5G NR組播廣播綜述
發(fā)布時(shí)間：2022-09-17 來(lái)源：安廣器材 瀏覽次數(shù)：
引言
5G NR組播廣播于2019年12月被3GPP（第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃）立項(xiàng)，項(xiàng)目分為無(wú)線接入網(wǎng)組（RAN）的NR_MBS標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目和業(yè)務(wù)與架構(gòu)組（SA）的FS_5MBS研究項(xiàng)目及后續(xù)的5MBS標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。2021年底，NR_MBS項(xiàng)目RAN1小組的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，2022年3月，RAN2/3/4小組標(biāo)準(zhǔn)核心部分凍結(jié)；5MBS項(xiàng)目在2021年9月SA#93e會(huì)議后發(fā)布了技術(shù)規(guī)范的R17版本：TS 23.247。該技術(shù)規(guī)范定義了5G NR組播廣播系統(tǒng)增強(qiáng)架構(gòu)、各網(wǎng)元功能、接口和工作過(guò)程等。隨著RAN組的工作陸續(xù)結(jié)束，該規(guī)范相應(yīng)地進(jìn)行了完善，在2022年6月達(dá)到穩(wěn)定。
1、5G NR組播廣播設(shè)計(jì)思想
5G NR組播廣播中的“廣播”指的是空口傳輸方式，而不是廣播電視業(yè)務(wù)，組播和廣播傳輸方式可以被用來(lái)提供各種業(yè)務(wù)。組播廣播功能可被用于：公共安全和應(yīng)急任務(wù)、車聯(lián)網(wǎng)、IPv4/IPv6組播傳輸、IPTV、軟件交付（下載/更新）、群組通信和物聯(lián)網(wǎng)等。
為了有利于實(shí)現(xiàn)和部署，盡量從總體上降低對(duì)5G系統(tǒng)帶來(lái)的影響，并盡量減少終端的復(fù)雜度，例如避免對(duì)終端硬件造成影響。一方面，5G NR組播廣播在設(shè)計(jì)上盡量復(fù)用5G系統(tǒng)已有架構(gòu)和功能模塊，另一方面，業(yè)務(wù)層和傳輸層分離設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)層作為可選項(xiàng)建立在傳輸層之上，應(yīng)用可以直接利用5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸層功能。
2、 系統(tǒng)架構(gòu)
5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)是對(duì)定義在TS 23.501中5G系統(tǒng)架構(gòu)的擴(kuò)展，增加了支持組播廣播服務(wù)（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模塊，新增加了16個(gè)接口（以mb為后綴的接口、xMB和MB2接口），擴(kuò)展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)
點(diǎn)劃線之上是系統(tǒng)的控制面，之下是數(shù)據(jù)面，這遵循了5G系統(tǒng)的控制和傳輸分離的設(shè)計(jì)原則。與MBS業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊主要包括控制面的MBSF和數(shù)據(jù)面的MBSTF；與MBS數(shù)據(jù)傳輸強(qiáng)相關(guān)的模塊，在控制面主要包括SMF和MB-SMF，在數(shù)據(jù)面主要包括UPF和MB-UPF。AF/AS是應(yīng)用功能或應(yīng)用服務(wù)，可以理解為內(nèi)容源。
實(shí)線模塊是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虛線模塊是可選的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虛線框內(nèi)的模塊可以是獨(dú)立的網(wǎng)元，也可以作為邏輯功能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)元中。細(xì)連接線是控制信令，粗連接線是用戶數(shù)據(jù)。
3、 會(huì)話過(guò)程
3.1 組播
移動(dòng)通信單播（雙向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）通信過(guò)程需要建立分組數(shù)據(jù)單元（PDU，Packet Data Unit）會(huì)話，而組播廣播通信需要建立MBS會(huì)話，其可以細(xì)分為組播MBS會(huì)話和廣播MBS會(huì)話。
組播MBS會(huì)話建立需要兩個(gè)過(guò)程。第一個(gè)過(guò)程，核心網(wǎng)5GC建立組播MBS會(huì)話，圖2中灰色部分；第二個(gè)過(guò)程，UE申請(qǐng)加入組播MBS會(huì)話，AF開(kāi)始向UE傳輸數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2中亮黃色部分。
圖2 組播MBS會(huì)話建立過(guò)程
經(jīng)過(guò)第二個(gè)過(guò)程后，組播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開(kāi)始從AF傳輸?shù)?GC、基站和UE。如果基站支持MBS功能，MB-UPF可以通過(guò)N3mb接口傳輸MBS數(shù)據(jù)到基站（圖中綠色線）；如果基站不支持MBS功能，MB-UPF通過(guò)N19mb接口傳輸MBS數(shù)據(jù)到UPF，UPF按照單播通信相同的方式傳輸MBS數(shù)據(jù)到基站（圖中藍(lán)色線）。
3.2 廣播
廣播MBS會(huì)話建立過(guò)程與組播有兩點(diǎn)不同，一是在與組播通用的第一個(gè)過(guò)程結(jié)束后，5GC不需要等待UE加入，直接執(zhí)行會(huì)話啟動(dòng)過(guò)程，配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，AF開(kāi)始向基站發(fā)送廣播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；二是除了網(wǎng)絡(luò)向UE發(fā)送業(yè)務(wù)通告，需要在基站配置MBS頻率選擇區(qū)域ID（MBS FSA ID）和相鄰小區(qū)頻率信息，基站在無(wú)線接口的系統(tǒng)信息塊（SIB）中發(fā)送MBS SA ID和相鄰小區(qū)頻率信息，UE需要這些信息接收廣播并在移動(dòng)過(guò)程中維持業(yè)務(wù)連續(xù)性。
4、 數(shù)據(jù)傳輸
4.1 核心網(wǎng)
3GPP R17版本為核心網(wǎng)傳輸MBS服務(wù)定義了兩種傳輸方法：5G核心網(wǎng)（5GC）單獨(dú)MBS流量傳輸方法和5G核心網(wǎng)（5GC）共享MBS流量傳輸方法。
對(duì)于組播，如果基站支持MBS，核心網(wǎng)應(yīng)當(dāng)使用共享MBS流量傳輸方法；如果基站不支持MBS，核心網(wǎng)使用單獨(dú)MBS流量傳輸方法。當(dāng)UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站間移動(dòng)切換過(guò)程中會(huì)存在兩種傳輸方法短暫共存的情況。
對(duì)于廣播，核心網(wǎng)只能使用共享MBS流量傳輸方法。
4.2 基站
對(duì)于組播，核心網(wǎng)使用共享MBS流量傳輸方法時(shí)，基站使用組播無(wú)線承載MRB，采用PTM和/或PTP傳輸模式，基站使用哪種傳輸模式及何時(shí)切換由基站負(fù)責(zé)決定；核心網(wǎng)使用單獨(dú)MBS流量傳輸方法時(shí)，基站使用與單播相同的無(wú)線承載DRB，采用PTP傳輸模式。
對(duì)于廣播，核心網(wǎng)只能使用共享MBS流量傳輸方法，基站使用MRB及其PTM傳輸模式。
4.3 終端
為接收組播，UE執(zhí)行與單播相同的網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程，進(jìn)入到與單播網(wǎng)絡(luò)接入后相同的狀態(tài)。
在物理層，組播（PTM傳輸模式）接收只有一步：UE通過(guò)RRC信令得到盲檢MTCHs的配置信息；根據(jù)配置信息，盲檢物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的調(diào)度信息；根據(jù)MTCHs調(diào)度信息，從承載在物理下行共享信道上的組播傳輸信道（MTCHs/PDSCH）取得組播數(shù)據(jù)。
為接收廣播，UE或者預(yù)先配置所需信息，或者在應(yīng)用層上配置廣播會(huì)話。其中，接收服務(wù)通告和SIP信令等都需要UE完成網(wǎng)絡(luò)接入，進(jìn)行雙向通信。R17標(biāo)準(zhǔn)不支持ROM，由具體網(wǎng)絡(luò)部署和UE實(shí)現(xiàn)解決。
在物理層，廣播接收分為兩步：
第一步，根據(jù)系統(tǒng)信息SIB20上的配置信息，盲檢PDCCH得到組播控制信道（MCCH）的調(diào)度信息；根據(jù)MCCH調(diào)度信息，從MCCH/PDSCH上獲得盲檢MTCHs所需的配置信息；
第二步，根據(jù)上一步獲得的MTCHs配置信息，盲檢PDCCH得到MTCHs的調(diào)度信息；根據(jù)調(diào)度信息，從MTCHs/PDSCH得到廣播數(shù)據(jù)。
5、 功能總結(jié)
組播廣播功能深度融合于5G通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，附著在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)部署，目前標(biāo)準(zhǔn)不支持獨(dú)立的廣播網(wǎng)絡(luò)。
3GPP R17版本采用R15版本的參數(shù)集，因此在子載波間隔、循環(huán)前綴和物理信道等方面沒(méi)有支持廣播單頻網(wǎng)的設(shè)計(jì)，不能支持?jǐn)?shù)字地面電視所采用的大塔廣播單頻網(wǎng)部署方式，相鄰站點(diǎn)間同頻部署會(huì)產(chǎn)生干擾，只能單站部署或異頻部署。
支持本地/區(qū)域組播廣播業(yè)務(wù)。
標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)文件聲稱不支持ROM，但目前物理層可以支持ROM。
為了獲得業(yè)務(wù)信息，終端需要通過(guò)某種手段接收業(yè)務(wù)通告，通常要利用通信功能，違背了ROM。如果有合理手段解決或者在終端預(yù)配置，終端可以工作在ROM模式。
除了上述主體功能，NR組播廣播其它功能及支持的RRC狀態(tài)見(jiàn)表1。
表1 R17 5G NR組播廣播功能及RRC狀態(tài)
6、 結(jié)束語(yǔ)
3GPP R17版本的5G NR組播廣播標(biāo)準(zhǔn)主體上已經(jīng)制定完成，但在技術(shù)上還存在一些限制和不足。3GPP R18版本立項(xiàng)已經(jīng)完成，R18的5G NR組播廣播基于R17版本繼續(xù)演進(jìn)，例如，增強(qiáng)在大規(guī)模終端場(chǎng)景下的組播廣播業(yè)務(wù)傳輸，支持由應(yīng)用服務(wù)觸發(fā)的按需組播，支持能力受限設(shè)備的組消息傳輸?shù)取?br /> 5G NR組播廣播依托于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，占用通信頻譜資源，如果用來(lái)開(kāi)展廣播電視公共服務(wù)，還需要運(yùn)營(yíng)商找到合理的部署方式和可持續(xù)的商業(yè)模式，只有這樣才能拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈支持，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)才能得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)研究如何擴(kuò)展NR物理層參數(shù)集，使NR能夠支持廣播大塔單頻網(wǎng)部署方式，此種技術(shù)至少需要等到3GPP R19版本才有立項(xiàng)機(jī)會(huì)。
5G NR組播廣播于2019年12月被3GPP（第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃）立項(xiàng)，項(xiàng)目分為無(wú)線接入網(wǎng)組（RAN）的NR_MBS標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目和業(yè)務(wù)與架構(gòu)組（SA）的FS_5MBS研究項(xiàng)目及后續(xù)的5MBS標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。2021年底，NR_MBS項(xiàng)目RAN1小組的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，2022年3月，RAN2/3/4小組標(biāo)準(zhǔn)核心部分凍結(jié)；5MBS項(xiàng)目在2021年9月SA#93e會(huì)議后發(fā)布了技術(shù)規(guī)范的R17版本：TS 23.247。該技術(shù)規(guī)范定義了5G NR組播廣播系統(tǒng)增強(qiáng)架構(gòu)、各網(wǎng)元功能、接口和工作過(guò)程等。隨著RAN組的工作陸續(xù)結(jié)束，該規(guī)范相應(yīng)地進(jìn)行了完善，在2022年6月達(dá)到穩(wěn)定。
1、5G NR組播廣播設(shè)計(jì)思想
5G NR組播廣播中的“廣播”指的是空口傳輸方式，而不是廣播電視業(yè)務(wù)，組播和廣播傳輸方式可以被用來(lái)提供各種業(yè)務(wù)。組播廣播功能可被用于：公共安全和應(yīng)急任務(wù)、車聯(lián)網(wǎng)、IPv4/IPv6組播傳輸、IPTV、軟件交付（下載/更新）、群組通信和物聯(lián)網(wǎng)等。
為了有利于實(shí)現(xiàn)和部署，盡量從總體上降低對(duì)5G系統(tǒng)帶來(lái)的影響，并盡量減少終端的復(fù)雜度，例如避免對(duì)終端硬件造成影響。一方面，5G NR組播廣播在設(shè)計(jì)上盡量復(fù)用5G系統(tǒng)已有架構(gòu)和功能模塊，另一方面，業(yè)務(wù)層和傳輸層分離設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)層作為可選項(xiàng)建立在傳輸層之上，應(yīng)用可以直接利用5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸層功能。
2、 系統(tǒng)架構(gòu)
5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)是對(duì)定義在TS 23.501中5G系統(tǒng)架構(gòu)的擴(kuò)展，增加了支持組播廣播服務(wù)（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模塊，新增加了16個(gè)接口（以mb為后綴的接口、xMB和MB2接口），擴(kuò)展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 5G NR組播廣播系統(tǒng)架構(gòu)
實(shí)線模塊是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虛線模塊是可選的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虛線框內(nèi)的模塊可以是獨(dú)立的網(wǎng)元，也可以作為邏輯功能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)元中。細(xì)連接線是控制信令，粗連接線是用戶數(shù)據(jù)。
3、 會(huì)話過(guò)程
3.1 組播
移動(dòng)通信單播（雙向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）通信過(guò)程需要建立分組數(shù)據(jù)單元（PDU，Packet Data Unit）會(huì)話，而組播廣播通信需要建立MBS會(huì)話，其可以細(xì)分為組播MBS會(huì)話和廣播MBS會(huì)話。
組播MBS會(huì)話建立需要兩個(gè)過(guò)程。第一個(gè)過(guò)程，核心網(wǎng)5GC建立組播MBS會(huì)話，圖2中灰色部分；第二個(gè)過(guò)程，UE申請(qǐng)加入組播MBS會(huì)話，AF開(kāi)始向UE傳輸數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2中亮黃色部分。
圖2 組播MBS會(huì)話建立過(guò)程
3.2 廣播
廣播MBS會(huì)話建立過(guò)程與組播有兩點(diǎn)不同，一是在與組播通用的第一個(gè)過(guò)程結(jié)束后，5GC不需要等待UE加入，直接執(zhí)行會(huì)話啟動(dòng)過(guò)程，配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，AF開(kāi)始向基站發(fā)送廣播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；二是除了網(wǎng)絡(luò)向UE發(fā)送業(yè)務(wù)通告，需要在基站配置MBS頻率選擇區(qū)域ID（MBS FSA ID）和相鄰小區(qū)頻率信息，基站在無(wú)線接口的系統(tǒng)信息塊（SIB）中發(fā)送MBS SA ID和相鄰小區(qū)頻率信息，UE需要這些信息接收廣播并在移動(dòng)過(guò)程中維持業(yè)務(wù)連續(xù)性。
4、 數(shù)據(jù)傳輸
4.1 核心網(wǎng)
3GPP R17版本為核心網(wǎng)傳輸MBS服務(wù)定義了兩種傳輸方法：5G核心網(wǎng)（5GC）單獨(dú)MBS流量傳輸方法和5G核心網(wǎng)（5GC）共享MBS流量傳輸方法。
對(duì)于組播，如果基站支持MBS，核心網(wǎng)應(yīng)當(dāng)使用共享MBS流量傳輸方法；如果基站不支持MBS，核心網(wǎng)使用單獨(dú)MBS流量傳輸方法。當(dāng)UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站間移動(dòng)切換過(guò)程中會(huì)存在兩種傳輸方法短暫共存的情況。
對(duì)于廣播，核心網(wǎng)只能使用共享MBS流量傳輸方法。
4.2 基站
對(duì)于組播，核心網(wǎng)使用共享MBS流量傳輸方法時(shí)，基站使用組播無(wú)線承載MRB，采用PTM和/或PTP傳輸模式，基站使用哪種傳輸模式及何時(shí)切換由基站負(fù)責(zé)決定；核心網(wǎng)使用單獨(dú)MBS流量傳輸方法時(shí)，基站使用與單播相同的無(wú)線承載DRB，采用PTP傳輸模式。
對(duì)于廣播，核心網(wǎng)只能使用共享MBS流量傳輸方法，基站使用MRB及其PTM傳輸模式。
4.3 終端
為接收組播，UE執(zhí)行與單播相同的網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程，進(jìn)入到與單播網(wǎng)絡(luò)接入后相同的狀態(tài)。
在物理層，組播（PTM傳輸模式）接收只有一步：UE通過(guò)RRC信令得到盲檢MTCHs的配置信息；根據(jù)配置信息，盲檢物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的調(diào)度信息；根據(jù)MTCHs調(diào)度信息，從承載在物理下行共享信道上的組播傳輸信道（MTCHs/PDSCH）取得組播數(shù)據(jù)。
為接收廣播，UE或者預(yù)先配置所需信息，或者在應(yīng)用層上配置廣播會(huì)話。其中，接收服務(wù)通告和SIP信令等都需要UE完成網(wǎng)絡(luò)接入，進(jìn)行雙向通信。R17標(biāo)準(zhǔn)不支持ROM，由具體網(wǎng)絡(luò)部署和UE實(shí)現(xiàn)解決。
在物理層，廣播接收分為兩步：
第一步，根據(jù)系統(tǒng)信息SIB20上的配置信息，盲檢PDCCH得到組播控制信道（MCCH）的調(diào)度信息；根據(jù)MCCH調(diào)度信息，從MCCH/PDSCH上獲得盲檢MTCHs所需的配置信息；
第二步，根據(jù)上一步獲得的MTCHs配置信息，盲檢PDCCH得到MTCHs的調(diào)度信息；根據(jù)調(diào)度信息，從MTCHs/PDSCH得到廣播數(shù)據(jù)。
5、 功能總結(jié)
組播廣播功能深度融合于5G通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，附著在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)部署，目前標(biāo)準(zhǔn)不支持獨(dú)立的廣播網(wǎng)絡(luò)。
3GPP R17版本采用R15版本的參數(shù)集，因此在子載波間隔、循環(huán)前綴和物理信道等方面沒(méi)有支持廣播單頻網(wǎng)的設(shè)計(jì)，不能支持?jǐn)?shù)字地面電視所采用的大塔廣播單頻網(wǎng)部署方式，相鄰站點(diǎn)間同頻部署會(huì)產(chǎn)生干擾，只能單站部署或異頻部署。
支持本地/區(qū)域組播廣播業(yè)務(wù)。
標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)文件聲稱不支持ROM，但目前物理層可以支持ROM。
為了獲得業(yè)務(wù)信息，終端需要通過(guò)某種手段接收業(yè)務(wù)通告，通常要利用通信功能，違背了ROM。如果有合理手段解決或者在終端預(yù)配置，終端可以工作在ROM模式。
除了上述主體功能，NR組播廣播其它功能及支持的RRC狀態(tài)見(jiàn)表1。
表1 R17 5G NR組播廣播功能及RRC狀態(tài)
3GPP R17版本的5G NR組播廣播標(biāo)準(zhǔn)主體上已經(jīng)制定完成，但在技術(shù)上還存在一些限制和不足。3GPP R18版本立項(xiàng)已經(jīng)完成，R18的5G NR組播廣播基于R17版本繼續(xù)演進(jìn)，例如，增強(qiáng)在大規(guī)模終端場(chǎng)景下的組播廣播業(yè)務(wù)傳輸，支持由應(yīng)用服務(wù)觸發(fā)的按需組播，支持能力受限設(shè)備的組消息傳輸?shù)取?br /> 5G NR組播廣播依托于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，占用通信頻譜資源，如果用來(lái)開(kāi)展廣播電視公共服務(wù)，還需要運(yùn)營(yíng)商找到合理的部署方式和可持續(xù)的商業(yè)模式，只有這樣才能拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈支持，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)才能得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)研究如何擴(kuò)展NR物理層參數(shù)集，使NR能夠支持廣播大塔單頻網(wǎng)部署方式，此種技術(shù)至少需要等到3GPP R19版本才有立項(xiàng)機(jī)會(huì)。
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