【大家之言】5G广播电视演进和主要技术特点

【大家之言】是《广播与电视技术》杂志为行业知名专家学者开设的专栏，旨在为广电科技的研究应用和创新发展建言献策。本文由《广播与电视技术》杂志独家授权，刊发于2020年第3期。

作者：邹峰 （国家广播电视总局广播电视科学研究院）

【摘 要】

地面无线广播电视作为广播电视最为重要的传输手段，在广播电视发展的很长一段时间内占据主导地位。随着计算机、微电子、移动通信、材料科学等技术飞速发展和人们不断提高的精神、物质、文化需求，无线广播电视技术开始探索向移动终端和个性化领域发展，广播电视与通信技术的融合已经成为全球性话题和探索研究方向。以国际通信组织3GPP为代表的通信与广播电视技术人员，从本世纪初开始了对现代广播电视传播体系的全面系统研究和探讨。本文全面介绍了3GPP广播模式的发展历程和主要技术特点，并基于我国广电兼具广播运营商和电信运营商的双重身份，指出了广电5G广播电视网建设演进路线，建议了未来中国3GPP广播电视分三阶段发展，提出了中国广播电视的核心模式：卫星组网+地面广播+基站覆盖。

【关键词】

3GPP，5G广播电视，FeMBMS，通信，广播模式

0 引言

1895年意大利的马可尼和俄国的波波夫几乎同时发明了无线电，相应的发射和接收设备便应运而生，并在很短时间里不断改进，达到实际应用的水平。世界各国一时竞相建设广播电台、生产收音机。随着发射功率的不断增大，特别是短波频率的使用，使得无线电波越传越远，甚至跨越国界。世界公认的首次电台播音是1920年11月2日美国威斯汀豪斯公司在匹茨堡的KDKA电台播出哈定当选总统。

随着技术发展，无线广播从单纯的声音广播，发展到声音和电视广播，从模拟时代到数字时代。地面无线广播电视作为广播电视最为重要的传输手段，在广播电视发展的很长一段时间内占据主导地位。直到上个世纪90年代初，随着数字技术的推广和普及，有线电视和卫星电视开始大规模超越地面无线广播电视，传统地面无线广播电视已难以满足人们对于图像质量、节目数量和双向个性化的需求。

从2000年开始，随着信号处理技术的发展、广播电视传输技术与通信技术的融合以及人民生活水平的提高，无线广播电视技术开始探索向双向、移动接收领域发展。初期针对普通车载电视，2004年开始确立面向手机等个人移动终端，从而扩大无线广播电视的业务范围，和卫星、有线电视实现差异化发展，从家庭屏扩展到个人屏。这成为当时全世界广播电视从业者的共识，在2008年前后。美国高通公司研发出MediaFLO，欧洲DVB制定DVB-H标准，韩国推出DAB-M标准，日本在ISBT标准上进行移动性修订，我国制定了CMMB标准，其中，美国高通购买了全美的运营频率，中国构建了完整的CMMB产业链，并进行了全国部署，但是在运营中均以失败告终，导致上述标准都未能形成事实的成功。而同时期，手机终端却如火如荼的发展，使广电人又一次开始探索广电的未来发展之路。

1 5G广播电视（Broadcasting）

的演进及技术特点

1.1“多媒体广播多播业务，MBMS” 的提出和主要技术特点

随着移动通信技术飞速发展和广播（Broadcasting，以下同）模式巨大价格及质量潜在优势，通信运营商开始在通信领域除单播、组播模式外提出应增加广播模式。2002年在第三代移动通信（3GPP）Rel6（Release6，Release可以理解为3GPP的一个规划）提出了“多媒体广播多播业务”，即MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service,也有称：多媒体广播组播业务），成为以后手机电视业务的技术基石。后来又发展到Rel7（2005-6-6 2007-3-6）版本。MBMS标准工作于2001年7月提出，2002年10月启动，2005年9月标准冻结，实际网络实施是2007年，2008年前3G网络开始推广MBMS业务。多媒体广播/多播业务（MBMS）在Rel6、Rel7版本的3G系统中已经取得了完整的实现。但是受当时技术的影响，在Rel6/Rel7中，MBMS功能更多的是通过对3G网络架构的改进而实现的，因此MBMS逻辑架构要依附于已有的3G网络架构。针对广播电视技术主要进行了两方面改进：一是通过增加新的功能实体广播多（组）播业务中心（BM-SC）来提供与管理MBMS业务；二是在已有的功能实体上（包括：GGSN、SGSN、BSC/RNC和UE）增加对MBMS业务的支持。因此Rel6/Rel7的 MBMS可以看作是对3G系统的一种功能扩展，远无法满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求。2009年1月3GPP开始了Rel8（2006-01-23 2009-03-12）的规范制定，同时并行开展Rel9（2008-03-06 2010-03-25）、Rel10（2009-01-20 2011-06-08）的研究。

1.2“演进的多媒体广播多播业务，EMBMS” 的提出和主要技术特点

随着通信LTE（Long Time Evolution，长期演进）技术的发展，3GPP在Rel8中对广播多播技术进行了增强，提出了EMBMS业务，并在后续的Rel10、Rel11版本中进行了优化。EMBMS既支持原有的3G网络，同时也支持LTE接入网络，保证了系统的兼容性。EMBMS在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进。

在逻辑结构上，EMBMS提出了独立的架构，见图1，在核心网中定义了MBMS逻辑实体，在接入网中定义了动态管理（MCE）功能实体，并且定义了相关的控制面、用户面接口。EMBMS这种完整、独立的扁平化逻辑架构，便于对MBMS各部分功能进行灵活部署，有利于MBMS的资源优化和性能提升。

随后几年EMBMS得到了飞速发展，EMBMS开始向承载类型演进，在传输方式上提供广播和多播两种承载类型（传输方式）。当使用MBMS承载广播业务时，业务数据会向业务区域内的所有用户发送，用户无需向网络进行注册便可以接收数据；在使用多播承载时，业务数据只向特定用户进行传输，为了接收业务数据，用户必须向网络进行注册，并将用户信息保存在网络的相关节点之中。MBMS广播和多播是针对不同的业务需求提供的不同承载类型，具有不同的业务流程。为了满足业务不断发展的需要，Rel9正式提出了EMBMS概念，又定义了增强广播承载类型，这种承载类型介于广播和组播之间，吸收了广播中流程简单和组播中资源优化的优点。同时EMBMS开始了传输方式和信道结构的演进。

在组网方式上，EMBMS在接入网中引入了单频网（SFN）传输方式，即MBSFN传输方式，就是多个小区在同一时间以相同频率同步进行同一广播节目信号的传输。使用这种传输方式只需要占用一个频段，不需要在相临小区间进行频率规划，从而可以有效节约频率资源，提高频谱利用率。同时多小区同频传输可带来分集增益，提升弱信号场景下的接收性能。标准中定义了MBSFN同步传输的MBSFN区域和MBSFN同步区域。整个MBSFN区域会被看作是一个MBSFN小区，UE在其中可以连续接收EMBMS广播信号。为了实现多小区传输（即使用MBSFN传输方式），引入了逻辑实体MCE的概念，如图2所示，负责接纳控制和为MBSFN区域中的多个小区分配无线资源和传输参数（时频资源和传输格式）等。由于是逻辑实体，MCE既可以作为某些功能实体（如：eNodeB）的一部分，也可以是一个独立的实体。

在MBMS信道结构的的演进中，E定义了两个逻辑信道来实现数据下发：MCCH和MTCH。EMBMS可以使用两种模式进行业务下发：p-t-p或者p-t-m。当对 MBMS 业务进行单小区传输时（非 MBSFN 传输方式），使用下行共享信道 DL-SCH；当进行多小区传输（MBSFN 传输方式）时，则使用 MCH 来进行同步传输。同时图3展示了E-MBMS所支持的多小区传输模式，其中A和B为两种在混合小区的传输模式，C和D为两种在MBMS专有小区的传输模式。当需要对某个单独的MBMS专用小区进行MBMS业务传输时，由于没有DL-DCH信道而无法进行单小区传输，因而仍然可以使用MCH信道、针对单个小区进行多小区传输（MBSFN传输方式）。

1.3“进一步演进的多媒体广播多播业务，FEMBMS” 的提出和主要技术特点

在3GPP广播技术不断演进的同时，世界范围内广播界也在利用传统无线广播电视技术开展双向、移动接收、车载电视以及面向手机屏幕等运营，以寻求扩大无线广播电视业务范围，但是美国、欧洲、日本、中国的实践均以失败告终。随着微电子技术、材料科学、计算机技术迅猛的发展，全球的广播电视从业者再次意识到：1）无线广播电视发展的出路依然在个人移动终端；2）传统广播电视技术和规模难以支撑所需的新业务发展；3）新技术的发展已使传统广播电视技术融入现代通信技术成为可能。为此国际上出现了两个路线图，一是以美国ATSC3.0为代表，谋求以美国广电行业为主，独自完成的ATSC3.0广播电视标准为基础，与3GPP合作发展相关技术，进入3GPP标准序列，但是被3GPP拒绝。二是有鉴于此，欧洲和中国形成共识，认为最佳的技术途径直接加入3GPP组织，将广电业务融合到3GPP LTA-A以后的标准序列中，在其内推动广播电视技术发展，以期减少不确定性，减少隔阂。因此在3GPP的Rel14（2014-09-17 2017-06-09）版本中基于广播行业的用例和需求对EMBMS进行了扩展和增强，根据广播需求引入了新特性，包括用于V2X（车联网）通信的MBSFN和SC-PTM。其增强性体现在对系统架构和界面的简化，以及对LTE物理层的扩展。并整合进EnTV（Enhanced Televison service）工作项目，5G地面广播增强方案的研究是以Rel14版本中的EnTV为基础的。

但在移动通信领域Rel8只是LTE的第一版协议，并未达到ITU-R规定的4G性能指标，所以此版本也称为3.9G。但此时LTE相比3G网络有了以下特征：高峰值吞吐率，高频谱效率，简化网络架构和全IP网络架构等。Rel9在Rel8的基础上增加了：公共预警系统，Femto Cell，波束赋形和多媒体广播等部分功能，此时的LTE系统还是只能称为3.9G。进一步增强后的Rel10已经达到了ITU-R提出的4G性能指标（IMT-Advanced），可以真正的称为4G系统。为了体现这一点，3GPP把LTE Rel10之后的LTE系统更名为LTE-Advanced，简称LTE-A。此版本主要添加以下功能：进一步增加MIMO天线数，中继节点，增强型小区间干扰协调，载波聚合和异构网络等。对性能提升较大的是MIMO天线数的增加和载波聚合。

事实上，正是欧广联、高通、广科院等单位在3GPP内部共同推动下，在2018年6月5G标准制定第二阶段才有了5G广播研究项目的成功立项。有趣的是，欧广联、高通、广科院等5G广播标准制定的主要推动单位，在2008年前后都曾有发展移动电视的相同经历。可以说通过移动通信标准组织，将无线广播电视传输到手机，是各个广播机构不约而同的最终选择。

Rel14以前的EMBMS是基于LPLT（Low Power Low Tower），但用于广播的载波资源最高只能达到60%，不能有效满足广播业务的带宽需求。在Rel14中，广播运营商主导引入了FeMBMS（Further EMBMS），支持高功率广播大塔的大站间距单频网组网，使用专用载波近100% 的资源承载广播业务，支持无SIM卡单向接收和业务数据透传等。Rel14版本的FeMBMS已经和地面数字电视广播有很多相似之处，特别是其可利用广播大塔资源，使它成为了广播运营商青睐的标准。2018年欧洲在德国慕尼黑开展了Rel14广播技术试验，结果充分证明了广播技术和系统的可用性，验证了实际效果。2019年我国在广电总局科技司支持下，广科院牵头组织多家机构，在北京开始了3GPP Rel14广播单频组网试验和外场测试。

3GPP Rel15 （2016-06-01 2018-09-14）未对FeMBMS做明显改进，由于Rel15后的3GPP规范称为5G规范，故Rel15之后的广播/多播称为“5G广播电视(Broadcasting)”。当前，5G广播技术已成为国内外广播行业的研究热点，也得到5G及相关技术方案提供商的支持。

5G广播技术现有混合广播模式和地面广播模式两种技术实现方式。

1. 混合广播模式（Mixed-mode）。它是基于5G NR的单播/多播/广播可以灵活切换的广播模式，可以动态且无缝的切换单播服务和广播服务。

2. 地面广播模式（Terrestrial mode）。它是基于LTE空口的高塔高功率（HPHT）的广播模式，是面向新一代数字电视服务的地面广播专网，适合在专用频谱上进行全国范围的大区域广播覆盖。

3GPP所制定的5G广播电视目标并非由单一广播模式来完全实现，而是结合不同的业务场景，由两种广播模式分别来实现。

对地面广播模式的更多的需求，已要求全部在Rel16（2018-6-11）版本中实现，有望在2020年6月通过的。2019年12月9日启动的Rel17将更多地关注混合广播技术标准的制定，地面广播技术标准至少在Rel17中将不再有新的演进。2021年3月全会，将讨论批准Rel18立项内容。

2 3GPP广播技术标准的发展趋势

在3GPP Rel16版本中5G地面广播技术研究取得了一定的进展，但仍存在一系列有待解决的问题，主要是地面广播模式下覆盖范围的提升、采用非均匀星座图提升广播电视传输的去映射复杂度和性能增益、设计新的参数集满足地面广播模式下更高移动速度下的接收。同时，在地面广播和双向通信网络之间建立协同和融合也是需要开展的一个关键问题。

在3GPP Rel17版本中将启动5G混合广播模式的标准制定，重点关注单播多播广播的动态切换，也将结合5G新空口技术进行应用，希望能显著提升5G混合广播的性能。

3GPP Rel18版本预计将在2021年启动意见征集，并确定该版本的技术需求。3GPP更多关注通信解决方案，广播技术方案并不是其关注和工作推进的热点，广播电视技术的推进需要广电行业以及相关企业做出更多的努力才能够继续成为3GPP设计中关注的垂直行业。3GPP后续基于5G或未来6G的广播服务将对系统持续提出新需求。

5G地面广播利用广播大塔和广播电视频率资源，实现对大区域内室外或固定接收的覆盖。5G混合广播利用蜂窝基站实现对小区域内热点覆盖，实现组播和单播的灵活切换。我国广电兼具广播运营商和电信运营商的双重身份，可以充分考虑两条演进路线，在技术成熟时选择一种或兼顾两种，建设满足智慧广电发展需求的广电5G广播网。

对于我国广播电视行业来说，推动5G地面广播技术，还有待技术标准的进一步完善，并协同国际范围内包括运营商、设备商、芯片商、应用提供商对相关产业链的大力支持。对于5G混合广播技术，需要着重于在3GPP技术标准中提出业务需求和技术要求，参与并推动相关标准的制定。

3 发展建议

未来3GPP的广播技术将分为三个阶段来发展。

3.1组播技术与广播技术的融合

在Rel17标准中，将开展多播技术的研究工作，支持单播、多播和广播之间的静态和动态资源分配，支持单播和多播灵活切换，实现广播和多播的融合化发展。

3.2与固网融合的广播电视技术

未来3GPP在核心网侧，将构建有线、宽带和未来的无线业务在核心网侧的融合；在接入网侧，完善3GPP与非3GPP接入的互通功能，将有线网用于后传功能。通过有线、宽带和移动网络融合，3GPP支持的无线广播将具备和基于固网或有线的家庭宽带网络实现广播电视业务的平滑切换能力。

3.3与卫星网络融合的广播电视技术

3GPP支持的广播将融合多种广播电视传输的能力，如卫星移动广播电视，利用卫星的广播/多播能力为网络边缘及用户终端提供高效的数据分发服务，并且在用户移动场景下提供跨网络环境的无缝体验。

结合上述的发展趋势，广电行业可以考虑做好以下工作：

1. 在3GPP技术标准中，采用广播电视技术，高效率高质量的提供业务服务，尤其是面向未来的超高清视频，是必然和必须的发展趋势。

2. 以5G广播为契入点，构建5G综合业务支撑服务平台，并且以此为基础，充分发挥广电内容制作和汇聚的优势，以及覆盖更多终端的能力。

3. 未来的3GPP广播电视与现在的地面数字电视技术的演进方向存在同质化发展的问题，需要提前考虑好两者的战略布局。

4. 设立5G播控许可制度，建立隶属于总局的播控中心，在5G环境下从源头上解决内容安全问题。

5. 组播技术是5G广播技术的工作重点，需要提前开展相关研究及试验工作部署。

3.4 未来广播电视网的构成

目前通信界已经开始6G的研究，而对广电而言， 6G广播的核心模式就是：卫星组网+地面广播+基站覆盖（作者提出）。广电有两强，直播卫星是广电第一强，覆盖优势巨大；频谱资源目前看是第二强，不利用好会逐渐被蚕食。

4 总结

当前，欧洲基本放弃了下一代地面数字电视的发展，美国的ATSC3.0也被认为是该国最后的一个无线广播电视标准，日本也没有地面数字电视的升级计划，因此，广电能否抓住3GPP的5G广播和未来6G广播机会，让广播电视内容通过广播网络进入手机，是广播电视发展关键之战。成功，则迎来大的发展机遇，失败，则陷入发展困境，甚至被逐步淘汰。

灵活多变的媒体形态和应用服务使3GPP广播电视技术越来越受到关注，上述的广播电视技术需求将在未来的5G版本，甚至6G中得到满足。为了更加有效地利用无线资源，广播与单播、多播的融合已成为5G技术发展的必然趋势。3GPP中广播电视有望在未来成为真正能够覆盖用户移动终端的，符合用户需求和应用习惯的广播电视技术。

感谢：广电总局科技司孙苏川副司长、一级巡视员，关丽霞处长对本文的指导和提出的具体修改意见；广播电视科学研究院李继龙（博士）教授、张宇（博士）教授、施玉海（博士）教授、解伟（博士）教授对本文提出的建议和修改。

作者简介

邹峰，国家广播电视总局广播电视科学研究院院长，中国电子学会常务理事。主持和参与了数十项科研项目；编著6本专著，发表论文数十篇；作为第一起草人和主要起草人参与制定了10多项国家和行业标准以及一项国际电联（ITU）系统标准（ITU BS.1114-10）。荣获广电总局科技进步（创新）一等奖3次，二等奖1次，三等奖2次；王选新闻科学技术奖特等奖1次，一等奖１次，二等奖１次；国家发明专利5项；中国电影电视技术学会优秀论文一等奖2次。当选2007-2011年度国际电信联盟无线通讯委员会第六研究组广播电视研究组（Study Group 6 of ITU-R）副主席和2007-2011年度世界数字多媒体广播协会（World DMB Forum）主席团成员，2012年当选为中国电子学会第九届理事会理事、常务理事。荣获2008年度“World DMB Forum”的Per Erik Selemark Award奖。2010年获中国电子学会：中国广播电视科学技术奖和中国广播电视协会:2010年度广播电视科技杰出贡献奖。2012年获国际电联（ITU）2009-2011年度“Outstanding contribution（杰出贡献奖）”奖。2013年获中国电影电视技术学会：“全国杰出影视科技工作者”奖。2014年获中国电子学会：中国广播电视科学技术大奖。2015年获亚太广播联盟（Asia-Pacific Broadcasting Union（ABU）)广播电视行业杰出贡献奖：Engineering Industry Excellence Award 2015奖。

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