5G NR組播廣播綜述
發(fā)布時間：2022-09-17 來源：安廣器材 瀏覽次數：
引言
5G NR組播廣播于2019年12月被3GPP（第三代移動通信伙伴計劃）立項，項目分為無線接入網組（RAN）的NR_MBS標準項目和業(yè)務與架構組（SA）的FS_5MBS研究項目及后續(xù)的5MBS標準項目。2021年底，NR_MBS項目RAN1小組的標準凍結，2022年3月，RAN2/3/4小組標準核心部分凍結；5MBS項目在2021年9月SA#93e會議后發(fā)布了技術規(guī)范的R17版本：TS 23.247。該技術規(guī)范定義了5G NR組播廣播系統(tǒng)增強架構、各網元功能、接口和工作過程等。隨著RAN組的工作陸續(xù)結束，該規(guī)范相應地進行了完善，在2022年6月達到穩(wěn)定。
1、5G NR組播廣播設計思想
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，組播和廣播傳輸方式可以被用來提供各種業(yè)務。組播廣播功能可被用于：公共安全和應急任務、車聯網、IPv4/IPv6組播傳輸、IPTV、軟件交付（下載/更新）、群組通信和物聯網等。
為了有利于實現和部署，盡量從總體上降低對5G系統(tǒng)帶來的影響，并盡量減少終端的復雜度，例如避免對終端硬件造成影響。一方面，5G NR組播廣播在設計上盡量復用5G系統(tǒng)已有架構和功能模塊，另一方面，業(yè)務層和傳輸層分離設計，業(yè)務層作為可選項建立在傳輸層之上，應用可以直接利用5G網絡的傳輸層功能。
2、 系統(tǒng)架構
5G NR組播廣播系統(tǒng)架構是對定義在TS 23.501中5G系統(tǒng)架構的擴展，增加了支持組播廣播服務（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模塊，新增加了16個接口（以mb為后綴的接口、xMB和MB2接口），擴展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR組播廣播系統(tǒng)架構見圖1。
圖1 5G NR組播廣播系統(tǒng)架構
點劃線之上是系統(tǒng)的控制面，之下是數據面，這遵循了5G系統(tǒng)的控制和傳輸分離的設計原則。與MBS業(yè)務相關的模塊主要包括控制面的MBSF和數據面的MBSTF；與MBS數據傳輸強相關的模塊，在控制面主要包括SMF和MB-SMF，在數據面主要包括UPF和MB-UPF。AF/AS是應用功能或應用服務，可以理解為內容源。
實線模塊是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虛線模塊是可選的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虛線框內的模塊可以是獨立的網元，也可以作為邏輯功能實現在一個網元中。細連接線是控制信令，粗連接線是用戶數據。
3、 會話過程
3.1 組播
移動通信單播（雙向、點對點）通信過程需要建立分組數據單元（PDU，Packet Data Unit）會話，而組播廣播通信需要建立MBS會話，其可以細分為組播MBS會話和廣播MBS會話。
組播MBS會話建立需要兩個過程。第一個過程，核心網5GC建立組播MBS會話，圖2中灰色部分；第二個過程，UE申請加入組播MBS會話，AF開始向UE傳輸數據，見圖2中亮黃色部分。
圖2 組播MBS會話建立過程
經過第二個過程后，組播業(yè)務數據開始從AF傳輸到5GC、基站和UE。如果基站支持MBS功能，MB-UPF可以通過N3mb接口傳輸MBS數據到基站（圖中綠色線）；如果基站不支持MBS功能，MB-UPF通過N19mb接口傳輸MBS數據到UPF，UPF按照單播通信相同的方式傳輸MBS數據到基站（圖中藍色線）。
3.2 廣播
廣播MBS會話建立過程與組播有兩點不同，一是在與組播通用的第一個過程結束后，5GC不需要等待UE加入，直接執(zhí)行會話啟動過程，配置無線網絡資源，AF開始向基站發(fā)送廣播業(yè)務數據；二是除了網絡向UE發(fā)送業(yè)務通告，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過程中維持業(yè)務連續(xù)性。
4、 數據傳輸
4.1 核心網
3GPP R17版本為核心網傳輸MBS服務定義了兩種傳輸方法：5G核心網（5GC）單獨MBS流量傳輸方法和5G核心網（5GC）共享MBS流量傳輸方法。
對于組播，如果基站支持MBS，核心網應當使用共享MBS流量傳輸方法；如果基站不支持MBS，核心網使用單獨MBS流量傳輸方法。當UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站間移動切換過程中會存在兩種傳輸方法短暫共存的情況。
對于廣播，核心網只能使用共享MBS流量傳輸方法。
4.2 基站
對于組播，核心網使用共享MBS流量傳輸方法時，基站使用組播無線承載MRB，采用PTM和/或PTP傳輸模式，基站使用哪種傳輸模式及何時切換由基站負責決定；核心網使用單獨MBS流量傳輸方法時，基站使用與單播相同的無線承載DRB，采用PTP傳輸模式。
對于廣播，核心網只能使用共享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)行與單播相同的網絡接入過程，進入到與單播網絡接入后相同的狀態(tài)。
在物理層，組播（PTM傳輸模式）接收只有一步：UE通過RRC信令得到盲檢MTCHs的配置信息；根據配置信息，盲檢物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的調度信息；根據MTCHs調度信息，從承載在物理下行共享信道上的組播傳輸信道（MTCHs/PDSCH）取得組播數據。
為接收廣播，UE或者預先配置所需信息，或者在應用層上配置廣播會話。其中，接收服務通告和SIP信令等都需要UE完成網絡接入，進行雙向通信。R17標準不支持ROM，由具體網絡部署和UE實現解決。
在物理層，廣播接收分為兩步：
第一步，根據系統(tǒng)信息SIB20上的配置信息，盲檢PDCCH得到組播控制信道（MCCH）的調度信息；根據MCCH調度信息，從MCCH/PDSCH上獲得盲檢MTCHs所需的配置信息；
第二步，根據上一步獲得的MTCHs配置信息，盲檢PDCCH得到MTCHs的調度信息；根據調度信息，從MTCHs/PDSCH得到廣播數據。
5、 功能總結
組播廣播功能深度融合于5G通信網絡架構，附著在移動通信網絡部署，目前標準不支持獨立的廣播網絡。
3GPP R17版本采用R15版本的參數集，因此在子載波間隔、循環(huán)前綴和物理信道等方面沒有支持廣播單頻網的設計，不能支持數字地面電視所采用的大塔廣播單頻網部署方式，相鄰站點間同頻部署會產生干擾，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。
標準立項文件聲稱不支持ROM，但目前物理層可以支持ROM。
為了獲得業(yè)務信息，終端需要通過某種手段接收業(yè)務通告，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)見表1。
表1 R17 5G NR組播廣播功能及RRC狀態(tài)
6、 結束語
3GPP R17版本的5G NR組播廣播標準主體上已經制定完成，但在技術上還存在一些限制和不足。3GPP R18版本立項已經完成，R18的5G NR組播廣播基于R17版本繼續(xù)演進，例如，增強在大規(guī)模終端場景下的組播廣播業(yè)務傳輸，支持由應用服務觸發(fā)的按需組播，支持能力受限設備的組消息傳輸等。
5G NR組播廣播依托于移動通信網絡，占用通信頻譜資源，如果用來開展廣播電視公共服務，還需要運營商找到合理的部署方式和可持續(xù)的商業(yè)模式，只有這樣才能拉動產業(yè)鏈支持，技術標準才能得到產業(yè)化應用。
國內外已經有團隊研究如何擴展NR物理層參數集，使NR能夠支持廣播大塔單頻網部署方式，此種技術至少需要等到3GPP R19版本才有立項機會。
5G NR組播廣播于2019年12月被3GPP（第三代移動通信伙伴計劃）立項，項目分為無線接入網組（RAN）的NR_MBS標準項目和業(yè)務與架構組（SA）的FS_5MBS研究項目及后續(xù)的5MBS標準項目。2021年底，NR_MBS項目RAN1小組的標準凍結，2022年3月，RAN2/3/4小組標準核心部分凍結；5MBS項目在2021年9月SA#93e會議后發(fā)布了技術規(guī)范的R17版本：TS 23.247。該技術規(guī)范定義了5G NR組播廣播系統(tǒng)增強架構、各網元功能、接口和工作過程等。隨著RAN組的工作陸續(xù)結束，該規(guī)范相應地進行了完善，在2022年6月達到穩(wěn)定。
1、5G NR組播廣播設計思想
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，組播和廣播傳輸方式可以被用來提供各種業(yè)務。組播廣播功能可被用于：公共安全和應急任務、車聯網、IPv4/IPv6組播傳輸、IPTV、軟件交付（下載/更新）、群組通信和物聯網等。
為了有利于實現和部署，盡量從總體上降低對5G系統(tǒng)帶來的影響，并盡量減少終端的復雜度，例如避免對終端硬件造成影響。一方面，5G NR組播廣播在設計上盡量復用5G系統(tǒng)已有架構和功能模塊，另一方面，業(yè)務層和傳輸層分離設計，業(yè)務層作為可選項建立在傳輸層之上，應用可以直接利用5G網絡的傳輸層功能。
2、 系統(tǒng)架構
5G NR組播廣播系統(tǒng)架構是對定義在TS 23.501中5G系統(tǒng)架構的擴展，增加了支持組播廣播服務（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模塊，新增加了16個接口（以mb為后綴的接口、xMB和MB2接口），擴展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR組播廣播系統(tǒng)架構見圖1。
圖1 5G NR組播廣播系統(tǒng)架構
實線模塊是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虛線模塊是可選的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虛線框內的模塊可以是獨立的網元，也可以作為邏輯功能實現在一個網元中。細連接線是控制信令，粗連接線是用戶數據。
3、 會話過程
3.1 組播
移動通信單播（雙向、點對點）通信過程需要建立分組數據單元（PDU，Packet Data Unit）會話，而組播廣播通信需要建立MBS會話，其可以細分為組播MBS會話和廣播MBS會話。
組播MBS會話建立需要兩個過程。第一個過程，核心網5GC建立組播MBS會話，圖2中灰色部分；第二個過程，UE申請加入組播MBS會話，AF開始向UE傳輸數據，見圖2中亮黃色部分。
圖2 組播MBS會話建立過程
3.2 廣播
廣播MBS會話建立過程與組播有兩點不同，一是在與組播通用的第一個過程結束后，5GC不需要等待UE加入，直接執(zhí)行會話啟動過程，配置無線網絡資源，AF開始向基站發(fā)送廣播業(yè)務數據；二是除了網絡向UE發(fā)送業(yè)務通告，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過程中維持業(yè)務連續(xù)性。
4、 數據傳輸
4.1 核心網
3GPP R17版本為核心網傳輸MBS服務定義了兩種傳輸方法：5G核心網（5GC）單獨MBS流量傳輸方法和5G核心網（5GC）共享MBS流量傳輸方法。
對于組播，如果基站支持MBS，核心網應當使用共享MBS流量傳輸方法；如果基站不支持MBS，核心網使用單獨MBS流量傳輸方法。當UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站間移動切換過程中會存在兩種傳輸方法短暫共存的情況。
對于廣播，核心網只能使用共享MBS流量傳輸方法。
4.2 基站
對于組播，核心網使用共享MBS流量傳輸方法時，基站使用組播無線承載MRB，采用PTM和/或PTP傳輸模式，基站使用哪種傳輸模式及何時切換由基站負責決定；核心網使用單獨MBS流量傳輸方法時，基站使用與單播相同的無線承載DRB，采用PTP傳輸模式。
對于廣播，核心網只能使用共享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)行與單播相同的網絡接入過程，進入到與單播網絡接入后相同的狀態(tài)。
在物理層，組播（PTM傳輸模式）接收只有一步：UE通過RRC信令得到盲檢MTCHs的配置信息；根據配置信息，盲檢物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的調度信息；根據MTCHs調度信息，從承載在物理下行共享信道上的組播傳輸信道（MTCHs/PDSCH）取得組播數據。
為接收廣播，UE或者預先配置所需信息，或者在應用層上配置廣播會話。其中，接收服務通告和SIP信令等都需要UE完成網絡接入，進行雙向通信。R17標準不支持ROM，由具體網絡部署和UE實現解決。
在物理層，廣播接收分為兩步：
第一步，根據系統(tǒng)信息SIB20上的配置信息，盲檢PDCCH得到組播控制信道（MCCH）的調度信息；根據MCCH調度信息，從MCCH/PDSCH上獲得盲檢MTCHs所需的配置信息；
第二步，根據上一步獲得的MTCHs配置信息，盲檢PDCCH得到MTCHs的調度信息；根據調度信息，從MTCHs/PDSCH得到廣播數據。
5、 功能總結
組播廣播功能深度融合于5G通信網絡架構，附著在移動通信網絡部署，目前標準不支持獨立的廣播網絡。
3GPP R17版本采用R15版本的參數集，因此在子載波間隔、循環(huán)前綴和物理信道等方面沒有支持廣播單頻網的設計，不能支持數字地面電視所采用的大塔廣播單頻網部署方式，相鄰站點間同頻部署會產生干擾，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。
標準立項文件聲稱不支持ROM，但目前物理層可以支持ROM。
為了獲得業(yè)務信息，終端需要通過某種手段接收業(yè)務通告，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組播廣播標準主體上已經制定完成，但在技術上還存在一些限制和不足。3GPP R18版本立項已經完成，R18的5G NR組播廣播基于R17版本繼續(xù)演進，例如，增強在大規(guī)模終端場景下的組播廣播業(yè)務傳輸，支持由應用服務觸發(fā)的按需組播，支持能力受限設備的組消息傳輸等。
5G NR組播廣播依托于移動通信網絡，占用通信頻譜資源，如果用來開展廣播電視公共服務，還需要運營商找到合理的部署方式和可持續(xù)的商業(yè)模式，只有這樣才能拉動產業(yè)鏈支持，技術標準才能得到產業(yè)化應用。
國內外已經有團隊研究如何擴展NR物理層參數集，使NR能夠支持廣播大塔單頻網部署方式，此種技術至少需要等到3GPP R19版本才有立項機會。
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