5G通信广播融合系统关键技术研究及应用

丁海煜 邓 伟 旷婧华 周 娇 景 旭

中国移动通信有限公司研究院 北京 100053

1 研究背景、面临挑战及攻关思路

5G是新基建之首及助推经济数字化转型的关键基础设施。我国通过大规模5G商用实现了全球5G领先，但部署成本亟需降低、网络价值亟需提升，是5G网络从全球领先进一步走向“可持续发展”“高质量发展”的关键问题。

利用低频开展5G通信广播融合系统的建设和运营，是解决上述问题的一个成功案例。广播网所采用的低频频谱700MHz是移动通信系统部署的黄金频段资源，对5G网络的重要性不言而喻。700MHz当前已部署的无线广播网采用DTMB技术，存在产业链单一、业务形态单一等问题，5G通信广播融合网的建设和运营，不仅能够以5G网络大大提升数字广播业务的频谱效率、灵活性、产业链及业务形态的丰富性，还将为广播电视行业的数智化转型预留发展空间。

此前，全球还没有实际实现商用部署的5G通信广播融合系统。建设和运维5G通信广播融合系统面临着诸多挑战：首先需要实现技术融合；而后需要通过攻克低频段干扰，实现频率共存。在组网方面，5G通信广播融合系统可以充分借鉴移动通信网络的深刻理解和丰富经验，实现网络共生和融合运营。最后，5G通信广播融合系统需要以业务融合激活应用生态，从而实现业务的灵活高效承载。总结而言，5G通信广播融合系统在基础技术、频谱、网络、业务等方面面临诸多挑战，需要开展多方面技术攻关。

2 创新技术攻关成果

2.1 技术融合、标准突破，为5G通信广播融合系统奠定技术基础

5G系统在演进版本中，面向广播技术融合目标开展了5G广播多播技术的系统设计和空口技术革新。与既往前代通信系统中，广播与单播空口资源采用静态切分不同，5G广播多播采用单组播一体化的架构设计[1]，并将业务与会话管理功能进行解耦。通过对现有单播网元的功能和流程加以增强来实现组播的激活与移动性管理，同时在功能和流程上也解耦了会话管理和业务管理的相关功能，使能运营商按需部署网元，降低了部署成本。

5G广播多播的空口设计采用融合统一的空口技术[2-4]，保障了广播组播业务和单播业务的资源融合。如图1所示，融合统一空口技术对广播组播单播采用统一的基于物理层业务共享信道动态调度资源分配技术，并支持单组播间HARQ共享机制，融合的空口技术降低了终端支持广播的硬件改动，利于开展产业化研发。动态单组播技术通过统一的单组播承载框架，支持在组播业务体验无法得到保障时，由基站将组播动态切换到单播提供保障，首次为组播业务引入了业务质量保障，并且还可以根据空口用户数动态调整发送模式达到最大化传输效率。组播移动性采用基于核心网统一分配的PDCP序列机制，同步了基站间数据包传输的一致性，解决组播广播的业务连续性问题。

图1 5G组播会话层二下行架构示意图

3 G P P 对广播原有承载频段n 2 8 频段带宽的定义为2×4 5 M H z，该频段的起止频点为703～748/758～803MHz。2020年3月25日，工业与信息化部下发《工业和信息化部关于调整700MHz频段频率使用规划的通知》[5]，明确了将702～798MHz频段频率使用规划调整用于移动通信系统，并将703～743/758～798MHz频段规划用于频分双工(FDD)工作方式的移动通信系统。但届时3GPP对n28单载波带宽仅有最大2×20MHz的定义。为了提高中国国内700MHz频谱利用效率，提高终端业务体验，3GPP核心标准将n28单载波带宽扩展至2×30MHz/2×40MHz[6]，单载波带宽最大扩展提升幅度达100%。为对700MHz扩展带宽产品的研发和入网提供指导，700MHz系列企业标准和行业标准在制定过程中，通过创新性方案解决大带宽系统接入不同能力终端时的系列端网不匹配兼容性问题。国际标准、行业标准、企业标准等700MHz大带宽核心标准的制定，大大提升了700MHz在国内部署的频谱利用效率和网络能力，为大带宽产品的研发和入网扫清了障碍。

2.2 频谱共存、干扰攻克，为商用开通提供先决条件

广播网与通信网由于通信方式的不同，频谱使用方式存在显著差异。广播网采用下行单向链路，频谱采用全下行规划；通信网采用上下行双向链路，因而频谱规划为上下行成对使用。广播网低频频谱用于5G通信广播融合系统，必须首先解决下行对通信系统上行链路的频谱共存问题。

采用700MHz频段部署5G通信广播融合系统，首先需要解决700MHz数字电视广播塔在该频段的干扰问题。700MHz数字广播网采用广播塔方式组网，发射设备架设高、功率大，业务以下行为主，对700MHz 5G蜂窝移动通信网络的宏基站上行接收造成严重干扰，导致该频段上的数字广播电视业务的清退进度直接制约了5G通信广播融合系统的开通运营进程。

为避免网络开通受制于干扰清退进度，提出广播塔干扰源定位方案，通过高干扰小区范围确定、同类型高干扰小区簇聚类和小区干扰最强方向确认方案，基于人工智能算法形进行干扰源定位方案，将广播塔干扰定位速度提升至秒级识别。

针对5G宏基站受广播塔干扰无法正常接收近端终端上行发射信号的问题，在5G宏基站接收端引入基于干扰图谱的干扰避让方案，创新提出了广播信号对应的接入参考信号跳频部署，保证终端可避开干扰接入系统；通过感知学习干扰规律，形成干扰图谱，配置控制信道和业务信道位于干扰较低位置。

为有效避免广播塔阻塞干扰影响全带宽底噪显著抬升，提出切片式子带滤波器增强方案(示意图如图2所示)，利用广播塔发射信号的带宽固定、频段可知的特点，针对有限数量及组合的干扰源，设计出可以灵活配置的子带滤波器电路。根据现网广播塔具体干扰特征，选择配置适当的子带滤波器。未配置子带滤波器时，带内广播塔干扰信号可导致其同频及邻频共计16～24MHz上行频谱不可用；而配置子带滤波器后，仅同频8MHz频谱不可用，邻频8～16MHz频谱可以使用。因此在总计30MHz的上行带宽内，实现27～53%的频谱利用率提升。

图2 切片式子带滤波器干扰规避方案示意图

2.3 网络共生、融合运营，快速平滑、降本增效达成规模商用

5G通信广播融合系统的网络架构和组网方式，需要兼顾通信网的耦合现网、各代共生需求，又要兼顾广播网运营商无托底现网而又迫切需要快速开通的需求，因而需要充分提前考虑未来融合运营的困难和问题。

综合考虑通信与广播运营商的业务独立发展运营需求，又充分考虑到通信与广播运营商在融合网络的建设、运营、管理经验积累上的差距，对接入网资源开展网络共享，将有利于最大程度复用电信运营商的建设运营积累，对齐建设运营标准，并最大程度节省建设运营成本。业务策略也是广播与电信运营商亟需实现统一化标准的重要方面，是确保未来5G通信广播融合系统能够实现无线资源高效灵活应用的关键。

采用全球首创的控制面统一、业务面桥接的接入网共享的网络架构，既满足双方业务发展的独立性、保障最大程度复用电信运营商在接入网方面丰富的运维优化经验，又针对性开展了两项网络架构创新：一是设计了网络控制面的统一汇聚，面向无现网的广播运营商实现全面融合托底，达成融合网络快速开通运营的目标；二是设计了网络业务面的桥接架构，面向共享双方运营商的业务策略和网络管理标准亟需拉齐的需求，通过桥接核心网的运维管理，实现双方业务策略、网络管理运维的标准一致性，并有效实现了安全隔离。

全球首创的控制面统一、业务面桥接的接入网共享网络架构，与标准的MOCN方案形成了显著差异，可实现多频段、多制式接入资源整合，实现全程全网的融合网络运营。在该网络架构下，通过业务连续性、话音、互联互通等业务流程创新方案，实现控制面的低成本管控和用户面的高效业务疏通。与MOCN架构中除接入网外其他网元均独立运维形成显著区别之处还在于，如上全球首创的共享网络架构可以带来灵活高效的网络运维管理手段。业务策略可以实现灵活的分域管控下发，达成会话级及QoS Flow级别业务管控；流量识别的颗粒度可实现载波级别，主辅载波的计费可达成差异化统计和处理。

全程全网的网络共生架构，除了达成5G通信广播融合系统的快速商用和平滑演进目标外，还是运营商实现低成本建网、“双碳”节能目标的“降本增效”利器。

确定融合共生的组网架构后，可进一步采用低频融合网对中频段5G现网实现有效协调和性能补充。700MHz能够灵活补充中频段在覆盖广度、覆盖深度、时延和上行速率等方面的网络性能，但是700MHz与中低频段的覆盖性能差异明显，使中低频段协同组网面临跨站部署等诸多部署限制，针对非共站部署的TA差异和传输时延对中低频段协同组网性能造成的影响，通过基于TA的上行载波轮发创新方案、基于边界感知的多频协同切换等创新方案，提升了中低频跨站协同组网的部署灵活性和组网性能，并通过有效利用中低频段组网方案，有效地将现网中频段高干扰场景的业务速率提升了4倍。

2.4 业务共融、激活应用，构建融合开放的融媒体业务

作为新兴的广播业务承载媒介，5G网络大大提升了数字广播业务的业务服务质量、频谱效率和产业链丰富度。结合传统广播电视业务运营商的优质内容资源和平台优势，5G网络能够与主流文化宣传业务形成业务共融的紧密协同，并引导构建“网络+业务”开放共享的“融媒体”生态。

传统广播业务采用独占频谱、高塔广播发送，没有按需定向的业务播发能力；同时，接收数字广播电视业务的终端形态单一，无法复用5G丰富的产业链。依托5G技术，可借助移动通信系统的灵活资源分配机制实现广播、组播与单播的灵活转换，并可借助5G宏基站设备形态，真正实现按需定向的广播业务发送，结合蜂窝小区组网技术，在较传统方式大大提高频谱利用效率的基础上同时还能兼顾用户的上行反馈。同时，5G终端形态丰富，移动性强，进一步实现了广播业务的高移动性、终端形态灵活等发展愿景，真正发挥多屏互动的融媒体宣传价值(如图3所示)。5G作为新基建之首，一旦成为主流文化宣传媒介入口，将有助于借助5G覆盖普遍性和5G产业链生态丰富性，为社会大众提供用户无差别、高频谱效率、高覆盖度、高时效性、高移动性的融媒体新闻传播服务，充分发挥多屏价值，提供极致频谱效率的广播电视互联网融媒体业务。

图3 5G多播广播平台及业务融合生态

3 创新技术攻关价值

5G通信广播融合系统的大规模建设和运营部署具有重要意义。

作为全球首例、规模最大的5G通信广播深度融合网络，5G通信广播融合系统引领了全球5G网络的技术革新与先进价值应用，在中国5G商用领先的基础上，为全球的通信广播行业融合贡献了中国智慧。广播网与通信网的双网融合，以5G技术牵引广播网络的频谱效率提升、服务业态丰富和产业链开放，提升全行业的数字化服务能力。

5G通信广播融合系统可低成本地实现全面的5G连续覆盖，对于5G网络实现重点乡镇和部分重点行政村覆盖的乡村数字基础设施建设目标的达成，有极为重要的意义。低频5G通信广播融合系统是达成5G乡村数字基础设施建设目标的重要基础，不仅极大程度地降低5G建设成本，还将有效降低5G现网能耗，并在容量、覆盖、时延等网络指标方面对现有5G网络实现有效补充和改善。

5G通信广播融合系统是推进中国5G发展和普及的重大举措，为使5G网络成为主流媒体宣发媒介网络、提升5G网络价值和网络内容丰富度奠定基础，带动我国5G生态链和产业链的价值提升。5G通信广播融合系统将带动电信运营商从基础网络设施提供商向信息服务科技创新能力与移动通信信息内容提供商角色转型，促进5G时代信息内容生产与传播媒介的供给侧范式变革，确保中国5G从网络到业务的全面领先。

4 总结与展望

在我国实现5G商用全球5G领先的基础上，进一步降低5G网络的建设运营及能耗成本、提升5G网络价值，仍是摆在中国5G运营商面前的两项难题。5G通信广播融合系统对这两项问题分别给出了答案，一方面实现重点乡镇和部分重点行政村覆盖的乡村数字基础设施建设目标的达成，对5G建设投资和能耗成本的降低起着重要作用；另一方面引导和发挥5G网络作为主流宣发媒介的作用，促成电信网络与业务信息内容服务的全建设全服务全运营拉通，增值5G网络价值。随着5G通信广播融合系统的商用和发展，我国将从5G商用全球领先，逐步走向5G发展质量的全球领先，实现“降本增效”“双碳集约”的可持续发展与“主流业务”“网络增值”的高质量发展齐头并进的发展态势。