黃 瓊

（江西廣播電視臺，江西 南昌 330046）

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展以及智能終端的普及，視頻廣播和流媒體業(yè)務的需求出現(xiàn)了井噴式增長，但是視頻業(yè)務的用戶體驗很大程度上取決于網(wǎng)絡的性能和帶寬，特別是稀缺的無線帶寬資源，已經(jīng)成為當前制約移動視頻業(yè)務發(fā)展的最大瓶頸。在此背景下，基于演進型多播/廣播多媒體子系統(tǒng)（evolved Multicast/Broadcast Multimedia Subsystem，eMBMS）技術為解決這一矛盾提供了方案[1]。該技術支持基于高功率高塔（High Power High Tower，HPHT）的地面廣播服務，以單向模式（Receive Only Mode，ROM）接收視頻內(nèi)容。

2020 年，基于長期演進（Long-Term Evolution，LTE）的5G 網(wǎng)絡架構逐步應用于廣播電視。eMBMS采用單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）模式，提升了ROM 模式的接收范圍和接收效果，啟動5G 無線傳輸機制，以豐富的5G 頻譜資源向用戶提供互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視（Internet Protocol Television，IPTV）、群組通信等多播/廣播業(yè)務數(shù)據(jù)。因此，深入研究5G 網(wǎng)絡架構下的多播/廣播電視融合技術應用，進一步提升5G+eMBMS 的技術融合能力，對于廣播電視的視頻廣播和流媒體業(yè)務發(fā)展起到關鍵性作用。

1 5G 網(wǎng)絡架構下的eMBMS 系統(tǒng)架構

多播業(yè)務（或稱為組播）是將相同的內(nèi)容傳輸給被授權的多個用戶設備（User Equipment，UE），既可以實現(xiàn)一次傳輸所有目標節(jié)點的數(shù)據(jù)，也可以只對特定被授權的UE 傳輸數(shù)據(jù)。廣播業(yè)務也是將相同的內(nèi)容傳輸給多個UE，但是不具有選擇UE 的能力。

現(xiàn)階段，5G 網(wǎng)絡架構存在的主要問題是只有部分基站支持eMBMS，另一部分基站可能不支持eMBMS 業(yè)務。當UE 從一個支持eMBMS 業(yè)務的5G 源基站（Radio Access Network，RAN）移動到一個不支持eMBMS 業(yè)務的5G 目標基站時，若UE 已經(jīng)加入eMBMS 業(yè)務，則需要由共享分發(fā)切換到獨立分發(fā)的方式來繼續(xù)傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)業(yè)務連續(xù)性。5G+eMBMS 系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 5G+eMBMS 系統(tǒng)架構

為了解決這一問題，結合5G 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，要求UE 在切換基站前，通過多播/廣播業(yè)務會話關聯(lián)一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU），而后PDU 切換到目標基站再通過PDU 來傳輸多播/廣播業(yè)務會話對應的業(yè)務數(shù)據(jù)[2]。按照傳輸方式的不同，5G+eMBMS 業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸方案共有3 種，如表1 所示。表1 中，點對點（Point To Point，PTP）是指業(yè)務數(shù)據(jù)通過點對點方式傳輸至各個UE，點對多點（Point To Multipoint，PTM）是指業(yè)務數(shù)據(jù)通過點對點方式傳輸至多個UE。

表1 5G+eMBMS 業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸方案

從5G 網(wǎng)絡架構的維度來說，一個eMBMS 會話可同時采用以上多種方案完成業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸。從技術能力的融合維度來說，方案一的提升空間更大。

2 5G 網(wǎng)絡架構下的eMBMS 融合技術應用

2.1 5G+eMBMS 無線傳輸技術

對于無線傳輸技術，5G+eMBMS 基于Rel-18的LTE 和多播服務技術特點，采用蜂窩網(wǎng)絡（Cellular Network，CN）完成多播/廣播業(yè)務數(shù)據(jù)PTM/PTP傳輸，同時可根據(jù)業(yè)務樣式和流量形態(tài)進行動態(tài)切換[3]。該技術融合的主要特點有3 個：第一，指定在RRC_INACTIVE 狀態(tài)（RAN2，RAN3）中UE 對多播業(yè)務的接收支持；第二，允許UE 對廣播和單播接收的聯(lián)合處理，即支持來自同源/非同源的MBS廣播接收中對包括UE 能力和相關輔助信息報告；第三，在必要時指定增強功能以提高RAN 共享場景中MBS 接收的資源效率。

Rel-17 版本就已支持了多播/廣播功能，旨在實現(xiàn)通用MBS 服務，其實用場景包括公共安全、車用無線通信技術（Vehicle to X，V2X）、IPTV、實況直播、無線和物聯(lián)網(wǎng)等。鑒于Rel-17 的MBS已經(jīng)提供了支持MBS 服務的基本功能，Rel-18的5G+eMBMS 總體主要目標將著重于更好地部署MBS，如對基于Rel-17 下的MBS 以進一步提高資源效率和容量。針對Rel-17 中沒有解決的UE 共享問題，通過技術融合的方式解決在Rel-18 中實現(xiàn)UE 對MBS 廣播和單播接收的聯(lián)合處理的信令增強問題和處理RAN 共享場景下對多播廣播業(yè)務的資源效率提升的問題。

2.2 多播/廣播業(yè)務核心技術

2.2.1 5G NR

5G新空口（New Radio，NR）是基于正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的最新空口設計標準，也是下一代蜂窩移動技術基礎。5G NR 將實現(xiàn)超低時延、高可靠性。該無線電協(xié)議棧架構主要分為用戶面（User Plane，UP）和控制面（Control Plane，CP）兩個平面。UP協(xié)議棧即用戶數(shù)據(jù)傳輸采用的協(xié)議簇，CP 協(xié)議棧即系統(tǒng)的控制信令傳輸采用的協(xié)議簇[4]。多播/廣播業(yè)務數(shù)據(jù)下行鏈路如圖2 所示。

圖2 多播/廣播業(yè)務數(shù)據(jù)下行鏈路

值得注意的是，為了達到更高的數(shù)據(jù)下行傳輸速率，業(yè)務數(shù)據(jù)適配協(xié)議（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）的部分功能被簡化。從圖2 可以看出，MRB1 是基于PTM 傳輸模式的數(shù)據(jù)樣式，在無線鏈路控制端可以通過分段、切片的方式完成數(shù)據(jù)分組和整合，達到高速傳輸?shù)耐瑫r保持數(shù)據(jù)包的整體性；MRB3 是基于PTP 傳輸模式的數(shù)據(jù)樣式，在無線鏈路控制端可以通過頭壓縮的方式來完成分段、自動重傳；MRB2 直接采用了不同路徑傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)，即PTP/PTM 動態(tài)切換。該融合技術對于數(shù)據(jù)傳輸信道的要求很高，且對應不同的業(yè)務需求，主要包括以下信道：廣播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH），用于廣播系統(tǒng)控制信息的下行傳輸；尋呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH），用于轉發(fā)尋呼消息和系統(tǒng)信息變更的下行傳輸；公共控制信道（Common Control Channel，CCCH），當UE 與網(wǎng)絡沒有建立RRC Connection 時，完成UE 與網(wǎng)絡間傳輸控制信息；專用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH），當UE 與網(wǎng)絡已經(jīng)建立RRC Connection 時，完成UE 與網(wǎng)絡間點對點傳輸控制信息。

2.2.2 PCIe 5.0

基于第5 代快速周邊組件互連協(xié)議（PCI Express 5.0）規(guī)范，傳輸速率的提升需要更新5G+eMBMS 物理層，主要是進行速率匹配支撐PTP/PTM 無線高速傳輸。

以一個物理層發(fā)送事務層包（Transaction Layer Packet，TLP）為例。一個TLP 通過物理層時，首先要加上物理層的前后綴STP 和END 的控制字符，無須加擾；數(shù)據(jù)鏈路層前綴、TLP 和數(shù)據(jù)鏈路層后綴都屬于數(shù)據(jù)字符，需要加擾，并由物理層發(fā)向PCIe 鏈路。此時進行速率匹配不影響信息比特的傳輸，只有校驗位會受到影響。因此，速率匹配之后，實際的碼率會與MCS 的目標碼率不同。所以當一個時隙中還有其他參考信號，存在其他高層配置時，實際的碼率會提升，使傳輸?shù)目煽啃越档汀榱吮苊膺@種可靠性的降低，有效的方法是當確知碼率會被抬升之前，高層配置適當?shù)亟档蚿ayload，以平衡實際碼率。

2.2.3 5G 新空口的服務接入增強

為有效支持5G+eMBMS 的PTP/PTM 傳輸，RAN使用無線電接入技術（Radio Access Technology，RAT）在RAN 各個節(jié)點與UE 間進行通信。這些技術主要包括[5]全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）、增強型數(shù)據(jù)速率GSM 演 進（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）、UMTS 陸地無線接入網(wǎng)（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN），通過核心網(wǎng)提供對5G 新空口的服務接入增強。

2.2.4 PTM/PTP 動態(tài)切換

5G+eMBMS 根據(jù)業(yè)務運行需求自主選擇傳輸方式，即多播/廣播服務中心依據(jù)UE 上傳的用戶需求與業(yè)務供給之間的信息來動態(tài)調整PTM/PTP傳輸方式，如圖3 所示。

圖3 傳輸方式PTM/PTP 的動態(tài)切換

UE 可接收從使用點對點PTP 傳輸切換到使用點對多點PTM 傳輸?shù)闹甘?，或基于與PTM 模式相關聯(lián)的可靠性條件來確定從使用PTP 傳輸切換到使用PTM 傳輸。在動態(tài)轉換過程中，UE 接收第一數(shù)據(jù)分組時，該UE 可通過擴展數(shù)據(jù)分組接收窗口的邊界進一步延伸該數(shù)據(jù)分組的接收窗口，此時基于該第一數(shù)據(jù)分組的序列號RLC 和偏置量MAC 可用來擴展該邊界。同時，UE 將第二數(shù)據(jù)分組添加到接收緩沖器C-RNTI 用于進行處理，并且第二組序列號在擴展的數(shù)據(jù)分組接收窗口的擴展部分內(nèi)，確保數(shù)據(jù)傳輸方式切換時不會造成數(shù)據(jù)沖突。

值得注意的是，PTP 數(shù)據(jù)分組接收窗口的邊界可以為下一個PTM 數(shù)據(jù)分組接收窗口的起始邊緣，并且擴展數(shù)據(jù)分組接收窗口的邊界可包括將起始邊緣的第一值設定為比第一數(shù)據(jù)分組低偏置量的第二值。當PTM 無法滿足5G+eMBMS 對傳輸可靠性的要求時，可直接轉換以RLC-AM 模式的PTP 傳輸，并通過RLC 的分段自動重傳（Automatic Repeat Request，ARQ）請求提高傳輸可靠性。

3 結語

本文通過對5G 網(wǎng)絡架構下eMBMS 融合技術應用的具體分析，分析技術應用特點，提出科學應用方式，并明確了存在的問題，給出了改進措施，能夠有效提升基于5G+eMBMS 實現(xiàn)多播/廣播業(yè)務能力，有望進一步拓展5G 核心網(wǎng)在廣播電視領域的應用范圍。