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

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

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 ）。

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 。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。