5G广播与地面数字电视广播技术方案比较.pdf

134-139.solutionsJ.Video2023,47(6)eerinDONGL,WANGRM,XIA ZP.Crison of 5G broadcasting and terrestrial digital television broadcasting technology文献引用格式：董雷，王瑞明，夏治平.5G广播与地面数字电视广播技术方案比较J.电视技术，2 0 2 3，47（6）：134-139.ideoEngineeringB广播与传输ROADCASTING&TRANSMISSION播与传输中图分类号：TN931文献标识码：AD0I:10.16280/j.videoe.2023.06.0355G广播与地面数字电视广播技术方案比较董雷1,王瑞明,夏治平3（1.中广电广播电影电视设计研究院有限公司，北京100045;2.新拓尼克（北京）科技研发中心有限公司，北京100102;3.国家广播电视总局广播电视科学研究院，北京100866)摘要：5G广播支持手机移动接收，手机用户在无SIM卡的情况下也可以收看广播电视节目。同时，5G广播可以充分利用现有大塔高功率广播电视发射资源为用户提供移动广播服务，实现移动终端的广域覆盖。介绍传统地面数字电视广播技术的发展历史、5G广播演进过程及其技术特点，比较5G广播技术和第二代地面数字电视标准ATSC3.0和DVB-T2等标准的参数性能，分析5G广播技术的优缺点，探讨下一代地面广播技术的发展方向。关键词：5G广播；Release16；地面数字电视Comparison of 5G Broadcasting and Terrestrial Digital Television Broadcasting Technology SolutionsDONG Lei,WANG Ruiming,XIA Zhiping3(1.Design institute of Radio,Film,Television,Bejing 100045,China;2.Syntronic(Beijing)Technology R&D Centre Co.,Ltd.,Beijing 100102,China;3.Academy of Broadcasting Science,National Radio and Television Administration,Beijing 100866,China)Abstract:5G broadcasting supports mobile reception on mobile phones,allowing mobile users to watch radio and television programseven without a SIM card.At the same time,5G broadcasting can fully utilize the existing high-power broadcasting and televisiontransmission resources of large towers to provide mobile broadcasting services for users,achieving wide area coverage of mobileterminals.This article introduces the development history of traditional terrestrial digital television broadcasting technology,the evolutionprocess and technical characteristics of 5G broadcasting,compares the parameter performance of 5G broadcasting technology with the secondgeneration terrestrial digital television standards such as ATSC 3.0 and DVB-T2,analyzes the advantages and disadvantages of 5G broadcastingtechnology,and explores the development direction of the next generation terestrial broadcasting technology.Keywords:5G broadcast;release 16;digital terrestrial television0引言国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion，I T U）推荐的第一代地面数字电视标准主要有DVB-T，ISD B-T，A T SC 以及DTMB，第二代地面数字电视标准主要有ATSC3.0，D V B-T 2 和DTMB-A。同时，CMMB，ISD B-T 1s e g 和DVB-T2lite等标准也都支持移动接收。传统广播电视行业也在努力将自己的业务范围向移动接收终端扩展。2002年，第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3G PP）启动了多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，M BM S）,即Release6版本的研发工作。MBMS支持多媒体广播和组播两种业务模式。MBMS在后来的作者简介：董雷（19 8 3一），男，本科，工程师，研究方向为广播电视传输覆盖、地面数字电视134电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）135ideoEngineeringBROADCASTING&TRAN播IS传输广播与传输Release7、R e le a s e 8 版本的3G系统中已经得到了实现，但是仍然无法满足用户和运营商对手机电视业务的强烈需求。2009年，3GPP在Release9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（e v o l v e d M BM S，e M BM S），正式确定将eMBMS作为4G广播技术。2017年，3GPPRelease14版本发布了进一步演进的多媒体广播多播技术（ForwardEnhancedMultimedia Broadcast Multicast Services,FeMBMS),也叫作增强电视广播（EnhancedTV），第一次将大塔纳人移动通信标准范围，标志着移动通信技术与广播技术的真正融合。2020年3月冻结的Release16版本基本完成广播大塔广播标准制定，支持无卡接收、高速移动（12 0 2 50 kms-）、大覆盖（站间距10 0 km）等。2022年，Release17版本2 引人了无线接人网（RadioAccessNetwork，R A N）增强功能，采用30，35，40 物理资源块（Physical Resource Blocks，PRBs）的物理多播信道（Physical Multicast Channel,PMCH）带宽（对应6 MHz、7 M H z、8 M H z）和适用于15或2 5PRBs的小区采集子帧（Cell AcquisitionSubframe，C A S）带宽（对应3MHz、5M H z）,以支持在广播UHF频谱中部署基于LTE的5G地面广播。本文比较了基于3GPPRelease16和Release17版本5G广播、第二代地面数字电视标准ATSC3.0和DVB-T2等标准的各项参数性能。15G广播技术的特点5G广播的顿结构如图1所示。多媒体广播单频网(Multimedia Broadcast Single Frequency Network,MBSFN）区域子顿可以采用多种子载波间距。对于采用f=7.5kHz，f=2.5k H z 和f=1.25kHz的子顿，MBSFN区域被定义为一个1ms的时隙。对于采用f0.37 k H z 的子帧，MBSFN区域被定义为一个3ms的时隙。图1（a）展示的顿结构类型用于370HzSCS以外参数的子载波，1.2 5kHzSCS的每个时隙长度为1ms；图1（b）展示的顿结构类型用于370HzSCS的子载波；CAS是非MBSFN子帧，使用15kHzSCS参数。5G广播中参数集选项如表1所示。25G广播与地面数字电视标准的性能参数比较5G广播与地面数字电视标准的关键参数比较One radio frame,Tr=307200T,=10msOne slot,Tstot=15360T,=0.5ms#0#1#2#3#18#19Onesubframe(a）顿结构类型1Fourradioframes40msOne3ms slot,one symbol per slotCAS#1#2#3#13Onemssubframe(b)顿结构类型2图15G广播的顿结构表1基于Release16的5G广播OFDM参数集选项每个子顿的每子顿的持续时间有用OFDM站点间距开销标准版本AfkHz正交频分复用符号OFDM符号数/us符号持续时间/us/km1%MBSFNRel9-Rel1315.00121216.766.75207.5024633.3133.31020MBSFNRel141.251441200.080060202.50722100.04003020MBSFNRel16、R e l170.374861/3300.027009010电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）136ideoEngineeringB广播与传输ROADCASTING&TRANSMISSION播与传输主要在频谱带宽、带宽效率、编码、时间内交织和层分复用、峰值数据速率、峰值频谱效率、比特交织编码调制（Bit-Interleaved CodedModulation，BI C M）频谱效率、站间距离（Inter-SiteDistance，ISD）等方面。2.1频谱带宽和带宽效率的比较带宽定义为最大聚合系统带宽。表2 列出了5G广播和第二代地面数字电视标准的频谱带宽比较。5G广播带宽效率如表3所示。第二代地面数字电视系统的带宽效率如表4所示。表2 55G广播和地面数字电视标准的频谱带宽比较标准1.7MHz5MHz6MHz7MHz8MHz10MHz15MHz20MHzDVB-T2VVVATSC3.0VVDTMB-AVVV5G广播VVVV表35G广播的带宽效率频道带宽/MHz传输带宽/MHz带宽效率1%54.59065.49076.39087.290109.0901514.0902018.0902.2编码的比较DVB-T2和ATSC3.0等第二代地面数字电视标准均采用LDPC+BCH编码方式，而FeMBMS采用Turbo编码方式。采用LDPC的地面数字电视系统比FeMBMS具有更好的BICM频谱效率。在高斯白噪声（WhiteGaussianNoise，A W G N）信道下，ATSC3.0的最新LDPC码和非均匀星座（NonUniform Constellations，NU C）组合与FeMBMS 的Turbo码、QAM相比,可提供高出约12 dB的增益。2.3时间交织器的比较时间交织器将由严重衰落信道引起的突发错误扩展为随机错误，以便接收器能够成功解码。地面数字电视标准中的时间交织器在恶劣的衰落环境中显示出显著的性能优势。FeMBMS为了支持单播传输的延迟要求，旨在最大限度地减少延迟，不允许设置时间交织器。因此，在高速恶劣的移动衰落信道环境下，FeMBMS与地面数字电视相比，就需要较高的载噪比（CarrierNoiseRatio，C NR）2.4层分复用的比较ATSC3.0采用更为灵活的层分复用（LayeredDivisionMultiplexing，LD M）技术。与传统的时分和频分复用方案相比，LDM具有显著的性能增益（39 d B）。在LDM系统中，由于下层信号固定接收业务的插人，人为降低了覆盖区内上层信号的信噪比（Signal-to-NoiseRatio，SNR），充分利用了被浪费的发射功率，进而得到了更大的系统传输容量。而FeMBMS不支持层分复用技术，因此，FeMBMS的灵活性和频谱效率均不如ATSC3.0第二代地面数字电视系统。2.5峰值数据速率与峰值频谱效率的比较峰值数据速率为系统支持的有效载荷的最大传输容量。峰值频谱效率可计算为峰值数据速率除以系统的最大带宽（BandWidth，BW）E=(1)SpW式中：Es为峰值频谱效率，Rdp为峰值数据速率，W为系统最大带宽。FeMBMS将同步、采集和系统信息所需的信令被进一步压缩并打包到新的设计中。通过最小化同步，获取系统信息所需的信令并将其移人新定义的表4第二代地面数字电视系统（包括CMMB）的带宽效率标准传输带宽（正常模式）/MHz传输带宽（扩展模式）/MHz带宽效率1%CMMB(8MHz)E)7.51293.900DTMB-A（8 M H z)7.56094.50095.125（正常模式）DVB-T2(8 MHz)(47.6107.77097.125（扩展模式）ATSC3.0(6MHz)5.8328445.50884491.81097.210电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）137ideoEngineering广播与传输ROADCASTING&TRANSMISSIONCAS中，实现了高达8 0%广播资源分配的配置以及几乎10 0%广播分配（9 7.5%）的专用载波配置，每40个子顿发送一次的捕获子帧（CAS）（即2.5%的信令开销）。每个CAS出现在连续的39 MBSFN子顿之后/之前。对于5G广播，峰值数据速率是每个时间传输间隔（Transmission Time Interval，T T I）传输的最大传输块大小（TransportBlockSize，T BS），不包括CAS持续时间。峰值数据速率计算如下：R39XNTBS(2)dpFeMBMS40T式中：NrBs可以从ETSITS136213中的表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.1-1A获得，T是以秒为单位的子帧持续时间。39/40 意味着5G广播数据子帧的数目为39(一个数据帧包含40 个子帧）。FeMBMS的空中接口参数包括MBSFN和SC-PTM（Si n g l e-C e l l Po i n t-t o-M u l t i p o i n t）。选择不同的调制与编码方案（Modulation and Coding Scheme，M C S）指标来提供不同频谱效率下的系统性能。对于MBSFN和SC-PTM配置，每个MCS索引采用不同的调制和传输块大小,这与码率直接相关。根据3GPP规范，MCS0MCS9 对应 QPSK，M C S10 M C S16 对应 16 QAM,MCS17MCS27对应6 4QAM，M C S2 8 一MCS34对应2 56 QAMl5。，当使用MCS34时，用于5MHzFeMBMS的NTBs最大为2 138 4bit，而峰值数据速率达到2 0.8 5Mbs。计算过程如下：3921384RXdpFeMBMS400.012084940 bs-l 20.85 Mbs-1(3）同样可以计算出，当使用MCS9时，用于5MHzFeMBMS的NrBs最大为40 0 8 bit，而峰值数据速率达到 3.9 1 Mbsl。对于ATSC3.0标准，单输人单输出（SingleInputSingleOutput，SISO）的峰值数据速率只考虑6 MHz系统带宽的典型值，计算可得到峰值数据速率为58.6 9 Mbsl。因此，峰值频谱效率为R58.69Edp9.78 b s-1.Hz-1(4)SpATSC3W6图3比较了AWGN信道中FeMBMS，D V B-T 2和ATSC3.0标准的峰值频谱效率。2.6BICM峰值频谱效率比较BICM峰值频谱效率取决于最大调制阶数和有效码率。峰值频谱效率定义为所使用的每个信道的比特数（bpc），它是系统支持的最大频谱效率。EspBICM=m R。(5)式中：m是每个子载波的比特数，R。是编码率（C o d i n g R a t e s，C R）。对于 FeMBMS:NTESR.=N。(6)式中：N,是子顿内可用于数据传输的比特数。每个MCS索引提供不同的有效码率，因为它们与特定的TBS直接相关。数据的可用位计算如下：N,=m NR:(NeymbVB-Nrs)(7)10-FeMBMSQPSKConstellationDVB-T2QPSKConstellation9ATSC3.0QPSKConstellation*-FeMBMS16QAMConstellation*DVB-T216QAMConstellation8ATSC3.016QAM Constellation-FeMBMS64QAMConstellation(I-zH r-s.q)7-DVB-T264QAMConstellationATSC3.064QAMConstellation6FeMBMS256QAMConstellationDVB-T2256QAM ConstellationATSC3.0256QAMConstellation543210-7-238131823载噪比/dB图3AWGN信道中峰值频谱效率比较电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）138ideoEngineeringB广播与传输OROADCASTING&TRANSMISSION播与传输式中：NRB是使用的RBs资源块的数目，Nsymb是专用于PTM服务的每个RB资源块的OFDM符号数，N是每个RB的子载波数，Nrs是每个RB的参考信令数。对于5MHz带宽、1.2 5kHzSCS的FeMBMS,当MCS指数为34时，采用2 56 QAM时，m=8，NRB=25,N,Vsymb=1,NE=144,Nrs=24,IrBs=32和NrBs=21384时的峰值BICM频谱效率计算如式（8）、式(9)所示。牛物理资源块参数如表6 所示。21384ReF?MBMs=0.891(8)24000EspBICMFeMBMs=8 0.891=7.128(9)表6物理资源块参数配置正常循环前缀Af-15kHz127Af-15kHz126Af-7.5kHz243扩展循环前缀Af-2.5kHz721Af-1.25kHz1441Af0.37kHz4861ATSC3.0标准通常提供单一的6 MHz带宽分配0 。本文只分析6 MHz带宽的峰值BICM频谱效率。ATSC3.0标准和MBSFN的峰值BICM频谱效率比较如表7 所示。表7ATSC3.0和MBSFN的BICM峰值频谱效率标准mmaxRomxEATSC3.0120.86310.356MBSFN80.8917.1282.7BICM频谱效率与CNR的比较为了评估不同配置的影响，本节比较了高斯白噪声、莱斯、瑞利等不同信道场景下的BICM频谱效率基于CNR门限变化的曲线。LTE配置都使用5MHz的带宽，MBSFN始终使用f=1.25kHz的子载波间隔。2.7.1高斯白噪声信道图4显示了针对SC-PTM，M BSFN，D V B-T 2和ATSC3.0的BICM频谱效率与AWGN信道中所需CNR的关系。从图4可以看出，与SC-PTM和MBSFN相比，ATSC3.0和DVB-T2都能够提供比较高的频谱效率，尤其是对于高CNR。2.7.2瑞利信道图5显示了具有两个发射和接收天线的独立同分布瑞利信道的BICM频谱效率与所需CNR的比较。ATSC3.0和SC-PTM使用两个发射机和接收机天线，而MBSFN采用12 单输人多输出方案。10-Shannonlimit9MBSFN（A f=1.2 5k H z)8*SC-PTM(f=1.2 5k H z)DVB-T2LDPCblocklength:64800bits7-ATSC 3.065432-100102030载噪比/dB图4AWGN信道的BICM频谱效率与CNR的关系从图5可以看出，MBSFN和SC-PTM的整体性能略逊于ATSC3.0和DVB-T2标准。10Shannon limit9MBSFN（f=1.2 5k H z)-SC-PTM(f=1.2 5k H z)8DVB-T2 LDPC block length:64800 bits7*ATSC 3.06543210-10-5051015202530载噪比/dB图5瑞利信道的BICM频谱效率与CNR的关系2.7.3莱斯信道图6 描述了莱斯信道模型的BICM频谱效率和所需的CNR。在相同的CNR下，ATSC3.0和DVB-T2的BICM性能均优于SC-PTM和MBSFN。2.8ISD（站间距离）比较为了解决大距离SFN覆盖问题和高速移动接收的鲁棒性问题，Rel-16中引人了更长的30 0 s循环前缀（CyclicPrefix，C P），使得单频网内发射机间距更大，更有效地发挥了HPHT的广电传统优电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）139编辑：张玉聪ROADCASTING&TRANSMISSION市ideoEngineering播与传输势，同时，更长的CP也增强了接收机应对多径信号的能力。10Shannonlimit9MBSFN（f=1.2 5k H z）SC-PTM(f=1.2 5k H z)8DVB-T2 LDPC block length:64800 bits7一*ATSC 3.06543210-10-5051015202530载噪比/dB图6莱斯信道的BICM频谱效率与CNR的关系DVB-T2和ATSC3.0都提供了不同的保护间隔参数，可以根据选择不同的FFT模式和保护间隔组合来满足不同的应用场景。特别是ATSC3.0和DVB-T2都支持32 K的FFT模式，这样可以支持较大CP的插人。但是，长CP的插人意味着增加了整个系统的开销，更大系统净荷和更大的站点间距及抗多径性能之间的平衡也需要综合考虑。在32 K模式下，DVB-T2可以支持高达532 s（8 M H z）的CP长度，而ATSC3.0更是能支持7 0 3s（6 M H z）的CP，这些情况下，地面数字电视标准可以提供比5G广播更大的SFN站点间距。3结语本文比较了5G广播和其他地面数字电视技术标准的关键性能参数。5G地面广播技术虽然在某些性能上略逊色于第二代地面数字电视技术，但5G广播代表了一种基于3GPP技术的全球统一标准的广播方式，基于Rel-16和Rel-175G广播的技术成熟度还有待充分的分析与论证，尤其是在实际测试中，如中国北京的7 54MHz项目和德国的5GToday项目。5G广播已在3GPP中达成共识，应进一步支持5G广播，促进HPHT和LPLT以及“天地一体化”融合，实现5G广播“随时随地”的使用和观看。参考文献：1 European Telecommunications Standards Institute.EvolvedUniversal Terrestrial Radio Access（E-U T R A );Ph y s i c a lchannels and modulation:TS 136 211 v16.2.0EB/OLJ.2023-04-21.https:/cdn.standards.iteh.ai/samples/60643/27b9fb16e3e5439997c734488e2d3a33/ETSI-TS-136-211-V16-2-0-2020-09-.pdf.2European Telecommunications Standards Institute.Overalldescription of LTE-based 5G broadcast(Release 17):TR136 976 v17.0.0EB/0L2023-04-21.https:/cdn.standards.iteh.ai/samples/65323/37a3fb622c794773a340d4c6a872cc53/ETSI-TR-136-976-V17-00-2022-04-.pdf.3 国家广播电影电视总局.移动多媒体广播第1部分：广播信道顿结构、信道编码和调制：GY/T220.1一2006EB/0L.2023-04-21.http:/ Sector of ITU.Frequency&networkplanning aspects of DVB-T2:BT.2254-5EB/OL2023-04-21j.https:/www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-BT.2254-5-2021-PDF-E.pdf.5 夏治平，徐博源，孟祥昆，等.FeMBMS与DTMB关键技术指标比较研究J.广播与电视技术，2 0 2 1，48（4：81-87.6 Advanced Television Systems Committee.Guidelines for thePhysical Layer Protocol:A/327:2018EB/0L.2023-04-21j.https:/www.atsc.org/wp-content/uploads/2019/11/A327-2018-Physical-Layer-RP-With-Amend-1.pdf.