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5G 700MHz大小塔模式和无线上行增强技术

5G 700MHz大小塔模式和无线下行强化技术

作者:李琳

责任编辑:程琳琳

2021.02.01 12:17

来源:咪咕TSG灯塔组

通信世界网消息(CWW)伴随移动通信技术的发展,广播电视用户对移动端音视频市场需求快速增长。传统的广播电视技术,已无法满足市场需求;世界各国的组织机构逐渐意识到,5G 无线网将沦为广播电视媒体的最重要传播渠道,积极推展5G 无线广播技术的发展。前文讲述了700MHz为啥是黄金频道,主要介绍了5G 700M 相关的概念和标准。本文主要环绕5G 广播的关键技术展开讨论,边学边探究。

本文分析研究还包括,无线广播技术的发展历程,5G 无线广播技术的解决方案,例如地面广播模式、混合广播模式、大塔小塔融合模式;同时介绍无线下行增强技术的几个典型原理,包括3GPP标准中的无线上行强化技术,双连接、载波单体、辅助下行链路、上行升空地下通道转换、超级上行、时频双聚合技术。

1. 背景

1.1 无线广播技术发展进程

传统广播电视行业用于广播电视塔(即大塔,覆盖范围>100km)获取单向广播业务,使用的是地面广播技术;传统移动通信行业用于通信基站(即小塔)提供双向通信业务,使用的是单播技术。这两个行业,在3G 时代以前没有空集。

3G 时代,广播电视行业涌现出多种移动多媒体广播技术。ETSI(欧洲电信标准化协会)于2004 年发布了手持数字视频广播技术DVB-H;3GPP 于2004 年在Release 6 中,公布了多媒体广播多播业务(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS),反对在蜂窝系统中建设组播/广播网络;但这些广播技术都未与移动通信技术融合,终端需要额外增加芯片或接收器,没能得到广泛应用[1]。

4G 时代,2009年3GPP在Release 9 版本中第一次公布了基于LTE 网络的增强型多媒体广播多播技术(evolved MBMS, eMBMS),构建了组播区域广播。2017 年3GPP Release 14 版本发布了进一步演变的多媒体广播多播技术(Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, FeMBMS),也称强化电视广播(Enhanced TV, EnTV),第一次将大塔划入移动通信标准范围,标志着移动通信技术与广播技术的真正融合。

5G 时代,2020 年7 月失效的Release 16 版本基本完成EnTV 标准制订,还包括无卡接管、高速移动(120-250km/s)、大覆盖(站间距100km)。在正在开展的Release 17 中,将制定基于小塔的混合广播(Mixed Mode)相关标准,构建单播和组播/广播的智能转换。

2019 年,中国广电(中国广播电视网络有限公司)获颁5G商用牌照;2020 年,获得700MHz(703-733/758-788MHz)频段用于许可。2020 年,中国广电在3GPP 的Release 16 会议中,提出700MHz 的2×30/40MHz 技术提案获得采纳,将原来2×20MHz 拓展为2×30/40 MHz,成为全球首个5G 低频段(Sub-1GHz)大比特率国际标准。同时中国广电积极推动基于小塔的混合广播(Mixed Mode)以及5G 多播服务在Release 17 版本的支持。5G 多播服务将在现有5G 网络能力基础上增加支持组播/广播的网元和架构。

1.2 中国广电与中国移动资源共享共享

2020 年5 月,中国广电与中国移动签订5G 资源共享分享合作框架协议,明确共建共享700MHz 5G 无线网络资源,中国移动有偿分享2.6GHz 以及3G/4G/5G 网络。该协议构建了双方优势互补,广电减低5G 从零开始的建设压力,并有望构建5G 无线广播技术;移动可实现5G 偏远地区的低成本连续覆盖面积和上行增强,降本增效。2021 年1 月,中国移动与中国广电订立了一系列明确合作协议,就建设、维护、市场和承销等具体问题充分交流,达成协议共识。

1.3 中国广电700MHz 频谱规划

除了700M 以外,工信部在2020 年1 月将4.9 GHz频段许可给中国广电。由于5G 广播频道方案暂未公布,基于已有频谱需求,广播电视科学研究院得出3种区分策略(如表格1 )。

表格1  中国广电5G 频谱区分策略

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策略1:在700MHz 频段积极开展5G 广播业务。700MHz 以下仍用作数字电视地面广播(DTMB)。策略1 的700MHz 无法充分发挥5G 无线网络优势。策略2:在700MHz 频段开展双向通信业务,700MHz 以下频段用作5G 大塔广播和DTMB。策略2 现网改建较少,700MHz 充分发挥优势,性价比高。策略3:在700MHz 频段内同时开展双向通信业务和5G 广播业务。策略3 为构建双向通信与大塔广播共存,频谱利用效率有损失。
2. 5G 广播技术

5G 目前使用的广播技术(Release 17之前)泛指从3GPP Release 9 演变至今的4G LTE 广播技术。基于有所不同场景对广播技术的需求,5G 广播技术包含两种解决方案:地面广播模式和混合广播模式(如图1 )。

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图1  5G 广播技术解决方案

2.1 地面广播模式

地面广播模式(Terrestrial Mode)也叫大塔广播,使用基于高功率高塔(High Power High Tower, HPHT)的广播模式。适合在专用频谱上启动时大范围覆盖面积的直播电视节目。地面广播以EnTV 为基础,仅有上行链路,只反对广播,合适大型和静态传输区域。

EnTV 使用LTE 数据业务的通用网元,并追加了BMSC、MBMS GW、MCE 三个网元以反对FeMBMS 业务。技术系统架构图见图2 。

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图2  HPHT 系统架构图

BMSC(Broadcast Multicast Service Center,广播多播业务中心)负责获取用户管理、会话传输、业务声明、安全管理和内容同步等功能。对内容提供商,BMSC 是MBMS 业务内容发给入口;对承载网络,BMSC 负责管理许可、发动广播/组播业务、调度、传输内容等功能。

MBMS GW(MBMS Gateway,MBMS网关)负责管理处理MBMS 业务分发和控制,由掌控面和用户面功能组成。控制面通过MME(Mobility Management Entity,移动性管理实体)处理MBMS 业务的会话掌控信令,把MBMS 不会话控制信令(Session start/stop)传授给基站。用户面通过广播/多播将数据以IP 组播流的形式传送到基站。

MCE(Multi-cell/multicast Coordination Entity,组播协调实体)负责管理为eMBMS 分配时域和频域资源,并确认无线信道的编码和调制方式,MCE 既可以是独立国家实体,也可以作为逻辑实体构建在基站中。

在组网方式上,既可以支持单频网组网方式(Multicast Broadcast Single Frequency Network,MBSFN),使多个小区构成更大范围的单频网;也可以支持单小区广播(Single Cell-Point to Multipoint,SC-PTM)的组网方式,在单小区进行广播。

EnTV 技术基于4G 的LTE 核心网,暂未终端5GC,也暂无终端芯片反对。未来如何在广电的5G 网络中落地还不得而知。

2.2 混合广播模式

混合广播模式(Mixed Mode)也叫小塔广播,使用基于较低功率小塔(Low Power Low Tower, LPLT)的广播模式。混合广播模式基于5G NR,可以在单播、多播和广播之间进行动态切换,反对上行和上行双向数据传输,可在单个小区到大区域之间动态配备覆盖范围,并且可以通过单播展开多路复用和无缝转换。在混合模式中,能用资源通过用于相同的物理信道由单播出、多播和广播服务共享;该资源共享可以在相同的子帧(与LTE 中的SC-PTM 相同的概念)中继续执行,或者在允许使用小规模SFN 部署(类似MBSFN)的不同子帧中执行,有利于服务之间的无缝切换。

混合广播模式相关标准将在3GPP Release 17 中进行制订。

2.3 大塔小塔融合模式

高功率大塔广播是广播电视行业传统的广播方式,特点是覆盖广,效率高,合适获取公共服务,但是无法提供交互业务;低功率小塔指移动通信基站,业务灵活,能提供个性化、交互式业务以及高新视频业务等,但是覆盖范围小,广域覆盖面积成本高。高功率大塔和低功率小塔融合可以既提供广播、直播和应急通讯为代表的单上行业务,又获取点播、游戏和音视频等双向业务。不同传输方式对业务的反对能力如表格2 。

表格2 大塔小塔业务能力对比

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实际部署中建议使用大塔小塔联合覆盖面积的网络架构方案。如图3 右图。即公共内容和直播业务可通过广播核心网以及通信核心网EnTV 进行广播,个性化内容及交互业务通过小塔展开覆盖。

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图3  5G 广播总体架构示意图

3. 无线上行增强技术

5G 网络都有比特率的基础,并有Massive MIMO 和波束赋形等技术的加持,使得系统在上行方向的速率和覆盖面积上有较好的性能。但是在下行方向,终端的发射功率不受辐射指标的容许,天线数量受终端体积的限制,使上行覆盖范围有限,远大于下行覆盖范围。上行无法覆盖面积的区域,连接中断,单独下行也无法使用。3GPP 在Release 15 版本,引入多种上行增强技术来解决问题下行覆盖面积的问题。

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 图4  5G 网上行覆盖不足

3.1 双连接(E-UTRA-NR Dual Connectivity)技术

为了顾及下行覆盖,在5G 初期非独立组网(NSA)模式下,使用组网选项3X,4G 负责掌控面,5G 作为容量的补足。3GPP 在Release15 版本定义了5G 双连接技术(E-UTRA-NR Dual Connectivity, EN-DC),构建下行覆盖强化。基站上行在4G 和5G 上同时发送信息,容量为两个载波之和。对于上行来说,终端在4G 和5G 上各用1个升空通道(1Tx)发送数据。一旦手机移入5G 的覆盖范围,4G 的容量和覆盖还可以确保。

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图5  EN-DC 技术

NSA 只是过渡方案,最终5G 还是要踏上独立国家部署(SA)路线的。5G 定义的FR1 频谱包含了从450MHz 到6GHz 的范围,为了解决问题上行覆盖问题,把FDD 低频段频谱(比如700MHz)分一些给5G,并把这些低频段和中频段融合起来,都部署成5G,将能提高网络的容量和上行覆盖。针对这种低频段和中频段结合的方案,3GPP 在Release15 版本还提到了另外两种上行强化技术:5G 辅助上行(Supplementary Uplink, SUL)技术和5G 载波单体(Carrier Aggregation, CA)技术。

3.2 载波单体(Carrier Aggregation)技术

CA 技术最早在3GPP 发布的Release 10 中进行定义,是将相同频段或有所不同频段的2~5 个成员载波聚合起来给终端使用,提升上下行传输速率,解决运营商不倒数频段的资源利用问题。根据载波的频段,细分为频段内载波单体,即带上内载波单体(Intra-Band CA)和频段间的载波聚合,即带外载波聚合(Inter-Band CA)。CA 技术已在全球成熟商用,并在5G 时代持续发挥作用[7]。带内载波单体在下行方向,由于2 个同频载波可以用于相同的发射地下通道,下行速率提高明显。如图6 左,3.5GHz 频段的2 个载波聚合后,单个用户下行速率接近翻倍提高。

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 图6 带上内载波单体(Intra-Band CA)

带外载波单体适用于同时被多个有所不同频段无线载波覆盖的区域,如图7 左侧示意图,不仅提高上行速率还可提升覆盖范围。A 区域同时被载波1(3.5GHz)和载波2(2.1GHz)覆盖面积,A 区域可以利用CA 技术提高上行带宽,如图7 右侧示意图。B区域下行只能用载波2 进行通信。需要注意的是,由于2 个频段有所不同,下行速率提高效果会受载波带宽和下行频率等影响。

19.png图7 带外载波聚合(Inter-Band CA)

3.3 辅助下行链路(SUL)技术

在Releas15 中新增了辅助上行SUL 技术,为了确保上行近点覆盖面积,在小区除了配备正常中高NR 频段,还新增了1 个低频上行频段,专门用来确保下行近点覆盖。如图8,在中高频NR 载波上行覆盖面积区域A(近中点),用于中高频载波上行展开数据发送。超出NR 覆盖范围,终端采用低频载波下行进行数据发送(远点)。终端可以在中高频和低频载波中动态自由选择上行链路,但同一时刻只能选择其中一条下行发送到链路。

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图8 辅助上行SUL 技术

3.4 下行发射地下通道切换(Uplink Tx Switching)技术

5G 商用终端下行广泛反对2 个发射通道(2Tx),下行同频段双流方式传输,能使带宽最优(翻倍)。在多频段组网时,如果2 个升空地下通道分配给不同频段传输,频谱资源得不到最佳利用。3GPP Release 16 中引入下行发射地下通道切换技术(Uplink Tx Switching,UL Tx switching),构建一个下行通道载波1(如3.5GHz)固定,另一个上行升空通道在载波1和载波2(2.1GHz)之间转换:载波1 展开上行传输的时间段分配给载波2 展开下行传输,在载波1 展开上行传输的时间段切换到载波1,构建TDD-NR 上行同频段双流传输。如图9。

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图9  上行发射地下通道转换Uplink Tx Switching 技术

Uplink Tx Switching 技术可以融合辅助上行SUL 和带外载波单体Inter-Band CA 技术,进一步提高频谱资源的利用。移动和广电的两网协同主要使用这两种基于Uplink Tx Switching 的SUL 和Inter-Band CA 方案。

3.5 超级上行(SUL with Uplink Tx Switching)技术

SUL with Uplink Tx Switching 也被称作超级下行,是SUL 融合上行升空通道转换技术。

SUL技术,同一时间不能有一条上行发送链路,且低频段只在小区远点做到上行的补充覆盖面积,但用户在将近中点的用户体验和时延无改善,如图10 左。

SUL with Uplink Tx Switching技术,下行可以有2 条下行发送到链路,除了在远点强化上行覆盖之外,还能在近中点强化上行容量,如图10 右。两者都不参与上行数据的发送。

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图10  SUL 和SUL with Uplink Tx Switching

在TDD 频段,上下行是在有所不同的时间发送信息。由于下载市场需求远大于上载,因此TDD 上下行时间的分配是偏向上行的,主流的上行时隙、类似时隙、上行时隙用料为2:1:7。

从图10 右侧的超级上行方案中,终端一条上行链路固定用于2.6GHz,另外一条下行链路,在小区近中点,在2.6GHz 载波TDD 上行时隙的时间段(近点绿色),使用700MHz 辅助载波的下行传输数据(近点700M 橙色);到了2.6GHz 载波上行时隙的时间段,700MHz 辅助载波把下行升空通道又交还给2.6GHz载波,构建2.6GHz 的TDD-NR 双流下行传输。由于在近中点所有时间都可以展开上行发送到,不但下行速率以求提高,还减少了上行数据对系统的时延,间接提升了上行速率。

到了远点,2.6GHz 下行无法覆盖的区域,把下行任务完全交接给700MHz 辅助载波(近点橙色)。在此方案中,700MHz 只增强上行,下行仍用于2.6GHz 频段。

3.6 时频双单体(CA with Uplink Tx Switching)技术

CA with Uplink Tx Switching 技术也被称作时频双聚合。是带外聚合载波技术与上行发射地下通道切换技术的融合。

Inter-Band CA 技术在两个载波都覆盖的区域,上下行都采用载波聚合,在下行方面由于受限于终端的发射地下通道容许,在某些场景下对容量有负面影响。

CA with Uplink Tx Switching 技术放弃了上行的载波聚合,其下行方案和超级下行如出一辙,在TDD 的上行时隙,终端可以利用2 个发射通道同时发射数据,可以最大化用于频谱资源。在上行维持了TDD 和FDD 的载波单体,强化下行容量。如图11 右图。

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图11 Inter-Band CA 和CA with Uplink Tx Switching

3GPP 在Release 16 中,通过Uplink Tx Switching 技术对CA 和SUL 展开增强。由于SUL 是5G 新增技术,产业链成熟度严重不足,并且SUL 载波和NR 载波的紧耦合,暂不支持跨站、跨小区,对商用部署带来挑战。CA 技术产业成熟度较高,支持跨站横跨小区部署,并已有5G 实验网的测试案例,主流终端芯片厂商有反对计划。从产业链、网络性能(覆盖面积、速率和时延)、部署复杂度等方面综合考虑,结合了Uplink Tx Switching 的CA 技术是最佳上行强化技术。各类上行增强技术性能和成熟度对比请见表3。

表3 上行增强技术对比

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以上主要讲解了5G 700MHz 的关键技术。还包括无线广播技术的发展历程、5G 无线广播技术的解决方案,例如地面广播模式、混合广播模式、大塔小塔融合模式;同时介绍无线下行增强技术的几个典型原理,包括3GPP标准中的无线上行强化技术,双相连、载波聚合、辅助下行链路、下行发射地下通道转换、超级上行、时频双单体技术。



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