5G廣播技術(shù)發(fā)展研究綜述與展望

摘 要：【目的】為了滿足日益增長的廣播電視移動公共服務、應急和公共安全服務、群組通信、物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務的需求，對5G廣播技術(shù)發(fā)展研究進行梳理，以便更好地建設(shè)部署可以有效支撐上述應用場景服務的5G廣播系統(tǒng)?！痉椒ā客ㄟ^對5G廣播發(fā)展的文獻進行研究，并對LTE 5G廣播和5G NR廣播這兩種技術(shù)方式的系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)特性等方面的進行探討，提出了對5G廣播發(fā)展的觀點，并進行了展望。【結(jié)果】5G廣播的兩種技術(shù)分別承擔著不同網(wǎng)絡環(huán)境下的應用需求，存在一定區(qū)別和互補關(guān)系，短期內(nèi)能在一定范圍內(nèi)并行共存，長期必將走向全面統(tǒng)一?！窘Y(jié)論】建設(shè)5G廣播需要根據(jù)自身的業(yè)務需求、技術(shù)發(fā)展趨勢和產(chǎn)業(yè)成熟度選擇合適的技術(shù)方式，發(fā)展新型廣播業(yè)務，提高網(wǎng)絡服務能力。

關(guān)鍵詞：LTE 5G廣播；5G NR廣播；eMBMS；NR MBS

中圖分類號：TN934.3" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0014-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.003

Overview and Prospect of 5G Broadcast Technology Development

Research

Abstract：[Purposes] In order to meet the growing demand for broadcast and TV mobile public services， emergency and public safety services， group communications， Internet of Things （IoT） and Vehicle to Everything（V2X）， research on 5G broadcast technology is conducted to build and deploy 5G broadcast systems that can effectively support services of the above application scenarios.[Methods] Through the literature research on the development of 5G broadcast， combined with the discussion of the system architecture and technical characteristics of the two technical methods， the views and prospects of the development of 5G broadcast were put forward.[Findings] The two technologies of 5G broadcasting bear different application requirements under different network environments， and there are certain differences and complementary relationships. In the short term， 5G broadcast technology will coexist in parallel within a certain range， and in the long term， it will certainly move towards full unification.[Conclusions] The construction of 5G broadcast needs to choose the right technical route according to its own business needs， technology development trends and industrial maturity， develop new broadcast services， and improve network service capabilities.

Keywords：LTE 5G broadcast; 5G NR broadcast; eMBMS; NR MBS

0 引言

面對快速增長的廣播電視移動服務、應急和公共安全服務、新型交互式媒體服務、群組通信及物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務需求，傳統(tǒng)的廣播電視網(wǎng)絡存在業(yè)務功能單一的缺點，而移動通信網(wǎng)絡在大量用戶并發(fā)接入媒體服務時會造成系統(tǒng)資源負荷過載，從而引起業(yè)務擁塞緩慢，用戶體驗較差，無法滿足用戶基本的公共文化權(quán)益和多樣化、個性化的消費需求。

5G廣播技術(shù)作為5G網(wǎng)絡的重要組成部分，充分融合廣播電視網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)特性，支持特色場景業(yè)務應用，加快廣播電視等媒體信息服務從大屏向小屏的轉(zhuǎn)變，加快推動媒體融合發(fā)展，推動移動優(yōu)先策略。

本研究旨在對5G廣播技術(shù)及其發(fā)展進行文獻梳理，總結(jié)5G廣播的實驗和商用服務情況，同時對5G廣播技術(shù)的兩種方式進行研究探討。通過此研究，揭示了5G廣播技術(shù)將作為一種重要的技術(shù)手段，為用戶帶來更加豐富、高質(zhì)量和快捷高效的廣播通信媒體信息服務體驗，具有重要的價值和意義。

1 5G廣播概述

5G廣播技術(shù)在3GPP制定的系列標準中劃分為兩種方式：基于LTE網(wǎng)絡演進的LTE 5G廣播和基于全新5G NR（New Radio）空口設(shè)計的5G NR廣播［1］，二者分別對應標準制定的不同階段。LTE 5G廣播和5G NR廣播均為符合移動通信標準的5G廣播技術(shù)。LTE 5G廣播用于大塔部署，其遵循的標準是3GPP R16 5G廣播技術(shù)，3GPP R16標準已于2020年7月份凍結(jié)，正式完成EnTV（Enhanced TV），又稱為FeMBMS（Further eMBMS）LTE 5G廣播標準。5G NR廣播可用于大塔+小塔混合部署，其遵循的標準是3GPP R17 5G NR 廣播組播（MBS）技術(shù)，3GPP5G R17標準已于2022年6月完成凍結(jié)，主要內(nèi)容是對移動通信5G核心網(wǎng)（5G Core，5GC）和無線網(wǎng)的擴展優(yōu)化升級。

2 發(fā)展歷程和應用領(lǐng)域

2.1 發(fā)展歷程

LTE 5G廣播技術(shù)始于2010年左右，3GPP開始研究在LTE系統(tǒng)內(nèi)支持多播/廣播業(yè)務能力。經(jīng)過一系列的技術(shù)研究和標準制定工作，到2016年3GPP在Release 14版本首次完整定義了增強型多媒體廣播多播業(yè)務（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services，eMBMS）標準［2-3］。之后在Release 15/16版本中持續(xù)完善和增強功能，主要是在eMBMS基礎(chǔ)上改進增加新特性，形成FeMBMS（Further enhanced MBMS）［4］。LTE 5G廣播主要遵從現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡框架演進，在無線接入和核心網(wǎng)層面引入專門的廣播承載和控制功能。

3GPP在2016年啟動了5G NR MBS（Multicast and Broadcast Services）第一階段標準定義，開始探索全新的5G NR廣播服務能力。到2020年，正式在Release 16中規(guī)范了5G NR廣播的系統(tǒng)架構(gòu)、無線接口和QoS管理等規(guī)范［5-8］，為未來獨立的5G廣播服務奠定基礎(chǔ)，之后的Release 17/18等持續(xù)對5G NR廣播技術(shù)進行增強和優(yōu)化。

2.2 試驗實踐

2.2.1 LTE 5G廣播試驗實踐

從2017年開始，國外幾大廣播電視運營商陸續(xù)在德國、英國、奧地利、法國、意大利和美國等多個國家開展大規(guī)模、多站點試驗，積極地推動了LTE 5G廣播的商用發(fā)展［9-10］。

國內(nèi)由廣科院（ABS）作為推動方，聯(lián)合高通、羅德與施瓦茨公司（Rohde amp; Schwarz）、三星等廠商，從2019年開始，陸續(xù)在北京、深圳和成都等城市進行了組網(wǎng)發(fā)射測試，取得了一定的試驗成果。

2.2.2 5G NR廣播試驗實踐

5G NR廣播由中國廣電（CBN）聯(lián)合國內(nèi)華為、中興等公司作為主要推動方，從2021年開始，陸續(xù)在南京、上海、北京和深圳等城市完成了5G NR廣播的業(yè)務測試、大塔試驗建站、應急廣播和冬奧會免流量、多機位直播、AR/VR虛擬現(xiàn)實沉浸式的收視服務試驗［11］。

中國廣電聯(lián)合中國移動已在北京、上海、深圳等城市開展5G NR廣播預商用，中國廣電和中國移動的最新5G手機白皮書已明確要求手機終端出廠即有支持5G NR廣播功能。

2.3 應用領(lǐng)域

LTE 5G廣播主要面向廣播電視運營商，被應用于移動視頻、車載信息娛樂、公共安全服務、軟件固件升級等傳統(tǒng)移動廣播領(lǐng)域。

5G NR廣播則主要面向移動通信運營商，聚焦于更高端、更前沿的應用場景，如直播/點播4K/8K視頻、AR/VR/元宇宙應用等。

3 系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)實施

由于發(fā)展階段不同，LTE 5G廣播和5G NR廣播在系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡部署方式上存在顯著區(qū)別。

3.1 LTE 5G廣播系統(tǒng)架構(gòu)

LTE 5G廣播系統(tǒng)架構(gòu)基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡框架，新引入廣播多播業(yè)務中心（Broadcast Muticalcast Service Center，BM-SC）、多媒體廣播組播服務網(wǎng)關(guān)（Multimedia Broadcast Multicast Service Gateway，MBMS GW）和移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）等組件［12-13］。端到端廣播的傳輸路徑：內(nèi)容→BM-SC→MBMS-GW→LTE eNB基站→LTE終端，LTE基站增加廣播承載功能，共用LTE無線資源。LTE 5G廣播系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)架構(gòu)分為兩個核心平面：服務平面和用戶平面。服務平面主要包括：BM-SC負責會話內(nèi)容獲取、MBMS負責數(shù)據(jù)流封裝、調(diào)度控制等業(yè)務邏輯處理。MBMS GW位于核心網(wǎng)側(cè)，作為MBMS數(shù)據(jù)流的入口網(wǎng)關(guān)和分發(fā)控制點。MME則提供MBMS會話控制和承載資源分配等管理功能。

用戶平面主要包括：LTE無線接入網(wǎng)絡（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN），由eMBMS支持的eNodeB（LTE網(wǎng)絡中的無線基站，簡稱為eNB）構(gòu)成。用戶終端設(shè)備（User Equipment，UE）是指支持eMBMS功能的手機/平板等終端設(shè)備。上述各主要網(wǎng)元通過標準化接口協(xié)議（如3GPP 36系列）［14］互聯(lián)協(xié)作，從而實現(xiàn)端到端的廣播服務。

3.2 LTE 5G廣播業(yè)務流程

①內(nèi)容準備。由內(nèi)容提供商（電視臺、運營商等）提供視頻/數(shù)據(jù)源，導入BM-SC。

②數(shù)據(jù)封裝。BM-SC完成碼流封裝、索引文件生成和內(nèi)容加密等。

③承載申請。BM-SC向MBMS GW發(fā)起MBMS承載申請，MBMS GW與MME交互建立承載。

④空中接口。MME與LTE無線接入網(wǎng)絡對接，啟動MBMS單頻網(wǎng)（MBMS over a Single Frequency Network，MBSFN）區(qū)域構(gòu)建，eNodeB組播廣播流并發(fā)送。

⑤業(yè)務接收。用戶終端接收電視/數(shù)據(jù)廣播流進行播放和解析。

3.3 LTE 5G廣播系統(tǒng)實施

LTE 5G廣播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以通過對原有的地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)進行改造來獲得。為支持eMBMS服務，需要對傳統(tǒng)廣播電視發(fā)射系統(tǒng)以下環(huán)節(jié)進行改造升級。

①發(fā)射設(shè)備硬件。通過更新發(fā)射機芯片、射頻等硬件，實現(xiàn)eMBMS新空口支持，新增eMBMS基帶處理單元，支持正交頻分復用（OFDM）調(diào)制和MBSFN傳輸。

②傳輸鏈路。采用全IP化網(wǎng)絡設(shè)備，替代傳統(tǒng)SDI/PDH/SDH等設(shè)備，引入IP封裝設(shè)備（如MPEG-TS over RTP）。

③控制系統(tǒng)。新增與LTE核心網(wǎng)MBMS GW對接的控制接口，支持MBMS播放單等新型控制信令。

④監(jiān)測系統(tǒng)。新增eMBMS信號監(jiān)測與質(zhì)量評估功能，支持eMBMS場強測量和參數(shù)監(jiān)控。

3.4 5G NR廣播系統(tǒng)架構(gòu)

5G NR廣播系統(tǒng)在Release17中新增了NR MBS（Multicast Broadcast Service）特性，從3GPP TS 23.247［7］中支持NR MBS的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，和之前的5G NR系統(tǒng)架構(gòu)相比，新增了四個與MBS相關(guān)的網(wǎng)元，即多播廣播服務功能（Multicast Broadcast Service Function，MBSF）、多播廣播會話管理功能（Multicast Broadcast SMF，MB-SMF）、多播廣播用戶面功能（Multicast Broadcast UPF，MB-UPF）、多播廣播服務傳輸功能（Multicast Broadcast Service Transport Function，MBSTF）。5G NR廣播系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

5G NR廣播系統(tǒng)定義了廣播和組播兩種工作模式，MBSF和MBSTF提供了內(nèi)容服務的交互和功能增強，MB-SMF提供了MBS會話控制面的數(shù)據(jù)處理，MB-UPF則提供了MBS會話用戶面的數(shù)據(jù)處理。為了增加對NR MBS特性的支持，對原有5G NR系統(tǒng)的網(wǎng)元結(jié)構(gòu)和接口也進行了功能升級和擴展［15］。

3.5 5G NR廣播業(yè)務流程［7，16］

①服務發(fā)現(xiàn)。服務公告（Service Announcement）： 廣播服務先通過服務公告向用戶設(shè)備（UE）提供了服務可用性的信息，通常包括服務ID、服務類型和其他服務相關(guān)的元數(shù)據(jù)。服務請求（Service Request）： 用戶設(shè)備根據(jù)公告信息和用戶的選擇請求特定的廣播服務。

②會話建立。會話配置（Session Configuration）： 一旦用戶設(shè)備請求服務，網(wǎng)絡會配置所需的會話參數(shù)，這包括選擇適當?shù)膫鬏旑l道、波束賦形參數(shù)和調(diào)度信息。資源分配（Resource Allocation）： 網(wǎng)絡根據(jù)服務類型（如視頻、音頻或數(shù)據(jù)）來分配無線資源。這一步驟是動態(tài)的，可以根據(jù)網(wǎng)絡條件和用戶需求調(diào)整。

③服務傳輸。數(shù)據(jù)封裝（Data Encapsulation）： 服務數(shù)據(jù)被封裝成適合5G NR MBS傳輸?shù)母袷?。對于視頻或音頻服務，這可能包括使用特定的編解碼器進行編碼。數(shù)據(jù)廣播（Data Broadcast）： 封裝后的數(shù)據(jù)通過預先配置的無線資源傳輸給所有訂閱的用戶設(shè)備。5G NR MBS使用多址傳輸技術(shù)，如多點傳輸（MPT）和組播［17］。

④服務接收。解封裝（Data Decapsulation）： 用戶設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)封裝格式解封裝，恢復成原始的服務數(shù)據(jù)。內(nèi)容呈現(xiàn)（Content Presentation）： 服務數(shù)據(jù)（如視頻或音頻）在用戶設(shè)備上進行處理和呈現(xiàn)。

⑤服務更新和維護。服務修改（Service Modification）： 如果服務參數(shù)（如頻道或編碼方式）需要改變，網(wǎng)絡會通知所有訂閱的用戶設(shè)備，并更新會話配置。服務監(jiān)控（Service Monitoring）： 網(wǎng)絡持續(xù)監(jiān)控服務質(zhì)量（QoS）和用戶體驗，確保服務穩(wěn)定性和性能。

⑥服務結(jié)束。服務終止（Service Termination）： 當服務結(jié)束或用戶取消訂閱時，網(wǎng)絡會終止相關(guān)的會話，并釋放分配給該服務的資源。

3.6 5G NR廣播系統(tǒng)實施

為了支持5G NR多播廣播服務，需要對5G核心網(wǎng)的相關(guān)網(wǎng)元進行升級改造，根據(jù)5G NR MBS業(yè)務傳輸模式的不同，核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)元MB-SMF、MB-UPF和業(yè)務側(cè)網(wǎng)元MBSF、MBSTF存在不同選擇，結(jié)合功能實現(xiàn)、網(wǎng)元位置部署和容災的不同模式，系統(tǒng)實施存在多種方式，同時終端也要具備支持5G NR MBS功能［15］。

4 技術(shù)特性的差異

LTE 5G廣播注重從現(xiàn)有LTE技術(shù)基礎(chǔ)上快速衍生出廣播傳輸能力，技術(shù)復雜程度相對較低。5G NR廣播則需從底層架構(gòu)和控制層進行重構(gòu)，各項關(guān)鍵技術(shù)都要持續(xù)更新，可支持更高級、更先進的服務承載。

4.1 LTE 5G廣播

LTE 5G廣播需要使用支持eMBMS標準的ROM（Receive only mode）設(shè)備和UE接收終端。ROM設(shè)備支持MBMS傳輸，但不支持上行傳輸。ROM設(shè)備可能沒有USIM卡，因此，ROM設(shè)備不支持與網(wǎng)絡的雙向信令流程，包括連接建立和安全流程。ROM設(shè)備只支持空閑模式，但并非所有空閑模式流程都支持。LTE 5G廣播引入新的物理層參數(shù)，增加100 μs、200 μs和300 μs循環(huán)前綴長度（CP）和2.5 kHz、1.25 kHz和0.37 kHz子載波間隔（SCS），可支持HPHT（High power high tower）網(wǎng)絡、MPMT（Medium power medium tower）網(wǎng)絡和LPLT（Low power low tower）網(wǎng)絡，確保了不同業(yè)務場景服務的可行性和連續(xù)性［18］。

3GPP TS 36.101 V18.3.0（2023-09）［19］已經(jīng)確定了LTE 5G廣播的工作頻段為612～652 MHz、470～698 MHz，采用SDO （Standalone Downlink Only）僅獨立下行雙工模式。

由于移動通信的信道帶寬BW（Channel Bandwidth）與廣播業(yè)務所需要的帶寬不同，傳統(tǒng)的通信信道帶寬為1.4、3、5、10、15、20 MHz ，LTE 5G廣播在Release17中又增加了對6、7、8 MHz帶寬的支持［20-22］。

4.2 5G NR廣播

5G NR廣播的網(wǎng)絡接入同樣也明確了終端在空閑狀態(tài)（IDLE）下支持NR MBS廣播，支持無SIM卡模式，支持多運營商用戶手機自由接入FTA（Free to Air）。

5G NR廣播由于循環(huán)前綴長度（CP）較小，從4.69 μs、2.34 μs、1.17 μs、0.59 μs到 0.28 μs，子載波間隔為15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz和240 kHz，因此無法支持大范圍單頻網(wǎng)［22］。

5G NR廣播可使用中國廣電700 MHz預留頻率進行NR MBS業(yè)務部署，采用FDD（Frequency Division Duplexing）雙工模式。

5G NR廣播支持移動通信常用的5 MHz、10 MHz、15 MHz…40 MHz等信道帶寬，適合在通信頻譜部署。

5 5G廣播的探討和展望

5.1 優(yōu)勢和不足

LTE 5G廣播是基于LTE物理層的純下行鏈路的單向廣播模式，不需要接入移動通信網(wǎng)絡，支持大塔大功率和廣播單頻網(wǎng)發(fā)射，能高效利用頻譜資源，單站發(fā)送功率大，覆蓋范圍廣，支持線性播出、應急廣播和超高清視頻等業(yè)務應用，支持移動車載和室外天線接收，具有投入成本低、系統(tǒng)改造難度小、部署速度快的優(yōu)點，但也存在較大的缺點，如室內(nèi)覆蓋難度較大。

在終端支持方面，LTE 5G廣播需要用戶終端增加單獨內(nèi)置芯片，同時需要終端天線頻率支持，終端支持難度大。目前，只有個別廠商芯片支持LTE 5G廣播，產(chǎn)業(yè)化支持力度嚴重不足，在應用業(yè)務方面實現(xiàn)的類型方式也比較單一［9］。

5G NR廣播基于NR物理層上下鏈路，具備廣播、組播和單播模式，不僅支持線性播出、雙向交互式點播、網(wǎng)絡直播等視頻應用，還支持應急通信、數(shù)據(jù)分發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)IoT、車聯(lián)網(wǎng)V2X和社會公共服務等應用。其需要接入5G核心網(wǎng)，能實現(xiàn)大小塔靈活部署。室內(nèi)覆蓋依靠5G RRU、升級傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)及分布式皮基站來實現(xiàn)，但是目前也存在一些缺點，如前期5G核心網(wǎng)建設(shè)改造投入成本高、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、對硬件資源需求較多。

在終端支持方面，5G NR廣播不需要針對手機等終端硬件做出改變，只需進行底層軟件的更新即可，現(xiàn)在已有芯片廠商（華為海思、紫光展銳、高通和聯(lián)發(fā)科等）支持該技術(shù)［11］，但目前正式商用終端較少，用戶業(yè)務功能亟須快速發(fā)展。

5.2 展望

LTE 5G廣播和5G NR廣播各具特色， 在發(fā)展定位、技術(shù)方式、應用領(lǐng)域等方面存在較大差異，未來也將呈現(xiàn)差異化發(fā)展態(tài)勢。

LTE 5G廣播可作為過渡，通過強化推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)規(guī)模商用并覆蓋傳統(tǒng)廣播電視應用場景，不斷培育用戶群體，縮短產(chǎn)業(yè)化周期，為5G廣播業(yè)務奠定基礎(chǔ)。

5G NR廣播則是廣播電視業(yè)務未來的發(fā)展方向，可以通過與LTE 5G廣播系統(tǒng)無縫融合，實現(xiàn)業(yè)務協(xié)同和頻率資源共享，支撐更多創(chuàng)新應用的承載。

二者分別承載不同網(wǎng)絡環(huán)境下的業(yè)務需求，既存在一定的差異，又有一定的互補關(guān)系，可在一定范圍內(nèi)短期內(nèi)并行共存，長期必將走向5G全面統(tǒng)一，以滿足廣播電視和通信業(yè)務的現(xiàn)代化和場景化需求。產(chǎn)業(yè)鏈各方需根據(jù)自身特點審慎選擇合適的方式建設(shè)發(fā)展，同時也有機會在特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)融合互補。無論采用何種方式，終將推動廣播電視和通信產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)融合發(fā)展、優(yōu)勢互補的格局。

6 結(jié)語

本研究通過對5G廣播技術(shù)發(fā)展的文獻進行綜合研究，并對5G廣播兩種技術(shù)方式的系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)特性等方面的研究探討，提出了對5G廣播發(fā)展的觀點和展望。通過研究發(fā)現(xiàn)，5G廣播技術(shù)可以實現(xiàn)廣播電視和移動通信網(wǎng)絡的深度融合，有效降低網(wǎng)絡傳輸成本，拓展5G業(yè)務創(chuàng)新應用。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，必將在推動廣播電視和移動通信等多個領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。

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