5G与广播电视地面传输融合研究

摘要:地面数字电视具有广覆盖、不受带宽限制等优点，但同时也存在没有上行通道、交互性差和实际接收效果不佳等诸多缺陷。5G技术的发展可有效弥补地面数字电视覆盖的短板，解决终端用户接收难题，提升广播电视整体覆盖水平。本文通过对5G和地面数字电视技术的具体分析，探讨了两者融合发展的思路及前景。

关键词：5G;地面数字电视;传输覆盖;5G广播

1前言

近年来，我国在广播电视传输覆盖领域进行了数字化变革，技术体系开始从模拟向智能化、数字化过渡，CDR广播、地面数字电视等广播电视无线覆盖的最前沿科技推广开来。2019年6月6日，工信部向中国广电颁发了5G牌照，未来广播电视传输与互联网、新一代通信技术融合发展是必然趋势，5G是其中一个重要的方向。

2广播电视地面覆盖与移动通信的融合探索

2.1地面广播电视的智能化拓展。传统意义上的地面数字电视和广播技术发展已十分成熟。在地面数字电视标准方面，国外已有DVB-T、ATSC、ISDB-T等一代标准和DVB-T2、ATSC3.0二代标准，我国也研发了DTMB及其下一代演进标准DTMB-A。在数字广播标准方面，国外有DAB，我国则有CDR等标准。一些标准还通过与新技术的融合，让广播商提供定制的、动态的体验，包括动态广告置入、个性化图形以及第二屏应用同步等功能。以ATSC3.0为例，该标准将OTA广播信号与家庭互联网相结合，节目通过广播和电视接收，广告和其他媒体信息则通过互联网提供。然而，这些标准始终得不到移动运营商和移动设备很好的支持，加之地面广播电视存在覆盖缺陷，随着移动视频业务的发展，传统的覆盖网受众面越来越窄，迫切需要一种全新的地面数字广播技术来实现交互式的双向视音频业务。2.2移动通信行业的广播模式拓展。移动通信技术也寻求着与广播电视的融合。自2002年第三代移动通信在Rel-6中引入多媒体广播/组播业务(MBMS)后，广播组播技术随着3GPP技术不断演进，先后引入多播广播单频网（MBSFN）和增强型广播多播技术（eMBMS）。在Rel-14中基于广播行业的用例及需求对eMBMS进行了扩展，并整合进EnTV项目，其增强性体现在对系统架构和界面的简化，以及对LTE物理层的扩展。从运营效果看，EnTV以前在全世界范围内都鲜有商业成功的案例，性价比低是阻碍其成功的主要原因。因为4G以前基站的覆盖范围有限，只有几百米，广播范围内用户规模较小，点播就足够满足用户需求，且更加经济。另外，用于广播的载波资源最多只能达到60%，不能有效满足广播业务的业务需求[1]。但Rel-14中的FeMBMS（增强型多媒体广播多播服务），提供了HPHT（HighPowerHighTower）广播，增加了保护间隔200μs选项，将载波效率提高到接近100%。在欧洲，EnTV已能满足所有的欧盟数字广播要求（管理要求，广覆盖、多样化终端，灵活组网），效率比DVB-T高两倍，可以释放频谱展开新的用途，EnTV以及后续的5G广播技术可能直接成为其下一代地面数字电视标准[2]。2017年7月至2019年10月，在德国巴伐利亚州进行的5GTODAY项目，借助高塔和高功率发射机，在半径高达60km的大覆盖区域实现了广泛且廉价分发内容，在大部分测量区域实现了良好的移动电视接收效果。现场测量结果表明，基于Rel-14的FeMBMS已经可以实现典型广播传输系统的所有特性，为今后5G广播的深入发展提供了依据。表1为Rel-14的MBSFN帧新增的参数模式。2.35G广播的实现形式。Rel-16标准的5G地面广播增强方案研究以Rel-14的EnTV为基础，因为Rel-15及以后版本称之为5G规范，故之后的广播、多播系统称之为5G广播[3]。Rel-16标准于2020年7月正式冻结，其中包括对LTEEnTV进一步强化使其可以达到5G广播的要求。在我国，5G广播则主要是通过广播网络（地面数字电视、广播）、5G网络（移动通信网络、组播＋单播）、固网（组播＋单播）三者的融合型网络，来分发点到多点（PTM）内容的混合型业务，让经典广播方式具有更强的交互性。

3我国广播电视传输与5G融合发展路线展望

3.1地面数字电视与5G广播的融合内容。广播电视在地面传输领域应和5G积极融合，可以采用“地面数字电视广播+5G广播+5G通信”的技术架构，以及“广播电视发射大塔+5G移动通信基站小塔”组网方式，实现传统媒体转型升级，更好地与新兴媒体融合发展。其中，地面数字电视广播针对传统大屏及高清、超高清服务；5G广播针对手机和其他智能小屏，实现体积小、高质量的电视直播业务。依托移动终端，广播电视将在5G时代实现从传统接收到移动接收的升级换代。在内容方面，基于5G广播的混合电视广播，除了电视直播外，还包括电视点播、用户自制内容（UGC）上传、音频广播、音频点播、社交媒体内容、交互式广告、个性化或地区化广告等多种形式的垂直应用。3.2布局广播电视5G网络发展。广电拥有700MHz这一频率优势。在5G建设方面，广电拥有的频率资源优势、技术资源优势、行业资源优势，以及多年积淀的内容资源和文化创意优势，可以减少组网成本、扩大覆盖面，提供更多的服务内容。目前的问题主要是客户少、建设经验不足，另外硬件基础几乎为零，需要大量、持续不断的资金和资源投入，今后广电5G将会与电信运营商以及内容提供商、终端设备商等共同合作，共建生态和商业模式。作为一个独立公共平台，广电5G网络支持不同服务性质的运营商共享，产业各方均将受益，也必将给广播电视公共服务带来很大的提升。3.3广播电视5G广播网络的资源配置。2019年底，《全国地面数字电视广播频率规划方案》公布，各省的广播电视频率面临一轮洗牌，现有的地面数字电视系统需要大规模的改造或置换，传输台站的硬件系统也要进行转型和升级。与频率资源整合同样重要的，是对现有国内网络资源的整合。即便频率、网络资源整合进展顺利，打造广电自己的5G网络仍然有比较漫长的道路要走，绝非一朝一夕之功。但是，对于广电运营商而言，5G一旦建成，不仅会带来巨大的收益回报，更有益于广电业务的深度融合和长远发展，这是一个着眼未来的战略性抉择。当下广电与第三方运营商合作势在必行，其中与中国铁塔和中国移动的合作比较引人注目，可以有效实现资源的灵活配置和优势互补，特别是与中国移动的合作，有益于实现在5G全部通用频段的广泛覆盖及运用。

4适合5G广播体系建设的技术路线

4.1组网方案3GPP的5G标准。首先的是NSA标准，但SA才是5G的目标架构，SA标准3GPP已于2018年6月在R15中。由于广电没有4G网络，无法基于NSA组网，所以广电5GRAN基于SA组网模式。SA组网易于满足eMBB/uRLLC/mMTC业务场景需要，实现E2E切片、实现5GVoNR等功能。广电目前在移动通信网络方面是空白，可以采用极简网络方案，较少考虑兼容前几代通行标准的有关应用，在站点、架构、协议、运维方面更加简化并具有针对性。共建共享是降低建网成本、提升网络效益的有力手段，也是国家对5G建设的指导原则。广电将采用无线接入网共享、核心网独立的架构。目前主要是中低频协同覆盖，可以采用FDD/TDD协同组网，广电4.9G频段产业链成熟度不够，因此需要共享合作运营商的成熟中频用于容量层的补充。4.2我国5G地面广播实现路线设想。第一步是将5G双向链路放在4.9GHz，5G广播放在700MHz，如此一来，可以不影响地面广播电视的频谱资源，但穿透能力弱。待第一步发展成熟，第二步可考虑将5G双向链路放在4.9GHz和700MHz，将5G广播放在600MHz，这样可以保证良好的5G双向网覆盖，但5G广播将侵占现有的DTMB数字地面广播电视的频谱资源，因此需要进一步进行规划频率，甚至5G地面广播可以直接取代地面数字电视和广播。

5传统地面发射台站在融合

路线下的业务转型面对5G广播的未来，不管是与地面电视同步发展，还是最终取代地面电视成为新的地面电视标准，原有的地面发射台站都是最宝贵的资源，只会存在业务转型但不会丧失关键覆盖节点的功能。原有的发射塔在5G广播体系里依旧是大塔广播的最佳载体，所不同的仅仅是地面电视发射机变成了5G广播发射机，未来传统发射台将会成为融合地面广播电视和5G地面广播两种传输业务的综合性台站。那么，传统发射台面对改变可以做些什么呢？在地面700MHz清频和模数转换任务完成后，台站的机房空间和铁塔空间将会得到很大的释放，这给台站的转型升级带来机遇。我们第一步要做的是合理规划这些资源，为5G广播的发展预留足够的空间，为台站业务的转型升级做好准备。第二步，要解决台站覆盖效果问题。目前在我国，不管地面数字电视还是5G地面大塔广播，不论采用DTMB标准还是FeMBMS技术，提高关键节点的覆盖能力都非常重要，特别是5G广播体系里可以通过与通信网的协同有效解决传统覆盖补点难题，而主节点的覆盖效率非常关键，因此通过技术升级提高传统广播电视天线的覆盖性能是重要的研究方向。目前地面广播电视天线基本采用线极化（水平、垂直）方式，往往实际覆盖效果不佳、信号不稳定、穿透力差。采用线极化天线来辐射或接收电磁波时，电磁波在自由空间中的反射、衍射和散射现象会使电磁信号的极化发生改变，可能会导致接收天线接收不到发射天线发出的信号，甚至可能使接收系统无法正常工作。线极化的广泛使用主要源于过去国内天线设计能力和制造工艺的不足，无法生产出更好性能的天线系统。相对于线极化，圆极化波具有很多特有的性质。（1）圆极化天线所发射的圆极化波可以被任意线极化天线接收，圆极化天线也能够接收任意线极化天线辐射的电磁波，该特点有效解决了天线的极化匹配问题，即接收天线不用对方向就能很好地接收到信号。（2）由于圆极化波的电场矢量始终是旋转的，因此圆极化波具有较好的穿透能力。（3）圆极化波在入射到反射物体上时，会导致反射圆极化波的旋向发生逆转，这种特性可以有效降低由于信号多径反射造成的多径衰落的影响，这非常利于车载移动接收。圆极化波具有很强的抗干扰能力，能显著提高接收信号的信噪比，提高信号质量或降低误码率，在恶劣的环境下工作，能更好地保证信号的畅通，圆极化天线在广播电视领域的应用非常值得研究推广。在某发射台站的实际测试表明，相对于同一位置同品牌同型号垂直极化天线，覆盖区内用垂直方式接收，在平均场强实测仅下降1dB的情况下，接收效果基本等同；用水平方式接收，则远远优于垂直极化天线的接收效果。测试数据还表明，圆极化天线车载接收效果明显优于其他天线。以此为基础，圆极化天线很大可能会纳入我国5G广播相关标准中。

6总结

5G技术正在给广播电视带来的巨大变化。在国家智慧广电战略中，5G技术与行业的多维度融合应用是重中之重，5G与地面广播电视的深度融合是其中的一个不可或缺的方向，有助于弥补两种网络传输广播电视节目的短板，形成互补效应，拓展广播电视节目内容覆盖的途径和范围，提升地面广播电视节目的覆盖效果。传统的广播电视传输覆盖台站应该敞开胸怀，早做准备，积极筹划，谋划综合性业务覆盖平台，实现广播电视服务的提质增效。

参考文献

[1]刘骏,常江,高洋.5G广播技术研究分析[J].广播与电视技术,2019,46(5):25-28.

[2]李继龙.5G广播的技术需求与发展方向[J].广播与电视技术,2019,46(11):89-92.

[3]邹峰.5G广播电视演进和主要技术特点[J].广播与电视技术,2020,47(3):16-20.

作者:王麟 单位:安徽广播电视台