5G 廣播與地面數(shù)字電視廣播技術(shù)方案比較

董 雷，王瑞明，夏治平

（1.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2.新拓尼克（北京）科技研發(fā)中心有限公司，北京 100102；3.國家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院，北京 100866）

0 引 言

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）推薦的第一代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)主要有DVB-T，ISDB-T，ATSC 以及DTMB，第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)主要有ATSC 3.0，DVB-T2 和DTMB-A。同時(shí)，CMMB，ISDB-T 1seg 和DVB-T2 lite 等標(biāo)準(zhǔn)也都支持移動接收。傳統(tǒng)廣播電視行業(yè)也在努力將自己的業(yè)務(wù)范圍向移動接收終端擴(kuò)展。

2002 年，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）啟動了多媒體廣播多播業(yè)務(wù)（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），即Release 6 版本的研發(fā)工作。MBMS 支持多媒體廣播和組播兩種業(yè)務(wù)模式。MBMS 在后來的Release 7、Release 8 版本的3G 系統(tǒng)中已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)，但是仍然無法滿足用戶和運(yùn)營商對手機(jī)電視業(yè)務(wù)的強(qiáng)烈需求。

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），正式確定將eMBMS 作為4G 廣播技術(shù)。

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，F(xiàn)eMBMS），也叫作增強(qiáng)電視廣播（Enhanced TV），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。

2020 年3 月凍結(jié)的Release 16 版本[1]基本完成廣播大塔廣播標(biāo)準(zhǔn)制定，支持無卡接收、高速移動（120 ～250 km·s-1）、大覆蓋（站間距100 km）等。

2022 年，Release 17 版本[2]引入了無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）增強(qiáng)功能，采用30，35，40 物理資源塊（Physical Resource Blocks，PRBs）的物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）帶寬（對應(yīng)6 MHz、7 MHz、8 MHz）和適用于15 或25 PRBs 的小區(qū)采集子幀（Cell Acquisition Subframe，CAS）帶寬（對應(yīng)3 MHz、5 MHz），以支持在廣播UHF 頻譜中部署基于LTE 的5G 地面廣播。

本文比較了基于3GPP Release 16 和Release 17版本5G 廣播、第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)ATSC 3.0和DVB-T2 等標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù)性能。

1 5G 廣播技術(shù)的特點(diǎn)

5G 廣播的幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。多媒體廣播單頻網(wǎng)（Multimedia Broadcast Single Frequency Network，MBSFN）區(qū)域子幀可以采用多種子載波間距。對于采用?f=7.5 kHz，?f=2.5 kHz 和?f=1.25 kHz 的子幀，MBSFN 區(qū)域被定義為一個(gè)1 ms 的時(shí)隙。對于采用?f≈0.37 kHz 的子幀，MBSFN 區(qū)域被定義為一個(gè)3 ms 的時(shí)隙。圖1（a）展示的幀結(jié)構(gòu)類型用于370 Hz SCS 以外參數(shù)的子載波，1.25 kHz SCS 的每個(gè)時(shí)隙長度為1 ms；圖1（b）展示的幀結(jié)構(gòu)類型用于370 Hz SCS 的子載波；CAS 是非MBSFN 子幀，使用15 kHz SCS 參數(shù)。5G 廣播中參數(shù)集選項(xiàng)如表1 所示。

表1 基于Release 16 的5G 廣播OFDM 參數(shù)集選項(xiàng)

圖1 5G 廣播的幀結(jié)構(gòu)

2 5G 廣播與地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)比較

5G 廣播與地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)比較主要在頻譜帶寬、帶寬效率、編碼、時(shí)間內(nèi)交織和層分復(fù)用、峰值數(shù)據(jù)速率、峰值頻譜效率、比特交織編碼調(diào)制（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）頻譜效率、站間距離（Inter-Site Distance，ISD）等方面。

2.1 頻譜帶寬和帶寬效率的比較

帶寬定義為最大聚合系統(tǒng)帶寬。表2 列出了5G 廣播和第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的頻譜帶寬比較。5G 廣播帶寬效率如表3 所示。第二代地面數(shù)字電視系統(tǒng)的帶寬效率如表4 所示。

表2 5G 廣播和地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的頻譜帶寬比較

表3 5G 廣播的帶寬效率

表4 第二代地面數(shù)字電視系統(tǒng)（包括CMMB）的帶寬效率

2.2 編碼的比較

DVB-T2 和ATSC 3.0 等第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)均采用LDPC+BCH 編碼方式，而FeMBMS 采用Turbo 編碼方式。采用LDPC 的地面數(shù)字電視系統(tǒng)比FeMBMS 具有更好的BICM 頻譜效率。在高斯白噪聲（White Gaussian Noise，AWGN）信道下，ATSC 3.0 的最新LDPC 碼和非均勻星座（Non Uniform Constellations，NUC）組合與FeMBMS 的Turbo 碼、QAM 相比，可提供高出約1 ～2 dB 的增益。

2.3 時(shí)間交織器的比較

時(shí)間交織器將由嚴(yán)重衰落信道引起的突發(fā)錯誤擴(kuò)展為隨機(jī)錯誤，以便接收器能夠成功解碼。地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中的時(shí)間交織器在惡劣的衰落環(huán)境中顯示出顯著的性能優(yōu)勢。FeMBMS 為了支持單播傳輸?shù)难舆t要求，旨在最大限度地減少延遲，不允許設(shè)置時(shí)間交織器。因此，在高速惡劣的移動衰落信道環(huán)境下，F(xiàn)eMBMS 與地面數(shù)字電視相比，就需要較高的載噪比（Carrier Noise Ratio，CNR）。

2.4 層分復(fù)用的比較

ATSC 3.0 采用更為靈活的層分復(fù)用（Layered Division Multiplexing，LDM）技術(shù)。與傳統(tǒng)的時(shí)分和頻分復(fù)用方案相比，LDM 具有顯著的性能增益（3 ～9 dB）。在LDM 系統(tǒng)中，由于下層信號固定接收業(yè)務(wù)的插入，人為降低了覆蓋區(qū)內(nèi)上層信號的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），充分利用了被浪費(fèi)的發(fā)射功率，進(jìn)而得到了更大的系統(tǒng)傳輸容量。而FeMBMS 不支持層分復(fù)用技術(shù)，因此，F(xiàn)eMBMS 的靈活性和頻譜效率均不如ATS C3.0 第二代地面數(shù)字電視系統(tǒng)。

2.5 峰值數(shù)據(jù)速率與峰值頻譜效率的比較

峰值數(shù)據(jù)速率為系統(tǒng)支持的有效載荷的最大傳輸容量。峰值頻譜效率可計(jì)算為峰值數(shù)據(jù)速率除以系統(tǒng)的最大帶寬（Band Width，BW）。

式中：Esp為峰值頻譜效率，Rdp為峰值數(shù)據(jù)速率，W為系統(tǒng)最大帶寬。

FeMBMS 將同步、采集和系統(tǒng)信息所需的信令被進(jìn)一步壓縮并打包到新的設(shè)計(jì)中。通過最小化同步，獲取系統(tǒng)信息所需的信令并將其移入新定義的CAS 中，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%廣播資源分配的配置以及幾乎100%廣播分配（97.5%）的專用載波配置，每40 個(gè)子幀發(fā)送一次的捕獲子幀（CAS）（即2.5%的信令開銷）。每個(gè)CAS 出現(xiàn)在連續(xù)的39 MBSFN 子幀之后/之前。

對于5G 廣播，峰值數(shù)據(jù)速率是每個(gè)時(shí)間傳輸間隔（ Transmission Time Interval，TTI）傳輸?shù)淖畲髠鬏攭K大小（Transport Block Size，TBS），不包括CAS 持續(xù)時(shí)間。峰值數(shù)據(jù)速率計(jì)算如下：

式中：NTBS可以從ETSI TS 136 213 中的表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.1-1A 獲得，T是以秒為單位的子幀持續(xù)時(shí)間。39/40意味著5G廣播數(shù)據(jù)子幀的數(shù)目為39（一個(gè)數(shù)據(jù)幀包含40 個(gè)子幀）。

FeMBMS的空中接口參數(shù)包括MBSFN和SC-PTM（Single-Cell Point-to-Multipoint）。選擇不同的調(diào)制與編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）指標(biāo)來提供不同頻譜效率下的系統(tǒng)性能。對于MBSFN 和SC-PTM 配置，每個(gè)MCS 索引采用不同的調(diào)制和傳輸塊大小，這與碼率直接相關(guān)。根據(jù)3GPP規(guī)范，MCS0—MCS9 對應(yīng)QPSK，MCS10—MCS16 對應(yīng)16QAM，MCS17—MCS27 對應(yīng)64QAM，MCS28—MCS34 對應(yīng)256QAM[5]。

當(dāng)使用MCS34時(shí)，用于5 MHz FeMBMS的NTBS最大為21 384 bit，而峰值數(shù)據(jù)速率達(dá)到20.85 Mb·s-1。計(jì)算過程如下：

同樣可以計(jì)算出，當(dāng)使用MCS9 時(shí)，用于5 MHz FeMBMS 的NTBS最大為4 008 bit，而峰值數(shù)據(jù)速率達(dá)到3.91 Mb·s-1。

對于ATSC 3.0 標(biāo)準(zhǔn)，單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）的峰值數(shù)據(jù)速率只考慮6 MHz系統(tǒng)帶寬的典型值，計(jì)算可得到峰值數(shù)據(jù)速率為58.69 Mb·s-1。因此，峰值頻譜效率為

圖3 比較了AWGN 信道中FeMBMS，DVB-T2和ATSC3.0 標(biāo)準(zhǔn)的峰值頻譜效率。

圖3 AWGN 信道中峰值頻譜效率比較

2.6 BICM 峰值頻譜效率比較

BICM 峰值頻譜效率取決于最大調(diào)制階數(shù)和有效碼率。峰值頻譜效率定義為所使用的每個(gè)信道的比特?cái)?shù)（bpc），它是系統(tǒng)支持的最大頻譜效率。

式中：m是每個(gè)子載波的比特?cái)?shù)，Rc是編碼率（Coding Rates，CR）。對于FeMBMS：

式中：Nb是子幀內(nèi)可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。每個(gè)MCS 索引提供不同的有效碼率，因?yàn)樗鼈兣c特定的TBS 直接相關(guān)。數(shù)據(jù)的可用位計(jì)算如下：

式中：NRB是使用的RBs 資源塊的數(shù)目，Nsymb是專用于PTM 服務(wù)的每個(gè)RB 資源塊的OFDM 符號數(shù)，是每個(gè)RB 的子載波數(shù)，NRS是每個(gè)RB 的參考信令數(shù)。

對于5 MHz 帶寬、1.25 kHz SCS 的FeMBMS，當(dāng)MCS 指數(shù)為34 時(shí)，采用256QAM 時(shí)，m=8，NRB=25，Nsymb=1，=144，NRS=24，ITBS=32 和NTBS=21 384 時(shí)的峰值BICM 頻譜效率計(jì)算如式（8）、式（9）所示。物理資源塊參數(shù)如表6 所示。

表6 物理資源塊參數(shù)

ATSC 3.0 標(biāo)準(zhǔn)通常提供單一的6 MHz 帶寬分配[6]。本文只分析6 MHz帶寬的峰值BICM頻譜效率。ATSC 3.0 標(biāo)準(zhǔn)和MBSFN 的峰值BICM 頻譜效率比較如表7 所示。

表7 ATSC 3.0 和MBSFN 的BICM 峰值頻譜效率

2.7 BICM 頻譜效率與CNR 的比較

為了評估不同配置的影響，本節(jié)比較了高斯白噪聲、萊斯、瑞利等不同信道場景下的BICM 頻譜效率基于CNR 門限變化的曲線。LTE 配置都使用5 MHz 的帶寬，MBSFN 始終使用?f=1.25 kHz 的子載波間隔。

2.7.1 高斯白噪聲信道

圖4 顯示了針對SC-PTM，MBSFN，DVB-T2和 ATSC 3.0 的BICM 頻譜效率與AWGN 信道中所需CNR 的關(guān)系。從圖4 可以看出，與SC-PTM 和MBSFN 相比，ATSC 3.0 和DVB-T2 都能夠提供比較高的頻譜效率，尤其是對于高CNR。

圖4 AWGN 信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關(guān)系

2.7.2 瑞利信道

圖5 顯示了具有兩個(gè)發(fā)射和接收天線的獨(dú)立同分布瑞利信道的BICM頻譜效率與所需CNR的比較。ATSC 3.0 和SC-PTM 使用兩個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線，而MBSFN 采用1×2 單輸入多輸出方案。

圖5 瑞利信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關(guān)系

從圖5 可以看出，MBSFN 和SC-PTM 的整體性能略遜于ATSC 3.0 和DVB-T2 標(biāo)準(zhǔn)。

2.7.3 萊斯信道

圖6 描述了萊斯信道模型的BICM 頻譜效率和所需的CNR。在相同的CNR 下，ATSC 3.0 和DVB-T2 的BICM 性能均優(yōu)于SC-PTM 和MBSFN。

圖6 萊斯信道的BICM 頻譜效率與CNR 的關(guān)系

2.8 ISD（站間距離）比較

為了解決大距離SFN 覆蓋問題和高速移動接收的魯棒性問題，Rel-16 中引入了更長的300 μs循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP），使得單頻網(wǎng)內(nèi)發(fā)射機(jī)間距更大，更有效地發(fā)揮了HPHT 的廣電傳統(tǒng)優(yōu)勢，同時(shí)，更長的CP 也增強(qiáng)了接收機(jī)應(yīng)對多徑信號的能力。

DVB-T2 和ATSC 3.0 都提供了不同的保護(hù)間隔參數(shù)，可以根據(jù)選擇不同的FFT 模式和保護(hù)間隔組合來滿足不同的應(yīng)用場景。特別是ATSC 3.0 和DVB- T2 都支持32K 的FFT 模式，這樣可以支持較大CP 的插入。但是，長CP 的插入意味著增加了整個(gè)系統(tǒng)的開銷，更大系統(tǒng)凈荷和更大的站點(diǎn)間距及抗多徑性能之間的平衡也需要綜合考慮。

在32K 模式下，DVB-T2 可以支持高達(dá)532 μs（8 MHz）的CP 長度，而ATSC3.0 更是能支持703 μs（6 MHz）的CP，這些情況下，地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)可以提供比5G 廣播更大的SFN 站點(diǎn)間距。

3 結(jié) 語

本文比較了5G 廣播和其他地面數(shù)字電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性能參數(shù)。5G 地面廣播技術(shù)雖然在某些性能上略遜色于第二代地面數(shù)字電視技術(shù)，但5G廣播代表了一種基于3GPP 技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的廣播方式，基于Rel-16 和Rel-17 5G 廣播的技術(shù)成熟度還有待充分的分析與論證，尤其是在實(shí)際測試中，如中國北京的754 MHz 項(xiàng)目和德國的5G Today項(xiàng)目。5G 廣播已在3GPP 中達(dá)成共識，應(yīng)進(jìn)一步支持5G 廣播，促進(jìn)HPHT 和LPLT 以及“天地一體化”融合，實(shí)現(xiàn)5G 廣播“隨時(shí)隨地”的使用和觀看。