雙向通信與大塔廣播共存，頻譜利用效率有損失。

2、5G 廣播技術(shù)

5G 目前使用的廣播技術(shù)(Release 17之前)泛指從3GPP Release 9 演進(jìn)至今的4G LTE 廣播技術(shù)。基于不同場景對廣播技術(shù)的需求，5G 廣播技術(shù)包含兩種解決方案：地面廣播模式和混合廣播模式(如圖1)。

2.1 地面廣播模式

地面廣播模式(Terrestrial Mode)也叫大塔廣播，采用基于高功率高塔(High Power High Tower, HPHT)的廣播模式。適合在專用頻譜上推送大范圍覆蓋的直播電視節(jié)目。地面廣播以EnTV 為基礎(chǔ)，僅有下行鏈路，只支持廣播，適合大型和靜態(tài)傳輸區(qū)域。

EnTV 使用LTE 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通用網(wǎng)元，并新增了BMSC、MBMS GW、MCE 三個網(wǎng)元以支持FeMBMS 業(yè)務(wù)。技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2 。

BMSC(Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業(yè)務(wù)中心)負(fù)責(zé)提供用戶管理、會話傳輸、業(yè)務(wù)聲明、安全管理和內(nèi)容同步等功能。對內(nèi)容提供商，BMSC 是MBMS 業(yè)務(wù)內(nèi)容分發(fā)入口;對承載網(wǎng)絡(luò)，BMSC 負(fù)責(zé)授權(quán)、發(fā)起廣播/組播業(yè)務(wù)、調(diào)度、傳輸內(nèi)容等功能。

MBMS GW(MBMS Gateway，MBMS網(wǎng)關(guān))負(fù)責(zé)處理MBMS 業(yè)務(wù)分發(fā)和控制，由控制面和用戶面功能組成。控制面通過MME(Mobility Management Entity，移動性管理實體)處理MBMS 業(yè)務(wù)的會話控制信令，把MBMS 會話控制信令(Session start/stop)傳給基站。用戶面通過廣播/多播將數(shù)據(jù)以IP 組播流的形式傳送到基站。

MCE(Multi-cell/multicast Coordination Entity，組播協(xié)調(diào)實體)負(fù)責(zé)為eMBMS 分配時域和頻域資源，并確定無線信道的編碼和調(diào)制方式，MCE 既可以是獨立實體，也可以作為邏輯實體實現(xiàn)在基站中。

在組網(wǎng)方式上，既可以支持單頻網(wǎng)組網(wǎng)方式(Multicast Broadcast Single Frequency Network,MBSFN)，使多個小區(qū)組成更大范圍的單頻網(wǎng);也可以支持單小區(qū)廣播(Single Cell-Point to Multipoint,SC-PTM)的組網(wǎng)方式，在單小區(qū)進(jìn)行廣播。

EnTV 技術(shù)基于4G 的LTE 核心網(wǎng)，暫未接入5GC，也暫無終端芯片支持。未來如何在廣電的5G 網(wǎng)絡(luò)中落地還未知。

2.2 混合廣播模式

混合廣播模式(Mixed Mode)也叫小塔廣播，采用基于低功率小塔(Low Power Low Tower, LPLT)的廣播模式。混合廣播模式基于5G NR，可以在單播、多播和廣播之間進(jìn)行動態(tài)切換，支持上行和下行雙向數(shù)據(jù)傳輸，可在單個小區(qū)到大區(qū)域之間動態(tài)配置覆蓋范圍，并且可以通過單播進(jìn)行多路復(fù)用和無縫切換。在混合模式中，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(wù)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(zhí)行，或者在允許使用小規(guī)模SFN 部署(類似MBSFN)的不同子幀中執(zhí)行，有利于服務(wù)之間的無縫轉(zhuǎn)換。

混合廣播模式相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將在3GPP Release 17 中進(jìn)行制定。

2.3 大塔小塔融合模式

高功率大塔廣播是廣播電視行業(yè)傳統(tǒng)的廣播方式，特點是覆蓋廣，效率高，適合提供公共服務(wù)，但是不能提供交互業(yè)務(wù);低功率小塔指移動通信基站，業(yè)務(wù)靈活，能提供個性化、交互式業(yè)務(wù)以及高新視頻業(yè)務(wù)等，但是覆蓋范圍小，廣域覆蓋成本高。高功率大塔和低功率小塔融合可以既提供廣播、直播和應(yīng)急通訊為代表的單下行業(yè)務(wù)，又提供點播、游戲和音視頻等雙向業(yè)務(wù)。不同傳輸方式對業(yè)務(wù)的支持能力如表2 。

表2 大塔小塔業(yè)務(wù)能力對比

實際部署中建議采用大塔小塔聯(lián)合覆蓋的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。如圖3 所示。即公共內(nèi)容和直播業(yè)務(wù)可通過廣播核心網(wǎng)以及通信核心網(wǎng)EnTV 進(jìn)行廣播，個性化內(nèi)容及交互業(yè)務(wù)通過小塔進(jìn)行覆蓋。

3、無線上行增強(qiáng)技術(shù)

5G 網(wǎng)絡(luò)有大帶寬的基礎(chǔ)，并有Massive MIMO 和波束賦形等技術(shù)的加持，使得系統(tǒng)在下行方向的速率和覆蓋上有良好的性能。但是在上行方向，終端的發(fā)射功率受輻射指標(biāo)的限制，天線數(shù)量受終端體積的限制，使上行覆蓋范圍受限，遠(yuǎn)小于下行覆蓋范圍。上行無法覆蓋的區(qū)域，連接中斷，單獨下行也無法使用。3GPP 在Release 15 版本，引入多種上行增強(qiáng)技術(shù)來解決上行覆蓋的問題。

3.1 雙連接(E-UTRA-NR Dual Connectivity)技術(shù)

為了兼顧上行覆蓋，在5G 初期非獨立組網(wǎng)(NSA)模式下，采用組網(wǎng)選項3X，4G 負(fù)責(zé)控制面，5G 作為容量的補(bǔ)充。3GPP 在Release15 版本定義了5G 雙連接技術(shù)(E-UTRA-NR Dual Connectivity, EN-DC)，實現(xiàn)上行覆蓋增強(qiáng)。基站下行在4G 和5G 上同時發(fā)送信息，容量為兩個載波之和。對于上行來說，終端在4G 和5G 上各用1個發(fā)射通道(1Tx)發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦手機(jī)移出5G 的覆蓋范圍，4G 的容量和覆蓋還可以保證。

NSA 只是過渡方案，最終5G 還是要走上獨立部署(SA)路線的。5G 定義的FR1 頻譜包含了從450MHz 到6GHz 的范圍，為了解決上行覆蓋問題，把FDD 低頻段頻譜(比如700MHz)分一些給5G，并把這些低頻段和中頻段結(jié)合起來，都部署成5G，將能提高網(wǎng)絡(luò)的容量和上行覆蓋。針對這種低頻段和中頻段結(jié)合的方案，3GPP 在Release15 版本還引用了另外兩種上行增強(qiáng)技術(shù)：5G 輔助上行(Supplementary Uplink, SUL)技術(shù)和5G 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)技術(shù)。

3.2 載波聚合(Carrier Aggregation)技術(shù)

CA 技術(shù)最早在3GPP 發(fā)布的Release 10 中進(jìn)行定義，是將相同頻段或不同頻段的2~5 個成員載波聚合起來給終端使用，提升上下行傳輸速率，解決運營商不連續(xù)頻段的資源利用問題。根據(jù)載波的頻段，細(xì)分為頻段內(nèi)載波聚合，即帶內(nèi)載波聚合(Intra-Band CA)和頻段間的載波聚合，即帶外載波聚合(Inter-Band CA)。CA 技術(shù)已在全球成熟商用，并在5G 時代持續(xù)發(fā)揮作用[7]。

帶內(nèi)載波聚合在上行方向，由于2 個同頻載波可以使用相同的發(fā)射通道，上行速率提升明顯。如圖6 左，3.5GHz 頻段的2 個載波聚合后，單個用戶上行速率接近翻倍提升。

帶外載波聚合適用于同時被多個不同頻段無線載波覆蓋的區(qū)域，如圖7 左側(cè)示意圖，不僅提升上行速率還可提升覆蓋范圍。A 區(qū)域同時被載波1(3.5GHz)和載波2(2.1GHz)覆蓋，A 區(qū)域可以利用CA 技術(shù)提升上行帶寬，如圖7 右側(cè)示意圖。B區(qū)域上行只能用載波2 進(jìn)行通信。需要注意的是，由于2 個頻段不同，上行速率提升效果會受載波帶寬和上行占空比等影響。

3.3 輔助上行鏈路(SUL)技術(shù)

在Releas15 中新增了輔助上行SUL 技術(shù)，為了保證上行遠(yuǎn)點覆蓋，在小區(qū)除了配置正常中高NR 頻段，還新增了1 個低頻上行頻段，專門用來保證上行遠(yuǎn)點覆蓋。如圖8，在中高頻NR 載波上行覆蓋區(qū)域A(近中點)，使用中高頻載波上行進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。超出NR 覆蓋范圍，終端采用低頻載波上行進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送(遠(yuǎn)點)。終端可以在中高頻和低頻載波中動態(tài)選擇上行鏈路，但同一時刻只能選擇其中一條上行發(fā)送鏈路。

3.4 上行發(fā)射通道切換(Uplink Tx Switching)技術(shù)

5G 商用終端上行普遍支持2 個發(fā)射通道(2Tx)，上行同頻段雙流方式傳輸，能使帶寬最優(yōu)(翻倍)。在多頻段組網(wǎng)時，如果2 個發(fā)射通道分配給不同頻段傳輸，頻譜資源得不到最佳利用。3GPP Release 16 中引入上行發(fā)射通道切換技術(shù)(Uplink Tx Switching，UL Tx switching)，實現(xiàn)一個上行通道載波1(如3.5GHz)固定，另一個上行發(fā)射通道在載波1和載波2(2.1GHz)之間切換：載波1 進(jìn)行下行傳輸?shù)臅r間段分配給載波2 進(jìn)行上行傳輸，在載波1 進(jìn)行上行傳輸?shù)臅r間段切換到載波1，實現(xiàn)TDD-NR 上行同頻段雙流傳輸。如圖9。

Uplink Tx Switching 技術(shù)可以結(jié)合輔助上行SUL 和帶外載波聚合Inter-Band CA 技術(shù)，進(jìn)一步提升頻譜資源的利用。移動和廣電的兩網(wǎng)協(xié)同主要采用這兩種基于Uplink Tx Switching 的SUL 和Inter-Band CA 方案。

3.5 超級上行(SUL with Uplink Tx Switching)技術(shù)

SUL with Uplink Tx Switching 也被稱為超級上行，是SUL 融合上行發(fā)射通道切換技術(shù)。

SUL技術(shù)，同一時間只能有一條上行發(fā)送鏈路，且低頻段只在小區(qū)遠(yuǎn)點做上行的補(bǔ)充覆蓋，但用戶在近中點的用戶體驗和時延無改善，如圖10 左。

SUL with Uplink Tx Switching技術(shù)，上行可以有2 條上行發(fā)送鏈路，除了在遠(yuǎn)點增強(qiáng)上行覆蓋之外，還能在近中點增強(qiáng)上行容量，如圖10 右。兩者都不參與下行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

在TDD 頻段，上下行是在不同的時間發(fā)送信息。由于下載需求遠(yuǎn)大于上傳，因此TDD 上下行時間的分配是偏向下行的，主流的上行時隙、特殊時隙、下行時隙配比為2:1:7。

從圖10 右側(cè)的超級上行方案中，終端一條上行鏈路固定使用2.6GHz，另外一條上行鏈路，在小區(qū)近中點，在2.6GHz 載波TDD 下行時隙的時間段(近點綠色)，使用700MHz 輔助載波的上行傳輸數(shù)據(jù)(近點700M 橙色);到了2.6GHz 載波上行時隙的時間段，700MHz 輔助載波把上行發(fā)射通道又交還給2.6GHz載波，實現(xiàn)2.6GHz 的TDD-NR 雙流上行傳輸。由于在近中點所有時間都可以進(jìn)行上行發(fā)送，不但上行速率得以提升，還降低了下行數(shù)據(jù)反饋的時延，間接提升了下行速率。

到了遠(yuǎn)點，2.6GHz 上行無法覆蓋的區(qū)域，把上行任務(wù)完全交接給700MHz 輔助載波(遠(yuǎn)點橙色)。在此方案中，700MHz 只增強(qiáng)上行，下行仍使用2.6GHz 頻段。

3.6 時頻雙聚合(CA with Uplink Tx Switching)技術(shù)

CA with Uplink Tx Switching 技術(shù)也被稱為時頻雙聚合。是帶外聚合載波技術(shù)與上行發(fā)射通道切換技術(shù)的結(jié)合。

Inter-Band CA 技術(shù)在兩個載波都覆蓋的區(qū)域，上下行都采用載波聚合，在上行方面由于受限于終端的發(fā)射通道限制，在某些場景下對容量有負(fù)面影響。

CA with Uplink Tx Switching 技術(shù)放棄了上行的載波聚合，其上行方案和超級上行如出一轍，在TDD 的上行時隙，終端可以利用2 個發(fā)射通道同時發(fā)射數(shù)據(jù)，可以最大化使用頻譜資源。在下行保持了TDD 和FDD 的載波聚合，增強(qiáng)下行容量。如圖11 所示。

3GPP 在Release 16 中，通過Uplink Tx Switching 技術(shù)對CA 和SUL 進(jìn)行增強(qiáng)。由于SUL 是5G 新增技術(shù)，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度不足，并且SUL 載波和NR 載波的緊耦合，暫不支持跨站、跨小區(qū)，對商用部署帶來挑戰(zhàn)。CA 技術(shù)產(chǎn)業(yè)成熟度較高，支持跨站跨小區(qū)部署，并已有5G 實驗網(wǎng)的測試案例，主流終端芯片廠商有支持計劃。從產(chǎn)業(yè)鏈、網(wǎng)絡(luò)性能(覆蓋、速率和時延)、部署復(fù)雜度等方面綜合考慮，結(jié)合了Uplink Tx Switching 的CA 技術(shù)是最佳上行增強(qiáng)技術(shù)。各類上行增強(qiáng)技術(shù)性能和成熟度對比請見表3。

表3 上行增強(qiáng)技術(shù)對比

以上主要介紹了5G 700MHz 的關(guān)鍵技術(shù)。包括無線廣播技術(shù)的發(fā)展歷程、5G 無線廣播技術(shù)的解決方案，例如地面廣播模式、混合廣播模式、大塔小塔融合模式;同時介紹無線上行增強(qiáng)技術(shù)的幾個典型原理，包括3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的無線上行增強(qiáng)技術(shù)，雙連接、載波聚合、輔助上行鏈路、上行發(fā)射通道切換、超級上行、時頻雙聚合技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]《5G 廣播電視系統(tǒng)技術(shù)與規(guī)劃研究報告》(2020版).

[2] 3GPP, TS 23.246, Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description, V16.1, Sep. 24th, 2019.

[3] 3GPP, TS 36.300, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2, V16.4, Dec. 2020.

[4] 3GPP, TS 36.976, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2, V16.0, Mar. 2020.

[5] ETSI, TS 103 720, 5G Broadcast System for linear TV and radio services;LTE-based 5G terrestrial broadcast system, V1.1.1, Dec. 2020.

[6] 2020 世界5G 大會, 《5G 廣播技術(shù)方案》白皮書, V7.0 P, Nov. 2020.

[7] 《中興通訊-5G 上行增強(qiáng)技術(shù)白皮書》2020.

來源：原創(chuàng)基于咪咕TSG燈塔團(tuán)隊研究改編，李琳

【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】

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