【精选】5GNR组播广播技术（一）——中国广电引领世界5G广播

本文为论文精要，原文刊发于《广播与电视技术》2021年第8期“中国广电·5G广播”专栏。

5G组播广播的演进是国际通讯标准组织3GPP的重要关注点之一，中国广电在标准制定过程中发挥了重要作用。《广播与电视技术》特邀中国广电权威专家撰写专栏文章，介绍中国广电在5G广播领域做出的突出贡献。本期刊登由中国广播电视网络有限公司副总经理曾庆军撰写的《5G NR组播广播技术（一）——中国广电引领世界5G广播》。本文介绍了多媒体传输的发展趋势，5G NR组播广播的设计思路， 3GPP标准的进展，以及中国广电5G NR组播广播外场测试的情况，可供业界参考。

本文作者：曾庆军、李爽

第一作者简介：

曾庆军，男，现任中国广播电视网络有限公司副总经理，工业和信息化部通信科学技术委员会副主任，中国通信学会无线电应用和管理委员会副主任。曾就职于原广播电影电视部广播科学研究院，负责广播技术研究及产品开发。曾任国家广播电影电视总局信息网络中心网络技术研究所所长、信息网络中心副总工，从事多媒体通信服务项目研发、网络实验及管理。曾任国家广电总局科技司副司长，从事全国广播电影电视的科技管理。2012年1月，当选为ITU-R第六研究组副主席。2015年10月，连任ITU-R第六研究组副主席。

0 引言

现有的数字地面广播系统只具备单向下行链路覆盖静态的传输区域，且需要专有终端接收服务，难以满足业务全场景、全终端发展的需求。同时，除视频应用外，公共安全、车联网（V2X）应用、物联网（IoT）软件升级等服务在大并发量的实时数据传输场景下均需要组播广播功能提供高效稳定的传输，5G NR组播广播服务因此成为5G NR系统的重要功能特性。

5G组播广播的演进是国际通讯标准组织3GPP的重要关注点之一，3GPP R17版本已经批准通过了多个研究项目（SI） 和工作项目（WI）以明确NR MBS功能，并对公共安全、关键任务应急通信、V2X应用、IPv4/IPv6多播透传、IPTV、基于无线的软件升级、集群通信及物联网等服务提供有效支持。中国广电在标准制定过程中发挥了重要作用，作为牵头单位完成立项了5G核心网的组播广播增强架构项目（SP- 201106），同时牵头推动3GPP明确了5G组播广播对于单向广播服务的支持，并完成相关应用场景设计（RP-201765、SP- 200814）。

1多媒体传输发展趋势

趋势一：互联网实时流媒体和交互式点播视频将超过传统有线电视收视。

根据相关市场报告显示，全球流媒体视频在2020年超过了有线电视的收视。中国国家广播电视总局也通报了类似的趋势，2019年IPTV用户数和OTT电视用户数均超过了传统电视用户。

趋势二：人们在移动设备上访问媒体内容的时间高于电视，随时随地观看视频成为主流。

2019年美国居民每天使用移动设备的时间首次超过了看电视的时间，移动设备每天花费226分钟，电视每天花费216分钟。

趋势三：媒体内容和广告的传输正朝着智能化和精确化的方向发展。

随着TikTok等视频分享社交网络服务的快速发展，媒体内容和广告的智能化、精确化传输正在兴起并迅速发展。

3GPP在确定5G组播广播服务的需求时，已经注意到各种视频服务的激增及其在蜂窝网络用户中的流行，同时也注意到，除了高效的广播传输之外，组播由于其高QoS要求非常有益于IoT、V2X等领域的应用。因此，3GPP TS 22.261中针对5G MBS服务要求在许多方面具有灵活性，支持特定组播/广播传输区域的灵活性。3GPP工作组（WG）考虑到这些需求，将组播/广播功能无缝集成到现有5G协议和网络架构中，从而可以支持上行链路传输，使得交互式点播视频成为可能。

2架构和平台的标准进展

2.1 系统架构（3GPP SA2/SA4）

3GPP系统架构（SA）标准组负责设计系统的总体架构和服务能力。

SA第2工作组（SA2）于2019年10月开始了5G MBS的研究项目（FS_5MBS）。研究的重点是5G系统的架构增强，包括定义5G架构、控制面和用户面协议栈以及MBS端到端程序设计。SA2的研究已于2021年3月完成，后续规范阶段计划于2021年9月完成。

SA第4工作组（SA4）负责与新兴业务相关的媒体格式的编解码。SA4正在对5G MBS进行研究，即FS_5GMS_Mulicast，确定和评估潜在的5G流媒体架构增强，以提供组播广播流媒体服务。该项研究于2021年6月完成。

2.2 应用平台（3GPP SA6）

SA6的职责包括设计如支持关键任务（Mission Critical）应急通信及其他应用的应用层功能和接口。SA6中的研究项目FS_MC5MBS目标是基于现有多媒体广播和多播服务（MBMS）系统的5G关键任务应急通信服务，研究关键任务应急通信的潜在增强功能以应用组播传输，并与RAN和SA2协调增强现有服务与接口以满足关键任务应急通信服务需求。SA6的研究已经全部完成。

2.3 安全（3GPP SA3）

3GPP已经批准了关于增强5G组播广播服务安全方面的研究项目，以提供5G MBS系统架构安全和隐私分析，得出潜在的安全和隐私需求，并评估满足这些需求的解决方案。研究项目将解决诸如组播通信服务认证和鉴权的安全性、MBS业务的安全保护、密钥分发的安全保护、5G核心网与应用服务器之间的安全保护等问题。

3 无线接入标准进展

3.1 基本信息

5G新空口接入技术在R15和R16版本中不支持数据传输的组播和广播功能。2019年12月，在3GPP第86次无线接入网全会上，中国广电联合全球行业伙伴作为支持者推动3GPP R17 版本的组播广播服务项目立项成功（RP-201038）。该项目支持组播和广播功能，并涵盖UE在RRC_CONNECTED态和RRC_IDLE/ RRC_INACTIVE态下的MBS接收。

组播和广播服务的主要区别在于，广播服务中广播覆盖区域内的所有UE都可以免鉴权接收MBS数据，而组播服务仅向组播覆盖区域内预先授权接收的一组UE传输数据。

3.2 物理层设计

对于处于RRC_CONNECTED态UE的组播业务接收，用于组播PDCCH/PDSCH的公共频率资源被限制在专用单播BWP的频率资源内，以支持在同一时隙中同时接收单播和组播。公共频率资源被定义为具有多个相邻PRB的“MBS频域”，其在专用单播BWP内被配置用于相同MBS组中处于RRC_CONNECTED态的UE，由G-RNTI加扰的带CRC的组公共PDCCH用于调度同一组公共G-RNTI加扰的组公共PDSCH。该方案称为基于组公共PDCCH的组调度方案。

3.3 无线协议设计

用于MBS的无线协议栈与用于单播传输的协议栈相同，但是特定子层的功能受到限制，主要是因为MBS数据的传输是单向的，因为它仅在下行链路中传输，即从gNB到UE。表1总结了MBS的NR子层支持的功能。

无线系统中组播或广播传输主要目的是更有效地使用异常稀缺的无线资源，通过使多个UE接收和解码相同传输来实现这一目的，而不是必须将相同的内容分别传输到每个UE。另一方面，当数据被分别传输到每个UE时，gNB有可能配置专用链路并调整诸如特定UE的调制与编码策略（MCS）、空间滤波器、频率资源等传输特性。由于这种灵活性，在单播传输中gNB能够以确保其所需可靠性的方式调整每个传输。在确保组播传输相同的情况下，gNB必须一直考虑组播内位于最差无线条件下的UE，例如位于小区边缘的UE。这意味着gNB将对每个组播传输应用非常保守的MCS机制，影响资源效率增益。这就是为什么在NR MBS系统中，gNB可以在两种不同传输方式之间动态切换，即点对点（PTP）和点对多点（PTM）。PTP传输类似于单播传输，数据只能由单个UE解码，而PTM是可由允许接收服务的所有UE解码的资源高效组播传输。这两种技术都是已知的，但是动态切换使得NR MBS系统比UMTS/LTE MBMS技术更可靠、更高效。图1 展示了NR-MBS层2协议架构。

可以看出，gNB可以通过使用G-RNTI调度传输向多个UE传输相同数据。同时，向每个UE分配自己的C-RNTI，该C-RNTI用于在需要时调度PTP传输。例如，当gNB检测到特定UE所处无线条件恶化，或者当gNB服务的UE数目或某个波束下降到PTP传输比PTM传输更有效的水平。在图1所示的架构中，PDCP层决定数据包通过PTP还是PTM传输到特定UE，以及是否仅将数据包转发到PTM RLC实体还是还转发到专用于特定UE的PTP RLC实体。在UE侧，PTP和PTM RLC实体都将接收到的解码RLC业务数据单元（SDU）转发给锚定消息请求代理（MRB）的相同PDCP实体。NR-MBS 会采用此架构在非确认模式下进行数据传输，而是否以及如何实现确认模式下的传输仍在争论中。不管怎样，在这种情况下一定会采用相同的规范。需要注意的是，PTP传输仅可能针对处于RRC_CONNECTED态的UE。对于传输到RRC_ IDLE或RRC_INACTIVE态UE的MBS业务，只有PTM传输可用。

3.4 无线架构

5G MBS重用为单播服务定义的现有5G RAN架构。5G定义的gNB-CU和gNB-DU之间的功能分离也有可能用于MBS。3GPP R17没有明确要求来自不同gNB空中下载的MBS业务同步传输（SFN）。但是，在gNB-DU中，跨小区同步传输仍然可以实现。跨gNB的SFN仍可能在3GPP规范的未来版本中引入。一般认为SFN的协调功能仅驻留在gNB-CU中，即在用于MBS的5G RAN中不会定义新的RAN实体，例如组播协调实体（MCE）。

3.5 移动性和业务连续性

NR MBS目的是提供比前代系统更可靠的传输服务，最小化或避免用户移动性造成的数据损失。为了实现这一点，在UE切换（HO）期间，源gNB可以将数据转发到目标gNB，类似于传统的无损HO。UE完成切换后，目标gNB利用PTP传输PDCP协议数据单元（PDU），即在与新小区同步过程中，UE在切换时丢失的PDU。一旦UE接收到新的数据包，gNB可以再次切换到PTM RLC实体传输。

4 5G NR组播广播原型系统外场测试

中国广电组织华为、中兴、大唐、爱立信、诺基亚、海思、联发科、vivo等相关产业链伙伴依据该标准的设计原则，利用商用5G NR网络以及通用5G智能终端开发了全球首套5G NR MBS端到端原型试验系统，并利用此系统进行了5G NR组播广播蜂窝基站部署和电视塔部署的外场测试。此次外场测试主要针对非连接态终端的单向广播服务，后续还将开展针对连接态终端组播服务的相关测试工作。

3GPP R17 5G MBS已经在商用基站平台和商用终端上完成测试。测试固定MCS=4。参照3GPP TS 38.214的表5.1.3.1-1，MCS=4对应调制方式为QPSK，编码率0.301，频谱效率为0.6016，不考虑DMRS、控制信令等的开销。同时系统可以支持其他MCS等级和频谱效率，具体配置取决于网络规划和业务需求，可做进一步研究。

4.1 蜂窝部署测试结果

在蜂窝部署测试中，中国广电在国家广播电视总局监管大楼顶部安装了基站。该建筑物高60m，部署了三个扇区，一个指向北，另两个分别指向东南和西南。

如图2所示，对北线、东线和环线三条线路进行了测试。所有测试路线都是密集城区。测试东线和北线的目的是测试覆盖性能，测试环线的目的是测试终端在不同基站扇区间移动的业务连续性。测试结果表明，实验系统在2km的覆盖范围内视频传输流畅，在3.7km的覆盖范围视频传输轻微卡顿。测试结果数据请参见期刊原文。

4.2 电视塔部署的测试结果

如图3所示，基站部署在北京中央广播电视塔，距离地面207m。使用定向天线，一根天线指向东，另一根天线指向南。在测试车辆上放置了四台终端，沿不同路线行驶。东线主要测试典型的城市场景中的覆盖。南线主要测试相对高速情况下的性能（80km/h）。

测试结果表明，密集城区场景，距离基站10.8km范围内视频是流畅的，之后视频开始出现卡顿，直到14.3km后完全停止。另在距离电视塔16km处的无遮挡测试点，可接收流畅视频服务。高速移动的测试结果见表6，车辆行驶里程达70km。结果表明，距离基站11.6km范围内视频传输流畅，5G NR组播广播具有良好的移动性。

测试结果数据请参见期刊原文。

通过试验验证，NR组播广播可以在蜂窝部署、电视塔部署场景下，实现对于通用5G终端的广播组播服务覆盖，无需定制专有终端。蜂窝部署下可实现城区楼宇等复杂场景的优质覆盖；常规商用基站可部署在广播大塔，实现较大范围的单向广播服务覆盖，适合农村或偏远地区的低成本高质量5G广播服务。在密集城区，适合以蜂窝部署为主，实现各类复杂场景的组播广播服务良好覆盖，同时电视塔可作为辅助或备份（如灾害发生时），实现面向通用5G终端的单向广播服务。

5 未来工作展望

1. 持续推动R17 MBS国际标准的制定与完善，明确R18 MBS服务演进方向。

2. 持续推动全球产业链实现对MBS服务的端到端完善支持。

3. 打造MBS生态，推广MBS应用到更多服务场景，包括创新多媒体组播广播、体育/音乐会场馆VR/多机位直播、公共安全服务、V2X车联网服务等。

END

参考文献

[1] Behind the screens, Accelerating TV Viewership Trends[R].http://samsungads.events/behindthescreenseu.

[2] Report on 2019 statistics for national broadcasting TV industry,National Radio and Television Administration,July2020[R]. http://www.nrta.gov.cn/art/2020/7/8/art_113_52026.html.

[3] US Adults Spend More Time on Mobile than They DoWatchingTV,eMarketer[R]. https://www.emarketer.com/content/average-us-time-spent- with-mobile-in-2019-has-increased.

[4] Internet Trends Report 2019 by Mary Meeker[R]. https://www.bondcap.com/report/itr19/.

[5] TikTok Statistics – Revenue, Users & Engagement Stats,InfluencermarketingHub,2021[R]. https://influencermarketinghub.com/tiktok-stats/.

[6] The State of Mobile 2021, App Annie, 2021[R]. https://www.appannie.com/en/go/state-of-mobile-2021/.

[7] TS22.261,Servicerequirementsfor the 5G system[S]. https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/22_series/22.261/.

[8] TR 23.757, Study on architectural enhancements for 5G multicast-broadcastservices[R]. https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_ series/23.757/

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