5G广播技术演进发展趋势

温豪 彭汉龙 林淦 黄凯珊

摘要：文章结合3GPP介绍了早期广播演进的历史以及5G广播的地面广播和混合广播两种未来的技术路线，探讨了5G广播存在的机遇和挑战，并进行了总结。

关键词：5G广播；技术演进；混合模式；双网协同

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.005

中图分类号：TN 929.53          文献标志码：A            文章编码：1672-7274（2024）04-00-04

5G Broadcast： Technological Evolution and Path to Implementation

WEN Hao1， PENG Hanlong2， LIN Gan2， HUANG Kaishan2

（1.The State Radio-monitoring-center Testing Center， 100041 Beijing， China;

2.Shenzhen University， Shenzhen 518000， China）

Abstract： First， the background of 5G broadcasting is introduced. The historical evolution of broadcasting， in conjunction with 3GPP， is then discussed. Subsequently， two future technical routes of 5G broadcasting， namely terrestrial broadcasting and hybrid broadcasting， are presented. Finally， the opportunities and challenges of 5G broadcasting are explored and summarized.

Keywords：5G broadcasting; technological evolution; hybrid model; dual network coordination

1   研究背景

当人口密集和拥挤地区的用户订阅直播视频服务并同时请求相同的内容时，增加了对系统带宽的峰值需求，使得资源分配问题变得更加具有挑战性。这种情况下，无论是基于单播的传统通信网络或者是业务较为单一的传统广播电视网络，都难以满足用户多样化的需求。因此，社会各界对新一代广播电视系统的呼声越来越高，5G广播技术逐渐进入大众视野。

2   早期广播技术的演进过程

2.1 MBMS的提出及主要技术特点

21世纪初，由于移动通信技术的飞速发展和广播模式的潜在优势日渐显露，通信运营商们开始推荐在通信领域中增加广播模式。2002年，3GPP在Release6规范中，首次提出了“多媒体广播多播业务”，也就是MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务）[1]，这为未来手机电视广播技术的发展奠定了基础。在MBMS的网络架构中，BMSC（Broadcast Multicast Service Center，广播多播业务中心）对后续广播技术的演进具有重要意义。

2.2 eMBMS的提出及主要技术特点

eMBMS（增强多媒体广播多播业务）是一种利用移动通信的广播信道发送数据的技术，尤其适用于傳输大带宽需求的视频等数据。这项技术能够显著降低运营商在LTE网络上同时向多个用户提供高带宽内容（如视频、音频等）的成本。

在3GPP Release9协议中，提出了增强型广播多播技术（eMBMS），该技术可应用于LTE网络，支持更大的带宽、更多频道以及更流畅的多媒体内容，从而提升用户体验。因此，eMBMS能够同时兼容3G与LTE网络，确保系统兼容性。在Release9之后，eMBMS在传输方式和信道结构方面进行演变。eMBMS在接入网络中，eMBMS采用了SFN（单频网）传输方式，允许多个小区以相同频率同时传输相同的广播节目信号。3GPP将Release 9后基于LTE架构的SFN传输方式称为MBSFN（Multicast/Broadcast Single-Frequency Network）传输方式[2]。3GPP在Release13中引入了单基站点对多点服务（SC-PTM）与Release 9中提出的MBSFN一同作为eMBMS的传输方式[3]。在一定UE数量范围内，SC-PTM的频谱效率比MBSFN高，当UE数量较多时，MBSFN具有更高的频谱效率。

2.3 FeMBMS的提出及主要技术特点

得益于计算机行业、电子行业、材料行业的飞速发展，移动通信终端性能不断提升，传统广播电视技术融入现代通信技术成为可能，3GPP在Release14中对eMBMS进行了扩展和增强，使其更加适合广播电视业务，同时还使MBSFN和SC-PTM技术能够用于车联网（V2X）通信[4]。Release14对eMBMS的增强主要体现在对系统架构和界面进行了简化，以及对LTE物理层进行了扩展，并整合进EnTV（Enhanced Televison）项目中，作为5G地面广播技术的基础[5]。

3   5G广播的演进过程

3.1 5G广播的定义

由于广播技术自提出时就与广播电视业务密不可分。所以在广电行业，5G广播一般指5G广播电视系统，是采用了3GPP制定的符合移动通信标准要求的广播传输技术。由于其传输技术制定时段在3GPP的5G标准制定工作周期内，其特性符合5G技术性能要求，因此被称为“5G广播”。如今，5G广播的应用已不再局限于传统电视直播，还有交互式现场直播、与OTT平台结合的新媒体业务、应急广播、数据推送等。

3.2 5G广播的演进路线

目前，3GPP标准下的5G广播系统有两种演进路线，第一种是基于LTE的5G广播系统[6]，如图1所示。在2020年冻结的Release16版本中，3GPP明确了基于LTE技术的5G广播路线，主要是在Release14中FeMBMS/EnTV的基础上进行增强。同时，3GPP在Release17中已明确：基于LTE的5G广播系统在无线接入网（RAN）侧将不会继续演进[7]。而另一种演进路线是在Release17中提出的，基于5G NR的5G广播系统[8]，如图2所示。

这两种演进路线对应不同的技术实现方式，由于EnTV（Enhanced TV）使传统的地面广播电视大塔可以加入到MBMS服务中。所以在此基础上发展起来的，在Release16中定义的基于LTE的5G广播系统，被业界称为“5G地面广播”，其技术实现方式为地面广播模式（Terrestrial mode）；Release17定义了基于5G NR的5G广播系统使用的是混合模式（Mixed mode）的广播，业界称其为“5G混合广播”。

3.2.1 5G地面广播系统

5G地面广播系统基于广播大塔实现，同时辅助以小塔进行补点，主要是为了满足共性内容和公共服务的基本覆盖。根据广播电视科学研究院编制的报告[9]可知，国内大塔无线发射系统包括5G广播激励器、5G广播发射机、前传网络及杆塔、电源、机房等配套设施，如图3所示。我国现有无线广播电视发射塔大部分是DTMB和FM发射塔，少部分是中短波发射塔。现有的DTMB发射系统主要由地面数字电视发射机和天馈线系统组成。对于DTMB广播大塔，在从DTMB向5G广播电视技术体制的实施过程中，需要将DTMB激励器改造为5G广播电视激励器[9]。

基于大塔广播EnTV技术，用户在户外各种场景中，可以使用手机等移动终端直接接收大塔发出的广播电视信号，并在客户端App上收看电视节目。这种情况下，终端是通过广播接收的方式获取信号，因此不用消耗流量。并且没有SIM卡的终端也可以收看节目，这得益于Release14提出的“Receive Only Mode”，为纯下行的free-to-air（FTA）业务形态实现了无SIM业务。

当用户移动到大塔覆盖不到的区域，如位于室内场景时，可以通过连接到运营商部署在互联网上的服务器，继续收看广播电视节目。此时，手机终端获取节目内容的方式为互联网接收方式，因此需要接入Wi-Fi或使用数据流量。

3.2.2 5G混合广播系统

5G混合广播系统主要是利用移动通信小塔实现的，其目的是向用户提供定制的互动式服务，并且适合于进行临时性的小范围广播电视服务[9]。如图4所示，5G混合广播系统包括室内基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）或有源天线单元（AAU）、前传网络及杆塔、电源、机房等配套设施，具有低功率、低站址的特性[10]。

在Release 17中，5G NR接入技术加入了数据传输的组播和广播功能。用户在体育场馆、演出现场等热点区域，使用手机等移动终端可以直接接收运营商小塔发出的5G广播电视信号，并在客户端App上进行观看。在这个广播过程中，终端不需要经过鉴权就可以收看节目。与此同时，业务提供商可以通过多个角度机位拍摄或通过高速摄影记录精彩瞬间，以增值业务形态向用户提供AR增强现实、多视角、慢动作回放等方式的高新视音频内容供用户选择播放，提供沉浸式的视听体验。使用这些增值业务时，需要终端提前订阅该服务，通信小塔会以组播的形式，向通过鉴权的终端提供增值服务[11]。

4   5G广播双网协同覆盖的方案

如今，越来越多的广电研究者提到了双网协同覆盖的方案。双网协同覆盖指的是将5G广播网和5G移动通信网合并，共享一张核心网。“双网协同”在某些文献中也称为“双频段协同”，主要是因为两个网络使用了不同的频段进行广播。5G广播网主要使用大塔广播，5G移动通信网使用小塔通信，两者结合能够充分发挥大塔和小塔各自的优势，实现优势互补。因此，双网协同覆盖从根本上讲也是大塔和小塔的协同覆盖。

早在Release14之前，就有研究者提出双网协同覆盖的思想。文献[12]提出了将广播大塔资源整合进LTE-A（LTE Advance）架构中，从而使LTE-A网络不仅能够使用大塔资源进行大范围广播传输，还能使用eMBMS中的小塔资源进行小范围的单播多播传输。由于可以将流行内容从蜂窝网络转变到广播网络中进行传输，大大降低了网络传输成本。

4.1 广播网与移动通信网融合

传统的广播网与移动通信网是根据不同的应用场景和业务需求而设计的。移动通信网通过单播方式传输数据，在覆盖范围内，距离基站较近的用户由于信道条件好，通信速率较高，能够获得更好的视频接收体验；而位于覆盖区域边缘的用户，由于信道条件较差，视频接收体验也较差。根据业务的不同，移动通信网的用户容量会受到限制。在架构上，移动通信网具有开放性的架构，业务丰富、灵活。

广播网的通信方式是单向通信，更重视点对多点的服务。广播网通常是按照覆盖范围内信道条件最差的用户能够正常接收视频服务的原则而设计的，覆盖范围内的所有用户都能获得同样好的视频接收体验，并且用户容量没有限制。在架构上，由于广播网在建成之时，便只支持固定的业务，所以架构较封闭。

对比广播网和移动通信网各自的优缺点，可以发现移动通信网更适合提供个性化的点播、交互类业务，广播网更适合提供广区域覆盖的基础广播类业务。两者在通信方式、覆盖能力、用户容量、业务形式上各有优缺点，所以在5G广播电视网络建设上，采用广播网与移動通信网协同融合的方案能实现两种网络优势互补，满足多样化的业务需求。

4.2 双网协同覆盖的实现形式

双网协同分为基本协同和增强协同两种策略，基本协同旨在确保5G广播电视业务的广泛覆盖；而增强协同又包括补差协同和分层协同，在保障5G广播电视业务基本覆盖的前提下，实现更多数据交互，满足用户对视听体验的更高要求。

基本协同主要通过广播电视大塔和补点小塔共同发射广播信号实现业务广域覆盖。同时，通信小塔会发挥辅助作用，对其覆盖范围内的用户进行鉴权和收视统计。虽然补点小塔与通信小塔的功能不同，但可以将其进行共站址建设，以节约成本[13]。

增强协同是指在5G广播网和5G移动通信网广覆盖的前提下，两种网络在数据层面上的进一步协同，包括补差协同和分层协同。

补差协同是指在“5G地面广播”信号覆盖不足的区域，用户终端通过单播将丢包情况告知该区域的5G通信小塔，小塔再以单播方式将丢失的数据传回用户终端。而在信号盲区，利用5G通信小塔的单播或广播，即“5G混合广播”（又称“5G蜂窝广播”），对区域内的用户进行视频数据传输，这种的方式实现了信号覆盖的无缝衔接，让用户在任何地方都能享受到高速、稳定的5G网络服务。

分层协同是指在“5G地面广播”传输的基础视频层之上，通过“5G蜂窝广播”使用分层视频编码的技术为用户提供更高质量的视频服务。

5   结束语

5G广播技术源于早期广播技术，融合了高速率、低时延的5G通信技术，节省了频谱资源，提升了用户视觉体验，进一步优化了社会公共服务，为通信行业带来了新的机遇与挑战。本文首先结合3GPP标准，追溯了早期广播技术的演进历程；接着探讨了5G广播未来的技术路线。5G广播技术随着通信技术不断发展的同时将为用户带来更便捷、丰富、高效的广播服务体验，我们也需要做好准备应对随之而来的技术和管理方面的挑战。

参考文献

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[3] 3GPP TS 26.346 V11.12.0 Multimedia Broadcast/Multicast Service （MBMS）; Protocols and codecs. 2015.6.

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[12] F. Juretzek.Integration of high tower， high power LTE-Advanced broadcast into mobile networks. in 2016 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting （BMSB）， Nara， Japan， pp. 1-6， 2016.

[13] 高楊，冯景锋．构建基于“5G通信+5G广播”的智慧广电新型网络[J]．广播与电视技术，2020，47（01）：12-18.