视频云技术系列 - 5G 700MHz关键技术，大塔小塔模式和无线上行增强技术原理

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我是靠谱客的博主鲜艳盼望，最近开发中收集的这篇文章主要介绍视频云技术系列 - 5G 700MHz关键技术，大塔小塔模式和无线上行增强技术原理，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

作者，中国移动李琳，咪咕灯塔项目组

伴随移动通信技术的发展，广播电视用户对移动端音视频需求快速增长。传统的广播电视技术，已无法满足市场需求；世界各国组织机构逐渐意识到，5G 无线网将成为广播电视媒体的重要传播渠道，积极推动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。本文主要围绕5G 广播的关键技术展开讨论，边学边探究。

本文分析研究包括，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；同时介绍无线上行增强技术的几个典型原理，包括3GPP标准中的无线上行增强技术，双连接、载波聚合、辅助上行链路、上行发射通道切换、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

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

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，发布了多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS），支持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，未能得到广泛应用[1]。

4G 时代，2009年3GPP在Release 9 版本中第一次发布了基于LTE 网络的增强型多媒体广播多播技术（evolved MBMS, eMBMS），实现了组播区域广播。2017 年3GPP Release 14 版本发布了进一步演进的多媒体广播多播技术（Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, FeMBMS），也称增强电视广播（Enhanced TV, EnTV），第一次将大塔纳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 月冻结的Release 16 版本基本完成EnTV 标准制定，包括无卡接收、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，实现单播和组播/广播的智能切换。

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）频段使用许可。2020 年，中国广电在3GPP 的Release 16 会议中，提出700MHz 的2×30/40MHz 技术提案获采纳，将原来2×20MHz 扩展为2×30/40 MHz，成为全球首个5G 低频段（Sub-1GHz）大带宽国际标准。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共建共享

2020 年5 月，中国广电与中国移动签订5G 共建共享合作框架协议，明确共建共享700MHz 5G 无线网络资源，中国移动有偿共享2.6GHz 以及3G/4G/5G 网络。该协议实现了双方优势互补，广电减轻5G 从零开始的建设压力，并有望实现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具体合作协议，就建设、维护、市场和结算等具体问题充分沟通，达成共识。

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频段授权给中国广电。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给出3种划分策略（如表1 ）。
表1 中国广电5G 频谱划分策略

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策略1：在700MHz 频段开展5G 广播业务。700MHz 以下仍用于数字电视地面广播（DTMB）。策略1 的700MHz 不能充分发挥5G 无线网络优势。
策略2：在700MHz 频段开展双向通信业务，700MHz 以下频段用于5G 大塔广播和DTMB。策略2 现网改造少，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 为实现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 演进至今的4G LTE 广播技术。基于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，采用基于高功率高塔（High Power High Tower, HPHT）的广播模式。适合在专用频谱上推送大范围覆盖的直播电视节目。地面广播以EnTV 为基础，仅有下行链路，只支持广播，适合大型和静态传输区域。

EnTV 使用LTE 数据业务的通用网元，并新增了BMSC、MBMS GW、MCE 三个网元以支持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）负责提供用户管理、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 业务内容分发入口；对承载网络，BMSC 负责授权、发起广播/组播业务、调度、传输内容等功能。

MBMS GW（MBMS Gateway，MBMS网关）负责处理MBMS 业务分发和控制，由控制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 业务的会话控制信令，把MBMS 会话控制信令（Session start/stop）传给基站。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）负责为eMBMS 分配时域和频域资源，并确定无线信道的编码和调制方式，MCE 既可以是独立实体，也可以作为逻辑实体实现在基站中。

在组网方式上，既可以支持单频网组网方式（Multicast Broadcast Single Frequency Network,MBSFN），使多个小区组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，暂未接入5GC，也暂无终端芯片支持。未来如何在广电的5G 网络中落地还未知。

2.2 混合广播模式
混合广播模式（Mixed Mode）也叫小塔广播，采用基于低功率小塔（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，支持上行和下行双向数据传输，可在单个小区到大区域之间动态配置覆盖范围，并且可以通过单播进行多路复用和无缝切换。在混合模式中，可用资源通过使用相同的物理信道由单播、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转换。

混合广播模式相关标准将在3GPP Release 17 中进行制定。

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，适合提供公共服务，但是不能提供交互业务；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下行业务，又提供点播、游戏和音视频等双向业务。不同传输方式对业务的支持能力如表2 。

表2 大塔小塔业务能力对比
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实际部署中建议采用大塔小塔联合覆盖的网络架构方案。如图3 所示。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进行覆盖。

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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 网络有大带宽的基础，并有Massive MIMO 和波束赋形等技术的加持，使得系统在下行方向的速率和覆盖上有良好的性能。但是在上行方向，终端的发射功率受辐射指标的限制，天线数量受终端体积的限制，使上行覆盖范围受限，远小于下行覆盖范围。上行无法覆盖的区域，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上行覆盖的问题。

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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
为了兼顾上行覆盖，在5G 初期非独立组网（NSA）模式下，采用组网选项3X，4G 负责控制面，5G 作为容量的补充。3GPP 在Release15 版本定义了5G 双连接技术（E-UTRA-NR Dual Connectivity, EN-DC），实现上行覆盖增强。基站下行在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个发射通道（1Tx）发送数据。一旦手机移出5G 的覆盖范围，4G 的容量和覆盖还可以保证。

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图5 EN-DC 技术

NSA 只是过渡方案，最终5G 还是要走上独立部署（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结合起来，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 版本还引用了另外两种上行增强技术：5G 辅助上行（Supplementary Uplink, SUL）技术和5G 载波聚合（Carrier Aggregation, CA）技术。

3.2 载波聚合（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，解决运营商不连续频段的资源利用问题。根据载波的频段，细分为频段内载波聚合，即带内载波聚合（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]。

带内载波聚合在上行方向，由于2 个同频载波可以使用相同的发射通道，上行速率提升明显。如图6 左，3.5GHz 频段的2 个载波聚合后，单个用户上行速率接近翻倍提升。
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图6 带内载波聚合（Intra-Band CA）

带外载波聚合适用于同时被多个不同频段无线载波覆盖的区域，如图7 左侧示意图，不仅提升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，A 区域可以利用CA 技术提升上行带宽，如图7 右侧示意图。B区域上行只能用载波2 进行通信。需要注意的是，由于2 个频段不同，上行速率提升效果会受载波带宽和上行占空比等影响。

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图7 带外载波聚合（Inter-Band CA）

3.3 辅助上行链路（SUL）技术

在Releas15 中新增了辅助上行SUL 技术，为了保证上行远点覆盖，在小区除了配置正常中高NR 频段，还新增了1 个低频上行频段，专门用来保证上行远点覆盖。如图8，在中高频NR 载波上行覆盖区域A（近中点），使用中高频载波上行进行数据发送。超出NR 覆盖范围，终端采用低频载波上行进行数据发送（远点）。终端可以在中高频和低频载波中动态选择上行链路，但同一时刻只能选择其中一条上行发送链路。

图8 辅助上行SUL 技术

3.4 上行发射通道切换（Uplink Tx Switching）技术

5G 商用终端上行普遍支持2 个发射通道（2Tx），上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 个发射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 中引入上行发射通道切换技术（Uplink Tx Switching，UL Tx switching），实现一个上行通道载波1（如3.5GHz）固定，另一个上行发射通道在载波1和载波2（2.1GHz）之间切换：载波1 进行下行传输的时间段分配给载波2 进行上行传输，在载波1 进行上行传输的时间段切换到载波1，实现TDD-NR 上行同频段双流传输。如图9。

图9 上行发射通道切换Uplink Tx Switching 技术

Uplink Tx Switching 技术可以结合辅助上行SUL 和带外载波聚合Inter-Band CA 技术，进一步提升频谱资源的利用。移动和广电的两网协同主要采用这两种基于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 也被称为超级上行，是SUL 融合上行发射通道切换技术。

SUL技术，同一时间只能有一条上行发送链路，且低频段只在小区远点做上行的补充覆盖，但用户在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，上行可以有2 条上行发送链路，除了在远点增强上行覆盖之外，还能在近中点增强上行容量，如图10 右。两者都不参与下行数据的发送。

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图10 SUL 和SUL with Uplink Tx Switching

在TDD 频段，上下行是在不同的时间发送信息。由于下载需求远大于上传，因此TDD 上下行时间的分配是偏向下行的，主流的上行时隙、特殊时隙、下行时隙配比为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使用2.6GHz，另外一条上行链路，在小区近中点，在2.6GHz 载波TDD 下行时隙的时间段（近点绿色），使用700MHz 辅助载波的上行传输数据（近点700M 橙色）；到了2.6GHz 载波上行时隙的时间段，700MHz 辅助载波把上行发射通道又交还给2.6GHz载波，实现2.6GHz 的TDD-NR 双流上行传输。由于在近中点所有时间都可以进行上行发送，不但上行速率得以提升，还降低了下行数据反馈的时延，间接提升了下行速率。

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

3.6 时频双聚合（CA with Uplink Tx Switching）技术

CA with Uplink Tx Switching 技术也被称为时频双聚合。是带外聚合载波技术与上行发射通道切换技术的结合。

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，在上行方面由于受限于终端的发射通道限制，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，其上行方案和超级上行如出一辙，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，可以最大化使用频谱资源。在下行保持了TDD 和FDD 的载波聚合，增强下行容量。如图11 所示。

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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 进行增强。由于SUL 是5G 新增技术，产业链成熟度不足，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支持计划。从产业链、网络性能（覆盖、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 技术是最佳上行增强技术。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

以上主要介绍了5G 700MHz 的关键技术。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；同时介绍无线上行增强技术的几个典型原理，包括3GPP标准中的无线上行增强技术，双连接、载波聚合、辅助上行链路、上行发射通道切换、超级上行、时频双聚合技术。