3GPP Rel’14广播技术新特性分析

多媒体广播/组播业务（Multimedia Broadcast Multicast Services，MBMS）最初是3GPP组织在Rel 6中引入的，实现了向多个用户同时传输点到多点业务，以较少的资源为大量具有相同需求的用户提供业务（如多媒体业务）。广播组播技术随着3GPP技术不断演进，先后引入MBSFN（Multicast/Broadcast Single Frequency Network，多播广播单频网）和eMBMS（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services，增强型广播多播技术）等技术。

在3GPP的Rel 14版本中引入了广播的新特性，包括用于V2X（车联网）通信的MBSFN和SC PTM，用于物联网（IoT）的SC PTM解决方案。Rel14还基于广播行业的用例和需求对eMBMS进行了扩展和增强，并整合进EnTV工作项目，如图1所示，其增强性体现在对系统架构和界面的简化，以及对LTE物理层的扩展。5G地面广播增强方案的研究是以Rel 14版本中的EnTV为基础的。

图1 3GPP Rel‘’14广播新特性

Rel 14以前称为增强型多媒体广播多播服务(evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, eMBMS)，基于LPLT(Low Power Low Tower)，实现单播和广播融合，但载波资源利用率只有60%，传输带宽受限。

Rel 14以后称为增强型多媒体广播多播服务(Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, FeMBMS)，它提供了HPHT(High Power High Tower)广播，取消了广播业务保护间隔（CP）最多只有33 μs的限制，增加了200 μs选项，取消了eMBMS广播业务最多能使用60%的载波资源的限制，将载波效率提高到接近100%。

Rel 14的进展将允许通过eMBMS和单播改进对移动设备和固定电视机的电视服务的支持。所取得的进展包括移动网络运营商和服务提供商之间以及3GPP系统本身之间的标准化接口，接口用于媒体传送和控制，用于改进广播支持的无线电增强和用于提供免费接收服务的系统增强。

1 更大的站点间距离

CP（循环前缀、保护间隔）是有用的时间域符号持续时间的循环扩展，从eMBMS基站组网的角度来看，CP通常要选择大于最大多径和设计的站间距设计要求。在现阶段的5G广播设计中，主要的问题是SFN中站间距的设计限制，因而CP的长度确定了发射机之间的最大间隔或站点间距离（ISD）。

Rel′14之前的eMBMS技术只能实现基于蜂窝基站的广播，无法实现像地面数字电视一样的广域覆盖。为了提升频谱效率的利用率，应支持更大的站点间距离，应用更大的循环前缀（CP）。在3GPP Rel′14中，MBSFN物理层可以配置成具有16.7 μs、33.3 μs和200 μs的CP(循环前缀)长度。200 μs的循环前缀能够显著增大广播基站的覆盖区域，实现覆盖15 km站间距，同时新增了一种提供高移动支持的33 μs CP的方法。图2的仿真结果表明，200 μs的循环前缀长度提升了广播系统的性能。当前eMBMS的200 μs CP长度对于LPLT来说是足够的，但是仍然不能有效地支持HPHT部署，未来仍会继续向更长CP演进。

图2 不同循环前缀长度下SNR仿真对比（15km站间距）

2 专用eMBMS载波

专用eMBMS载波有两个特点：

1）仅支持eMBMS传输。

2）支持系统信息在周期性非MBSFN子帧下的传输，同步信息和系统信息通过小区获取子帧（Cell Acquisition Subframe，CAS）进行传输。

图3表示为混合eMBMS和单播的载波获取和专用eMBMS载波获取的帧结构对比图，在专用eMBMS载波中，每40 ms为1帧。

图3 混合eMBMS和单播的载波获取和专用eMBMS载波获取的帧结构对比图

3 共享eMBMS网络

Rel′14支持共享eMBMS广播网络，如图4所示，允许运营商集中他们的MBMS广播资源，以提高覆盖率和带宽效率。运营商可以将其eMBMS网络聚合到共享的eMBMS内容分发平台，不同网络的用户可以利用这个共享的广播网络同时接收相同广播内容，从而提高覆盖范围和带宽效率。

图4 共享eMBMS网络图

4 独立eMBMS网络

移动运营商在LTE网络上运行线性电视服务，在eMBMS模式下使用共享或专用的网络基础设施和频谱资源。LTE网络作为一个独立的eMBMS网络运行，即没有单播。该网络只实现LTE功能和实体的一个子集，这些功能和实体是提供此类服务所必需的。

通过这种网络提供的电视服务包括一组线性电视节目和相关的节目信息。电视服务可以包含免费节目和基于订阅的节目。无论用户是否是MNO的用户、其他MNO的漫游用户，或者接收者是否仅在接收模式下操作而没有任何MNO订阅，所有接收者都可以接收免费节目。对基于订阅的线性电视节目的访问受到相应漫游协议的约束。观众除了可以通过其他LTE网络提供电视服务外，还可以通过独立的eMBMS网络无限制地收看移动终端上的线性电视节目。

独立的eMBMS通过结合ROM和共享MBMS来启用。仅接收模式（Receive Only Mode, ROM）没有订阅，没有上行传输，没有注册。共享MBMS指端到端的共享MBMS架构构成了专用网络，如图5有色区域的RAN, MME, MBMS GW, BM SC。

图5独立eMBMS网路架构

5 免费服务

仅接收模式的一个特定应用是通过eMBMS实现免费广播内容广播（参见3GPP TS 24.116）。所提供的广播服务支持所有终端都可以接收，包括那些不是移动用户的服务。这扩展了移动广播的适用性，以支持公共广播要求。此外，最新的3GPP规范可以根据欧盟关于470~790 MHz频谱范围的决定进行操作。利用屋顶天线在eMBMS设备和现有电视接收机上接收免费广播和付费电视服务，这是eMBMS广播的一项重大改进。

6 仅接收模式

仅接收模式（Receive Only Mode, ROM），它有以下5个特点：第一，适用于没有SIM卡或3GPP订阅的设备；第二，该模式将MBMS扩展到传统电视接收器；第三，启用在MBMS上免费广播内容；第四，有独立单播的仅接收模式启用了互动服务馈送电视直播；第五，为移动电视提供更高效的数据传输方案。

ROM的设备主要分为两种：ROM设备和有独立单播的ROM设备。对于ROM设备来说，无须订阅和注册，不需要SIM卡，支持匿名接收MBMS，提供免费的电视服务。对于有独立单播的ROM设备来说，它可以提供广泛的交互性/混合的服务。从内容提供者的角度来看，它是一个设备(具有两种操作模式)，而从网络运营商的角度来看，它是两个独立的设备。

两种设备的关系如图6所示。

图6仅接收模式两种设备之间的关系图

7 仅传输模式

仅传输模式是一种新的eMBMS传送操作模式，它使得TV格式不限于基于DASH和基于ISO的媒体文件格式的3GPP媒体层服务。仅传输模式提供传递MBMS承载服务类型，使用MBMS网络作为不同内容类型和服务的公共交付平台，对接收机进行简单的设计，使电视广播机构能够通过MBMS以原生格式提供内容，而无需进行转码。从图7可以看出，现场直播的内容可以不经过编码等一系列的操作，直接传输到广播多播服务中心。

图7 仅传输模式结构图

8 标准化xMB接口

为了简化对eMBMS系统功能的访问，内容提供商和广播公司现在可以通过标准化的xMB（广播应用编程）接口建立电视服务，如图8所示，该接口有两个方面：xMB C用于控制，xMB U用于传送媒体内容到BM SC。

图8标准化xMB接口的架构图

xMB接口是一个静态的API，为动态服务/会话类型的协商和建立提供统一的框架。其中会话类型有应用程序、流、文件传输、仅传输。

9 新的MBMS应用程序编程接口

新的eMBMS应用程序编程接口（Multimedia Broadcast Multicast Service Application Program Interface, MBMS API），主要面向网络和用户应用程序的开发人员，以简化对复杂eMBMS过程的访问，如图9所示。API存在于UE（移动系统用户设备）中，从eMBMS客户端到内容接收器应用程序，通过xMB提供相关信息，以向应用程序公开服务。

可以通过定义良好的API访问内容，使得应用程序与MBMS客户端通信，以发现服务并为现有媒体播放器提供服务。

图9 MBMS API的架构

10 Rel’14 5G广播技术试验 TODAY项目

在德国巴伐利亚州政府的支持下，巴伐利亚广播公司（Bayerischer Rundfunk，BR）、广播技术研究所IRT、凯仕林公司、罗德与施瓦茨公司以及德国电信等公司开展了基于Rel’14广播技术的广播试验项5G TODAY项目。该项目旨在为未来5G网络中有效传输广播内容奠定基础。5G TODAY项目正式启动了5G广播的现场试验，是世界上第一个5G广播的大规模测试网络。

项目的5G现场试验场位于德国慕尼黑，由附近巴伐利亚高山地区的Ismaning和Wendelstein山顶的两台高性能发射机覆盖，信号覆盖了附近广大区域。两个发射机均以100 kW的有效输出功率运行。借助高传输塔和高功率发射机（HighPowerHighTowerConcept, HPHT），基于新的广播模式FeMBMS，可以对大面积的电视节目广播进行测试。FeMBMS广播模式允许在半径高达60 km的大覆盖区域内广泛且廉价地分发内容。如图10所示。

图10 大功率高塔发射站和MBSFN结合的广播示意图

IRT正在协调该项目，并正在开发基于软件定义无线电（SDR）解决方案的原型FeMBMS接收器。未来这项技术可以集成到智能手机、平板电脑和电视机中，以便可靠地接收5 G以上的实时和线性内容。启动活动的测试接收器由不伦瑞克技术大学通信技术研究所提供。

5G TODAY的测试将从现在开始到2019年秋季，之后将评估结果和进一步利用的结果，该项目将于2019年10月31日结束。

11 结论

3GPP Rel’14针对广播技术在空口和系统架构方面引入了一系列新特性，与之前的eMBMS版本相比，覆盖更广区域，更易于协同组网，发送和接收更便利，易于形成未来针对大屏和小屏多种终端的广播覆盖，标准化的接口提供了良好的适用性，广播系统的性能显著增强。外场试验充分验证了系统的性能。对于媒体制作单位和传输分发单位来说，3GPP提供的广播技术是一个具有竞争力的手段，具备了良好的产业链和覆盖更广用户的传播分发手段，3GPP的广播将在Rel’14之后继续演进，5G广播将在未来的广播电视行业中发挥重要作用。

文/李继龙

该文章发表在《中国有线电视》