基于NR的5G多播/广播关键技术

2022-08-01徐霞艳

电信科学 2022年7期

徐霞艳

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

在3G时代3GPP制定了用于视频广播和流媒体服务的多播/广播多媒体子系统（multicast/ broa2cast multime2ia subsystem，MBMS）标准[1-4]。4G LTE时代最早在Release 9（Rel-9）引入了演进型MBMS（evolve2 MBMS，eMBMS），Release 13（Rel-13）和Release 14（Rel-14）对eMBMS持续进行增强，以支持公共安全、蜂窝物联网、车联网和地面广播等新服务[5-9]。其中，Rel-14的LTE eMBMS，将用例和应用场景扩展到地面广播，支持采用大功率高塔（high power high tower，HPHT）广播基础设施发送地面广播业务，支持广播专用载频，支持单接收模式（receive-only mo2e，ROM）设备与免费接收（free-to-air）模式，终端无用户识别模块（subscriber i2entity mo2ule，SIM）即可接收广播内容。

3GPP Release 16（Rel-16）引入了基于LTE的5G地面广播[6,10-11]，主要面向广播电视运营商，利用广播频率、基于大功率高塔设施实现广播电视的广覆盖。具有如下特点：采用大功率高塔发射机，支持广覆盖单频网（single frequency network，SFN）部署，即多个基站（发射塔）同步传输同一波形；支持广播专用载波，在广播专用载波上只发射广播业务，不支持上行链路传输；支持ROM设备和免费接收模式；无线传输技术上，引入具有超长循环前缀（cyclic prefix，CP）的参数集（0.37 kHz的正交频分复用子载波间隔，300 µs的循环前缀长度，符号长度3 ms），将固定接收的基站站间距扩展到90 km；增强支持速度高达250 km/h的车载终端；通过对物理层信道设计的增强，提高传输的可靠性。

3GPP Release 17（Rel-17）引入基于新空口（new ra2io，NR）的5G多播/广播业务（multicast/ broa2cast service，MBS），主要面向5G蜂窝移动网络运营商，利用5G频谱、基于蜂窝组网以资源高效方式向其签约用户提供多播/广播业务，如透明的IPv4/IPv6多播发送、交互式网络电视（internet protocol television，IPTV）、群组通信和多播/广播物联网应用等，达到对5G单播业务流量卸载的目的[12-16]。

1 5G MBS系统基本架构

5G MBS系统提供广播业务与多播业务。对于广播业务，向一个地理区域中的所有用户设备（user equipment，UE）同时提供相同的业务和内容；使用广播会话向UE提供广播业务，一个广播会话由传输的内容和提供业务的地理区域确定。对于多播业务，将相同的业务和内容同时提供给一组UE；使用多播会话向UE提供多播业务，一个多播会话由传输的内容、一组UE和提供业务的地理区域确定。

在网络架构上，5G MBS通过对5G核心网（5G core，5GC）的增强并引入新的网络功能与接口支持多播/广播业务[13-15]。当5G MBS数据从数据源到达5GC后，按照数据从5GC到基站，并最终到UE的传输方式，5G MBS系统基本架构如图1所示。

图1 5G MBS系统基本架构

5G MBS数据发送到5GC后，5GC根据需要将数据复制多个备份，可采用如下两种机制向NR基站发送MBS数据。

• MBS共享分发机制：5GC接收MBS数据包的一个备份，然后利用5GC与NR基站之间共享的传输通道将一个备份发送到基站，然后由基站分发给一个或多个UE（如图1中的UE1、UE2）。该机制适用于各类MBS部署场景。

• MBS独立分发机制：5GC接收MBS数据包的一个备份，每个UE建立一个与MBS会话相关的协议数据单元（protocol 2ata unit，PDU），5GC利用各个UE的PDU会话将MBS数据包的独立备份分别发送给各UE（如图1中的UE3、UE4）。数据从5GC到基站以及从基站到UE实质上采用单播方式发送。该机制只适用于多播会话。

NR基站接收到5G MBS数据后，可采用如下两种方法将数据通过空口发送给UE。

• 点对点（point-to-point，PTP）传输：基站将5G MBS数据的独立备份通过空口点对点发送给各UE。

• 点对多点（point-to-multipoint，PTM）传输：基站将5G MBS数据的一个备份通过空口点对多点发送给同一小区内多个UE。

基站可组合使用PTP/PTM传输发送MBS数据，对具体一个UE也支持在PTM与PTP传输间进行动态切换。

综合5GC与基站间数据发送机制和空口发送方法，5G MBS数据发送方案见表1，共有4种方案。

表1 5G MBS数据发送方案

对于5G MBS多播业务，为了提高资源使用效率，5G MBS标准规定，只要基站支持5G MBS，则网络应采用MBS共享分发机制。并且对一个MBS多播会话，5GC可同时采用MBS独立分发机制和MBS共享分发机制：即对5GC接收的同一个MBS数据包，5GC可对支持5G MBS的基站中的UE采用MBS共享分发机制进行发送，同时对处于不支持5G MBS的基站中的UE采用MBS业务独立分发机制进行发送。因此，从网络的角度来看，对一个MBS多播会话，可同时采用表1中多种发送方案进行发送。

对于5G MBS广播业务，只支持采用表1中的方案1。

2 5GMBS无线传输关键技术

2.1 5G MBS无线传输的基本设计

5G MBS支持资源高效地提供多播与广播服务。在无线传输技术上，5G MBS基于5G Rel-15的物理层基本参数与信道设计，利用5G蜂窝基站实现多播/广播数据的PTP、PTM传输，并支持PTP传输和PTM传输的灵活切换[16-20]。

5G MBS中只有处于无线资源控制（ra2io resource control，RRC）连接（RRC_connecte2）状态的UE可以通过PTP、PTM传输方法接收多播通信服务，对多播业务可采用混合自动重传请求（hybri2 automatic repeat request，HARQ）反馈/重传机制来提升可靠性。而处于RRC空闲（RRC_i2le）状态、RRC非活跃（RRC_inactive）状态和RRC连接状态的UE都可以通过PTM传输方法接收广播通信服务。

5G MBS无线传输，具有如下特点[16-17]。

（1）基于5G Rel-15的参数集、物理信道和信号

对于5G FR1（即410～7125 MHz）频段，子载波间隔最小为15 kHz，CP的长度为4.7 μs（常规CP）或5.1 μs（扩展CP）。如果采用SFN传输方式，则站间距受限于CP长度，只支持1.5 km左右。因此5G MBS只支持单小区发射或站间距较小的多站SFN发射，不支持单站大范围覆盖的SFN部署方式。

（2）融合单播与多播

5G MBS融合单播与多播技术提供更好的业务体验。对于MBS多播业务，一方面在5GC到基站的传输方式上，可根据基站支持5G MBS的能力同时采用MBS独立分发机制和MBS共享分发机制，并且可通过MBS共享分发机制到MBS独立分发机制的转换实现业务连续性；另一方面在空口的传输方式上，支持PTP传输与PTM传输的灵活切换，在PTM提高空口资源使用效率与PTP传输提供更高可靠性之间达成平衡。

（3）支持多播业务较高可靠性

部分多播业务对传输可靠性有较高要求，5G MBS对PTM传输引入HARQ反馈/重传等机制提升空口传输的可靠性。

（4）不支持免费接收与ROM

终端需要插入通用用户识别模块（universal subscriber i2entity mo2ule，USIM），与移动网络签约。因此，5G MBS主要是在移动通信运营商的5G网络上，向签约用户提供多播、广播类型的业务。

（5）不支持多播/广播专用载波

5G MBS支持在单播和多播/广播业务之间灵活分配资源，但由于有与单播业务相关的开销，不支持将载波上全部资源分配给多播/广播业务。

2.2 多播业务技术方案

（1）无线协议栈

在空口，5G MBS尽可能复用Rel-15 NR的协议架构，其层二的协议栈结构保持不变，多播业务的空口下行链路层二协议结构如图2所示。其中，业务数据适配协议（service 2ata a2aptation protocol，SDAP）子层、分组数据汇聚协议（packet 2ata convergence protocol，PDCP）子层的功能进行了简化。

图2 多播业务的空口下行链路层二协议结构

针对多播和广播业务，引入一种新的空口无线承载：MBS无线承载（MBS ra2io bearer，MRB）。MRB可以只配置PTP传输（PTP-only MRB），或只配置PTM传输（PTM-only MRB），或同时配置PTM、PTP传输（分路传输MRB）。针对多播业务，MRB可由基站配置为PTP-only MRB、PTM-only MRB或分路传输MRB。

在无线链路控制（ra2io link control，RLC）子层的配置上，对于PTM传输，仅支持配置为单下行的RLC非确认模式（RLC-unacknowle2ge2 mo2e，RLC-UM）传输方式；对于PTP传输，则提供多种灵活选择，包括单下行的RLC-UM传输、双向 RLC-UM 传输或 RLC确认模式（RLC-acknowle2ge2 mo2e，RLC-AM）传输。

对于多播会话，基站可以给UE配置不同类型的MRB，并且基站可以通过重配置信令变更UE的MRB类型。对于分路传输MRB，在空口给UE配置两条传输路径，一条是PTP传输路径，另一条是PTM传输路径，通过这两条传输路径之间的切换实现PTP与PTM传输的动态切换。

结合图2，MRB1为PTM-only MRB，RLC子层采用RLC-UM模式；MRB3为PTP-only MRB，RLC子层采用RLC-AM模式；MRB2为分路传输MRB，同时包含PTP和PTM传输，并且对于PTP传输，RLC子层可配置RLC-UM模式（如图2中对UE2）或RLC-AM模式（如图2中对UE1）。

（2）物理层增强

5G MBS对物理层的增强主要是引入组调度机制来支持PTM传输。对于多播与广播业务，使用物理下行共享信道（physical 2ownlink share2 channel，PDSCH）来承载MBS数据。采用PTP传输方式时，物理层处理机制与Rel-15单播通信一致。采用PTM传输方式时，引入新的公共的标识——组无线网络临时标识符（group-ra2io network temporary i2entifier，G-RNTI）、组配置调度的无线网络临时标识符（group-configure2 sche-2uling-RNTI，G-CS-RNTI）来实现组调度，即在物理下行控制信道（physical 2ownlink control channel，PDCCH）上用G-RNTI/G-CS-RNTI替代小区无线网络临时标识符（cell-RNTI，C-RNTI）实现对PDSCH的资源调度，组内的UE采用G-RNTI/G-CS-RNTI监测PDCCH获取调度信息，然后接收相应的公共PDSCH上的MBS数据。另外对PTM传输也支持HARQ反馈/重传机制。

（3）空口高层协议增强

为支持5G MBS的PTM传输，引入了点对多点的MBS业务信道（MBS traffic channel，MTCH）和MBS控制信道（MBS control channel，MCCH）这两个新的逻辑信道。其中，MTCH传输MBS数据，MCCH传输MBS控制信息。MTCH和MCCH逻辑信道均映射到下行共享信道（2ownlink share2 channel，DL-SCH）传输信道上，并最终映射到PDSCH物理信道上。对于PTP传输，则沿用Rel-15已有的专用业务信道（2e2icate2 traffic channel，DTCH）逻辑信道及其映射关系。

（4）多播业务基本过程

从一个多播业务的生命周期来看，可分为多播会话创建、业务通告、会话建立、数据传输、会话释放与会话删除等几个阶段[14]，多播业务的基本过程如图3所示。

图3 多播业务的基本过程

• 多播会话创建：应用功能（application function，AF）使用MBS会话创建（MBS session creation）过程建立到5GC的MBS会话。

• 业务通告：用于向UE分发业务接收所需要的信息（如IP多播地址）及其他参数（如业务开始时间）。

• 会话建立：当第一个UE加入多播会话时，5GC建立到基站和UE的多播会话。

• 数据传输：在空口传输多播数据。

• 会话释放：多播会话中最后一个UE离开该会话时触发多播会话释放，释放核心网和基站中与该多播会话相关的资源。

• 会话删除：删除多播会话。

对某一个UE而言，包括UE加入会话、UE离开会话等过程。在UE加入会话过程中，UE向5GC指示该UE希望接收哪些多播会话的数据。当UE离开会话，则UE向5GC指示该UE不再希望接收哪些多播会话的数据。

（5）多播业务的连续性

UE移动时需要维持多播业务的连续性。

① 支持MBS基站之间的业务连续性：正在接收多播业务的UE切换到支持MBS的基站后，支持在新小区中通过PTM或PTP方式继续接收多播业务。如果新小区中还没有为该MBS会话建立MBS共享分发通道，则5GC需要建立到新小区的MBS共享分发通道，新小区相应在空口建立MRB无线承载等资源。

② 支持MBS基站和不支持MBS基站之间的业务连续性：UE从支持MBS的小区移动到不支持MBS的小区，网络可在UE切换过程中将多播业务从MBS共享分发机制转换到MBS独立分发机制实现业务的连续性。支持MBS基站到不支持MBS基站之间的多播业务连续性示意图如图4所示。

图4 支持MBS基站到不支持MBS基站之间的多播业务连续性示意图

（6）PTM/PTP的动态切换

在LTE eMBMS中，利用MBMS按需操作（MBMS operation on 2eman2，MooD）特性支持将应用内容灵活选择作为单播业务或多播/广播业务发送；具体由广播多播业务中心（broa2cast-multicast service center，BM-SC）实体根据UE上报的用户-业务消耗（user-service consumption）信息来选择单播业务或多播/广播业务[21-22]。

5G MBS也支持单播、多播之间的动态切换，并且为了优化无线资源使用效率，将单播、多播的动态切换决策权放到了基站[17]。当采用MBS共享分发机制时，基站给UE配置分路传输MRB，即给UE同时配置PTP传输路径和PTM传输路径，这两个路径一直处于激活状态，UE持续监听C-RNTI、G-RNTI来接收多播业务数据；基站可根据MBS会话服务质量（quality of service，QoS）需求、加入的UE数量、UE对接收质量的反馈等信息，动态选择PTP传输路径或PTM传输路径向某个终端发送多播业务数据。多播会话PTP传输与PTM传输的动态切换如图5所示。

图5 多播会话PTP传输与PTM传输的动态切换

（7）多播业务可靠性提升技术

考虑部分多播业务对可靠性有较高要求，5G MBS引入了一些提高多播业务传输可靠性的机制。

• PTM传输支持HARQ反馈与重传：基站接收到UE的HARQ反馈后，可以选择使用PTM或者PTP来进行重传。

• 时隙级重复：通过对组PDSCH进行时隙级的重复发送来提高业务可靠性。

• PTM/PTP动态切换：Rel-17不支持为PTM传输配置RLC-AM模式，因此，当PTM传输方式无法满足可靠性要求时，可通过PTM/PTP动态切换将PTM传输切换为PTP传输，而PTP传输可采用RLC-AM模式，通过RLC子层的自动重传请求（automatic repeat-request，ARQ）机制提高可靠性。

2.3 广播业务技术方案

（1）无线协议栈

与多播业务相比，广播业务在实现上较简单。对于广播业务，同样采用MTCH和MCCH这两个逻辑信道，其中，MTCH承载广播数据，MCCH发送小区内广播会话的配置信息。处于RRC_i2le、RRC_inactive和RRC_connecte2状态的UE通过接收MCCH获得接收MTCH所需要的配置信息。而接收MCCH所需要的配置信息则通过系统信息发送给UE。广播业务的空口下行链路层二协议结构如图6所示。

图6 广播业务的空口下行链路层二协议结构

对于广播业务在空口只支持PTM传输，RLC子层采用单下行链路的RLC-UM模式。

（2）广播业务基本过程

从一项广播业务的生命周期来看，可分为会话创建与建立、业务通告、数据传输、会话释放与删除等阶段[14]，广播业务的基本过程如图7所示。各阶段完成的功能与多播业务基本过程类似。从具体接收广播业务的UE来看，在广播会话创建完成、UE接收到业务通告后，UE可随时激活广播业务，接收广播数据。

图7 广播业务的基本过程

（3）广播业务的连续性

正在接收广播业务的UE移动时，如果在目标基站中建立了相同的广播会话，则UE可在目标基站中接收相同的广播业务。

在无线网中，对处于 RRC_i2le或RRC_inactive状态的UE，基站可在MCCH中指示提供相同广播业务的相邻小区的列表等信息，以尽可能避免终端在相邻频率上读取与广播业务相关系统信息和MCCH。为了更好地支持移动性，在进行小区重选时，正在接收广播业务的UE可优先重选到提供广播业务的相邻频率上。

对处于RRC_connecte2状态且正在接收广播业务的UE，在切换到新小区后可向基站发送RRC信令，指示UE感兴趣接收的MBS频点和广播会话标识等信息，以辅助目标小区进行相应处理。

3 5G多播/广播技术演进展望

通过对5G网络和空口传输技术的增强，Rel-175G MBS实现了基于5G蜂窝移动通信网向用户提供基本的多播/广播业务的目标。5G多播/广播技术的演进主要考虑进一步提升多播/广播业务的资源使用效率，提升网络的容量，进一步改善业务体验[23-25]。

首先，Rel-175G MBS中，UE只有与基站建立连接进入RRC_connecte2状态才支持多播业务接收，这将导致较高的信令开销，并且UE一直保持在RRC_connecte2状态也不利于UE节电。通过增强支持UE在RRC_inactive状态甚至RRC_i2le状态下接收多播业务将可以改善这些不足。其次，Rel-175G MBS中，UE可仅在下行链路接收广播业务而无须提前接入网络；在一些广播业务场景中，UE可能需要在接收广播业务的同时进行单播通信，在UE实现上可能需要在单播通信与广播业务接收间共享硬件资源，单播通信与广播业务接收引起资源冲突时如何处理，在Rel-17中没有进行优化。可通过增强以支持UE对广播业务接收和单播通信进行硬件共享处理。此外，在无线网共享部署场景下，如果共享无线网的多个运营商分别提供相同的多播/广播业务，这些业务在共享的小区中分别以PTM方式发送，将造成重复使用空口资源，因此可通过增强实现共享无线网的运营商之间的协调，对同一多播/广播业务在共享小区中仅发送一次，以提高MBS业务的资源使用效率。5G MBS其他的可能增强方向还包括对物理层进行增强实现，对SFN部署更好的支持等。