5G与未来电视广播技术应用

 

即将到来的5G技术将渗透到未来生活的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。为用户提供光纤般的接入速率,时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,业务及用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升。

如果说4G改变了生活,那么5G将改变社会。根据中国移动的计算,5G将导致各行业经济发展再上新台阶。5G将全面构筑经济社会数字化转型的关键基础设施,从线上到线下、从消费到生产,从平台到生态,推动我国数字经济发展迈上新台阶。2030年,在直接贡献方面,5G将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为6.3万亿元、2.9万亿元和800万个;在间接贡献方面,5G将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为10.6万亿元、3.6万亿元和1150万个。

一、5G技术与其特点

5G5th-generation)是第五代移动通信技术的简称,但与4G3G2G不同的是,5G并不是独立的、全新的无线接入技术,而是对现有无线接入技术(包括2G3G4GWiFi)的技术演进,以及一些新增的补充性无线接入技术集成后解决方案的总称。从某种程度上讲,5G将是一个真正意义上的融合网络。以融合和统一的标准,提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全和自由的联通。

对于普通用户来说,5G带来的最直观感受将是网速的极大提升。目前4G/LTE的峰值传输速率达到每秒100M,而5G的峰值速率将达到每秒10G。打个比方来讲,用4G下载一部电影可能会用1分钟,而用5G下载一部电影只需约1秒钟。

专业角度讲,除了要满足超高速的传输需求外,5G还需满足超大带宽、超高容量、超密站点、超可靠性、随时随地可接入性等要求。因此,通信界普遍认为,5G是一个广带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能的网络。

 

2G是短信的时代,3G4G是多媒体移动互联网的时代,而5G会给万物互联带来很多的机会。5G有高速率高容量低延时的特点,5G将会在未来随着传感、大数据、人工智能的发展,有力地推动工业级应用和消费级体验的应用。5G具备比4G更高的性能,支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数十Tbps的流量密度,每小时500km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比4G,频谱效率提升5~15倍,能效和成本效率提升百倍以上。

4G时期相比,5G网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征,其中代表性的网络服务能力包括:网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网和网络能力开放等。网络切片是网络功能虚拟化(NFV)应用于5G阶段的关键特征。一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。移动边缘计算(MECMobile Edge Computing)改变4G系统中网络与业务分离的状态,将业务平台下沉到网络边缘,为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力,实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越,是5G的代表性能力。

20184月,华为在中国信息通信研究院率先以100%通过率完成由IMT-20205G)推进组组织的中国5G技术研发试验第三阶段基于非独立组网(NSA)的核心网系统网络功能与业务流程测试。本次5G非独立组网(NSA)测试是中国5G技术研发试验测试的重要组成部分,对运营商早期快速实现5G商用部署具有重要意义。

5G上,4K传输、虚拟现实(VR)等将是很好的应用,5G可进一步促进4K普及。VR被认为是真正的5G推手。从长期来看,相对于4G的消费级应用,5G的应用将是工业级应用。另外AR(增强现实)的应用也是5G的一大卖点,因为AR需要巨大的数据量,5G可以提供流畅的体验。5G IoT(物联网)也值得期待。现在还是在5G早期,现在很多4GNB-IoT还方兴未艾。

二、基于LTEeMBMS

4G/LTE时代,终端用户对移动视频业务的需求与日俱增,基于 LTE 的演进型多媒体广播 / 多播技术规范也在相应继续完善。3GPP一方面进一步提高MBMSMultimedia Broadcast Multicast Service,多媒体广播多播业务)的业务性能,另一方面则需适应新的 SAE/LTE的系统架构要求。3GPP2010年开始完成了基于LTEeMBMSEvolved Multimedia Broadcast Multicast Service)技术。eMBMS基于3GPP R9协议规定,在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进,更加适应移动视频业务在LTE网络上的传送和使用。eMBMS也被称为LTE广播,是一种先进的移动数据传输技术,可以使运营商显著降低在LTE网络上同一时间向多个用户提供诸如视频、音频等高带宽内容的成本。相比 MBMSeMBMS技术更加成熟,其所依赖的网络和商用部署条件也更加完善,eMBMS技术所依托的网络带宽更宽,这意味着能提供更多的频道和视频内容,视频画面可以更加清晰,流畅,从而获得更好的用户体验。

eMBMS具备大带宽,大容量,高品质,低成本等优势。同一段带宽可以服务于多个用户,提升LTE的带宽利用率,让带宽的价值得到深入挖掘。对于运营商而言,带宽资源非常宝贵,合理利用每一个比特的带宽,使其价值最大化,是网络经营的终极目标。

2011年国内就出现了基于eMBMS LTE Video解决方案,可提供高品质的移动视频广播多播业务和推送类业务。 20149月中国电信在青奥会期间实现全球首个LTE eMBMS预商用,有效地保障了青奥会期间LTE移动终端用户高品质的视频体验。作为4G视频业务的典型应用,LTE eMBMS解决方案日趋成熟。LTE NGB-W解决方案中包含了端到端的eMBMS网络,其中包括了U频段接入小塔,融合网业务平台,以及NGB-W所定义的eMBMS专属功能实体。对于终端产业链,提供eMBMS mini PCIe模组以供广电行业的终端厂家进行集成开发,同时成熟的解决方案将在很大程度上推动产业链的发展和共赢,通过建立产业链间合作。eMBMS催生很多商业模式,促进NGB-W市场的培育和发展,加速推动eMBMS商用进程。

2015 CES展会期间,Qualcomm使用骁龙810处理器公开演示了全球首次采用LTE广播对4K内容的传输。通过LTE广播可以将4K的内容非常有效地传输给移动终端,并且能保证较高的质量。由于采用一对多的传输模式,在实际应用中可以帮助运营商降低对频谱占用较大的高需求内容传输的压力。

2017823日,中国联通启动国内第一个商用的LTE组播平台来提供高铁影院服务。 “LTE组播是采取点到多点方式。联通高铁影院就是对于 NN为正整数)个正在行驶的高铁上有着相同视频观看需求的乘客,组成一个组播组,同时、同频向其传输相同的内容,这样,“LTE组播相对于“LTE单播就极大节省了频谱资源、提高了热门视频内容的分发效率。

三、5G广播类业务(FeMBMS

ITU-R所确定的5G3大应用场景——增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、超可靠与低时延通信(uRLLC)中,有很多可以用广播方式进行传输的业务,被业界统称为5G广播类业务(5G Broadcast-like service)、5G广播组播业务(5G BMS)等。比如,在5G系统中,4K/8K超高清视频、三维立体视频、多视角视频、VR(虚拟现实)/AR(增强现实)等高质量多媒体业务,都可以采取广播方式进行分发。又比如对紧急信息的广播。

全球移动通信业界开始研究一种新兴的、更为高效的的数字广播系统。之所以更为高效,是由于目前蜂窝移动通信网络分发移动视频内容所采取的是以点到点为特征的单播方式,而数字广播系统则侧重于采取广播方式,可同时向若干移动终端及固定终端分发 / 传输相同的视频内容。数字广播系统将适宜于被移动通信基础网络运营商用于有着大的数据流量的宽带信息(尤其是热门多媒体信息)的分发/传输,这对于目前在以大屏幕终端大规模移动视频观看为主要驱动的蜂窝移动数据流量快速增长的情况,将具有一定程度缓解网络及系统升级压力的作用。

2017年的3GPP Release 14中,3GPPeMBMS作了一些改进/演进(比如扩大OFDM符号的循环前缀长度)。欧洲产业界就已经开始对这种演进型的 eMBMS 进行现网试验了,而且把它称为“FeMBMS”Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Service)。“5G广播的发展目标很明确:一是5G网络要能提供新兴的广播/单播混合型业务;二是让经典广播方式具备更强的交互性。

四、4G5G通讯中的电视广播实践

LTE eMBMS由于在逻辑架构、业务模式等方面进行了重大改进,较适应视频业务在移动网络上的传送和使用。由于eMBMS技术所依托的LTE网络带宽(按 20MHz)是3G(按 5MHz)时的4倍,这意味着运营商能提供更多的频道内容和更加清晰和低时延的画面,特别适合很多精彩赛事、大型表演、重大活动的实时转播,因此在现阶段纷纷被运营商和设备厂家关注。

20142月初,在纽约超级碗赛事的实况转播中,北美运营商 Verizon 使用阿尔卡特朗讯提供的 LTE eMBMS技术方案,成功实现对超级碗赛事的实况转播,用户通过LTE 终端欣赏了西雅图海鹰队完胜丹佛野马队并首度夺冠的精彩场面。同时,Verizon 通过该技术方案,提供给用户球队信息查阅、视频回放,比赛实况预告等多种信息服务,提升了用户体验,同时也验证了 LTE eMBMS 技术实现移动视频广播的有效性。

同样在2014年,德国慕尼黑进行了全球首个大型4G电视广播单频试验网络,目的在于向业界证明4G LTE网络可作为传统/经典地面数字电视广播网络的补充,甚至可于有朝一日替代之。该试验所采取的是UHF频段中进行数字电视广播的黄金频段——700MHz频段,即3GPPBand 28,并采用APT700方案。试验网络覆盖了高达400平方公里的地域。为了获得最大的4G电视广播效率,项目组对该 SFN进行了优化,使得各基站严格同步以增强对于单频干扰的抵抗力。试验中,LTE网络设备部署于巴伐利亚广播公司的4个电视发射台,各站点以高速光传输网络进行连接。

此次大地域覆盖试验实现了将传统的线性广播电视节目延伸传输至人们的便携式移动智能终端设备,相关系统具备了融合传输/分发线性电视内容、非线性电视内容、点播电视与交互式电视的能力。项目组还研究了如何通过提高无线频谱资源利用效率来减小需要部署4G电视广播功能的基站数量,从而达到减小将来现网部署所需成本的目的。此外,尤其值得一提的是,试验中还部署了LTE机顶盒设备,从而实现了基于广播/宽带网络融合(以单一频段、单一技术)、可替代传统地面数字电视广播的4G电视广播。试验发现,对于欧洲的某移动通信基础网络运营商,仅在其1/3的基站中部署4G电视广播功能,即可覆盖与现有DVB-T网络相同覆盖面积(覆盖全国),而提供4G电视广播服务的增量成本可达到与提供DVB-T服务相当的水平。

另外,此次大型试验还实现了对于人们通过智能手机观看电视内容时的体验的重大改进,具备非常丰富的用户体验——用户使用智能手机可以很轻松地切换使用电视服务与点播或Internet服务。传统上通过广播网络与宽带网络结合起来才能提供的互联网电视服务或 HbbTV(广播/宽带混合型电视)服务,在此次试验中仅通过单一的4G电视广播网络就全部实现了。此外,如图2所示,试验中,还实现了将智能手机作为电视机顶盒——智能手机把从4G电视广播网络所接收到的内容投射至大屏幕电视机。这使得4G电视广播相比于传统的地面数字电视广播又多了一大优势:对于后者,每制定并发布一个最新版本的技术标准,就需要电视机顶盒或一体化电视机具备很好的后向兼容性,而前者则无需进行相关考虑。智能手机的创新周期要短得多,而且可以更快地为大众所使用。这样,用户就可以不用更换家里的电视机,而通过智能手机进行投屏连接(screencast connection),从而可随时随地作为移动电视机、智能遥控器、电视机顶盒等。

 

一个5G广播试验场在德国巴伐利亚奥伯兰设立了,是巴伐利亚研究项目“5G Today”的一部分。在著名的广播技术研究所(IRT)的领导下,项目合作伙伴Kathrein公司和罗德与施瓦茨公司在研究5G网络上进一步演进的多媒体广播多播服务(FeMBMS)模式的大规模电视广播。此项目得到关联合作伙伴西班牙电信(德国)和德国巴伐利亚广播公司的支持。该项目主要采用5G广播模式FeMBMS

五、关于下一代地面数字电视广播技术的思考

当今时代,科学技术迅猛发展,不断孕育和催生着新的重大突破,新技术新应用层出不穷,技术革新带来传播载体的变化。现代科技的发展和应用,打通了通讯、传媒、娱乐等多个领域,增加了人们的文化选择和文化享受,不断丰富了人们的文化生活、满足人们的文化需求。距离2006年地面数字电视广播国家标准(GB20600-2006)的颁布已近12年,国际上以ATSC3.0为代表的新一代无线广播电视传输标准已经开始推广应用,我国广播电视业务融合发展迫切需要新技术体系的有力支撑。

随着移动通信系统的技术与业务从4G5G的演进,传统广播技术也在不断发展。欧洲第二代地面数字电视广播标准DVB-T2形式提出了一种可提高无线网络频谱利用效率(bps/Hz)的新技术——时间频率切片(TFS),并将其完全应用于面向下一代手持终端的移动视频广播系统(DVB-NGH)之中。此外,美国最新一代的地面数字电视广播标准ATSC 3.0将采取层分复用(LDM)技术,该技术又被业界称为云广播,其把单个物理层信道划分为多个子信道,每个子信道以不同的信道编码与调制、发射功率等承载不同的业务(这种技术的理念类似于对5G无线接入网进行网络切片)。

我国新一代地面数字电视标准应用层应采用开放、多元的技术,可以包括:新一代音视频编码技术、高动态HDR技术、全息音频3D Audio技术、HTML5呈现技术、智能操作系统、人工智能语音识别技术以及音视频大数据分析推荐技术等。全球几乎所有的广播者都在考虑广播和互联网的融合问题,例如:美国ATSC3.0系统中设计了与宽带信号等同带宽的统一导引信号(Boot Strap),用以指示其后尾随的数据帧是广播信号还是宽带信号,即通过导引信号可分时使用广播频谱。预计2019年,5G增强移动宽带(eMBB)标准将进入第二阶段,因此,在我国新一代地面数字电视系统设计过程中,可跟踪3GPP5G标准的最新进展,设计提出与eMBB基本相兼容的数据结构,并争取国内集成电路设计企业的认同,使得未来的手机基带芯片能较为便捷地集成新一代地面数字电视传输解调模块,这将为新一代地面数字电视传输标准的应用带来革命性的变化。

未来的广播电视需要反向信道,但是广播电视服务本身的反向需求带宽并不高,主要业务是电子商务、视频点播以及信息反馈,是一种典型的双向非对称业务。另外,目前三大运营商的宽带双向业务竞争日趋激烈,并且都已将低功耗广域物联网技术作为发展重点,其核心技术是窄带物联网标准。然而从技术角度来看,用带宽变窄换取低功耗远距离是完全可能的,这尤其适合广播频段以及广播大面积覆盖的应用场景。因此,单载波频分复用技术以及海量用户的MAC层接入技术也应该是新一代地面数字电视标准研究的热点。

对于全球未来广播电视业务的需求来看,主要有四大重点:

第一点是交互性的加强,这个交互性是一个终极形式,但是同时要考虑到地域的问题。具备更强的社交性,支持双向的传输能力和组网能力,具备更强的社交特点。

第二个是移动性,现在的技术能力需全面支持与适应移动应用业务。支持泛在性接收,支持各种场景、各种地理环境下的鲁棒接收。

第三条是应急能力。在大网络面前的紧急情况下的应急能力。

 

第四条是可管可控。具备更加安全的可管可控,支持内容保护和用户管理。

 

(来源:现代电视技术)