从中国移动与中国广电网络共享看移动通信网与广播电视网的融合发展

丁海煜 旷婧华 刘潇蔓 曹景阳 张永丽

中国移动通信有限公司研究院 北京 100053

1 移动通信融合广播电视系统发展趋势及面临的挑战

移动通信网、广播电视网都是现代信息社会信息传播的重要基础设施，在既往发展过程中较为独立。但随着移动互联网中直播、广播、赛事转播等视频类业务持续增多，对无线资源的有效利用成为移动通信网和广播电视网融合发展的基础需求，5G网络亟需一种更高效的广播业务承载技术，业务层面也存在一定融合诉求；同时广播电视网也希望将移动终端作为业务访问入口，便于用户访问广播电视业务。因此，移动通信网和广播电视网具备明确的融合发展趋势和强烈的融合发展诉求。5G移动通信网的架构和技术体系较为开放，产业链和应用形态富有活力，具备融合广播电视网的优势，但也存在诸多挑战。

挑战一：5G移动通信网和广播电视网的技术体系、网络架构、核心技术差异巨大，如何在保证融合系统性能的前提下最大程度复用5G移动通信网，降低广播电视网带来的非通信标准需求。

挑战二：移动通信融合广播电视系统面临长期带内频谱共享、带外频谱共存的局面，5G移动通信与广播电视共同面临频谱资源高效共享，融合创新发展等问题。

挑战三：5G移动通信首次融合广播电视业务，首次承载广播、组播类业务，该类业务对网络质量、建网成本和资源利用率都要有一定要求，对运营商组网、建设和运营等方面提出了新的要求。

围绕这三个挑战，本文从中国移动、中国广电联合产业在移动通信网与广播电视网的融合发展领域所开展的技术融合、频谱共享、网络共建三个方面出发，结合移动通信网与广播电视网的融合发展将产生的新业务前景，介绍移动通信网与广播电视网的融合发展趋势、技术创新和应用实践。

2 通信广播技术共融

融合发展的首要前提，是技术层面的融合设计。为了使移动通信网更好地承载广播电视业务，从第三代移动通信开始，便有了对多播广播技术，即MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体多播广播业务)的研究及标准化，通过对3G网络架构新增网元实现对该技术的支持，后续包含LTE在内的其他标准化版本均是以此为基础进行功能的增强。这里，多播广播更多指向其业务特性，即是否在业务层面存在“分组”的概念，而在空口传输机制设计上不区分具体为多播还是广播，其支持的业务主要为公共安全及广播电视业务。

由于3G/4G MBMS技术的设计中，多播广播与单播从网络架构、业务流程到物理信道设计都相对独立，共性设计较少，因而导致要支持MBMS技术所带来的网络建设成本过高，且终端硬件复杂度过大等问题，进而造成了产业支持动力不足的结果，最终导致MBMS技术未能大规模商用。

随着5G网络的部署和发展，除了公共安全、广播电视业务之外，赛事直播、V2X应用等具有多播广播特性的场景逐渐出现，推动了多播广播技术在5G的标准化进程。考虑到3G/4G MBMS技术存在的问题，5G多播广播旨在以现有5G网络架构为基础，进行多播组播与单播的统一融合设计。与之前版本不同的是，5G的“多播广播”不再指的是业务层面的含义，而是定义了不同的空口传输方式，一定意义上实现了业务和传输方式的解耦。

2.1 网络架构设计

在网络架构上，尽可能复用现有网络中的功能单元及接口等来支持多播广播技术的引入，减少对网络的改造，如图1[1]所示。其中，新增网元如MBS-SMF、MB-UPF、MBSF等均可与现有SMF、UPF及NEF等合设，从而减少对网络架构的改造，降低建网成本。

图1 支持多播广播的5G网络架构

2.2 空口设计

在空口设计上，对多播广播与单播设计资源共享和物理信道融合，并支持对多播广播业务的多种传输方式动态转换，以及对高QoS要求业务的空口可靠性传输、业务连续性保证，从而实现5G多播广播的灵活、可靠传输。

1)资源共享和物理信道融合设计

对于5 G 多播广播对应的MRB，空口支持两种传输模式：PTM(Point to Multi Point，点到多点传输)及PTP(Point to Point， 点到点传输)。无论哪种传输模式，多播广播和单播采用的是统一的基于物理层业务共享信道动态调度资源技术，如图2[2]、图3[2]、图4所示。这样做既可以降低网络资源开销，又不引入新的物理信道，从而降低终端硬件复杂度。

图2 多播会话下行层2协议栈

图3 广播会话下行层2协议栈

图4 PTM调度方案

2)传输模式动态转换

如图2 所示，多播会话支持PTP和PTM两种传输模式，两种传输模式以PDCP层为锚点。其中PTM传输支持两种HARQ-ACK反馈模式，以此提高传输的可靠性，但是，对于PTM传输，RLC层仅支持UM模式，因此无法进行RLC层及PDCP层可靠性传输保障；与之不同的是，PTP传输除了支持HARQ反馈外，还支持RLC层配置AM层模式，PDCP层status report等，以此来进一步提升传输的可靠性。网络可以动态配置UE的传输模式为PTP传输或PTM传输，或者两种传输模式同时配置。通过传输模式的动态转换，实现资源消耗和可靠性的平衡，也突破了以往多播业务的低端质量保障的模式，为多播业务可以应用在如V2X等高可靠传输场景提供了技术保障，从而提升了5G多播广播技术的灵活性。

3 通信广播频谱共享

移动通信网与广播电视网由于通信方式不同，频谱使用存在显著差异。广播电视网采用下行单向链路，频谱采用全下行规划；移动通信网采用上下行双向链路，因而频谱规划为上下行成对使用。从频谱使用方面，广播电视网一般部署在专用的低频频段上，频谱带宽窄，采用传统的广播电视系统的空口传输技术，为保证广覆盖可靠性传输，频谱效率较低。移动通信融合广播电视系统的部署，首选复用原有广播电视网的专用频谱，并通过移动通信网的部署，扩展频谱带宽，开放频谱进行通信和广播业务传输的动态频谱共享，并尽快完成广播电视业务的清退。尤其在广播电视网清频的过程中，通过创新技术方案，可以提前实现移动通信融合广播电视系统的业务开通。

3.1 频谱扩展

FDD频谱的上下行双工间隔一般较窄，是因为受基站及终端的PIM(无源互调)干扰等问题的影响。由于国内主要以700MHz作为移动通信网与广播电视网的融合网络部署，因而如要扩展700MHz频谱带宽，就需要克服这些问题。中国移动通过开展系统性仿真和确定性计算，创新提出了基站带内带间PIM干扰在线检测算法、数字消除算法、终端调度算法、天线多制式信号PIM相关性分析和指标全面性测试，解决困扰业界已久的基站PIM干扰、终端双工间隔问题。结合基站和终端对于PIM干扰解决能力的差异性，以最大化、最高效利用频谱资源为目标，又创新提出了非对称端网带宽能力设计，提升网络最大带宽并同时兼顾终端可行性，使小区带宽能力扩展一倍，打破了FDD系统带宽不超过20MHz、端网最大带宽能力保持一致的传统，提升700MHz用户体验速率50%，减少700MHz小区数50%，极大降低网络部署时的小区数量和邻区参数维护难度。同时，该设计引领了FDD带宽扩展的技术方向，900MHz等频段也开始扩展带宽并采用基站终端非对称最大带宽的设计方案。4G/5G FDD低频带宽情况如表1所示。

表1 4G/5G FDD低频带宽情况

3.2 频谱共享，干扰共存

在700MHz频段部署移动通信融合广播电视系统，广播电视业务与移动通信业务的频谱动态共享已经通过前述的空口融合设计得以解决。在广播电视业务清退之前，由于广播电视网采用大功率的单下行链路发送方式，对同频段内移动通信融合广播电视系统的上行接收将造成带内严重干扰。因而，在广播电视业务尚未完成退频的特定时期内，该干扰直接制约了5G通信广播融合系统的开通运营进程。频谱共享的重点工作，在于在该时期内通过创新技术手段，尽量降低广播电视网对融合系统的干扰，加快5G通信广播融合系统的开通。

为有效避免广播塔信号的阻塞干扰导致全带宽底噪显著抬升，创新提出切片式子带滤波器增强方案(如图5所示)。该方案充分利用广播塔发射信号的带宽固定、频段可知的特点，针对有限数量及组合的干扰源，设计出可以灵活配置的子带滤波器电路，用以替换原全带宽数字中频滤波器。现网部署时，根据邻近广播塔的具体干扰特征，选择配置适当的子带滤波器。未配置子带滤波器时，带内广播塔干扰信号可导致其同频及邻频共计16～24MHz上行频谱不可用；而配置子带滤波器后，仅同频8MHz频谱不可用，邻频8～16MHz频谱可以使用。因此在总计30MHz的上行带宽内，实现27～53%的频谱利用率提升。

图5 切片式子带滤波器干扰规避方案示意图

广播电视网的带内干扰还同时引起显著的PIMC干扰问题。PIMC是由基站设备中的接头、馈线、天线、滤波器、避雷器等无源器件在下行链路发射高功率信号时，由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。受天馈系统质量问题、安装问题、老化、外界环境等因素影响不同，无源互调对系统产生的影响也不同。如图6所示，在5G移动通信融合广播电视系统700MHz设备中，由于下行和上行频段间隔较窄，下行高功率发射信号经过无源器件产生的PIM失真分量正好落在上行接收频段内，引起上行信号噪底抬高10dB以上、上行最大覆盖收缩50%以上、接收机灵敏度降低等问题，PIM严重时甚至能引起上行信号阻塞，需要通过技术手段解决PIM问题。

图6 700M产品PIM干扰分布图

广播电视网清频结束前，700MHz设备除了受到无源互调干扰外，还同时受到广播塔的干扰。而广播塔干扰和无源互调干扰产生的原理机制不同，不能使用同样的消除算法进行消除。广播塔干扰目前有成熟的抑制方案，但是由于其抑制方案实施流程在无源互调干扰消除完成后进行，因此广播塔干扰信号会对PIM抵消算法产生不同程度的影响，严重时使PIM抵消算法失去效果。

为解决融合系统带内高强度广播塔干扰与无源互调干扰并存时，造成互调干扰消除算法建模精度下降甚至无法进行非线性建模而导致上行最大覆盖能力收缩50%的问题，提出广播塔干扰并存的无源互调干扰消除方案，将无源互调干扰对上行系统性能的影响从50%下降至3%。

创新提出的广播塔干扰与互调干扰并存的PIMC方案包含广播塔干扰识别、广播塔干扰抑制、去干扰特性系数计算、去干扰PIM抵消器、PIM干扰抵消五个模块。根据广播塔干扰强度自适应识别无源互调干扰产物，再利用抑制广播塔干扰非线性模型计算残留互调干扰信号的非线性特征，通过反相抵消电路对含广播塔干扰的上行业务进行无源互调干扰产物消除，保证上行可用带宽内无源互调干扰消除的有效性。一方面，在PIMC建模求解PIM特性模块中利用带阻滤波器抑制广播塔等干扰信号，可以避免高功率广播塔等干扰信号对PIMC算法有效性的影响，提高PIMC算法的建模准确度。另一方面自适应根据广播塔业务干扰的强度对其进行干扰抑制，保证下行发射信号与上行接收信号同步计算有效性，确保只要上行不进入阻塞状态，就可以进入PIMC计算流程。最后对没有受到广播塔干扰的其他频段上行信号进行PIM消除，保证上行可用频点信号不受无源互调干扰的影响。同时也保留了广播塔等其他干扰信号的原始信息，保证已有成熟干扰抑制方案有效实施。

根据图7所示的测试环境，在暗室中针对实际天馈系统产生无源互调干扰同时又模拟广播塔干扰信号的场景进行了方案性能验证。如图8所示，在有-70dBm广播塔干扰存在时，PIM对消性能无回退。主设备PIM对消功能打开后，无广播塔干扰击中的5M带宽内底噪总功率降低10dB以上。如图9所示，在有-40dBm广播塔干扰存在时，PIM量级发生了变化。但从测试结果看，PIM对消功能仍能正常工作。主设备PIM对消功能打开后，无广播塔干扰击中的5M带宽内底噪总功率降低10dB以上。

图7 真实暗室验证模拟广播塔干扰与无源互调干扰并存PIMC性能验证示意图

图8 -70dBm带内干扰时PIM对消能力

图9 -40dBm带内干扰时PIM对消能力

4 通信广播网络共建

在组网和网络建设层面，5G移动通信融合广播电视系统首先需要考虑的问题是建网成本。首先，5G移动通信融合广播电视系统受传统电信运营商和新兴的广播运营商的双头管理，从网络成本考虑，应尽可能复用传统电信运营商的网络建设基础和运维经验，但也要兼顾业务独立发展需求与管理运营效率。从无线网络建设的角度，5G移动通信融合广播电视系统需要全国连续性的网络覆盖，因而一是如何充分利用现有基站基础设施，二是如何在低价值区域进行低成本覆盖，成为实现网络成本集约目标的重要问题。

4.1 网络架构设计

移动通信融合广播电视系统首先面临着网络架构和组网方案的设计问题。基于5G网络架构，以低成本建网和具备独立业务发展能力的目标，采用接入网共建共享、核心网独立的组网方式。但是多运营商共享基站的组网方式容易带来潜在的多头管理和安全风险问题，创新提出统一网络接入和面向全量连接的I-SMF插入路由方案，提高了网络效率和安全性。

4.2 低成本无线网组网方案

移动通信融合广播电视系统的无线基站建设中，如何在现有拥挤的站址上增加700M天面成为必须应对的技术挑战。为了降低对天面空间的占用，降低工程建设难度和租赁成本，运营商的策略是整合现有天面，做到新增频段而不新增天线。对于中国移动，需要考虑对700M、900M、1 800M和FA频段(1.9G)多个频段的整合，天线的集成度要求很高。这其中的一大难点，在于如何实现700M与900M共阵子的同时保持频段间独立电调能力。独立电调需要采用振子级合路方案，传统的腔体合路器虽然插入损耗低，但大量应用时势必造成天线重量和成本显著升高。为了解决这一矛盾，中国移动提出了轻量化微带合路方案，并联合产业不断优化微带合路器的插入损耗，在批量产品中实现了性能与传统腔体方案相近，重量下降5Kg，很好地平衡了性能和成本。

700M由于频段低，传播能力强，实现同样面积的覆盖比高频段所需的基站数更少，是5G广域覆盖的理想打底频段。为了实现低成本5G广域覆盖，中国移动面向低容量场景，突破传统的3扇区组网方式，创新提出了2扇区组网方案，如图10所示，单个基站只需要2套设备和天面，可以显著压缩建站成本和运行功耗。这其中要解决的关键技术，是如何拓展单副天线的覆盖范围。传统的3扇区天线，水平面波束宽度为65度左右，在±60°的功率下降约为12±3dB，以适应单扇区覆盖水平120度范围的需求。如果要实现2扇区组网，则需要单副天线的水平覆盖范围扩展至180度左右，即±90°的功率下降不能太多，否则在扇区边缘会出现弱覆盖。为了实现这一目标，一方面通过优化振子方案，扩大单列波束的水平面波宽至75度左右；另一方面提出了反射板的特殊设计方案，通过倒V型反射板，将两列振子的波束左右偏转，分开一定角度。波束偏转后，在90°的功率下降就可以满足扇区间连续覆盖要求。但同时也需要保证左右波束分开之后，波束交叠处的电平，如果交叠电平过低，就会导致法线方向出现弱覆盖。另外，左右波束间的重叠越多，重叠区域的多流效果就会越好。通过不断优化调整反射板的折弯角度，确定了单个波束的最佳偏转角度，使单个天线即能满足180度的覆盖需求，同时波束交叠电平不低于传统3扇区方案，达到了建网成本和功率消耗降低1/3的效果。

图10 两扇区组网天线示意图

为了验证2扇区天线的覆盖效果，在外场选取了试点站点进行天线的替换和对比验证。图11b)为4个连片试点站的替换情况，白色箭头为两扇区天线指向，图11a)替换前的RSRP，图11c)为替换后的RSRP。遍历测试结果表明，替换后平均RSRP虽稍弱于替换前，但替换后的覆盖仍可满足正常使用需求。此外，网管指标方面，除PRB利用率略微上涨外，平均用户数、日均流量、接通率、掉线率及上下行吞吐率等指标均在正常范围波动，这表明通过2扇区天线组网建设，覆盖和网络指标可以满足需求，而扇区数减少1个，可以节省约1/3的建设投资和基站运行功耗，对于低容量需求的区域而言是极具性价比的建设方案。

图11 两扇区组网测试结果

5 移动通信融合广播电视系统业务发展畅想

移动通信融合广播电视系统的建成将进一步带动各类新兴流媒体视频业务的发展，但此类视频业务也给网络传输带宽和资源带来了巨大挑战。传统的点对点单播方式效率较低，容易在人群密集场景或上网高峰期出现视频播放卡顿的情况。5G广播多播技术通过同时向多个终端传输相同的视频内容，既可提升网络资源利用率，又能保障视频流畅度与清晰度。因此，超高清视频、VR/AR视频、直播服务可采取5G广播多播技术分发视频内容。

此外，5G广播多播技术同样适用于公共安全消息、广告内容推送等场景，可实现短时间一定区域内的多个用户及时接收信息。中国移动研究院编制的《5G MBS场景分析报告》[3]中，移动通信融合广播电视系统通过应用5G多播广播技术，可更好支持以下场景的业务发展。

5.1 场景一：体育赛事和演艺现场直播

国家体育馆“鸟巢”、上海梅赛德斯－奔驰文化中心等超大型场馆可容纳万人观看演出及体育赛事，场馆内距离舞台较远的观众难以看清演出及赛事细节，存在用移动终端观看多角度视频、赛事精彩回放等直播服务的需求；在演艺场景中，观众也存在仅收看某位演员的直拍、后台采访花絮的需求，现场荧幕及传统的单播下发视频流的方式因单一视角或网络资源受限往往难以满足观众的个性化需求。

基于直播的“内容相同、观众收看时间相同、观众密集”的业务特点，当活动现场的众多观众同时使用5G终端收看直播时，可采用5G广播多播的方式为观众统一下发视频流，以缓解视频内容传输对下行带宽的压力，满足高并发、高带宽传输的业务需求。

5.2 场景二：校园直播

随着互联网的发展，直播逐渐走进校园，打破了教室或教学活动举办地点的限制，通过线上接入的方式保障教育教学的正常进行，直播回放等服务也方便了师生记录学习知识、复习学习要点；同时直播教学也可以为教育资源欠发达地区的学生提供优质的教育资源，然而教育欠发达地区可能存在5G网络建设相对落后的情况，需要更加便捷的网络技术方案。此外，校园中还会播放冬奥会、世界杯等大型国际体育赛事直播，此类场景的收看人群比教学直播更多，需要更多的网络资源支撑用户需求。

5.3 场景三：公共服务

公共服务包括政府等权威部门应对自然灾害、社会安全事件等突发公共事件时在一定区域内向公众传递的紧急信息，提供的内容可以包含视频、文字、声音等。由于目前接收公共应急信息的终端种类多(大屏、显示器、手机等)、数量大，采用单播的方式推送安全信息可能造成网络拥挤，导致信息无法及时传达。

因此，基于公共服务“内容相同、时间相同、广域覆盖”的场景特征，可使用5G广播多播技术，在节约网络资源和空口带宽的前提下，通过循环广播的方式确保安全信息传递给一定范围的每位用户。5G广播多播技术可与电视相结合，利用新技术的广覆盖及传统电视的权威性，共同打造公共服务网络。

5.4 场景四：车载娱乐

随着5G与车联网技术的发展，汽车成为一种可能的终端移动设备，车内的音频、多屏系统等车载娱乐系统使用户的驾驶与乘车体验不再枯燥。然而，传统单播模式无法同步多路视频/音频流，车内会出现多屏画面不一致的情况。

因此，基于车载娱乐系统“内容相同、时间相同、区域相同”的特征，5G广播多播技术在车载娱乐系统的场景下可发挥同时向多个用户传输相同内容的技术优势。5G广播多播技术通过接收多视角合成的广播信号可实现多屏同看效果，显著降低拥塞、延迟等问题的出现，提升用户体验。

5.5 场景五：元宇宙

元宇宙世界最大的特点是强交互、高度沉浸感和低时延。在元宇宙中，用户之间的交互及基于VR/AR和3D技术的视频等业务都对5G网络的高速率、低时延优势提出挑战。在元宇宙场景下，广播多播技术可使在一定范围内的内容生产者直接将业务内容下发给接收者，在数智人、VR艺术展、AR购物等新兴业务领域大放异彩，为用户带来更多便利和优质体验。

6 结语

随着5G新基建基础设施的广泛商用部署，后5G时代的5G融合行业发展趋势愈发凸显。作为广播行业与通信行业深度融合、共同可持续发展的典范，移动通信融合广播电视系统也为电信运营商可持续发展问题提供了探索方向。中国移动和中国广电通过技术融合、频谱共享、网络共建等领域的技术创新，已经建成全球首个、规模最大的移动通信融合广播电视系统，形成了全球领先示范效应，为全球移动通信发展贡献了中国智慧，有利于广播电视媒体行业共享5G开放活跃的产业链，满足人们的文化需求，促进我国先进、主流思想文化的传播与发展。