本文为论文精要,原文刊发于《广播与电视技术》2022年第8期。 5G NR组播广播于2019年12月在国际移动通信标准化组织3GPP立项,并于2022年6月完成标准冻结,可用于提供应急和公共安全、车联网、IPv4/IPv6组播传输、IPTV、软件交付、群组通信和物联网等服务。本文对5G NR组播广播的设计思想、系统架构、会话工作、数据传输和现有功能等进行了总体介绍和分析,并对5G NR组播广播开展广播电视业务进行了展望。 本文作者:张宇,解伟 国家广播电视总局广播电视科学研究院第一作者简介: 张宇,博士,国家广播电视总局广播电视科学研究院正高级工程师,5G广播技术首席科学家,曾多次参与和承担国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”项目和国家重点研发计划“宽带通信与新型网络”项目研究工作。现主要研究方向为5G广播、5G广播与移动通信融合技术,代表广科院参加3GPP标准制定。 0 引言 5G NR组播广播于2019年12月被3GPP(第三代移动通信伙伴计划)立项,项目分为无线接入网组(RAN)的NR_MBS标准项目和业务与架构组(SA)的FS_5MBS研究项目及后续的5MBS标准项目。2021年底,NR_MBS项目RAN1小组的标准冻结,2022年3月,RAN2/3/4小组标准核心部分冻结;5MBS项目在2021年9月SA#93e会议后发布了技术规范的R17版本:TS 23.247。该技术规范定义了5G NR组播广播系统增强架构、各网元功能、接口和工作过程等。随着RAN组的工作陆续结束,该规范相应地进行了完善,在2022年6月达到稳定。 1 5G NR组播广播设计思想 5G NR组播广播中的“广播”指的是空口传输方式,而不是广播电视业务,组播和广播传输方式可以被用来提供各种业务。组播广播功能可被用于:公共安全和应急任务、车联网、IPv4/IPv6组播传输、IPTV、软件交付(下载/更新)、群组通信和物联网等。 为了有利于实现和部署,尽量从总体上降低对5G系统带来的影响,并尽量减少终端的复杂度,例如避免对终端硬件造成影响。一方面,5G NR组播广播在设计上尽量复用5G系统已有架构和功能模块,另一方面,业务层和传输层分离设计,业务层作为可选项建立在传输层之上,应用可以直接利用5G网络的传输层功能。2 系统架构 5G NR组播广播系统架构是对定义在TS 23.501中5G系统架构的扩展,增加了支持组播广播服务(MBS,Multicast Broadcast Service)的功能模块,新增加了16个接口(以mb为后缀的接口、xMB和MB2接口),扩展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR组播广播系统架构见图1。 图1 5G NR组播广播系统架构 点划线之上是系统的控制面,之下是数据面,这遵循了5G系统的控制和传输分离的设计原则。与MBS业务相关的模块主要包括控制面的MBSF和数据面的MBSTF;与MBS数据传输强相关的模块,在控制面主要包括SMF和MB-SMF,在数据面主要包括UPF和MB-UPF。AF/AS是应用功能或应用服务,可以理解为内容源。 实线模块是必要的,例如MB-UPF、MB-SMF等;虚线模块是可选的,比如MBSF、MBSTF等。彩色虚线框内的模块可以是独立的网元,也可以作为逻辑功能实现在一个网元中。细连接线是控制信令,粗连接线是用户数据。3 会话过程 3.1 组播 移动通信单播(双向、点对点)通信过程需要建立分组数据单元(PDU,Packet Data Unit)会话,而组播广播通信需要建立MBS会话,其可以细分为组播MBS会话和广播MBS会话。 组播MBS会话建立需要两个过程。第一个过程,核心网5GC建立组播MBS会话,图2中灰色部分;第二个过程,UE申请加入组播MBS会话,AF开始向UE传输数据,见图2中亮黄色部分。 图2 组播MBS会话建立过程 经过第二个过程后,组播业务数据开始从AF传输到5GC、基站和UE。如果基站支持MBS功能,MB-UPF可以通过N3mb接口传输MBS数据到基站(图中绿色线);如果基站不支持MBS功能,MB-UPF通过N19mb接口传输MBS数据到UPF,UPF按照单播通信相同的方式传输MBS数据到基站(图中蓝色线)。 3.2 广播 广播MBS会话建立过程与组播有两点不同,一是在与组播通用的第一个过程结束后,5GC不需要等待UE加入,直接执行会话启动过程,配置无线网络资源,AF开始向基站发送广播业务数据;二是除了网络向UE发送业务通告,需要在基站配置MBS频率选择区域ID(MBS FSA ID)和相邻小区频率信息,基站在无线接口的系统信息块(SIB)中发送MBS SA ID和相邻小区频率信息,UE需要这些信息接收广播并在移动过程中维持业务连续性。4 数据传输 4.1 核心网 3GPP R17版本为核心网传输MBS服务定义了两种传输方法:5G核心网(5GC)单独MBS流量传输方法和5G核心网(5GC)共享MBS流量传输方法。 对于组播,如果基站支持MBS,核心网应当使用共享MBS流量传输方法;如果基站不支持MBS,核心网使用单独MBS流量传输方法。当UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站间移动切换过程中会存在两种传输方法短暂共存的情况。 对于广播,核心网只能使用共享MBS流量传输方法。 4.2 基站 对于组播,核心网使用共享MBS流量传输方法时,基站使用组播无线承载MRB,采用PTM和/或PTP传输模式,基站使用哪种传输模式及何时切换由基站负责决定;核心网使用单独MBS流量传输方法时,基站使用与单播相同的无线承载DRB,采用PTP传输模式。 对于广播,核心网只能使用共享MBS流量传输方法,基站使用MRB及其PTM传输模式。 4.3 终端 为接收组播,UE执行与单播相同的网络接入过程,进入到与单播网络接入后相同的状态。 在物理层,组播(PTM传输模式)接收只有一步:UE通过RRC信令得到盲检MTCHs的配置信息;根据配置信息,盲检物理下行控制信道(PDCCH)得到MTCHs的调度信息;根据MTCHs调度信息,从承载在物理下行共享信道上的组播传输信道(MTCHs/PDSCH)取得组播数据。 为接收广播,UE或者预先配置所需信息,或者在应用层上配置广播会话。其中,接收服务通告和SIP信令等都需要UE完成网络接入,进行双向通信。R17标准不支持ROM,由具体网络部署和UE实现解决。 在物理层,广播接收分为两步: 第一步,根据系统信息SIB20上的配置信息,盲检PDCCH得到组播控制信道(MCCH)的调度信息;根据MCCH调度信息,从MCCH/PDSCH上获得盲检MTCHs所需的配置信息; 第二步,根据上一步获得的MTCHs配置信息,盲检PDCCH得到MTCHs的调度信息;根据调度信息,从MTCHs/PDSCH得到广播数据。5 功能总结
除了上述主体功能,NR组播广播其它功能及支持的RRC状态见表1。 表1 R17 5G NR组播广播功能及RRC状态 6 结束语 3GPP R17版本的5G NR组播广播标准主体上已经制定完成,但在技术上还存在一些限制和不足。3GPP R18版本立项已经完成,R18的5G NR组播广播基于R17版本继续演进,例如,增强在大规模终端场景下的组播广播业务传输,支持由应用服务触发的按需组播,支持能力受限设备的组消息传输等。 5G NR组播广播依托于移动通信网络,占用通信频谱资源,如果用来开展广播电视公共服务,还需要运营商找到合理的部署方式和可持续的商业模式,只有这样才能拉动产业链支持,技术标准才能得到产业化应用。 国内外已经有团队研究如何扩展NR物理层参数集,使NR能够支持广播大塔单频网部署方式,此种技术至少需要等到3GPP R19版本才有立项机会。END |
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