“5G广播”的关键技术

云栖网 2018-03-28 09:30 来源：北邮许昌基地、5G

云栖网：随着移动通信系统从4G向5G的演进，很多类型的内容，如果采取“广播”方式，对能耗、成本、效率的改善均很有益。此处的“广播”不是指无线电台的声音广播，而是指内容的分发/传输采取“广播”这种方式。

1、什么是5G广播？

如下图所示，在ITU-R所确定的5G的3大应用场景---增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）、超可靠与低时延通信（uRLLC）中，每个场景均有很多可以用“广播”方式进行传输的业务，被业界统称为5G广播类业务（5GBroadcast-likeservice）、5G广播组播业务（5GBMS）等。比如，将来的5G系统中，4K/8K超高清视频、三维立体视频、多视角视频、VR（虚拟现实）/AR（增强现实）等等高质量多媒体业务，都是可以采取“广播”方式进行分发。又比如对紧急信息的广播。还比如对物联网终端固件/软件的批量升级等等。

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由此可见，“广播”将在5G时代发挥极为关键的作用。这主要是由于，在自从互联网诞生以来的几十年里，流媒体视频与智能手机、平板电脑等移动智能终端在人们的日常生活中扮演着重要的角色，蜂窝移动通信网络内传输的流量不断提升（甚至被很多人形容成“爆发式增长”），给网络的持续扩容升级带来越来越大的压力。

2、5G广播系统的特点

在此背景下，全球移动通信业界开始研究一种新兴的、更为高效的的数字广播系统——之所以更为高效，是由于目前蜂窝移动通信网络分发移动视频内容所采取的是以“点到点”为特征的单播方式，而数字广播系统则侧重于采取“广播”方式，可同时向若干移动终端及固定终端分发/传输相同的视频内容。

也即，上述的“数字广播系统”将适宜于被移动通信基础网络运营商用于有着大的数据流量的宽带信息（尤其是热门多媒体信息）的分发/传输，这对于目前在以大屏幕终端大规模移动视频观看为主要驱动的蜂窝移动数据流量快速增长的情况，将具有一定程度缓解网络及系统升级压力的作用。

众所周知，目前已商用的4G网络所采用的是“单播”方式，其特点是内容传输是“点到点”。而在2017年8月23日，中国联通启动国内第一个商用的LTE组播平台来提供“高铁影院”服务。

这里的“LTE组播”是采取“点到多点”方式，以上述的联通“高铁影院”为例，就是对于N（N为正整数）个正在行驶的高铁上有着相同视频观看需求的乘客，组成一个组播组，同时、同频向其传输相同的内容，这样，“LTE组播”相对于“LTE单播”就极大节省了频谱资源、提高了热门视频内容的分发效率。

由此，我们可以形象地感知到“组播”相对于“单播”的优势。

而“广播”与“组播”也有着相同的特点---对内容的分发也是“点到多点”。对于移动通信界而言，在称呼上，“广播”就是“组播”，“组播”就是“广播”---比如，增强型多媒体广播/多播服务（eMBMS）实际上是一种组播技术，但业界广泛地称其为“LTEBroadcast（LTE广播）”。

3、5G广播的发展目标与技术需求

3GPP从Release9开始引入第一版的多媒体广播/多播服务（MBMS），并在3GPPRelease11演进至具有更高速率及更灵活业务配置的增强型多媒体广播/多播服务（eMBMS）：其在业务层方面的增强表现在增加了面向更高分辨率的视频编码和帧率；还新引入了前向纠错（FEC）技术。

但是，eMBMS在全球范围的产业化和商业化进程都非常的慢，截至2018年3月，全球仅有5个运营商推出了小规模的eMBMS商用服务。

而在2017年冻结的3GPPRelease14中，3GPP对eMBMS作了一些改进/演进（比如扩大OFDM符号的循环前缀长度）。可别小瞧这些改进，因为这些改进是由运营商自发推动的，代表着运营商的强烈需求，意味着eMBMS以后的产业化与商业化进程将会加速。这不，刚冻结才几个月的时间，目前，欧洲产业界就已经开始对这种演进型的eMBMS进行现网试验了，而且还把它称为“FeMBMS”（未来eMBMS）甚至“5G电视广播”。

同时，面向移动终端的经典广播技术也在不断发展。欧洲第二代地面数字电视广播标准DVB-T2以附录的形式提出一种可提高无线网络频谱利用效率（bps/Hz）的新技术---时间频率切片（TFS），并将其完全应用于面向下一代手持终端的移动视频广播系统（DVB-NGH）之中。此外，美国最新一代的地面数字电视广播标准ATSC3.0将采取层分复用（LDM）技术，该技术又被业界称为“云广播”，其把单个物理层信道划分为多个子信道，每个子信道以不同的信道编码与调制、发射功率等承载不同的业务（这种技术的理念类似于对5G无线接入网进行“网络切片”）。

但是，与4G和其他类型的通信系统（包括地面电视广播系统）相比，5G网络的数据流量总量以及终端移动性模式将有着很大程度的不同。可以预见，5G时代更大量的移动用户、更为增强的终端能力、更高容量网络的部署，对于目前业界进行的新兴技术的研究及应用将带来很大的挑战。

虽然存在上述挑战，但“5G广播”的发展目标很明确：一是5G网络要能提供新兴的广播/单播混合型业务；二是让经典广播方式具备更强的交互性。

在上述目标的指引下，总结起来，目前，全球移动通信业界对于5G广播提出了4大需求：（1）更高质量的音视频及更高效的信源编码，例如沉浸式音频、4K/8K超高清电视、多频/多视角观看系统等；（2）面向位于家中环境的固定终端、位于移动环境的智能手机与平板电脑等的泛在的内容广播；（3）更高的数据容量及更大密度的传输，例如超级层分复用（SLDM）；（4）快速移动场景里的终端移动性。

4、5G广播的解决方案与技术挑战

为了满足上述4大需求，总结起来，截至目前，全球移动通信业界提出的解决方案有以下4种：

（1）对于频谱资源的更高效利用；

（2）为电视广播商/广播电视台提供这样的服务---在相同的带宽内承载多个电视频道，面向固定大屏幕电视及处于快速移动状态的智能手机、平板电脑等进行广播；

（3）使各个5G小区相互协作来支撑广播需求（即灵活按需动态组建单频网）；（4）基于互联网协议，以广播方式传输互联网内容。

而上述的4大解决方案，目前尚面临很多亟待解决的技术挑战，包括：

（1）5G“点到多点”通信关键技术；

（2）面向5G广播网络的系统架构；

（3）下一代层分复用技术（nLDM）；

（4）5G“点到多点”系统的无线资源管理；

（5）信源编码技术的优化；

（6）下一代云、虚拟化、软件定义网络相关技术；