5G通信廣播融合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

田 宇

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，5G在各類(lèi)新媒體、平臺(tái)中推廣應(yīng)用，與廣播電視結(jié)合后研發(fā)出5G通信廣播融合系統(tǒng)，在改善廣播電視畫(huà)面質(zhì)量、加速?gòu)V電信號(hào)傳輸方面具有較大優(yōu)勢(shì)。廣播電視作為媒體行業(yè)中的資深行業(yè)，對(duì)全媒體發(fā)展具有促進(jìn)作用，各大廣電機(jī)構(gòu)從業(yè)者應(yīng)認(rèn)清行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，主動(dòng)迎接挑戰(zhàn)，將5G通信技術(shù)與廣播行業(yè)有機(jī)融合，依靠融合系統(tǒng)的力量使廣播行業(yè)實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。

1 5G通信廣播融合系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 加速?gòu)V播電視信號(hào)傳輸

5G廣播融合系統(tǒng)可以使廣播信號(hào)更加穩(wěn)定，加快信號(hào)傳輸速度，還可以免受外界因素干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。在廣電發(fā)展期間，5G通信技術(shù)可以滿足用戶在線高清觀看與快捷緩存的需求。特別是在高清4K標(biāo)準(zhǔn)模式下，5G基站的覆蓋面積逐漸擴(kuò)大，能夠?yàn)橛脩羧后w帶來(lái)更好的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。在融合系統(tǒng)應(yīng)用中，高級(jí)硬件與5G通信有機(jī)配合不但能夠高清播放電視節(jié)目，還能促進(jìn)集成化程度提升。在電視信號(hào)傳輸中，依靠5G通信技術(shù)將其穩(wěn)定傳輸?shù)叫旅襟w平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房?jī)?nèi)，即便在復(fù)雜環(huán)境下仍可確保傳輸穩(wěn)定，依靠數(shù)字光纖收發(fā)設(shè)備進(jìn)行信息備份，確保節(jié)目穩(wěn)定播出。

1.2 優(yōu)化廣播電視畫(huà)面質(zhì)量

針對(duì)以往電視圖像失真的問(wèn)題，在5G通信技術(shù)應(yīng)用后可以使信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定。利用相同設(shè)備同時(shí)開(kāi)展多項(xiàng)業(yè)務(wù)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)資源高效利用，優(yōu)化廣播電視畫(huà)面質(zhì)量。在廣電行業(yè)中，通過(guò)融合系統(tǒng)的應(yīng)用還能促進(jìn)資源高效配置，即便在復(fù)雜狀態(tài)下仍可精準(zhǔn)篩選出精品節(jié)目。該系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較高，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備并定期維護(hù)管理，這就需要從業(yè)者不斷提高自身技能與素養(yǎng)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。

2 5G通信廣播融合系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 空口技術(shù)

融合系統(tǒng)擁有與前代通信系統(tǒng)不同的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在廣播與單播空口資源切分方面。5G廣播利用單播一體化設(shè)計(jì)模式，使會(huì)話管理與業(yè)務(wù)解耦，依靠現(xiàn)有單播網(wǎng)元功能刺激組播的應(yīng)用，使移動(dòng)性管理目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。在流程與功能方面，除基礎(chǔ)的會(huì)話、業(yè)務(wù)功能之外，還要求運(yùn)營(yíng)商按照實(shí)際需求部署網(wǎng)元，節(jié)約投資。在融合系統(tǒng)中，空口技術(shù)的應(yīng)用可使廣播與單播的業(yè)務(wù)資源有機(jī)結(jié)合。融合狀態(tài)的空口技術(shù)可在物理層基礎(chǔ)上對(duì)共享信道進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，促進(jìn)資源優(yōu)化配置，同時(shí)還支持單播混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）共享機(jī)制，使終端對(duì)硬件的改動(dòng)程度得以降低，有助于產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。在動(dòng)態(tài)單組播技術(shù)應(yīng)用中，利用統(tǒng)一組播承載框架，在組播業(yè)務(wù)體驗(yàn)度降低的情況下依靠基站調(diào)整組播動(dòng)態(tài)，將其切換成單播，從而提高業(yè)務(wù)質(zhì)量。同時(shí)，還可在核心網(wǎng)基礎(chǔ)上對(duì)分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）序列進(jìn)行優(yōu)化配置，加快基站內(nèi)數(shù)據(jù)包的傳輸速度，有效彌補(bǔ)組播業(yè)務(wù)持續(xù)性的不足[2]。

2.2 切片式子帶濾波器增強(qiáng)方案

在通信方式層面，廣播與5G通信網(wǎng)有所區(qū)別，在頻譜應(yīng)用形式上也明顯不同。前者利用下行鏈路，頻譜為下行規(guī)劃，后者則利用上下雙向鏈路，頻譜規(guī)劃也與之相對(duì)應(yīng)。要想使廣播中的低頻譜適用于融合系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)上下行鏈路中頻譜共存[3]。以700 MHz頻段中的融合系統(tǒng)為例，針對(duì)廣播塔在該頻段受到的干擾，應(yīng)利用特定的組網(wǎng)方式，業(yè)務(wù)開(kāi)展主要采用下行鏈路。針對(duì)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的宏基站受干擾情況進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的清退方案，確保融合系統(tǒng)的正常使用。針對(duì)基站在干擾狀態(tài)下難以完成上行信號(hào)發(fā)射的問(wèn)題，可在干擾圖譜基礎(chǔ)上制定避讓方案，對(duì)廣播信號(hào)的跳頻部署進(jìn)行優(yōu)化，確保終端可準(zhǔn)確避讓接入系統(tǒng)，使配置與業(yè)務(wù)2個(gè)信道均處于低干擾的環(huán)境下。

根據(jù)干擾源設(shè)計(jì)更加靈活的子帶濾波器電路，并結(jié)合廣播塔的實(shí)際干擾特點(diǎn)選取與之相匹配的濾波器。對(duì)于沒(méi)有安裝濾波器的設(shè)備，當(dāng)受到廣播塔干擾時(shí)，其信號(hào)與周?chē)l段相比有所區(qū)別，在16～24 MHz頻譜內(nèi)無(wú)法使用。在安裝子帶濾波器后，只有固定幾個(gè)頻譜無(wú)法使用，剩余均可恢復(fù)正常使用，從整體上提高了頻譜的應(yīng)用率[4]。帶濾波器規(guī)避干擾方案如圖1所示。

圖1 帶濾波器規(guī)避干擾方案

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

在融合系統(tǒng)應(yīng)用中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將業(yè)務(wù)面橋接、控制面統(tǒng)一的接入網(wǎng)納入到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，使用戶的業(yè)務(wù)需求得到滿足，還可保證電信運(yùn)營(yíng)商在接入網(wǎng)層面的運(yùn)維要求。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新，不但能夠使控制面統(tǒng)一匯聚起來(lái)實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)迅速開(kāi)通，還有助于業(yè)務(wù)面的橋接，滿足運(yùn)營(yíng)雙方在網(wǎng)絡(luò)管理方面的新需求。依靠核心網(wǎng)的橋接管理，實(shí)現(xiàn)二者在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)方面的統(tǒng)一，達(dá)到安全隔離的目的[5]。在融合組網(wǎng)架構(gòu)后，可利用低頻融合進(jìn)行中頻性能補(bǔ)充，促進(jìn)中頻段覆蓋范圍擴(kuò)大、上行速率提升。但對(duì)于700 MHz頻段來(lái)說(shuō)，在覆蓋性能方面與中低頻相差較為顯著，可針對(duì)非共站部署的差異對(duì)上行載波輪方案進(jìn)行創(chuàng)新，在邊界感知基礎(chǔ)上進(jìn)行多頻協(xié)同切換，促進(jìn)部署靈活性提升和組網(wǎng)性能完善[6]。

2.4 創(chuàng)建“網(wǎng)絡(luò)＋業(yè)務(wù)”共享模式

5G網(wǎng)絡(luò)可使廣播業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量得到良好改善，與傳統(tǒng)廣電運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)質(zhì)資源相結(jié)合，充分發(fā)揮平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建“網(wǎng)絡(luò)＋業(yè)務(wù)”的共享模式，促進(jìn)融媒體生態(tài)生成。以往廣播業(yè)務(wù)中不具備定向傳輸?shù)募寄?，且業(yè)務(wù)終端模式較少，難以滿足5G產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)建要求。在5G通信技術(shù)引入后，依靠移動(dòng)通信進(jìn)行資源高效配置，可使單播與組播自由切換，還可憑借5G設(shè)備形態(tài)按照實(shí)際需求確定傳輸方向。除此之外，5G終端形態(tài)較為豐富，具有較強(qiáng)移動(dòng)性，可使廣播業(yè)務(wù)更加靈活，促進(jìn)多屏互動(dòng)[7]。

3 5G通信廣播融合系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

3.1 “5G＋4K超高清”在電視中的應(yīng)用

在2019年“兩會(huì)”期間，廣西廣電與中國(guó)聯(lián)通建立合作關(guān)系，將融合系統(tǒng)應(yīng)用到新聞直播中，并首次利用“5G＋4K超高清”技術(shù)進(jìn)行直播。北京聯(lián)通在金融街周?chē)采w了5G網(wǎng)絡(luò)，下行傳輸速率為1 966 Mb/s，速率均值為1 853.2 Mb/s。在4K攝像設(shè)備應(yīng)用中，選擇型號(hào)為AG-DVX200的設(shè)備，具有13倍光學(xué)變焦功能。4K攝像機(jī)在畫(huà)面捕捉方面更具優(yōu)勢(shì)，在形成視頻流后，經(jīng)過(guò)編碼可傳輸?shù)?G 終端接入設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）內(nèi)。需要注意的是，本次所用的CPE并非普通中繼器，不僅能對(duì)Wi-Fi信號(hào)中繼處理，而且還能進(jìn)行基站信號(hào)中繼。在本次直播中能夠充分感受到融合系統(tǒng)在畫(huà)面改善、網(wǎng)絡(luò)傳輸提速方面的應(yīng)用價(jià)值，后續(xù)研究中還可營(yíng)造出更好的高帶寬、低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，依靠5G技術(shù)促進(jìn)廣電技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化，為整個(gè)行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持[8]。

3.2 “5G＋廣播”可視化直播

以某音樂(lè)節(jié)為例，廣電機(jī)構(gòu)與中國(guó)移動(dòng)攜手借助5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化直播。在融合系統(tǒng)應(yīng)用中，投入4個(gè)攝像頭，其中2個(gè)攝像頭為5G移動(dòng)終端，這也是本次直播的亮點(diǎn)所在，剩余2個(gè)攝像頭因拍攝畫(huà)面不支持5G，需要將信號(hào)傳遞到其他設(shè)備中，待成為視頻流后再用支持5G的CPE完成信號(hào)傳輸運(yùn)作。在直播期間，利用4G與5G進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，在開(kāi)場(chǎng)后2 h，現(xiàn)場(chǎng)觀眾數(shù)量不斷增加，4G信號(hào)使用需求已經(jīng)無(wú)法滿足，偶爾出現(xiàn)信號(hào)弱、中斷情況，而5G信號(hào)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。本次直播時(shí)長(zhǎng)為9 h，時(shí)間跨度較大，5G設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中普遍出現(xiàn)發(fā)熱、耗電量大等情況，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸穩(wěn)定性[9]。對(duì)于融合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期處于高效、大規(guī)模運(yùn)行狀態(tài)下面臨較大的挑戰(zhàn)，后續(xù)研究中亟需解決。

3.3 C波段廣電衛(wèi)星接收與干擾屏蔽

C波段廣電衛(wèi)星工作頻率與中國(guó)聯(lián)通、電信的5G頻譜較為相近，在運(yùn)行期間容易相互干擾。按照國(guó)際電聯(lián)報(bào)告，當(dāng)干擾信號(hào)超過(guò)設(shè)定值后便會(huì)產(chǎn)生飽和干擾，主要表現(xiàn)為廣電信號(hào)無(wú)音頻輸出，畫(huà)面中出現(xiàn)花屏或馬賽克等情況。針對(duì)信號(hào)干擾問(wèn)題，最行之有效的方式便是在接收設(shè)備中安裝濾波器。安裝前、后的信號(hào)頻譜情況如圖2和圖3所示。

圖2 濾波器安裝前的頻譜

圖3 濾波器安裝后的頻譜

在安裝前，末端帶有一定的干擾信號(hào)。待安裝后，相同接收強(qiáng)度的情況下末端已經(jīng)無(wú)干擾信號(hào)，這意味著濾波器能夠有效抑制超過(guò)55 dB的噪聲，值得推廣應(yīng)用[10]。

4 結(jié) 論

在5G時(shí)代背景下，通過(guò)5G通信技術(shù)與廣電結(jié)構(gòu)的有機(jī)融合，將其應(yīng)用到廣電信號(hào)傳輸、編碼以及干擾抑制等工作中，幫助加快信號(hào)傳輸速率、改善畫(huà)面質(zhì)量，同時(shí)還能抑制相鄰頻道產(chǎn)生的噪聲干擾，在可視化直播、超高清畫(huà)面播放等領(lǐng)域具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。