視頻與網絡篇：5G 700MHz大小塔模式和無線上行增強技術
Labs 導讀
伴隨移動通信技術的發展，廣播電視用戶對移動端音視頻需求快速增長。傳統的廣播電視技術，已無法滿足市場需求;世界各國組織機構逐漸意識到，5G 無線網將成為廣播電視媒體的重要傳播渠道，積極推動5G 無線廣播技術的發展。前文講述了700MHz為啥是黃金頻道，主要介紹了5G 700M 相關的概念和標準。本文主要圍繞5G 廣播的關鍵技術展開討論，邊學邊探究。
本文分析研究包括，無線廣播技術的發展歷程，5G 無線廣播技術的解決方案，例如地面廣播模式、混合廣播模式、大塔小塔融合模式;同時介紹無線上行增強技術的幾個典型原理，包括3GPP標準中的無線上行增強技術，雙連接、載波聚合、輔助上行鏈路、上行發射通道切換、超級上行、時頻雙聚合技術。
1、背景
1.1 無線廣播技術發展進程
傳統廣播電視行業使用廣播電視塔(即大塔，覆蓋范圍>100km)提供單向廣播業務，采用的是地面廣播技術;傳統移動通信行業使用通信基站(即小塔)提供雙向通信業務，采用的是單播技術。這兩個行業，在3G 時代以前沒有交集。
3G 時代，廣播電視行業涌現出多種移動多媒體廣播技術。ETSI(歐洲電信標準化協會)于2004 年發布了手持數字視頻廣播技術DVB-H;3GPP 于2004 年在Release 6 中，發布了多媒體廣播多播業務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)，支持在蜂窩系統中建設組播/廣播網絡;但這些廣播技術都未與移動通信技術融合，終端需要額外增加芯片或接收器，未能得到廣泛應用[1]。
4G 時代，2009年3GPP在Release 9 版本中第一次發布了基于LTE 網絡的增強型多媒體廣播多播技術(evolved MBMS, eMBMS)，實現了組播區域廣播。2017 年3GPP Release 14 版本發布了進一步演進的多媒體廣播多播技術(Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, FeMBMS)，也稱增強電視廣播(Enhanced TV, EnTV)，第一次將大塔納入移動通信標準范圍，標志著移動通信技術與廣播技術的真正融合。
5G 時代，2020 年7 月凍結的Release 16 版本基本完成EnTV 標準制定，包括無卡接收、高速移動(120-250km/s)、大覆蓋(站間距100km)。在正在開展的Release 17 中，將制定基于小塔的混合廣播(Mixed Mode)相關標準，實現單播和組播/廣播的智能切換。
2019 年，中國廣電(中國廣播電視網絡有限公司)獲頒5G商用牌照;2020 年，獲得700MHz(703-733/758-788MHz)頻段使用許可。2020 年，中國廣電在3GPP 的Release 16 會議中，提出700MHz 的2×30/40MHz 技術提案獲采納，將原來2×20MHz 擴展為2×30/40 MHz，成為全球首個5G 低頻段(Sub-1GHz)大帶寬國際標準。同時中國廣電積極推動基于小塔的混合廣播(Mixed Mode)以及5G 多播服務在Release 17 版本的支持。5G 多播服務將在現有5G 網絡能力基礎上增加支持組播/廣播的網元和架構。
1.2 中國廣電與中國移動共建共享
2020 年5 月，中國廣電與中國移動簽訂5G 共建共享合作框架協議，明確共建共享700MHz 5G 無線網絡資源，中國移動有償共享2.6GHz 以及3G/4G/5G 網絡。該協議實現了雙方優勢互補，廣電減輕5G 從零開始的建設壓力，并有望實現5G 無線廣播技術;移動可實現5G 偏遠地區的低成本連續覆蓋和上行增強，降本增效。2021 年1 月，中國移動與中國廣電訂立了一系列具體合作協議，就建設、維護、市場和結算等具體問題充分溝通，達成共識。
1.3 中國廣電700MHz 頻譜規劃
除了700M 以外，工信部在2020 年1 月將4.9 GHz頻段授權給中國廣電。由于5G 廣播頻道方案暫未公布，基于已有頻譜需求，廣播電視科學研究院給出3種劃分策略(如表1)。
表1 中國廣電5G 頻譜劃分策略
- 策略1：在700MHz 頻段開展5G 廣播業務。700MHz 以下仍用于數字電視地面廣播(DTMB)。策略1 的700MHz 不能充分發揮5G 無線網絡優勢。
- 策略2：在700MHz 頻段開展雙向通信業務，700MHz 以下頻段用于5G 大塔廣播和DTMB。策略2 現網改造少，700MHz 充分發揮優勢，性價比高。
- 策略3：在700MHz 頻段內同時開展雙向通信業務和5G 廣播業務。策略3 為實現雙向通信與大塔廣播共存，頻譜利用效率有損失。
2、5G 廣播技術
5G 目前使用的廣播技術(Release 17之前)泛指從3GPP Release 9 演進至今的4G LTE 廣播技術。基于不同場景對廣播技術的需求，5G 廣播技術包含兩種解決方案：地面廣播模式和混合廣播模式(如圖1)。
圖1 5G 廣播技術解決方案
2.1 地面廣播模式
地面廣播模式(Terrestrial Mode)也叫大塔廣播，采用基于高功率高塔(High Power High Tower, HPHT)的廣播模式。適合在專用頻譜上推送大范圍覆蓋的直播電視節目。地面廣播以EnTV 為基礎，僅有下行鏈路，只支持廣播，適合大型和靜態傳輸區域。
EnTV 使用LTE 數據業務的通用網元，并新增了BMSC、MBMS GW、MCE 三個網元以支持FeMBMS 業務。技術系統架構圖見圖2 。
BMSC(Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業務中心)負責提供用戶管理、會話傳輸、業務聲明、安全管理和內容同步等功能。對內容提供商，BMSC 是MBMS 業務內容分發入口;對承載網絡，BMSC 負責授權、發起廣播/組播業務、調度、傳輸內容等功能。
MBMS GW(MBMS Gateway，MBMS網關)負責處理MBMS 業務分發和控制，由控制面和用戶面功能組成。控制面通過MME(Mobility Management Entity，移動性管理實體)處理MBMS 業務的會話控制信令，把MBMS 會話控制信令(Session start/stop)傳給基站。用戶面通過廣播/多播將數據以IP 組播流的形式傳送到基站。
MCE(Multi-cell/multicast Coordination Entity，組播協調實體)負責為eMBMS 分配時域和頻域資源，并確定無線信道的編碼和調制方式，MCE 既可以是獨立實體，也可以作為邏輯實體實現在基站中。
在組網方式上，既可以支持單頻網組網方式(Multicast Broadcast Single Frequency Network,MBSFN)，使多個小區組成更大范圍的單頻網;也可以支持單小區廣播(Single Cell-Point to Multipoint,SC-PTM)的組網方式，在單小區進行廣播。
EnTV 技術基于4G 的LTE 核心網，暫未接入5GC，也暫無終端芯片支持。未來如何在廣電的5G 網絡中落地還未知。
2.2 混合廣播模式
混合廣播模式(Mixed Mode)也叫小塔廣播，采用基于低功率小塔(Low Power Low Tower, LPLT)的廣播模式。混合廣播模式基于5G NR，可以在單播、多播和廣播之間進行動態切換，支持上行和下行雙向數據傳輸，可在單個小區到大區域之間動態配置覆蓋范圍，并且可以通過單播進行多路復用和無縫切換。在混合模式中，可用資源通過使用相同的物理信道由單播、多播和廣播服務共享;該資源共享可以在相同的子幀(與LTE 中的SC-PTM 相同的概念)中執行，或者在允許使用小規模SFN 部署(類似MBSFN)的不同子幀中執行，有利于服務之間的無縫轉換。
混合廣播模式相關標準將在3GPP Release 17 中進行制定。
2.3 大塔小塔融合模式
高功率大塔廣播是廣播電視行業傳統的廣播方式，特點是覆蓋廣，效率高，適合提供公共服務，但是不能提供交互業務;低功率小塔指移動通信基站，業務靈活，能提供個性化、交互式業務以及高新視頻業務等，但是覆蓋范圍小，廣域覆蓋成本高。高功率大塔和低功率小塔融合可以既提供廣播、直播和應急通訊為代表的單下行業務，又提供點播、游戲和音視頻等雙向業務。不同傳輸方式對業務的支持能力如表2 。
表2 大塔小塔業務能力對比
實際部署中建議采用大塔小塔聯合覆蓋的網絡架構方案。如圖3 所示。即公共內容和直播業務可通過廣播核心網以及通信核心網EnTV 進行廣播，個性化內容及交互業務通過小塔進行覆蓋。
3、無線上行增強技術
5G 網絡有大帶寬的基礎，并有Massive MIMO 和波束賦形等技術的加持，使得系統在下行方向的速率和覆蓋上有良好的性能。但是在上行方向，終端的發射功率受輻射指標的限制，天線數量受終端體積的限制，使上行覆蓋范圍受限，遠小于下行覆蓋范圍。上行無法覆蓋的區域，連接中斷，單獨下行也無法使用。3GPP 在Release 15 版本，引入多種上行增強技術來解決上行覆蓋的問題。
3.1 雙連接(E-UTRA-NR Dual Connectivity)技術
為了兼顧上行覆蓋，在5G 初期非獨立組網(NSA)模式下，采用組網選項3X，4G 負責控制面，5G 作為容量的補充。3GPP 在Release15 版本定義了5G 雙連接技術(E-UTRA-NR Dual Connectivity, EN-DC)，實現上行覆蓋增強。基站下行在4G 和5G 上同時發送信息，容量為兩個載波之和。對于上行來說，終端在4G 和5G 上各用1個發射通道(1Tx)發送數據。一旦手機移出5G 的覆蓋范圍，4G 的容量和覆蓋還可以保證。
NSA 只是過渡方案，最終5G 還是要走上獨立部署(SA)路線的。5G 定義的FR1 頻譜包含了從450MHz 到6GHz 的范圍，為了解決上行覆蓋問題，把FDD 低頻段頻譜(比如700MHz)分一些給5G，并把這些低頻段和中頻段結合起來，都部署成5G，將能提高網絡的容量和上行覆蓋。針對這種低頻段和中頻段結合的方案，3GPP 在Release15 版本還引用了另外兩種上行增強技術：5G 輔助上行(Supplementary Uplink, SUL)技術和5G 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)技術。
3.2 載波聚合(Carrier Aggregation)技術
CA 技術最早在3GPP 發布的Release 10 中進行定義，是將相同頻段或不同頻段的2~5 個成員載波聚合起來給終端使用，提升上下行傳輸速率，解決運營商不連續頻段的資源利用問題。根據載波的頻段，細分為頻段內載波聚合，即帶內載波聚合(Intra-Band CA)和頻段間的載波聚合，即帶外載波聚合(Inter-Band CA)。CA 技術已在全球成熟商用，并在5G 時代持續發揮作用[7]。
帶內載波聚合在上行方向，由于2 個同頻載波可以使用相同的發射通道，上行速率提升明顯。如圖6 左，3.5GHz 頻段的2 個載波聚合后，單個用戶上行速率接近翻倍提升。
帶外載波聚合適用于同時被多個不同頻段無線載波覆蓋的區域，如圖7 左側示意圖，不僅提升上行速率還可提升覆蓋范圍。A 區域同時被載波1(3.5GHz)和載波2(2.1GHz)覆蓋，A 區域可以利用CA 技術提升上行帶寬，如圖7 右側示意圖。B區域上行只能用載波2 進行通信。需要注意的是，由于2 個頻段不同，上行速率提升效果會受載波帶寬和上行占空比等影響。
3.3 輔助上行鏈路(SUL)技術
在Releas15 中新增了輔助上行SUL 技術，為了保證上行遠點覆蓋，在小區除了配置正常中高NR 頻段，還新增了1 個低頻上行頻段，專門用來保證上行遠點覆蓋。如圖8，在中高頻NR 載波上行覆蓋區域A(近中點)，使用中高頻載波上行進行數據發送。超出NR 覆蓋范圍，終端采用低頻載波上行進行數據發送(遠點)。終端可以在中高頻和低頻載波中動態選擇上行鏈路，但同一時刻只能選擇其中一條上行發送鏈路。
3.4 上行發射通道切換(Uplink Tx Switching)技術
5G 商用終端上行普遍支持2 個發射通道(2Tx)，上行同頻段雙流方式傳輸，能使帶寬最優(翻倍)。在多頻段組網時，如果2 個發射通道分配給不同頻段傳輸，頻譜資源得不到最佳利用。3GPP Release 16 中引入上行發射通道切換技術(Uplink Tx Switching，UL Tx switching)，實現一個上行通道載波1(如3.5GHz)固定，另一個上行發射通道在載波1和載波2(2.1GHz)之間切換：載波1 進行下行傳輸的時間段分配給載波2 進行上行傳輸，在載波1 進行上行傳輸的時間段切換到載波1，實現TDD-NR 上行同頻段雙流傳輸。如圖9。
Uplink Tx Switching 技術可以結合輔助上行SUL 和帶外載波聚合Inter-Band CA 技術，進一步提升頻譜資源的利用。移動和廣電的兩網協同主要采用這兩種基于Uplink Tx Switching 的SUL 和Inter-Band CA 方案。
3.5 超級上行(SUL with Uplink Tx Switching)技術
SUL with Uplink Tx Switching 也被稱為超級上行，是SUL 融合上行發射通道切換技術。
SUL技術，同一時間只能有一條上行發送鏈路，且低頻段只在小區遠點做上行的補充覆蓋，但用戶在近中點的用戶體驗和時延無改善，如圖10 左。
SUL with Uplink Tx Switching技術，上行可以有2 條上行發送鏈路，除了在遠點增強上行覆蓋之外，還能在近中點增強上行容量，如圖10 右。兩者都不參與下行數據的發送。
在TDD 頻段，上下行是在不同的時間發送信息。由于下載需求遠大于上傳，因此TDD 上下行時間的分配是偏向下行的，主流的上行時隙、特殊時隙、下行時隙配比為2:1:7。
從圖10 右側的超級上行方案中，終端一條上行鏈路固定使用2.6GHz，另外一條上行鏈路，在小區近中點，在2.6GHz 載波TDD 下行時隙的時間段(近點綠色)，使用700MHz 輔助載波的上行傳輸數據(近點700M 橙色);到了2.6GHz 載波上行時隙的時間段，700MHz 輔助載波把上行發射通道又交還給2.6GHz載波，實現2.6GHz 的TDD-NR 雙流上行傳輸。由于在近中點所有時間都可以進行上行發送，不但上行速率得以提升，還降低了下行數據反饋的時延，間接提升了下行速率。
到了遠點，2.6GHz 上行無法覆蓋的區域，把上行任務完全交接給700MHz 輔助載波(遠點橙色)。在此方案中，700MHz 只增強上行，下行仍使用2.6GHz 頻段。
3.6 時頻雙聚合(CA with Uplink Tx Switching)技術
CA with Uplink Tx Switching 技術也被稱為時頻雙聚合。是帶外聚合載波技術與上行發射通道切換技術的結合。
Inter-Band CA 技術在兩個載波都覆蓋的區域，上下行都采用載波聚合，在上行方面由于受限于終端的發射通道限制，在某些場景下對容量有負面影響。
CA with Uplink Tx Switching 技術放棄了上行的載波聚合，其上行方案和超級上行如出一轍，在TDD 的上行時隙，終端可以利用2 個發射通道同時發射數據，可以最大化使用頻譜資源。在下行保持了TDD 和FDD 的載波聚合，增強下行容量。如圖11 所示。
3GPP 在Release 16 中，通過Uplink Tx Switching 技術對CA 和SUL 進行增強。由于SUL 是5G 新增技術，產業鏈成熟度不足，并且SUL 載波和NR 載波的緊耦合，暫不支持跨站、跨小區，對商用部署帶來挑戰。CA 技術產業成熟度較高，支持跨站跨小區部署，并已有5G 實驗網的測試案例，主流終端芯片廠商有支持計劃。從產業鏈、網絡性能(覆蓋、速率和時延)、部署復雜度等方面綜合考慮，結合了Uplink Tx Switching 的CA 技術是最佳上行增強技術。各類上行增強技術性能和成熟度對比請見表3。
表3 上行增強技術對比
以上主要介紹了5G 700MHz 的關鍵技術。包括無線廣播技術的發展歷程、5G 無線廣播技術的解決方案，例如地面廣播模式、混合廣播模式、大塔小塔融合模式;同時介紹無線上行增強技術的幾個典型原理，包括3GPP標準中的無線上行增強技術，雙連接、載波聚合、輔助上行鏈路、上行發射通道切換、超級上行、時頻雙聚合技術。
參考文獻
[1]《5G 廣播電視系統技術與規劃研究報告》(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 大會, 《5G 廣播技術方案》白皮書, V7.0 P, Nov. 2020.
[7] 《中興通訊-5G 上行增強技術白皮書》2020.
來源：原創基于咪咕TSG燈塔團隊研究改編，李琳
【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創稿件，轉載請聯系原作者】
