5G NR 广播技术及应用

2023-12-18胡皓

电视技术 2023年9期

胡皓

（济南广播电视台，山东济南 250013）

0 引言

为了满足日益增长的连接需求，5G 广播技术应运而生，5G 通信技术的崭新时代已经到来。本文旨在深入研究5G 广播技术及其应用，探讨其在高带宽、低延迟和大规模机器通信方面的关键特性；探讨5G 新无线（New Radio，NR）广播进程和关键技术及其在传统电视频道广播、新型交互式视频广播和融合信息广播等多个应用场景中的应用。通过此研究，揭示5G 广播技术的潜力，推动通信、娱乐、工业和医疗等多个领域的变革。

1 5G 技术概述

1.1 5G 的概念

5G 是一种先进的无线通信技术，旨在提供前所未有的高带宽、低延迟和可靠性。5G 构建在先前的通信标准基础上，通过更高频段、大规模多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和波束成形等技术，实现了更快的数据传输速度和更好的网络性能。5G 的概念超越了移动通信，也扩展到了物联网（Internet of Things，IoT）、自动驾驶及虚拟现实等领域，将深刻改变人们的生活方式和商业模式，为未来连接的智能社会打下了基础[1]。

1.2 5G 技术的三大应用场景

5G 技术的三大应用场景分别是增强型移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、海量物联网通信（massive Machine Type Communication，mMTC）以及高可靠低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）。eMBB 主要提供更高的带宽和更快的数据传输速度，以支持高清视频流、虚拟现实及增强现实等应用，适用于普通移动通信，使用户能够以更高的速度和质量访问互联网内容。uRLLC 提供极低的通信延迟和非常高的可靠性，适用于对延迟要求极高的应用场景，如自动驾驶汽车、工业自动化和紧急救援。mMTC 针对连接数巨大的物联网设备和传感器，具有低功耗和高效能的特点，用于支持大规模设备连接、远程监控及智能城市等应用，为物联网的发展提供基础[2]。

2 5G NR 广播技术

2.1 5G NR 广播进程

2019 年10 月31 日，工业和信息化部宣布启动5G 商用。2019 年12 月，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）正式立项5G NR 组播广播。2021 年底，NR_MBS 项目RAN1 小组的标准冻结；2022 年3 月，RAN2/3/4 小组标准核心部分冻结。2022 年10 月，5G NR 广播由国际移动通信标准组织（3GPP）标准成为国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）国际无线移动电视标准。2022 年，中国广播电视网络集团有限公司（以下简称中国广电）在北京冬奥会完成全球首个5G NR广播技术商用场景系统能力验证。2023 年9 月，中国广电组织5G NR 广播预商用准备过程。此次预商用包括广播基本业务、广播与单播并发、连接态广播接收、无卡广播接收以及应急广播等，符合3GPP 标准协议流程和性能预期[3]。

2.2 5G NR 广播关键技术

5G NR 广播涉及多项关键技术，这些技术共同构建了高效的广播通信系统，以满足不同应用场景的需求。非正交多址接入（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）技术支持多个用户共享相同的频谱资源和时间，通过分配不同的功率和编码方式来区分用户，提高了频谱的利用率，使广播更高效。通过大规模MIMO 技术，广播系统可以使用大量天线来提高信号的质量和覆盖范围，从而实现更好的性能和可靠性。波束成形技术支持广播系统将信号聚焦到特定区域，从而提高信号强度和覆盖范围。波束管理技术在不同环境和条件下动态调整波束以优化性能。多接入边缘计算技术使得广播系统在接近用户的地方进行数据处理，减少了延迟并提高了响应速度，适用于实时应用。补充上行链路技术支持广播系统接收用户反馈和信息，从而实现更灵活的广播控制和资源分配。网络切片技术使广播系统能够为不同应用和服务创建独立的虚拟网络，以满足不同的性能和安全需求。超密组网技术支持广播系统在高密度的设备连接情况下保持稳定的性能，适用于大规模机器通信场景。这些关键技术共同推动了5G NR 广播的发展，使其能够在各种应用领域提供高效、可靠和多样化的广播服务。

3 5G NR 广播应用场景

3.1 传统电视频道广播服务

传统电视频道广播服务旨在广域内实现传统电视频道在移动智能终端上的基础单向线性直播，可基于广播电视发射塔、5G 蜂窝基站实现广域融合覆盖。这种服务使得观众可以在任何地点、任何时间观看到传统的电视频道，而不需要依赖有线电视或卫星电视等固定接入方式。例如，在重大体育赛事或文艺演出等活动中，观众可以通过手机、平板电脑等移动智能终端观看直播，享受高清、流畅的视频体验。在自然灾害或其他紧急情况下，传统电视频道广播服务还可以提供重要的应急信息，帮助公众及时获取最新的救援和疏散信息。为了实现这种服务，5G NR 广播技术采用了高效的视频编码和传输技术，确保了在移动智能终端上的视频质量和稳定性。通过与广播电视发射塔和5G 蜂窝基站的融合覆盖，实现了广泛的信号覆盖和高效的资源利用。比如，通过中国广电5G NR 广播App 可接收CCTV1 的频道节目，同时能接收这些频道的360°虚拟现实（Virtual Reality，VR）多视角的视频流。通过5G 核心网、电视塔和蜂窝基站的联合覆盖，做到了有线电视和无线网络综合地提供广泛的服务。2022 年北京冬奥会期间，通过5G NR 广播可接收冬奥会VR、增强现实（Augmented Reality，AR）等视听内容，同时实现5G NR 广播与5G 消息的融合应用[4]。

3.2 新型交互化视频广播服务

新型交互化视频广播服务是一种创新的视频服务方式，可以满足用户个性化、交互化和多样化的视频需求。它不仅提供传统的电视频道直播服务，还包括各种类型的互联网直播，如游戏电竞、演唱会、明星带货等。用户还可以根据自己的喜好和需求，随时点播音频和视频内容。这种服务方式充分利用了5G NR 广播技术的高速度、低延迟和高可靠性优势，保证了视频传输的稳定性和流畅性，通过采用先进的视频编码和传输技术，可以提供高清、4K/8K、AR/VR等多种视频格式，为用户带来更加逼真和沉浸式的观看体验。新型交互化视频广播服务还具有交互性强的特点。用户可以通过移动智能终端进行实时互动，如发表评论、点赞、投票等，增强了用户的参与感和体验感。这种服务模式为用户提供更加丰富多彩的视频体验，满足了用户不断增长的视频需求。

安徽广播电视台于2020 年率先开展新型交互化视频广播服务，按照“统一规划、分步实施、特色推进”的原则进行。安徽新闻综合广播、安徽交通广播、安徽音乐戏曲广播、安徽城市之声率先完成，以“新闻”“民生”“陪伴”“时尚”为特点打造新型交互化视频广播。2021 年，安徽小说评书广播、安徽经济广播、安徽农村广播陆续开展新型交互化视频广播项目。截至2022 年，安徽广播电视台八大广播频率已全面完成传统广播向新型交互化视频广播转型，丰富了广播内容，向大众提供新闻、娱乐、音乐、民生、陪伴等个性化、交互化、多样化的视频服务[5]。

3.3 融合信息广播服务

融合信息广播服务是一种基于5G NR 广播技术的全新服务模式，旨在提高全网信息传输效能与应用服务能力，有效拓展新型广播业务，支持公共安全、应急交互广播、车联网及物联网等多种新型多媒体信息类广播应用。

在公共安全方面，融合信息广播服务可以提供实时、高效的应急预警和疏散信息，帮助公众及时获取最新的救援信息，提高应急响应能力。在应急交互广播方面，用户可以通过移动智能终端进行实时互动，提供宝贵的信息和反馈，有助于更好地应对紧急情况。在车联网方面，融合信息广播服务可以提供实时交通信息和路况预警，帮助车辆更好地规划行驶路线，提高道路交通安全性和通行效率。在物联网方面，融合信息广播服务可以提供智能设备之间的无缝连接和高效通信，推动物联网技术在智能家居、智慧城市等领域的应用发展。

以应急交互广播为例，5G NR 广播为应急广播提供了技术支持。国家广播电视总局通过5G NR多播广播（Multicast-Broadcast Services，MBS）端到端系统集成应急广播功能，实现与国家广播电视总局监管中心应急广播平台的互联互通。广电5G 应急广播系统接收到国家应急部门的应急信息后，通过5G 核心网、5G 基站向5G 移动终端发布应急广播消息，以文字、声音、图像等丰富多样的形式将应急广播信息传递至用户。中国广电在3GPP 提出全新广播应用场景，包括公共安全、IoT、车用无线通信技术（Vehicle to Everything，V2X）等应用。5G NR 组播广播技术作为点到多点的高效信息传输手段，在公共安全、物联网等垂直行业领域的应用优势明显。“NR 组播广播技术在Mission Critical 关键服务领域的应用”项目目前已经立项，有助于推动5G NR 组播广播技术在公共安全、应急交互广播、V2X 车联网及物联网等领域的深入应用[6]。