丁海煜 鄧 偉 曠婧華 周 嬌 景 旭

中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院 北京 100053

1 研究背景、面臨挑戰(zhàn)及攻關(guān)思路

5G是新基建之首及助推經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)通過大規(guī)模5G商用實(shí)現(xiàn)了全球5G領(lǐng)先，但部署成本亟需降低、網(wǎng)絡(luò)價(jià)值亟需提升，是5G網(wǎng)絡(luò)從全球領(lǐng)先進(jìn)一步走向“可持續(xù)發(fā)展”“高質(zhì)量發(fā)展”的關(guān)鍵問題。

利用低頻開展5G通信廣播融合系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，是解決上述問題的一個(gè)成功案例。廣播網(wǎng)所采用的低頻頻譜700MHz是移動(dòng)通信系統(tǒng)部署的黃金頻段資源，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的重要性不言而喻。700MHz當(dāng)前已部署的無線廣播網(wǎng)采用DTMB技術(shù)，存在產(chǎn)業(yè)鏈單一、業(yè)務(wù)形態(tài)單一等問題，5G通信廣播融合網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，不僅能夠以5G網(wǎng)絡(luò)大大提升數(shù)字廣播業(yè)務(wù)的頻譜效率、靈活性、產(chǎn)業(yè)鏈及業(yè)務(wù)形態(tài)的豐富性，還將為廣播電視行業(yè)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型預(yù)留發(fā)展空間。

此前，全球還沒有實(shí)際實(shí)現(xiàn)商用部署的5G通信廣播融合系統(tǒng)。建設(shè)和運(yùn)維5G通信廣播融合系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)：首先需要實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合；而后需要通過攻克低頻段干擾，實(shí)現(xiàn)頻率共存。在組網(wǎng)方面，5G通信廣播融合系統(tǒng)可以充分借鑒移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的深刻理解和豐富經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共生和融合運(yùn)營(yíng)。最后，5G通信廣播融合系統(tǒng)需要以業(yè)務(wù)融合激活應(yīng)用生態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活高效承載。總結(jié)而言，5G通信廣播融合系統(tǒng)在基礎(chǔ)技術(shù)、頻譜、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)等方面面臨諸多挑戰(zhàn)，需要開展多方面技術(shù)攻關(guān)。

2 創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)成果

2.1 技術(shù)融合、標(biāo)準(zhǔn)突破，為5G通信廣播融合系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)

5G系統(tǒng)在演進(jìn)版本中，面向廣播技術(shù)融合目標(biāo)開展了5G廣播多播技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和空口技術(shù)革新。與既往前代通信系統(tǒng)中，廣播與單播空口資源采用靜態(tài)切分不同，5G廣播多播采用單組播一體化的架構(gòu)設(shè)計(jì)[1]，并將業(yè)務(wù)與會(huì)話管理功能進(jìn)行解耦。通過對(duì)現(xiàn)有單播網(wǎng)元的功能和流程加以增強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)組播的激活與移動(dòng)性管理，同時(shí)在功能和流程上也解耦了會(huì)話管理和業(yè)務(wù)管理的相關(guān)功能，使能運(yùn)營(yíng)商按需部署網(wǎng)元，降低了部署成本。

5G廣播多播的空口設(shè)計(jì)采用融合統(tǒng)一的空口技術(shù)[2-4]，保障了廣播組播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)的資源融合。如圖1所示，融合統(tǒng)一空口技術(shù)對(duì)廣播組播單播采用統(tǒng)一的基于物理層業(yè)務(wù)共享信道動(dòng)態(tài)調(diào)度資源分配技術(shù)，并支持單組播間HARQ共享機(jī)制，融合的空口技術(shù)降低了終端支持廣播的硬件改動(dòng)，利于開展產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。動(dòng)態(tài)單組播技術(shù)通過統(tǒng)一的單組播承載框架，支持在組播業(yè)務(wù)體驗(yàn)無法得到保障時(shí)，由基站將組播動(dòng)態(tài)切換到單播提供保障，首次為組播業(yè)務(wù)引入了業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，并且還可以根據(jù)空口用戶數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送模式達(dá)到最大化傳輸效率。組播移動(dòng)性采用基于核心網(wǎng)統(tǒng)一分配的PDCP序列機(jī)制，同步了基站間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)囊恢滦?，解決組播廣播的業(yè)務(wù)連續(xù)性問題。

圖1 5G組播會(huì)話層二下行架構(gòu)示意圖

3 G P P 對(duì)廣播原有承載頻段n 2 8 頻段帶寬的定義為2×4 5 M H z，該頻段的起止頻點(diǎn)為703～748/758～803MHz。2020年3月25日，工業(yè)與信息化部下發(fā)《工業(yè)和信息化部關(guān)于調(diào)整700MHz頻段頻率使用規(guī)劃的通知》[5]，明確了將702～798MHz頻段頻率使用規(guī)劃調(diào)整用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，并將703～743/758～798MHz頻段規(guī)劃用于頻分雙工(FDD)工作方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)。但屆時(shí)3GPP對(duì)n28單載波帶寬僅有最大2×20MHz的定義。為了提高中國(guó)國(guó)內(nèi)700MHz頻譜利用效率，提高終端業(yè)務(wù)體驗(yàn)，3GPP核心標(biāo)準(zhǔn)將n28單載波帶寬擴(kuò)展至2×30MHz/2×40MHz[6]，單載波帶寬最大擴(kuò)展提升幅度達(dá)100%。為對(duì)700MHz擴(kuò)展帶寬產(chǎn)品的研發(fā)和入網(wǎng)提供指導(dǎo)，700MHz系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中，通過創(chuàng)新性方案解決大帶寬系統(tǒng)接入不同能力終端時(shí)的系列端網(wǎng)不匹配兼容性問題。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等700MHz大帶寬核心標(biāo)準(zhǔn)的制定，大大提升了700MHz在國(guó)內(nèi)部署的頻譜利用效率和網(wǎng)絡(luò)能力，為大帶寬產(chǎn)品的研發(fā)和入網(wǎng)掃清了障礙。

2.2 頻譜共存、干擾攻克，為商用開通提供先決條件

廣播網(wǎng)與通信網(wǎng)由于通信方式的不同，頻譜使用方式存在顯著差異。廣播網(wǎng)采用下行單向鏈路，頻譜采用全下行規(guī)劃；通信網(wǎng)采用上下行雙向鏈路，因而頻譜規(guī)劃為上下行成對(duì)使用。廣播網(wǎng)低頻頻譜用于5G通信廣播融合系統(tǒng)，必須首先解決下行對(duì)通信系統(tǒng)上行鏈路的頻譜共存問題。

采用700MHz頻段部署5G通信廣播融合系統(tǒng)，首先需要解決700MHz數(shù)字電視廣播塔在該頻段的干擾問題。700MHz數(shù)字廣播網(wǎng)采用廣播塔方式組網(wǎng)，發(fā)射設(shè)備架設(shè)高、功率大，業(yè)務(wù)以下行為主，對(duì)700MHz 5G蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的宏基站上行接收造成嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致該頻段上的數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)的清退進(jìn)度直接制約了5G通信廣播融合系統(tǒng)的開通運(yùn)營(yíng)進(jìn)程。

為避免網(wǎng)絡(luò)開通受制于干擾清退進(jìn)度，提出廣播塔干擾源定位方案，通過高干擾小區(qū)范圍確定、同類型高干擾小區(qū)簇聚類和小區(qū)干擾最強(qiáng)方向確認(rèn)方案，基于人工智能算法形進(jìn)行干擾源定位方案，將廣播塔干擾定位速度提升至秒級(jí)識(shí)別。

針對(duì)5G宏基站受廣播塔干擾無法正常接收近端終端上行發(fā)射信號(hào)的問題，在5G宏基站接收端引入基于干擾圖譜的干擾避讓方案，創(chuàng)新提出了廣播信號(hào)對(duì)應(yīng)的接入?yún)⒖夹盘?hào)跳頻部署，保證終端可避開干擾接入系統(tǒng)；通過感知學(xué)習(xí)干擾規(guī)律，形成干擾圖譜，配置控制信道和業(yè)務(wù)信道位于干擾較低位置。

為有效避免廣播塔阻塞干擾影響全帶寬底噪顯著抬升，提出切片式子帶濾波器增強(qiáng)方案(示意圖如圖2所示)，利用廣播塔發(fā)射信號(hào)的帶寬固定、頻段可知的特點(diǎn)，針對(duì)有限數(shù)量及組合的干擾源，設(shè)計(jì)出可以靈活配置的子帶濾波器電路。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)廣播塔具體干擾特征，選擇配置適當(dāng)?shù)淖訋V波器。未配置子帶濾波器時(shí)，帶內(nèi)廣播塔干擾信號(hào)可導(dǎo)致其同頻及鄰頻共計(jì)16～24MHz上行頻譜不可用；而配置子帶濾波器后，僅同頻8MHz頻譜不可用，鄰頻8～16MHz頻譜可以使用。因此在總計(jì)30MHz的上行帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)27～53%的頻譜利用率提升。

圖2 切片式子帶濾波器干擾規(guī)避方案示意圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)共生、融合運(yùn)營(yíng)，快速平滑、降本增效達(dá)成規(guī)模商用

5G通信廣播融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)方式，需要兼顧通信網(wǎng)的耦合現(xiàn)網(wǎng)、各代共生需求，又要兼顧廣播網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無托底現(xiàn)網(wǎng)而又迫切需要快速開通的需求，因而需要充分提前考慮未來融合運(yùn)營(yíng)的困難和問題。

綜合考慮通信與廣播運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)獨(dú)立發(fā)展運(yùn)營(yíng)需求，又充分考慮到通信與廣播運(yùn)營(yíng)商在融合網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理經(jīng)驗(yàn)積累上的差距，對(duì)接入網(wǎng)資源開展網(wǎng)絡(luò)共享，將有利于最大程度復(fù)用電信運(yùn)營(yíng)商的建設(shè)運(yùn)營(yíng)積累，對(duì)齊建設(shè)運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，并最大程度節(jié)省建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本。業(yè)務(wù)策略也是廣播與電信運(yùn)營(yíng)商亟需實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)的重要方面，是確保未來5G通信廣播融合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線資源高效靈活應(yīng)用的關(guān)鍵。

采用全球首創(chuàng)的控制面統(tǒng)一、業(yè)務(wù)面橋接的接入網(wǎng)共享的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，既滿足雙方業(yè)務(wù)發(fā)展的獨(dú)立性、保障最大程度復(fù)用電信運(yùn)營(yíng)商在接入網(wǎng)方面豐富的運(yùn)維優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，又針對(duì)性開展了兩項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新：一是設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)控制面的統(tǒng)一匯聚，面向無現(xiàn)網(wǎng)的廣播運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)全面融合托底，達(dá)成融合網(wǎng)絡(luò)快速開通運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)；二是設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)面的橋接架構(gòu)，面向共享雙方運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)策略和網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)亟需拉齊的需求，通過橋接核心網(wǎng)的運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)雙方業(yè)務(wù)策略、網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)一致性，并有效實(shí)現(xiàn)了安全隔離。

全球首創(chuàng)的控制面統(tǒng)一、業(yè)務(wù)面橋接的接入網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的MOCN方案形成了顯著差異，可實(shí)現(xiàn)多頻段、多制式接入資源整合，實(shí)現(xiàn)全程全網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)。在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，通過業(yè)務(wù)連續(xù)性、話音、互聯(lián)互通等業(yè)務(wù)流程創(chuàng)新方案，實(shí)現(xiàn)控制面的低成本管控和用戶面的高效業(yè)務(wù)疏通。與MOCN架構(gòu)中除接入網(wǎng)外其他網(wǎng)元均獨(dú)立運(yùn)維形成顯著區(qū)別之處還在于，如上全球首創(chuàng)的共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以帶來靈活高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理手段。業(yè)務(wù)策略可以實(shí)現(xiàn)靈活的分域管控下發(fā)，達(dá)成會(huì)話級(jí)及QoS Flow級(jí)別業(yè)務(wù)管控；流量識(shí)別的顆粒度可實(shí)現(xiàn)載波級(jí)別，主輔載波的計(jì)費(fèi)可達(dá)成差異化統(tǒng)計(jì)和處理。

全程全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)共生架構(gòu)，除了達(dá)成5G通信廣播融合系統(tǒng)的快速商用和平滑演進(jìn)目標(biāo)外，還是運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)低成本建網(wǎng)、“雙碳”節(jié)能目標(biāo)的“降本增效”利器。

確定融合共生的組網(wǎng)架構(gòu)后，可進(jìn)一步采用低頻融合網(wǎng)對(duì)中頻段5G現(xiàn)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有效協(xié)調(diào)和性能補(bǔ)充。700MHz能夠靈活補(bǔ)充中頻段在覆蓋廣度、覆蓋深度、時(shí)延和上行速率等方面的網(wǎng)絡(luò)性能，但是700MHz與中低頻段的覆蓋性能差異明顯，使中低頻段協(xié)同組網(wǎng)面臨跨站部署等諸多部署限制，針對(duì)非共站部署的TA差異和傳輸時(shí)延對(duì)中低頻段協(xié)同組網(wǎng)性能造成的影響，通過基于TA的上行載波輪發(fā)創(chuàng)新方案、基于邊界感知的多頻協(xié)同切換等創(chuàng)新方案，提升了中低頻跨站協(xié)同組網(wǎng)的部署靈活性和組網(wǎng)性能，并通過有效利用中低頻段組網(wǎng)方案，有效地將現(xiàn)網(wǎng)中頻段高干擾場(chǎng)景的業(yè)務(wù)速率提升了4倍。

2.4 業(yè)務(wù)共融、激活應(yīng)用，構(gòu)建融合開放的融媒體業(yè)務(wù)

作為新興的廣播業(yè)務(wù)承載媒介，5G網(wǎng)絡(luò)大大提升了數(shù)字廣播業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量、頻譜效率和產(chǎn)業(yè)鏈豐富度。結(jié)合傳統(tǒng)廣播電視業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)質(zhì)內(nèi)容資源和平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠與主流文化宣傳業(yè)務(wù)形成業(yè)務(wù)共融的緊密協(xié)同，并引導(dǎo)構(gòu)建“網(wǎng)絡(luò)+業(yè)務(wù)”開放共享的“融媒體”生態(tài)。

傳統(tǒng)廣播業(yè)務(wù)采用獨(dú)占頻譜、高塔廣播發(fā)送，沒有按需定向的業(yè)務(wù)播發(fā)能力；同時(shí)，接收數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)的終端形態(tài)單一，無法復(fù)用5G豐富的產(chǎn)業(yè)鏈。依托5G技術(shù)，可借助移動(dòng)通信系統(tǒng)的靈活資源分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)廣播、組播與單播的靈活轉(zhuǎn)換，并可借助5G宏基站設(shè)備形態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)按需定向的廣播業(yè)務(wù)發(fā)送，結(jié)合蜂窩小區(qū)組網(wǎng)技術(shù)，在較傳統(tǒng)方式大大提高頻譜利用效率的基礎(chǔ)上同時(shí)還能兼顧用戶的上行反饋。同時(shí)，5G終端形態(tài)豐富，移動(dòng)性強(qiáng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了廣播業(yè)務(wù)的高移動(dòng)性、終端形態(tài)靈活等發(fā)展愿景，真正發(fā)揮多屏互動(dòng)的融媒體宣傳價(jià)值(如圖3所示)。5G作為新基建之首，一旦成為主流文化宣傳媒介入口，將有助于借助5G覆蓋普遍性和5G產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)豐富性，為社會(huì)大眾提供用戶無差別、高頻譜效率、高覆蓋度、高時(shí)效性、高移動(dòng)性的融媒體新聞傳播服務(wù)，充分發(fā)揮多屏價(jià)值，提供極致頻譜效率的廣播電視互聯(lián)網(wǎng)融媒體業(yè)務(wù)。

圖3 5G多播廣播平臺(tái)及業(yè)務(wù)融合生態(tài)

3 創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)價(jià)值

5G通信廣播融合系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部署具有重要意義。

作為全球首例、規(guī)模最大的5G通信廣播深度融合網(wǎng)絡(luò)，5G通信廣播融合系統(tǒng)引領(lǐng)了全球5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)革新與先進(jìn)價(jià)值應(yīng)用，在中國(guó)5G商用領(lǐng)先的基礎(chǔ)上，為全球的通信廣播行業(yè)融合貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧。廣播網(wǎng)與通信網(wǎng)的雙網(wǎng)融合，以5G技術(shù)牽引廣播網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率提升、服務(wù)業(yè)態(tài)豐富和產(chǎn)業(yè)鏈開放，提升全行業(yè)的數(shù)字化服務(wù)能力。

5G通信廣播融合系統(tǒng)可低成本地實(shí)現(xiàn)全面的5G連續(xù)覆蓋，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和部分重點(diǎn)行政村覆蓋的鄉(xiāng)村數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成，有極為重要的意義。低頻5G通信廣播融合系統(tǒng)是達(dá)成5G鄉(xiāng)村數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，不僅極大程度地降低5G建設(shè)成本，還將有效降低5G現(xiàn)網(wǎng)能耗，并在容量、覆蓋、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)方面對(duì)現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)充和改善。

5G通信廣播融合系統(tǒng)是推進(jìn)中國(guó)5G發(fā)展和普及的重大舉措，為使5G網(wǎng)絡(luò)成為主流媒體宣發(fā)媒介網(wǎng)絡(luò)、提升5G網(wǎng)絡(luò)價(jià)值和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容豐富度奠定基礎(chǔ)，帶動(dòng)我國(guó)5G生態(tài)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值提升。5G通信廣播融合系統(tǒng)將帶動(dòng)電信運(yùn)營(yíng)商從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供商向信息服務(wù)科技創(chuàng)新能力與移動(dòng)通信信息內(nèi)容提供商角色轉(zhuǎn)型，促進(jìn)5G時(shí)代信息內(nèi)容生產(chǎn)與傳播媒介的供給側(cè)范式變革，確保中國(guó)5G從網(wǎng)絡(luò)到業(yè)務(wù)的全面領(lǐng)先。

4 總結(jié)與展望

在我國(guó)實(shí)現(xiàn)5G商用全球5G領(lǐng)先的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)及能耗成本、提升5G網(wǎng)絡(luò)價(jià)值，仍是擺在中國(guó)5G運(yùn)營(yíng)商面前的兩項(xiàng)難題。5G通信廣播融合系統(tǒng)對(duì)這兩項(xiàng)問題分別給出了答案，一方面實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和部分重點(diǎn)行政村覆蓋的鄉(xiāng)村數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成，對(duì)5G建設(shè)投資和能耗成本的降低起著重要作用；另一方面引導(dǎo)和發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)作為主流宣發(fā)媒介的作用，促成電信網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)信息內(nèi)容服務(wù)的全建設(shè)全服務(wù)全運(yùn)營(yíng)拉通，增值5G網(wǎng)絡(luò)價(jià)值。隨著5G通信廣播融合系統(tǒng)的商用和發(fā)展，我國(guó)將從5G商用全球領(lǐng)先，逐步走向5G發(fā)展質(zhì)量的全球領(lǐng)先，實(shí)現(xiàn)“降本增效”“雙碳集約”的可持續(xù)發(fā)展與“主流業(yè)務(wù)”“網(wǎng)絡(luò)增值”的高質(zhì)量發(fā)展齊頭并進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。