5G在未来广播中的应用
本文来自IBC2019（国际广播大会），主要讲述了BBC（英国广播公司）及其合作伙伴使用5G技术进行内容分发和生成方面做出的试验，探索了5G在未来广播中的应用。试验主要由两个项目组成：5G RuralFirst项目及5G智能旅游项目。
5G RuralFirst项目代表着4G/5G技术在直播广播中的首次公开试用。目前已经提出了许多将广播内容分发到移动台的技术，如DVB-H和DVB-NGH，但这些技术都没有在手机中得到普遍支持，而5G却会在未来的手机中得到广泛支持，因此5G技术为广播带来了新的机会，提供未来的广播服务。5G RuralFirst是英国政府5G阶段测试平台和试验计划资助的六个项目之一，旨在演示农村边远地区连接网络的新途径。传统的基于3G/4G的单播广播有许多限制：在城市和郊区，多个副本同时发送到终端造成网络拥塞，而在农村边远地区，由于基站数量有限，所以覆盖范围受到上行链路的影响。
5G RuralFirst试验的目的是探索5G在向边远地区提供BBC服务方面可能发挥的作用，并进一步了解5G带来的好处，而不仅仅局限于超快链接。5G广播电台的试用包含两个部分：基于商用4G设备的公开试用和室内5G广播调制解调器的试用。
基于商用4G设备的公开试用在Orkney的Stronsay岛上进行。虽然公开试用的设备依赖现有的4G技术，但是通过专用频率分配，并免费向用户提供SIM卡，所以仍然能够模拟5G广播。实验基站采用软件无线电，从而能够最大限度地提高灵活性，为新兴的5G新电台提供升级路径。实验基站采用的射频装置架构如图1所示。
图1 实验室射频测试系统架构
CloudNet在Strinsay高中安装了全向天线，学校坐落在岛中心的一个小山上，可以被一个基站覆盖，基站安装在靠近天线的阁楼中，由一个eNodeB，一个独立的移动核心网和必要的广播核心网络组件组成。基站通过4G广播模式（eMBMS）传输13个广播电台，还可以为使用者提供常规的Internet访问。基站及支持广播的手机实物图如图2所示。
图2 实验基站及手机实物图
试用者可以使用一个名为“BBC 5G Radio”的程序来收听广播。该程序会收集服务质量和用户消费方式的数据，此外，用户的地理位置和信号强度及质量也会一起回传给服务器。通过分析用户数据，服务质量的反相很好，几乎所有人（90%）对试用的服务感到满意。信号强度与距天线距离之间的关系如图3所示。尽管信号强度随着距离而波动，但是超过半数的人认为试用网络速度更快，三分之二的人认为其更加可靠。
图3 接收功率覆盖图
5G RuralFirst的第二部分工作是室内5G广播调制解调器，硬件设施如图4所示。为了超越现有的商用设备，开发团队基于LTE硬件开发了广播发射机和接收机，兼容3GPP规范的14/15，包括小区捕获子帧，并具有100%的可用广播专用能力。所有的信号处理使用FPGA完成，比软件方案具有更高的能效，并支持实时诊断和调试功能。
图4 5G广播调制解调器
5G RuralFirst未来的拓展工作可能是进一步优化5G广播无线电测试的技术参数，更好地表征5G广播服务和模拟无线电之间的延迟，分析通过4G/5G广播传输流的延迟等。
试验的第二个项目是5G智能旅游项目，该项目研究了如何改变在移动设备上切实可行的媒体体验类型，开发团队及其合作伙伴构建并试用了一个安卓应用，该应用使用了虚拟现实（VR）技术，在虚拟现实中显示用户的位置，并为用户显示景点的重要历史事件。VR视频推送到手机上有两种方法：一是推送预渲染的视频（分辨率4k×2k），二是推送实时远程渲染的视频。
预渲染视频使用H264以10M的码率进行编码，该视频在5G网络中的移动边缘计算（MEC）节点进行托管，通过英国首个60GHz网络连接到Baths，并最终通过WiFi与手机连接。
实时远程渲染使用相同的网络，但需要手机将自身姿态发送到MEC服务器上，服务器利用该信息进行实时渲染，然后将视频流推到手机端。这种方法的关键在于控制延时。Bristol大学配置了10台虚拟图形渲染PC，并使用OpenStack优化以提供快速的内存和GPU访问。云端的渲染器按需分配给智能手机。该网络可以提供大于600Mbps的吞吐量，并且将延时控制在10ms以内。剑桥通信系统（CCS）节点提供了罗马Baths到5G主干线之间的链接，验证了IP/Ethernet端到端操作的可能性。5G主干网的高带宽和低至1ms的延时，使得其从4G与LTE中脱颖而出。
图5 视频加载时延
图5说明了三个不同的360°视频流（4k，10Mb/s）的传输延时。时刻从服务器端收到推流请求开始，着色区域表示中间25%—75%的用户终端视频开始播放的时刻。图中显示每个4k流的中值时延大约为1s左右，离群点是因为用户启动视频播放时走出网络覆盖范围。为了研究1s的加载时延能否被接受，APP内置的调查问卷表明用户满意度为92%。进一步的数据表明，远程渲染视频的终端延时为200ms，用户反馈这对于手持VR设备是可以接收的，但对于头戴式设备还远远不够。
最后，虽然5G将成为现实，但仍有许多工作要做。从分发的角度看，5G RuralFirst项目已经证明4G/5G广播模式可以提供用户满意的服务，5G智能旅游项目也证明了5G规范的可能性网络，但是，广播公司成本，相关商业模式等诸多细节有待更近一步的调查研究。