5G 网络架构下的多播/广播电视融合技术应用

黄 琼

（江西广播电视台，江西 南昌 330046）

0 引言

随着网络技术的快速发展以及智能终端的普及，视频广播和流媒体业务的需求出现了井喷式增长，但是视频业务的用户体验很大程度上取决于网络的性能和带宽，特别是稀缺的无线带宽资源，已经成为当前制约移动视频业务发展的最大瓶颈。在此背景下，基于演进型多播/广播多媒体子系统（evolved Multicast/Broadcast Multimedia Subsystem，eMBMS）技术为解决这一矛盾提供了方案[1]。该技术支持基于高功率高塔（High Power High Tower，HPHT）的地面广播服务，以单向模式（Receive Only Mode，ROM）接收视频内容。

2020 年，基于长期演进（Long-Term Evolution，LTE）的5G 网络架构逐步应用于广播电视。eMBMS采用单频网（Single Frequency Network，SFN）模式，提升了ROM 模式的接收范围和接收效果，启动5G 无线传输机制，以丰富的5G 频谱资源向用户提供互联网协议电视（Internet Protocol Television，IPTV）、群组通信等多播/广播业务数据。因此，深入研究5G 网络架构下的多播/广播电视融合技术应用，进一步提升5G+eMBMS 的技术融合能力，对于广播电视的视频广播和流媒体业务发展起到关键性作用。

1 5G 网络架构下的eMBMS 系统架构

多播业务（或称为组播）是将相同的内容传输给被授权的多个用户设备（User Equipment，UE），既可以实现一次传输所有目标节点的数据，也可以只对特定被授权的UE 传输数据。广播业务也是将相同的内容传输给多个UE，但是不具有选择UE 的能力。

现阶段，5G 网络架构存在的主要问题是只有部分基站支持eMBMS，另一部分基站可能不支持eMBMS 业务。当UE 从一个支持eMBMS 业务的5G 源基站（Radio Access Network，RAN）移动到一个不支持eMBMS 业务的5G 目标基站时，若UE 已经加入eMBMS 业务，则需要由共享分发切换到独立分发的方式来继续传输业务数据，从而实现业务连续性。5G+eMBMS 系统架构如图1 所示。

图1 5G+eMBMS 系统架构

为了解决这一问题，结合5G 网络数据传输协议，要求UE 在切换基站前，通过多播/广播业务会话关联一个协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU），而后PDU 切换到目标基站再通过PDU 来传输多播/广播业务会话对应的业务数据[2]。按照传输方式的不同，5G+eMBMS 业务数据传输方案共有3 种，如表1 所示。表1 中，点对点（Point To Point，PTP）是指业务数据通过点对点方式传输至各个UE，点对多点（Point To Multipoint，PTM）是指业务数据通过点对点方式传输至多个UE。

表1 5G+eMBMS 业务数据传输方案

从5G 网络架构的维度来说，一个eMBMS 会话可同时采用以上多种方案完成业务数据传输。从技术能力的融合维度来说，方案一的提升空间更大。

2 5G 网络架构下的eMBMS 融合技术应用

2.1 5G+eMBMS 无线传输技术

对于无线传输技术，5G+eMBMS 基于Rel-18的LTE 和多播服务技术特点，采用蜂窝网络（Cellular Network，CN）完成多播/广播业务数据PTM/PTP传输，同时可根据业务样式和流量形态进行动态切换[3]。该技术融合的主要特点有3 个：第一，指定在RRC_INACTIVE 状态（RAN2，RAN3）中UE 对多播业务的接收支持；第二，允许UE 对广播和单播接收的联合处理，即支持来自同源/非同源的MBS广播接收中对包括UE 能力和相关辅助信息报告；第三，在必要时指定增强功能以提高RAN 共享场景中MBS 接收的资源效率。

Rel-17 版本就已支持了多播/广播功能，旨在实现通用MBS 服务，其实用场景包括公共安全、车用无线通信技术（Vehicle to X，V2X）、IPTV、实况直播、无线和物联网等。鉴于Rel-17 的MBS已经提供了支持MBS 服务的基本功能，Rel-18的5G+eMBMS 总体主要目标将着重于更好地部署MBS，如对基于Rel-17 下的MBS 以进一步提高资源效率和容量。针对Rel-17 中没有解决的UE 共享问题，通过技术融合的方式解决在Rel-18 中实现UE 对MBS 广播和单播接收的联合处理的信令增强问题和处理RAN 共享场景下对多播广播业务的资源效率提升的问题。

2.2 多播/广播业务核心技术

2.2.1 5G NR

5G新空口（New Radio，NR）是基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的最新空口设计标准，也是下一代蜂窝移动技术基础。5G NR 将实现超低时延、高可靠性。该无线电协议栈架构主要分为用户面（User Plane，UP）和控制面（Control Plane，CP）两个平面。UP协议栈即用户数据传输采用的协议簇，CP 协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇[4]。多播/广播业务数据下行链路如图2 所示。

图2 多播/广播业务数据下行链路

值得注意的是，为了达到更高的数据下行传输速率，业务数据适配协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）和分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）的部分功能被简化。从图2 可以看出，MRB1 是基于PTM 传输模式的数据样式，在无线链路控制端可以通过分段、切片的方式完成数据分组和整合，达到高速传输的同时保持数据包的整体性；MRB3 是基于PTP 传输模式的数据样式，在无线链路控制端可以通过头压缩的方式来完成分段、自动重传；MRB2 直接采用了不同路径传输业务数据，即PTP/PTM 动态切换。该融合技术对于数据传输信道的要求很高，且对应不同的业务需求，主要包括以下信道：广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH），用于广播系统控制信息的下行传输；寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH），用于转发寻呼消息和系统信息变更的下行传输；公共控制信道（Common Control Channel，CCCH），当UE 与网络没有建立RRC Connection 时，完成UE 与网络间传输控制信息；专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH），当UE 与网络已经建立RRC Connection 时，完成UE 与网络间点对点传输控制信息。

2.2.2 PCIe 5.0

基于第5 代快速周边组件互连协议（PCI Express 5.0）规范，传输速率的提升需要更新5G+eMBMS 物理层，主要是进行速率匹配支撑PTP/PTM 无线高速传输。

以一个物理层发送事务层包（Transaction Layer Packet，TLP）为例。一个TLP 通过物理层时，首先要加上物理层的前后缀STP 和END 的控制字符，无须加扰；数据链路层前缀、TLP 和数据链路层后缀都属于数据字符，需要加扰，并由物理层发向PCIe 链路。此时进行速率匹配不影响信息比特的传输，只有校验位会受到影响。因此，速率匹配之后，实际的码率会与MCS 的目标码率不同。所以当一个时隙中还有其他参考信号，存在其他高层配置时，实际的码率会提升，使传输的可靠性降低。为了避免这种可靠性的降低，有效的方法是当确知码率会被抬升之前，高层配置适当地降低payload，以平衡实际码率。

2.2.3 5G 新空口的服务接入增强

为有效支持5G+eMBMS 的PTP/PTM 传输，RAN使用无线电接入技术（Radio Access Technology，RAT）在RAN 各个节点与UE 间进行通信。这些技术主要包括[5]全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）、增强型数据速率GSM 演 进（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）、UMTS 陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN），通过核心网提供对5G 新空口的服务接入增强。

2.2.4 PTM/PTP 动态切换

5G+eMBMS 根据业务运行需求自主选择传输方式，即多播/广播服务中心依据UE 上传的用户需求与业务供给之间的信息来动态调整PTM/PTP传输方式，如图3 所示。

图3 传输方式PTM/PTP 的动态切换

UE 可接收从使用点对点PTP 传输切换到使用点对多点PTM 传输的指示，或基于与PTM 模式相关联的可靠性条件来确定从使用PTP 传输切换到使用PTM 传输。在动态转换过程中，UE 接收第一数据分组时，该UE 可通过扩展数据分组接收窗口的边界进一步延伸该数据分组的接收窗口，此时基于该第一数据分组的序列号RLC 和偏置量MAC 可用来扩展该边界。同时，UE 将第二数据分组添加到接收缓冲器C-RNTI 用于进行处理，并且第二组序列号在扩展的数据分组接收窗口的扩展部分内，确保数据传输方式切换时不会造成数据冲突。

值得注意的是，PTP 数据分组接收窗口的边界可以为下一个PTM 数据分组接收窗口的起始边缘，并且扩展数据分组接收窗口的边界可包括将起始边缘的第一值设定为比第一数据分组低偏置量的第二值。当PTM 无法满足5G+eMBMS 对传输可靠性的要求时，可直接转换以RLC-AM 模式的PTP 传输，并通过RLC 的分段自动重传（Automatic Repeat Request，ARQ）请求提高传输可靠性。

3 结语

本文通过对5G 网络架构下eMBMS 融合技术应用的具体分析，分析技术应用特点，提出科学应用方式，并明确了存在的问题，给出了改进措施，能够有效提升基于5G+eMBMS 实现多播/广播业务能力，有望进一步拓展5G 核心网在广播电视领域的应用范围。