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广电与5G的融合将迎来“里程碑”式进步

供稿人:李远东  供稿时间:2017-8-29   关键字:5G  广电  

从发展趋势看来,移动视频有很多种形式,既有传统的移动电视(线性与非线性),也有新兴的直播、在线3D、全息视频、360°视频、VR/AR/MR[1-2]

 

实现“电视无处不在”一直是运营商的“梦想”。从而,不论是广播网络运营商,还是移动通信基础网络运营商,都一直在探索实现移动电视的新兴技术、创新型商业模式等。

 

全球范围内,广播网络运营商面向各类小屏幕移动终端开展的移动电视业务,鲜有成功的案例,几乎都以失败告终[3]

 

全球范围内,移动通信基础网络运营商网络中的数据流量正在飞速增长,其中最大的贡献来自于移动视频[4]。比如,据中国联通网络建设部副总马红兵613日在“2017IMT-20205G)峰会”上透露,中国联通的移动网络中,视频业务的流量从不到一年前的低于20%增加到现在的接近50%[5]

 

由于采取的是单播分发方式,移动视频流量的快速增长就给蜂窝移动通信系统的持续、较大程度的扩容升级带来很大压力。而从目前的发展态势看来,有较大可能性的一种变革方式为实现广播/组播与单播的融合,以广播/组播方式来分发热门的移动视频内容,以单播方式来分发冷门的移动视频内容。

 

然而,实现广播/组播与单播的融合并非易事,因为毕竟牵涉到广电网络和移动通信网络这两大阵营。要实现融合,需要双方都有很强烈的意愿。

 

广电网络阵营从3G时代就开始探索实现广播/组播与单播相融合的方式,到了4G时代,这一方式也得到了移动通信网络阵营越来越多主流从业主体的支持。

 

这方面,欧洲表现得尤为突出,201761日,欧盟5G-PPP第二阶段开始启动广电与5G融合研究项目“面向5G的广播与组播通信”,规划历时两年,即在201961日完成,总体目标是研发通过固网/5G网络/广播网络三者的融合型网络来分发PTM(点到多点)内容的灵活技术[6]

 

这一项目的背景是,在移动通信业界对于5G(第五代移动通信)的愿景中,5G可以开展的业务有很多:4K/8K超高清电视(含高动态范围HDR/高帧率HFR/宽色域WCG)、基于对象的音视频内容、虚拟现实VR/增强现实AR/混合现实MR360度视频媒体、下一代多声道音频等[1-2]5G网络能否绿色、高能效、高谱效地满足上述业务的商用开展需求?这还仅仅是一个方面,其实在5G的众多用例之中,有很多都可以用基于广播/组播的点到多点(PTM)传输来实现,其他还包括车联网中的信息娱乐以及安全应用、物联网中的软/固件批量升级及通用控制信令/消息下发、公共安全系统中的应急广播等[6]

 

参与该项目的欧洲国家一共有9个,笔者注意到,一个很大的特色在于18家的项目成员单位中,既有广播商/电视台和广电协会组织(分别是BBC与欧洲广播联盟EBU),更有全球知名的基础电信企业(比如英国电信、意大利电信)。

 

就是说,这个项目是广电阵营和电信阵营共同在执行,并不是广电阵营单方面在做。这就说明,实现广电与5G融合已成为欧洲广电行业与电信行业的共识。

 

而且,相关项目是纳入5G-PPP的,于是其研究成果就将会被提交到3GPP用于5G技术标准制定(该项目的第七工作组专门负责相关工作)。近年,EBUBBC一直在大力研究广播与移动宽带的无缝融合,近期更是活跃于3GPP5G标准活动。由此看来,在5G时代,广播(方式)与移动无线通信(组播/单播)的融合有可能将会得到3GPP正式的5G国际标准化,这就具有很大的实际意义了。

 

3.9G时代开始,欧洲广电阵营就开始研究探索经典广播方式与移动通信的融合,而在即将到来的5G时代或将得到移动通信阵营的国际标准化,所以这将是一个里程碑式的进步。

 

另外,参与该项目的还有电信设备供应商(比如诺基亚、三星)、在5G技术研究方面有较大实力的科研机构(比如英国萨利大学)、其他终端设备商。纵向上看来,18个项目成员单位分布于音视频媒体内容的制作与播出环节、分发传输环节、终端消费环节。这就说明,欧洲对于广电与5G融合的研究,不仅仅是单纯在研究技术,更是从一开始就在布局对相关产业链和生态系统的培育。

 

此外,可能是为了确保该项目得到高质量的实施、输出最适于全球产业发展的成果,项目组还设立了外部咨询委员会,其中既有知名电视台(日本NHK)与广播网络运营商(法国TDF),也有知名芯片商(高通)与设备商(爱立信),还有广电领域与电信领域知名的研究机构,比如上海国家数字电视工程研究中心(NERC DTV)、加拿大通信研究中心(CRC)、韩国电子与通信研究院(ETRI)等。

 

由于有了电信阵营的大力参与,在项目的实施策略上,采取了非常科学的步骤,一共分为5步:

 

第一步:对广电与5G融合的用例、需求、关键性能指标进行定义,为后续研究工作奠定基础。目前已经初步确定的用例有3个:混合型广播业务(线性电视+非线性电视+移动社交媒体);基于对象的电视广播业务(以音频、视频、标题、字幕、元数据等一组组件来存储的电视节目);公共预警服务(以多媒体为载体进行应急广播)。面向5G的广播与组播通信项目共设七大工作组,其中的第二工作组(WP2)聚焦研究广电与5G融合系统的用例、需求以及关键性能指标(KPIs),主席单位是英国广播公司(BBC),主要负责提出与该研究项目相关的所有用例,包括与M&E(媒体及娱乐)、PWS(公共预警系统)、车联网、IoT(物联网)相关的用例。其中,考虑到与该研究项目的核心竞争力相匹配,第二工作组将优先确定M&E的用例以及PWS的用例。总体上,相关的M&EPWS用例可分为两大类:第一类是目前已有的应用/业务。这类应用可通过将来的广电与5G融合网络来使能及增强;第二类是目前尚未得到使用的新兴应用,比如基于对象的广播(object-based broadcasting)。为了确保广电与5G融合网络”M&EPWS用例规划的完整性,第二工作组将会广泛利用参与该项目研究的联盟单位的行业知识与专业性,并整合欧盟5G-PPP第一阶段、5G-PPP5G在八大重点垂直行业的应用研究、3GPPEBUETSI ISG MBC(欧洲电信标准协会移动通信/经典广播融合特殊兴趣组)的相关研究成果。另外,第二工作组还将研究确定可采取一点到多点传输方式(广播或组播)来分发内容及数据的车联网相关用例及物联网相关用例,在此过程中,第二工作组将寻求与其他5G-PPP项目组的合作。

 

第二步:基于第一步的研究成果,设计广电与5G融合的无线接入网、核心网、内容分发框架。融合的媒体内容分发架构如图1所示,在无线网及核心网采取具备PTM能力的网络切片广播服务,其可实现用户在固网、5G移动网、地面数字电视广播网络间移动时的网络无缝切换,从而通过广播网络与移动宽带的融合实现业务呈现的一致性。该架构并未实现5G与互联网的融合,这代表了电信运营商阵营的利益诉求。

 

图1

1  5G-PPP提出的面向5G的广播与组播通信架构[6]

 

第三工作组WP3(主席单位是英国萨里大学5G创新中心)专门负责研究用于5G广播/组播的无线接入网络,包括对空口、无线接入协议、无线接入网架构的设计,并研究面向5G的增强型多媒体广播/组播服务(eMBMS)的演进。待研究的典型物理层技术包括调制、编码、交织、波形、MIMO预编码/波束赋型等。待研究的新兴网络架构为基于混合型地面数字电视广播网络(大功率高塔发射HPHT)及5G蜂窝移动通信网络(低功率小塔发射LPLT)的单频网(SFN),其中既要实现相同内容在大地域范围内的同频、同时分发,也要实现小众化本地内容(如本地电视频道)在SFN中的插入。需研究新型的发射机空口与接收机信号处理算法,此过程中将考虑接收终端的实现复杂度与系统性能的折中。对于第三工作组研究成果的评估,将从吞吐量、频谱效率、可靠性、网络覆盖、移动鲁棒性、时延、信噪比等关键性能指标进行。

 

第四工作组WP4(主席单位是eMBMS核心网设备厂商Expway)专门负责研究用于5G广播/组播的融合型核心网络架构及管理。核心网架构方面,主要研究通过对单播、组播、广播方式的灵活动态调用来优化网络利用效率。核心网管理方面,主要研究灵活的会话管理与资源控制方式。

 

第五工作组WP5(主席单位是英国电信)专门负责研究一种灵活、自组织的内容分发网络框架,目标是通过“无缝”融合单播、组播、广播、高速缓存来实现内容的大规模传输。1中,应用层的应用分发框架相当于一个智能引擎,可以根据实际需要把各个业务的数据流量灵活地分配到不同的底层接入网络进行分发以提高效率,其工作原理简要如图2所示。

应用层的原理

2  5G广播/组播网络的路由优化框架/机制[6]

 

 

第三步:根据第二步设计出的无线层、传输层、应用层技术,研发可用于概念验证的原型设备。WP3负责设计5G广播/组播无线接入网原型设备,WP4负责设计5G广播/组播融合型核心网原型设备,WP5负责设计5G广播/组播应用层智能关键组件的原型设备。

 

第四步:把在第三步中研制出的原型设备部署于三大外场测试床(分别位于英国萨里大学的5G创新中心、德国广科院、芬兰TUAS),并进行调试。

 

第五步:采用在第三步中设计出的原型设备及第四步中调通的三大外场测试床,对在第一步中定义的广电与5G融合三大用例的需求及关键性能指标进行验证,其中一个测试外场的规划如图3所示,之中既有宏站和广播大塔,也有微站和皮站。同时,在2018年欧洲杯、IBC 20182018年荷兰国际广播展)、MWC 20182018年世界移动大会)期间进行公开展示。

图2

3  5G-PPP“5G广播与组播通信的一处测试外场规划[6]

 

综上,预计欧盟5G PPP(第二阶段)面向5G的广播与组播通信项目将有望实现:(1)与3GPP核心5G标准的时间表一致,相关成果将有望纳入3GPP5G国际标准;(2)促成固网/5G网络/广播网络的无缝融合,形成5G的一个统一的灵活异构多层网络基础设施/架构;(3)为包括媒体&娱乐在内的三大用例创建新的可持续发展的商业模式、应用及业务,有效满足欧洲广播商/电视台及其广大电视广众的未来需求。

 

参考文献:

 

[1] Service requirements for the 5G system; Stage 1, 3GPP Release 16, 2017-06-20.

[2] 3GPP TR 38.913: 5G: Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies, 2017-05.

[3] Yanfeng, Wang, Dazhi, He, Wenjun, Zhang, elt, all. Media Transmission by Cooperation of Cellular Network and Broadcasting Network[J]. IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING, 2017-07-27.

[4] Louis Christodoulou, Omar Abdul-Hameed, and Ahmet M. Kondoz. Toward an LTE Hybrid Unicast Broadcast Content Delivery Framework[J]. IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING, 2017-07-27.

[5] MA HongbingChina Unicom. Road to 5G, Building up the U5G+ Platform, 2017-06-13.

[6] 欧盟5G-PPP第二阶段的研究项目5G-Xcast的专题网站:http://5g-xcast.eu/, 2017-07.

 


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