5G NR 廣播技術(shù)及應(yīng)用

胡 皓

（濟南廣播電視臺，山東 濟南 250013）

0 引 言

為了滿足日益增長的連接需求，5G 廣播技術(shù)應(yīng)運而生，5G 通信技術(shù)的嶄新時代已經(jīng)到來。本文旨在深入研究5G 廣播技術(shù)及其應(yīng)用，探討其在高帶寬、低延遲和大規(guī)模機器通信方面的關(guān)鍵特性；探討5G 新無線（New Radio，NR）廣播進程和關(guān)鍵技術(shù)及其在傳統(tǒng)電視頻道廣播、新型交互式視頻廣播和融合信息廣播等多個應(yīng)用場景中的應(yīng)用。通過此研究，揭示5G 廣播技術(shù)的潛力，推動通信、娛樂、工業(yè)和醫(yī)療等多個領(lǐng)域的變革。

1 5G 技術(shù)概述

1.1 5G 的概念

5G 是一種先進的無線通信技術(shù)，旨在提供前所未有的高帶寬、低延遲和可靠性。5G 構(gòu)建在先前的通信標準基礎(chǔ)上，通過更高頻段、大規(guī)模多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和波束成形等技術(shù)，實現(xiàn)了更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更好的網(wǎng)絡(luò)性能。5G 的概念超越了移動通信，也擴展到了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、自動駕駛及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，將深刻改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕虡I(yè)模式，為未來連接的智能社會打下了基礎(chǔ)[1]。

1.2 5G 技術(shù)的三大應(yīng)用場景

5G 技術(shù)的三大應(yīng)用場景分別是增強型移動寬帶（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、海量物聯(lián)網(wǎng)通信（massive Machine Type Communication，mMTC）以及高可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）。eMBB 主要提供更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，以支持高清視頻流、虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實等應(yīng)用，適用于普通移動通信，使用戶能夠以更高的速度和質(zhì)量訪問互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容。uRLLC 提供極低的通信延遲和非常高的可靠性，適用于對延遲要求極高的應(yīng)用場景，如自動駕駛汽車、工業(yè)自動化和緊急救援。mMTC 針對連接數(shù)巨大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器，具有低功耗和高效能的特點，用于支持大規(guī)模設(shè)備連接、遠程監(jiān)控及智能城市等應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)[2]。

2 5G NR 廣播技術(shù)

2.1 5G NR 廣播進程

2019 年10 月31 日，工業(yè)和信息化部宣布啟動5G 商用。2019 年12 月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）正式立項5G NR 組播廣播。2021 年底，NR_MBS 項目RAN1 小組的標準凍結(jié)；2022 年3 月，RAN2/3/4 小組標準核心部分凍結(jié)。2022 年10 月，5G NR 廣播由國際移動通信標準組織（3GPP）標準成為國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）國際無線移動電視標準。2022 年，中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團有限公司（以下簡稱中國廣電）在北京冬奧會完成全球首個5G NR廣播技術(shù)商用場景系統(tǒng)能力驗證。2023 年9 月，中國廣電組織5G NR 廣播預(yù)商用準備過程。此次預(yù)商用包括廣播基本業(yè)務(wù)、廣播與單播并發(fā)、連接態(tài)廣播接收、無卡廣播接收以及應(yīng)急廣播等，符合3GPP 標準協(xié)議流程和性能預(yù)期[3]。

2.2 5G NR 廣播關(guān)鍵技術(shù)

5G NR 廣播涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)共同構(gòu)建了高效的廣播通信系統(tǒng)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。非正交多址接入（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)支持多個用戶共享相同的頻譜資源和時間，通過分配不同的功率和編碼方式來區(qū)分用戶，提高了頻譜的利用率，使廣播更高效。通過大規(guī)模MIMO 技術(shù)，廣播系統(tǒng)可以使用大量天線來提高信號的質(zhì)量和覆蓋范圍，從而實現(xiàn)更好的性能和可靠性。波束成形技術(shù)支持廣播系統(tǒng)將信號聚焦到特定區(qū)域，從而提高信號強度和覆蓋范圍。波束管理技術(shù)在不同環(huán)境和條件下動態(tài)調(diào)整波束以優(yōu)化性能。多接入邊緣計算技術(shù)使得廣播系統(tǒng)在接近用戶的地方進行數(shù)據(jù)處理，減少了延遲并提高了響應(yīng)速度，適用于實時應(yīng)用。補充上行鏈路技術(shù)支持廣播系統(tǒng)接收用戶反饋和信息，從而實現(xiàn)更靈活的廣播控制和資源分配。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)使廣播系統(tǒng)能夠為不同應(yīng)用和服務(wù)創(chuàng)建獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同的性能和安全需求。超密組網(wǎng)技術(shù)支持廣播系統(tǒng)在高密度的設(shè)備連接情況下保持穩(wěn)定的性能，適用于大規(guī)模機器通信場景。這些關(guān)鍵技術(shù)共同推動了5G NR 廣播的發(fā)展，使其能夠在各種應(yīng)用領(lǐng)域提供高效、可靠和多樣化的廣播服務(wù)。

3 5G NR 廣播應(yīng)用場景

3.1 傳統(tǒng)電視頻道廣播服務(wù)

傳統(tǒng)電視頻道廣播服務(wù)旨在廣域內(nèi)實現(xiàn)傳統(tǒng)電視頻道在移動智能終端上的基礎(chǔ)單向線性直播，可基于廣播電視發(fā)射塔、5G 蜂窩基站實現(xiàn)廣域融合覆蓋。這種服務(wù)使得觀眾可以在任何地點、任何時間觀看到傳統(tǒng)的電視頻道，而不需要依賴有線電視或衛(wèi)星電視等固定接入方式。例如，在重大體育賽事或文藝演出等活動中，觀眾可以通過手機、平板電腦等移動智能終端觀看直播，享受高清、流暢的視頻體驗。在自然災(zāi)害或其他緊急情況下，傳統(tǒng)電視頻道廣播服務(wù)還可以提供重要的應(yīng)急信息，幫助公眾及時獲取最新的救援和疏散信息。為了實現(xiàn)這種服務(wù)，5G NR 廣播技術(shù)采用了高效的視頻編碼和傳輸技術(shù)，確保了在移動智能終端上的視頻質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過與廣播電視發(fā)射塔和5G 蜂窩基站的融合覆蓋，實現(xiàn)了廣泛的信號覆蓋和高效的資源利用。比如，通過中國廣電5G NR 廣播App 可接收CCTV1 的頻道節(jié)目，同時能接收這些頻道的360°虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）多視角的視頻流。通過5G 核心網(wǎng)、電視塔和蜂窩基站的聯(lián)合覆蓋，做到了有線電視和無線網(wǎng)絡(luò)綜合地提供廣泛的服務(wù)。2022 年北京冬奧會期間，通過5G NR 廣播可接收冬奧會VR、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等視聽內(nèi)容，同時實現(xiàn)5G NR 廣播與5G 消息的融合應(yīng)用[4]。

3.2 新型交互化視頻廣播服務(wù)

新型交互化視頻廣播服務(wù)是一種創(chuàng)新的視頻服務(wù)方式，可以滿足用戶個性化、交互化和多樣化的視頻需求。它不僅提供傳統(tǒng)的電視頻道直播服務(wù)，還包括各種類型的互聯(lián)網(wǎng)直播，如游戲電競、演唱會、明星帶貨等。用戶還可以根據(jù)自己的喜好和需求，隨時點播音頻和視頻內(nèi)容。這種服務(wù)方式充分利用了5G NR 廣播技術(shù)的高速度、低延遲和高可靠性優(yōu)勢，保證了視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性和流暢性，通過采用先進的視頻編碼和傳輸技術(shù)，可以提供高清、4K/8K、AR/VR等多種視頻格式，為用戶帶來更加逼真和沉浸式的觀看體驗。新型交互化視頻廣播服務(wù)還具有交互性強的特點。用戶可以通過移動智能終端進行實時互動，如發(fā)表評論、點贊、投票等，增強了用戶的參與感和體驗感。這種服務(wù)模式為用戶提供更加豐富多彩的視頻體驗，滿足了用戶不斷增長的視頻需求。

安徽廣播電視臺于2020 年率先開展新型交互化視頻廣播服務(wù)，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施、特色推進”的原則進行。安徽新聞綜合廣播、安徽交通廣播、安徽音樂戲曲廣播、安徽城市之聲率先完成，以“新聞”“民生”“陪伴”“時尚”為特點打造新型交互化視頻廣播。2021 年，安徽小說評書廣播、安徽經(jīng)濟廣播、安徽農(nóng)村廣播陸續(xù)開展新型交互化視頻廣播項目。截至2022 年，安徽廣播電視臺八大廣播頻率已全面完成傳統(tǒng)廣播向新型交互化視頻廣播轉(zhuǎn)型，豐富了廣播內(nèi)容，向大眾提供新聞、娛樂、音樂、民生、陪伴等個性化、交互化、多樣化的視頻服務(wù)[5]。

3.3 融合信息廣播服務(wù)

融合信息廣播服務(wù)是一種基于5G NR 廣播技術(shù)的全新服務(wù)模式，旨在提高全網(wǎng)信息傳輸效能與應(yīng)用服務(wù)能力，有效拓展新型廣播業(yè)務(wù)，支持公共安全、應(yīng)急交互廣播、車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等多種新型多媒體信息類廣播應(yīng)用。

在公共安全方面，融合信息廣播服務(wù)可以提供實時、高效的應(yīng)急預(yù)警和疏散信息，幫助公眾及時獲取最新的救援信息，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。在應(yīng)急交互廣播方面，用戶可以通過移動智能終端進行實時互動，提供寶貴的信息和反饋，有助于更好地應(yīng)對緊急情況。在車聯(lián)網(wǎng)方面，融合信息廣播服務(wù)可以提供實時交通信息和路況預(yù)警，幫助車輛更好地規(guī)劃行駛路線，提高道路交通安全性和通行效率。在物聯(lián)網(wǎng)方面，融合信息廣播服務(wù)可以提供智能設(shè)備之間的無縫連接和高效通信，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

以應(yīng)急交互廣播為例，5G NR 廣播為應(yīng)急廣播提供了技術(shù)支持。國家廣播電視總局通過5G NR多播廣播（Multicast-Broadcast Services，MBS）端到端系統(tǒng)集成應(yīng)急廣播功能，實現(xiàn)與國家廣播電視總局監(jiān)管中心應(yīng)急廣播平臺的互聯(lián)互通。廣電5G 應(yīng)急廣播系統(tǒng)接收到國家應(yīng)急部門的應(yīng)急信息后，通過5G 核心網(wǎng)、5G 基站向5G 移動終端發(fā)布應(yīng)急廣播消息，以文字、聲音、圖像等豐富多樣的形式將應(yīng)急廣播信息傳遞至用戶。中國廣電在3GPP 提出全新廣播應(yīng)用場景，包括公共安全、IoT、車用無線通信技術(shù)（Vehicle to Everything，V2X）等應(yīng)用。5G NR 組播廣播技術(shù)作為點到多點的高效信息傳輸手段，在公共安全、物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢明顯?！癗R 組播廣播技術(shù)在Mission Critical 關(guān)鍵服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用”項目目前已經(jīng)立項，有助于推動5G NR 組播廣播技術(shù)在公共安全、應(yīng)急交互廣播、V2X 車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的深入應(yīng)用[6]。

4 結(jié) 語

本文探討了5G NR 廣播技術(shù)的原理、應(yīng)用場景及其與傳統(tǒng)電視頻道廣播服務(wù)、新型交互化視頻廣播服務(wù)和融合信息廣播服務(wù)之間的聯(lián)系。通過分析發(fā)現(xiàn)，5G NR 廣播技術(shù)具有高速度、低延遲、高可靠性等優(yōu)勢，可有效拓展新型廣播業(yè)務(wù)，提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸效能和應(yīng)用服務(wù)能力。