视频与网络篇:5G 700MHz大小塔模式和无线上行增强技术

Labs 导读

伴随移动通信技术的发展,广播电视用户对移动端音视频需求快速增长。传统的广播电视技术,已无法满足市场需求;世界各国组织机构逐渐意识到,5G 无线网将成为广播电视媒体的重要传播渠道,积极推动5G 无线广播技术的发展。前文讲述了700MHz为啥是黄金频道,主要介绍了5G 700M 相关的概念和标准。本文主要围绕5G 广播的关键技术展开讨论,边学边探究。

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本文分析研究包括,无线广播技术的发展历程,5G 无线广播技术的解决方案,例如地面广播模式、混合广播模式、大塔小塔融合模式;同时介绍无线上行增强技术的几个典型原理,包括3GPP标准中的无线上行增强技术,双连接、载波聚合、辅助上行链路、上行发射通道切换、超级上行、时频双聚合技术。

1、背景

1.1 无线广播技术发展进程

传统广播电视行业使用广播电视塔(即大塔,覆盖范围>100km)提供单向广播业务,采用的是地面广播技术;传统移动通信行业使用通信基站(即小塔)提供双向通信业务,采用的是单播技术。这两个行业,在3G 时代以前没有交集。

3G 时代,广播电视行业涌现出多种移动多媒体广播技术。ETSI(欧洲电信标准化协会)于2004 年发布了手持数字视频广播技术DVB-H;3GPP 于2004 年在Release 6 中,发布了多媒体广播多播业务(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS),支持在蜂窝系统中建设组播/广播网络;但这些广播技术都未与移动通信技术融合,终端需要额外增加芯片或接收器,未能得到广泛应用[1]。

4G 时代,2009年3GPP在Release 9 版本中第一次发布了基于LTE 网络的增强型多媒体广播多播技术(evolved MBMS, eMBMS),实现了组播区域广播。2017 年3GPP Release 14 版本发布了进一步演进的多媒体广播多播技术(Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, FeMBMS),也称增强电视广播(Enhanced TV, EnTV),第一次将大塔纳入移动通信标准范围,标志着移动通信技术与广播技术的真正融合。

5G 时代,2020 年7 月冻结的Release 16 版本基本完成EnTV 标准制定,包括无卡接收、高速移动(120-250km/s)、大覆盖(站间距100km)。在正在开展的Release 17 中,将制定基于小塔的混合广播(Mixed Mode)相关标准,实现单播和组播/广播的智能切换。

2019 年,中国广电(中国广播电视网络有限公司)获颁5G商用牌照;2020 年,获得700MHz(703-733/758-788MHz)频段使用许可。2020 年,中国广电在3GPP 的Release 16 会议中,提出700MHz 的2×30/40MHz 技术提案获采纳,将原来2×20MHz 扩展为2×30/40 MHz,成为全球首个5G 低频段(Sub-1GHz)大带宽国际标准。同时中国广电积极推动基于小塔的混合广播(Mixed Mode)以及5G 多播服务在Release 17 版本的支持。5G 多播服务将在现有5G 网络能力基础上增加支持组播/广播的网元和架构。

1.2 中国广电与中国移动共建共享

2020 年5 月,中国广电与中国移动签订5G 共建共享合作框架协议,明确共建共享700MHz 5G 无线网络资源,中国移动有偿共享2.6GHz 以及3G/4G/5G 网络。该协议实现了双方优势互补,广电减轻5G 从零开始的建设压力,并有望实现5G 无线广播技术;移动可实现5G 偏远地区的低成本连续覆盖和上行增强,降本增效。2021 年1 月,中国移动与中国广电订立了一系列具体合作协议,就建设、维护、市场和结算等具体问题充分沟通,达成共识。

1.3 中国广电700MHz 频谱规划

除了700M 以外,工信部在2020 年1 月将4.9 GHz频段授权给中国广电。由于5G 广播频道方案暂未公布,基于已有频谱需求,广播电视科学研究院给出3种划分策略(如表1)。

表1 中国广电5G 频谱划分策略

  • 策略1:在700MHz 频段开展5G 广播业务。700MHz 以下仍用于数字电视地面广播(DTMB)。策略1 的700MHz 不能充分发挥5G 无线网络优势。
  • 策略2:在700MHz 频段开展双向通信业务,700MHz 以下频段用于5G 大塔广播和DTMB。策略2 现网改造少,700MHz 充分发挥优势,性价比高。
  • 策略3:在700MHz 频段内同时开展双向通信业务和5G 广播业务。策略3 为实现双向通信与大塔广播共存,频谱利用效率有损失。

2、5G 广播技术

5G 目前使用的广播技术(Release 17之前)泛指从3GPP Release 9 演进至今的4G LTE 广播技术。基于不同场景对广播技术的需求,5G 广播技术包含两种解决方案:地面广播模式和混合广播模式(如图1)。

图1 5G 广播技术解决方案

2.1 地面广播模式

地面广播模式(Terrestrial Mode)也叫大塔广播,采用基于高功率高塔(High Power High Tower, HPHT)的广播模式。适合在专用频谱上推送大范围覆盖的直播电视节目。地面广播以EnTV 为基础,仅有下行链路,只支持广播,适合大型和静态传输区域。

EnTV 使用LTE 数据业务的通用网元,并新增了BMSC、MBMS GW、MCE 三个网元以支持FeMBMS 业务。技术系统架构图见图2 。

图2 HPHT 系统架构图

BMSC(Broadcast Multicast Service Center,广播多播业务中心)负责提供用户管理、会话传输、业务声明、安全管理和内容同步等功能。对内容提供商,BMSC 是MBMS 业务内容分发入口;对承载网络,BMSC 负责授权、发起广播/组播业务、调度、传输内容等功能。

MBMS GW(MBMS Gateway,MBMS网关)负责处理MBMS 业务分发和控制,由控制面和用户面功能组成。控制面通过MME(Mobility Management Entity,移动性管理实体)处理MBMS 业务的会话控制信令,把MBMS 会话控制信令(Session start/stop)传给基站。用户面通过广播/多播将数据以IP 组播流的形式传送到基站。

MCE(Multi-cell/multicast Coordination Entity,组播协调实体)负责为eMBMS 分配时域和频域资源,并确定无线信道的编码和调制方式,MCE 既可以是独立实体,也可以作为逻辑实体实现在基站中。

在组网方式上,既可以支持单频网组网方式(Multicast Broadcast Single Frequency Network,MBSFN),使多个小区组成更大范围的单频网;也可以支持单小区广播(Single Cell-Point to Multipoint,SC-PTM)的组网方式,在单小区进行广播。

EnTV 技术基于4G 的LTE 核心网,暂未接入5GC,也暂无终端芯片支持。未来如何在广电的5G 网络中落地还未知。

2.2 混合广播模式

混合广播模式(Mixed Mode)也叫小塔广播,采用基于低功率小塔(Low Power Low Tower, LPLT)的广播模式。混合广播模式基于5G NR,可以在单播、多播和广播之间进行动态切换,支持上行和下行双向数据传输,可在单个小区到大区域之间动态配置覆盖范围,并且可以通过单播进行多路复用和无缝切换。在混合模式中,可用资源通过使用相同的物理信道由单播、多播和广播服务共享;该资源共享可以在相同的子帧(与LTE 中的SC-PTM 相同的概念)中执行,或者在允许使用小规模SFN 部署(类似MBSFN)的不同子帧中执行,有利于服务之间的无缝转换。

混合广播模式相关标准将在3GPP Release 17 中进行制定。

2.3 大塔小塔融合模式

高功率大塔广播是广播电视行业传统的广播方式,特点是覆盖广,效率高,适合提供公共服务,但是不能提供交互业务;低功率小塔指移动通信基站,业务灵活,能提供个性化、交互式业务以及高新视频业务等,但是覆盖范围小,广域覆盖成本高。高功率大塔和低功率小塔融合可以既提供广播、直播和应急通讯为代表的单下行业务,又提供点播、游戏和音视频等双向业务。不同传输方式对业务的支持能力如表2 。

表2 大塔小塔业务能力对比

实际部署中建议采用大塔小塔联合覆盖的网络架构方案。如图3 所示。即公共内容和直播业务可通过广播核心网以及通信核心网EnTV 进行广播,个性化内容及交互业务通过小塔进行覆盖。

图3 5G 广播总体架构示意图

3、无线上行增强技术

5G 网络有大带宽的基础,并有Massive MIMO 和波束赋形等技术的加持,使得系统在下行方向的速率和覆盖上有良好的性能。但是在上行方向,终端的发射功率受辐射指标的限制,天线数量受终端体积的限制,使上行覆盖范围受限,远小于下行覆盖范围。上行无法覆盖的区域,连接中断,单独下行也无法使用。3GPP 在Release 15 版本,引入多种上行增强技术来解决上行覆盖的问题。

图4 5G 网上行覆盖不足

3.1 双连接(E-UTRA-NR Dual Connectivity)技术

为了兼顾上行覆盖,在5G 初期非独立组网(NSA)模式下,采用组网选项3X,4G 负责控制面,5G 作为容量的补充。3GPP 在Release15 版本定义了5G 双连接技术(E-UTRA-NR Dual Connectivity, EN-DC),实现上行覆盖增强。基站下行在4G 和5G 上同时发送信息,容量为两个载波之和。对于上行来说,终端在4G 和5G 上各用1个发射通道(1Tx)发送数据。一旦手机移出5G 的覆盖范围,4G 的容量和覆盖还可以保证。

图5 EN-DC 技术

NSA 只是过渡方案,最终5G 还是要走上独立部署(SA)路线的。5G 定义的FR1 频谱包含了从450MHz 到6GHz 的范围,为了解决上行覆盖问题,把FDD 低频段频谱(比如700MHz)分一些给5G,并把这些低频段和中频段结合起来,都部署成5G,将能提高网络的容量和上行覆盖。针对这种低频段和中频段结合的方案,3GPP 在Release15 版本还引用了另外两种上行增强技术:5G 辅助上行(Supplementary Uplink, SUL)技术和5G 载波聚合(Carrier Aggregation, CA)技术。

3.2 载波聚合(Carrier Aggregation)技术

CA 技术最早在3GPP 发布的Release 10 中进行定义,是将相同频段或不同频段的2~5 个成员载波聚合起来给终端使用,提升上下行传输速率,解决运营商不连续频段的资源利用问题。根据载波的频段,细分为频段内载波聚合,即带内载波聚合(Intra-Band CA)和频段间的载波聚合,即带外载波聚合(Inter-Band CA)。CA 技术已在全球成熟商用,并在5G 时代持续发挥作用[7]。

带内载波聚合在上行方向,由于2 个同频载波可以使用相同的发射通道,上行速率提升明显。如图6 左,3.5GHz 频段的2 个载波聚合后,单个用户上行速率接近翻倍提升。

图6 带内载波聚合(Intra-Band CA)

带外载波聚合适用于同时被多个不同频段无线载波覆盖的区域,如图7 左侧示意图,不仅提升上行速率还可提升覆盖范围。A 区域同时被载波1(3.5GHz)和载波2(2.1GHz)覆盖,A 区域可以利用CA 技术提升上行带宽,如图7 右侧示意图。B区域上行只能用载波2 进行通信。需要注意的是,由于2 个频段不同,上行速率提升效果会受载波带宽和上行占空比等影响。

图7 带外载波聚合(Inter-Band CA)

3.3 辅助上行链路(SUL)技术

在Releas15 中新增了辅助上行SUL 技术,为了保证上行远点覆盖,在小区除了配置正常中高NR 频段,还新增了1 个低频上行频段,专门用来保证上行远点覆盖。如图8,在中高频NR 载波上行覆盖区域A(近中点),使用中高频载波上行进行数据发送。超出NR 覆盖范围,终端采用低频载波上行进行数据发送(远点)。终端可以在中高频和低频载波中动态选择上行链路,但同一时刻只能选择其中一条上行发送链路。

图8 辅助上行SUL 技术

3.4 上行发射通道切换(Uplink Tx Switching)技术

5G 商用终端上行普遍支持2 个发射通道(2Tx),上行同频段双流方式传输,能使带宽最优(翻倍)。在多频段组网时,如果2 个发射通道分配给不同频段传输,频谱资源得不到最佳利用。3GPP Release 16 中引入上行发射通道切换技术(Uplink Tx Switching,UL Tx switching),实现一个上行通道载波1(如3.5GHz)固定,另一个上行发射通道在载波1和载波2(2.1GHz)之间切换:载波1 进行下行传输的时间段分配给载波2 进行上行传输,在载波1 进行上行传输的时间段切换到载波1,实现TDD-NR 上行同频段双流传输。如图9。

图9 上行发射通道切换Uplink Tx Switching 技术

Uplink Tx Switching 技术可以结合辅助上行SUL 和带外载波聚合Inter-Band CA 技术,进一步提升频谱资源的利用。移动和广电的两网协同主要采用这两种基于Uplink Tx Switching 的SUL 和Inter-Band CA 方案。

3.5 超级上行(SUL with Uplink Tx Switching)技术

SUL with Uplink Tx Switching 也被称为超级上行,是SUL 融合上行发射通道切换技术。

SUL技术,同一时间只能有一条上行发送链路,且低频段只在小区远点做上行的补充覆盖,但用户在近中点的用户体验和时延无改善,如图10 左。

SUL with Uplink Tx Switching技术,上行可以有2 条上行发送链路,除了在远点增强上行覆盖之外,还能在近中点增强上行容量,如图10 右。两者都不参与下行数据的发送。

图10 SUL 和SUL with Uplink Tx Switching

在TDD 频段,上下行是在不同的时间发送信息。由于下载需求远大于上传,因此TDD 上下行时间的分配是偏向下行的,主流的上行时隙、特殊时隙、下行时隙配比为2:1:7。

从图10 右侧的超级上行方案中,终端一条上行链路固定使用2.6GHz,另外一条上行链路,在小区近中点,在2.6GHz 载波TDD 下行时隙的时间段(近点绿色),使用700MHz 辅助载波的上行传输数据(近点700M 橙色);到了2.6GHz 载波上行时隙的时间段,700MHz 辅助载波把上行发射通道又交还给2.6GHz载波,实现2.6GHz 的TDD-NR 双流上行传输。由于在近中点所有时间都可以进行上行发送,不但上行速率得以提升,还降低了下行数据反馈的时延,间接提升了下行速率。

到了远点,2.6GHz 上行无法覆盖的区域,把上行任务完全交接给700MHz 辅助载波(远点橙色)。在此方案中,700MHz 只增强上行,下行仍使用2.6GHz 频段。

3.6 时频双聚合(CA with Uplink Tx Switching)技术

CA with Uplink Tx Switching 技术也被称为时频双聚合。是带外聚合载波技术与上行发射通道切换技术的结合。

Inter-Band CA 技术在两个载波都覆盖的区域,上下行都采用载波聚合,在上行方面由于受限于终端的发射通道限制,在某些场景下对容量有负面影响。

CA with Uplink Tx Switching 技术放弃了上行的载波聚合,其上行方案和超级上行如出一辙,在TDD 的上行时隙,终端可以利用2 个发射通道同时发射数据,可以最大化使用频谱资源。在下行保持了TDD 和FDD 的载波聚合,增强下行容量。如图11 所示。

图11 Inter-Band CA 和CA with Uplink Tx Switching

3GPP 在Release 16 中,通过Uplink Tx Switching 技术对CA 和SUL 进行增强。由于SUL 是5G 新增技术,产业链成熟度不足,并且SUL 载波和NR 载波的紧耦合,暂不支持跨站、跨小区,对商用部署带来挑战。CA 技术产业成熟度较高,支持跨站跨小区部署,并已有5G 实验网的测试案例,主流终端芯片厂商有支持计划。从产业链、网络性能(覆盖、速率和时延)、部署复杂度等方面综合考虑,结合了Uplink Tx Switching 的CA 技术是最佳上行增强技术。各类上行增强技术性能和成熟度对比请见表3。

表3 上行增强技术对比

以上主要介绍了5G 700MHz 的关键技术。包括无线广播技术的发展历程、5G 无线广播技术的解决方案,例如地面广播模式、混合广播模式、大塔小塔融合模式;同时介绍无线上行增强技术的几个典型原理,包括3GPP标准中的无线上行增强技术,双连接、载波聚合、辅助上行链路、上行发射通道切换、超级上行、时频双聚合技术。

参考文献

[1]《5G 广播电视系统技术与规划研究报告》(2020版).

[2] 3GPP, TS 23.246, Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description, V16.1, Sep. 24th, 2019.

[3] 3GPP, TS 36.300, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2, V16.4, Dec. 2020.

[4] 3GPP, TS 36.976, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2, V16.0, Mar. 2020.

[5] ETSI, TS 103 720, 5G Broadcast System for linear TV and radio services;LTE-based 5G terrestrial broadcast system, V1.1.1, Dec. 2020.

[6] 2020 世界5G 大会, 《5G 广播技术方案》白皮书, V7.0 P, Nov. 2020.

[7] 《中兴通讯-5G 上行增强技术白皮书》2020.

来源:原创基于咪咕TSG灯塔团队研究改编,李琳

【本文为专栏作者“移动Labs”原创稿件,转载请联系原作者】

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