实验室简介随着移动通信技术的发展，广电用户对移动音视频的需求快速增长。传统广播电视技术已不能满足市场需求；世界各国组织逐渐意识到5G无线网络将成为广电媒体的重要传播渠道，积极推动5G无线广播技术的发展。上一篇文章介绍了为什么700MHz是黄金通道，主要介绍了5G700M相关的概念和标准。本文主要探讨5G广播的关键技术，边学习边探索。本文的分析和研究包括无线广播技术的发展历史，5G无线广播技术解决方案，如地面广播模式、混合广播模式、大塔和小塔融合模式；同时介绍了几种典型的无线上行增强技术原理，其中3GPP标准中的手机无线上行增强技术包括双连接、载波聚合、辅助上行、上行传输信道切换、超级上行、时频等。双聚合技术。1.背景1.1无线广播技术的发展历程传统的广播电视行业利用广播电视塔（即覆盖范围>100km的大塔）提供单向广播服务，采用地面广播技术；传统移动通信行业使用通信基站（即小铁塔）提供双向通信服务，采用单播技术。这两个行业在3G时代之前并没有交集。3G时代，广电行业涌现出多种移动多媒体广播技术。ETSI（欧洲电信标准协会）于2004年发布了手持数字视频广播技术DVB-H；3GPP于2004年在Release6中发布了多媒体广播多播服务（MultimediaBroadcastMulticastService，MBMS），支持该广播技术，但这些广播技术尚未与移动通信技术融合，终端需要额外的芯片或接收器，尚未得到广泛应用[1]。4G时代，3GPP于2009年Release9首次发布了基于LTE的增强型多媒体广播组播技术（evolvedMBMS，eMBMS），实现了组播区域广播。2017年，3GPPRelease14发布了进一步演进的多媒体广播组播技术（ForwardEnhancedMultimediaBroadcastMulticastServices，FeMBMS），也称为增强型电视广播（EnhancedTV，EnTV），将大铁塔纳入移动通信标准范围第一次。它标志着移动通信技术与广播技术的真正融合。5G时代，2020年7月冻结的Release16版本基本完成了EnTV标准制定，包括无卡接收、高速移动（120-250km/s）、大覆盖（站间100km）。在正在进行的Release17中，将制定基于小塔的混合广播（MixedMode）相关标准，实现单播和组播/广播的智能切换。2019年，中国广电（中国广播电视网络有限公司）获得5G商用牌照；2020年获得700MHz（703-733/758-788MHz）频段使用许可。2020年，中国广电在3GPPRelease16会议上提出700MHz2×30/40MHz技术提案并获得通过，将原来的2×20MHz扩展为2×30/40MHz，成为全球首个5G低频段（Sub-1GHz)大带宽国际标准。同时，中国广电在Release17中积极推进对小塔混合广播（MixedMode）和5G组播业务的支持。5G组播业务将增加支持基于小塔的组播/广播的网元和架构。现有的5G网络能力。1.2中国广电与中国移动共建共享2020年5月，中国广电与中国移动签署5G共建共享合作框架协议，明确700MHz5G无线网络资源共建共享，以及中国移动付费共享2.6GHz和3G/4G/5G网络。该协议实现了双方的优势互补。广电可从无到有减轻5G建设压力，有望实现5G无线广播技术；移动可实现5G偏远地区的低成本连续覆盖和上行增强，降本增效。2021年1月，中国移动与中国广电签署了一系列具体合作协议，就建设、维护、市场、结算等具体问题进行充分沟通并达成共识。1.3中国广电700MHz频谱规划除700M外，工信部于2020年1月将4.9GHz频段授权给中国广电。由于5G广播信道规划尚未公布，基于现有频谱需求，广电科学院提出了三划分策略（见表1）。表1中国广电5G频谱划分战略战略一：在700MHz频段开展5G广播业务。700MHz以下仍用于数字电视地面广播(DTMB)。策略一的700MHz不能充分发挥5G无线网络的优势。策略二：在700MHz频段开展双向通信业务，700MHz以下频段用于5G大塔广播和DTMB。策略二对现网改造较少，充分发挥700MHz的优势，性价比高。策略三：在700MHz频段同时开展双向通信业务和5G广播业务。策略3为了实现双向通信和大塔广播共存，损失了频谱利用效率。2.5G广播技术5G（Release17之前）目前使用的广播技术一般是指从3GPPRelease9演进到现在的4GLTE广播技术。根据不同场景对广播技术的需求，5G广播技术包括两种解决方案：地面广播模式和混合广播模式（如图1所示）。图15G广播技术方案2.1地面广播方式地面方式也称大塔广播，采用基于HPHT的广播方式。非常适合在专用频谱上提供广泛覆盖的直播电视。地面广播基于EnTV，仅下行，仅广播，适用于大面积和静态传输区域。EnTV使用LTE数据业务的普通网元，新增BMSC、MBMSGW、MCE3个网元支持FeMBMS业务。技术系统架构图见图2。图2HPHT系统架构图BMSC（BroadcastMulticastServiceCenter）负责提供用户管理、会话传输、服务声明、安全管理和内容同步等功能。对于内容提供商来说，BMSC是MBMS业务内容分发的入口；对于承载网，BMSC负责授权、发起广播/组播业务、调度、传输内容等功能。MBMS网关（MBMSGateway，MBMSGateway）负责处理MBMS业务的分发和控制，由控制面和用户面功能组成。控制平面通过MME（MobilityManagementEntity，移动管理实体）处理MBMS业务的会话控制信令，并将MBMS会话控制信令（Sessionstart/stop）发送给基站。用户面通过广播/组播的方式，以IP组播流的形式向基站传输数据。MCE（Multi-cell/multicastCoordinationEntity，多播协调实体）负责为eMBMS分配时域和频域资源，并决定无线信道的编码和调制方式。MCE可以是一个独立的实体，也可以是一个逻辑实体。在基站。在组网方式上，不仅可以支持多播广播单频网络（MBSFN），让多个小区组成更大的单频网络；它还可以支持单小区广播（SingleCell-PointtoMultipoint，SC-PTM）组网方式，在单个小区内进行广播。EnTV技术基于4GLTE核心网，尚未接入5GC，暂无终端芯片支持。未来在广电5G网络中如何实现，目前还不得而知。2.2混合广播模式混合广播模式（MixedMode）也称为小塔广播，采用基于低功率小塔（LowPowerLowTower，LPLT）的广播模式。混合广播模式基于5GNR，可以在单播、组播和广播之间动态切换，支持上下行双向数据传输，可以动态配置从单个小区到大区域的覆盖，可以通过单播复用和无缝切换。在混合模式下，可用资源由单播、组播和广播服务使用相同的物理信道共享；这种资源共享可以在相同的子帧中执行（与LTE中的SC-PTM相同的概念），或者允许在使用小规模SFN部署（类似于MBSFN）的不同子帧中执行，促进服务之间的无缝过渡。混合广播模式的相关标准将在3GPPRelease17中制定。2.3大塔和小塔融合模式大功率大塔广播是广电行业传统的广播方式。其特点是覆盖面广、效率高。适合提供公共服务，但不能提供交互服务；低功率小塔是指移动通信基站。可提供个性化、互动性服务、高科技视频服务等，但覆盖面小，广域覆盖成本高。大功率大塔与小功率小塔融合，不仅可以提供以广播、直播、应急通信为代表的单下行业务，还可以提供点播、游戏、音视频等双向业务.不同传输方式的业务支撑能力如表2所示。表2大铁塔和小铁塔服务能力对比在实际部署中，推荐采用大铁塔和小铁塔共覆盖的网络架构方案。如图3所示。即公共内容和直播业务可以通过广播核心网和通信核心网EnTV播出，个性化内容和互动业务可以通过小铁塔覆盖。图35G广播整体架构示意图3.无线上行增强技术5G网络拥有大带宽基础，并有MassiveMIMO、Beamforming等技术支持，使系统在速率和覆盖上有很好的表现的下行链路方向。但在上行方向，终端的发射功率受辐射指标限制，天线数量受终端体积限制，使得上行覆盖范围有限，远小于下行覆盖范围.在上行无法覆盖的区域，连接中断，无法单独使用下行。在Release15中，3GPP引入了多种上行增强技术来解决上行覆盖问题。图45G网络上行覆盖不足3.1E-UTRA-NR双连接（E-UTRA-NRDualConnectivity）技术为兼顾上行覆盖，5G早期采用非独立组网（NSA）模式，采用组网方案3X，4G负责控制面，5G作为容量补充。3GPP在Release15中定义了5G双连接技术（E-UTRA-NRDualConnectivity，EN-DC）以实现增强的上行覆盖。基站下行在4G和5G上同时发送信息，容量为两个载波之和。对于上行链路，终端使用1个传输通道（1Tx）分别在4G和5G上发送数据。一旦手机移出5G的覆盖范围，4G的容量和覆盖仍然可以得到保证。图5EN-DC技术NSA只是过渡方案，5G最终会走独立部署（SA）路线。5G定义的FR1频谱覆盖了450MHz到6GHz的范围。为了解决上行覆盖问题，将部分FDD低频段频谱（如700MHz）分配给5G，将这些低频段和中频段结合起来部署到5G中。它将提高网络的容量和上行链路覆盖范围。对于这种中低频结合的解决方案，3GPP在Release15中还引用了另外两种上行链路增强技术：5G补充上行链路（SUL）技术和5G载波聚合（CarrierAggregation，CA）技术。3.2载波聚合（CarrierAggregation）技术CA技术最早定义于3GPP发布的Release10。为终端聚合2~5个相同频段或不同频段的分量载波，提高上下行传输速率，解决运营商的难题。不连续频带中的资源利用。根据载波所在的频段，又细分为频段内的载波聚合，即带内载波聚合（Intra-BandCA）和频段间的载波聚合，即带外载波聚合（带间CA）。CA技术已在全球范围内成熟商用，并在5G时代继续发挥作用[7]。在带内载波聚合的上行方向，由于同频的两个载波可以使用同一个传输信道，上行速率得到显着提升。如图6左侧所示，3.5GHz频段的两个载波聚合后，单用户上行速率提升近一倍。图6带内CA（Intra-BandCA）Out-of-bandCA适用于多个不同频段的无线运营商同时覆盖的区域，如图7左示意图所示，它不仅提高上行速率的同时也提高了覆盖范围。A区同时被载波1（3.5GHz）和载波2（2.1GHz）覆盖。A区可以使用CA技术增加上行带宽，如图7右图所示。B区上行只能使用载波2进行通信。需要注意的是，由于两个频段不同，上行速率提升效果会受到载波带宽和上行占空比的影响。图7Inter-BandCA3.3Supplementaryuplink(SUL)technology在Releas15中增加了补充上行链路SUL技术。为了保证上行远点覆盖，除了在小区配置正常的中高NR频段外，新增一个低频上行频段，专门用于保证上行远点覆盖.如图8所示，在中高频NR载波上行覆盖区域A(中点附近)，中高频载波用于上行数据传输。在NR覆盖之外，终端使用低频载波上行发送数据（远点）。终端可以在中高频和低频载波中动态选择上行，但同时只能选择其中一条上行传输链路。图8辅助上行SUL技术3.4UplinkTxSwitching技术5G商用终端的上行一般支持两个发射通道（2Tx），同频段上行双流传输可以优化（加倍）带宽。在多频段组网中，如果将两个传输通道分配到不同的频段进行传输，频谱资源将得不到最佳利用。3GPPRelease16引入了uplinkTxSwitching（ULTxswitching），实现了一个上行信道carrier1（比如3.5GHz）固定，另一个上行传输信道在carrier1和carrier2（2.1GHz）之间。切换：下行传输时段将载波1分配给载波2进行上行传输，在载波1的上行传输时段切换到载波1，实现同频段TDD-NR上行双流传输。如图9所示。图9UplinkTxSwitchingTechnologyUplinkTxSwitchingTechnologyUplinkTxSwitching技术可以与辅助的上行SUL和带外载波聚合Inter-BandCA技术相结合，进一步提高频谱资源的利用率。移动和广电两网的协同主要采用基于UplinkTxSwitching的SUL和Inter-BandCA这两种解决方案。3.5SuperUplink（SULwithUplinkTxSwitching）技术SULwithUplinkTxSwitching，又称SuperUplink，是一种SUL集成的上行传输信道切换技术。采用SUL技术，一次只能有一个上行传输链路，低频段仅提供小区远点的上行补充覆盖，但近中点的用户体验和时延不受影响提高，如图10左所示。SULwithUplinkTxSwitching技术，上行可以有2条上行传输链路，除了增强远点的上行覆盖外，还可以增强近点和中点的上行容量，如图10右图。两者都不参与下行数据的发送。图10SUL和SULwithUplinkTxSwitching在TDD频段中，上行链路和下行链路在不同时间传输信息。由于下载需求远大于上传，TDD上下行时间分配偏向于下行。主流上行时隙、特殊时隙、下行时隙的比例为2:1:7。从图10右侧的超级上行方案来看，终端的一个上行固定使用2.6GHz，另一个上行在小区中点，在2.6的TDD下行时隙时间段内GHz载波（近点绿色），使用700MHz辅助载波（近点700M橙色）的上行传输数据；当到达2.6GHz载波的上行时隙时，700MHz辅助载波将上行传输信道返回给2.6GHz载波，实现2.6GHzTDD-NR双流上行传输。由于在中点附近可以一直进行上行传输，不仅提高了上行速率，还减少了下行数据反馈的延迟，间接提高了下行速率。在2.6GHz上行无法覆盖的远点，上行任务完全交给700MHz辅助载波（远点为橙色）。在该方案中，700MHz仅增强了上行，下行仍使用2.6GHz频段。3.6时频双聚合（CAwithUplinkTxSwitching）技术CAwithUplinkTxSwitching技术也称为时频双聚合。它是带外聚合载波技术和上行传输信道切换技术的结合。Inter-BandCA技术在两个载波覆盖的区域中对上行链路和下行链路使用载波聚合。在上行链路，由于终端传输信道的限制，在某些场景下会对容量产生负面影响。具有UplinkTxSwitching技术的CA放弃了上行链路载波聚合。其上行方案与超级上行相同。在TDD上行时隙中，终端可以使用两个传输信道同时传输数据，可以最大限度地利用频谱资源。下行保持TDD和FDD的载波聚合，增强下行容量。如图11所示。图11Inter-BandCA和CAwithUplinkTxSwitching3GPP在Release16中，通过UplinkTxSwitching技术增强了CA和SUL。由于SUL是5G新技术，产业链成熟度不足，SUL载波与NR载波紧密耦合，暂时不支持跨站点、跨小区，给商用部署带来挑战。CA技术行业成熟度较高，支持跨站点、跨小区部署，已有5G实验网测试案例，主流终端芯片厂商均有支持计划。综合考虑产业链、网络性能（覆盖、速率、时延）、部署复杂度，CA技术结合UplinkTxSwitching是最好的上行增强技术。各种上行链路增强技术的性能和成熟度对比见表3。表3上行增强技术对比以上主要介绍了5G700MHz的关键技术。包括无线广播技术的发展历史，5G无线广播技术解决方案，如地面广播模式、混合广播模式、大塔与小塔融合模式；同时介绍了无线上行增强技术的几个典型原理，包括3GPP标准中的无线上行增强技术、双连接、载波聚合、辅助上行、上行传输信道切换、超级上行、时频双聚合技术。参考文献[1]《5G 广播电视系统技术与规划研究报告》（2020版）[2]3GPP、TS23.246、多媒体广播/多播服务（MBMS）；架构和功能描述，V16.1，2019.9.24.[3]3GPP、TS36.300、演进的通用陆地无线接入（E-UTRA）和演进的通用陆地无线接入网络（E-UTRAN）；整体描述；第2阶段，V16.4，2020年12月。[4]3GPP、TS36.976、演进通用陆地无线接入(E-UTRA)和演进通用陆地无线接入网络(E-UTRAN)；整体描述；第2阶段，V16.0，2020年3月。[5]ETSI，TS103720，用于线性电视和无线电服务的5G广播系统；基于LTE的5G地面广播系统，V1.1.1，2020年12月。[6]2020世界5G大会，白皮书《5G 广播技术方案》，V7.0P，2020年11月[7]2020年。来源：根据咪咕TSG烽火台研究原创改编，李琳【本文为专栏作家《移动实验室》原创稿件，转载请联系原作者】点此阅读更多作者好文
