5G 广播与地面数字电视广播技术方案比较

董 雷，王瑞明，夏治平

（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）

0 引 言

国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）推荐的第一代地面数字电视标准主要有DVB-T，ISDB-T，ATSC 以及DTMB，第二代地面数字电视标准主要有ATSC 3.0，DVB-T2 和DTMB-A。同时，CMMB，ISDB-T 1seg 和DVB-T2 lite 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（3rd Generation Partnership Project，3GPP）启动了多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS），即Release 6 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Release 7、Release 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Release 9 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（evolved MBMS，eMBMS），正式确定将eMBMS 作为4G 广播技术。

2017 年，3GPP Release 14 版本发布了进一步演进的多媒体广播多播技术（Forward Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services，FeMBMS），也叫作增强电视广播（Enhanced TV），第一次将大塔纳入移动通信标准范围，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Release 16 版本[1]基本完成广播大塔广播标准制定，支持无卡接收、高速移动（120 ～250 km·s-1）、大覆盖（站间距100 km）等。

2022 年，Release 17 版本[2]引入了无线接入网（Radio Access Network，RAN）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 MHz、8 MHz）和适用于15 或25 PRBs 的小区采集子帧（Cell Acquisition Subframe，CAS）带宽（对应3 MHz、5 MHz），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3GPP Release 16 和Release 17版本5G 广播、第二代地面数字电视标准ATSC 3.0和DVB-T2 等标准的各项参数性能。

1 5G 广播技术的特点

5G 广播的帧结构如图1 所示。多媒体广播单频网（Multimedia Broadcast Single Frequency Network，MBSFN）区域子帧可以采用多种子载波间距。对于采用∆f=7.5 kHz，∆f=2.5 kHz 和∆f=1.25 kHz 的子帧，MBSFN 区域被定义为一个1 ms 的时隙。对于采用∆f≈0.37 kHz 的子帧，MBSFN 区域被定义为一个3 ms 的时隙。图1（a）展示的帧结构类型用于370 Hz SCS 以外参数的子载波，1.25 kHz SCS 的每个时隙长度为1 ms；图1（b）展示的帧结构类型用于370 Hz SCS 的子载波；CAS 是非MBSFN 子帧，使用15 kHz SCS 参数。5G 广播中参数集选项如表1 所示。

表1 基于Release 16 的5G 广播OFDM 参数集选项

图1 5G 广播的帧结构

2 5G 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 Coded Modulation，BICM）频谱效率、站间距离（Inter-Site Distance，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 5G 广播和地面数字电视标准的频谱带宽比较

表3 5G 广播的带宽效率

表4 第二代地面数字电视系统（包括CMMB）的带宽效率

2.2 编码的比较

DVB-T2 和ATSC 3.0 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（White Gaussian Noise，AWGN）信道下，ATSC 3.0 的最新LDPC 码和非均匀星座（Non Uniform Constellations，NUC）组合与FeMBMS 的Turbo 码、QAM 相比，可提供高出约1 ～2 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（Carrier Noise Ratio，CNR）。

2.4 层分复用的比较

ATSC 3.0 采用更为灵活的层分复用（Layered Division Multiplexing，LDM）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（3 ～9 dB）。在LDM 系统中，由于下层信号固定接收业务的插入，人为降低了覆盖区内上层信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，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ATS C3.0 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（Band Width，BW）。

式中：Esp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入新定义的CAS 中，实现了高达80%广播资源分配的配置以及几乎100%广播分配（97.5%）的专用载波配置，每40 个子帧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 子帧之后/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，TTI）传输的最大传输块大小（Transport Block Size，TBS），不包括CAS 持续时间。峰值数据速率计算如下：

式中：NTBS可以从ETSI TS 136 213 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（Single-Cell Point-to-Multipoint）。选择不同的调制与编码方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）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，MCS0—MCS9 对应QPSK，MCS10—MCS16 对应16QAM，MCS17—MCS27 对应64QAM，MCS28—MCS34 对应256QAM[5]。

当使用MCS34时，用于5 MHz FeMBMS的NTBS最大为21 384 bit，而峰值数据速率达到20.85 Mb·s-1。计算过程如下：

同样可以计算出，当使用MCS9 时，用于5 MHz FeMBMS 的NTBS最大为4 008 bit，而峰值数据速率达到3.91 Mb·s-1。

对于ATSC 3.0 标准，单输入单输出（Single Input Single Output，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58.69 Mb·s-1。因此，峰值频谱效率为

图3 比较了AWGN 信道中FeMBMS，DVB-T2和ATSC3.0 标准的峰值频谱效率。

图3 AWGN 信道中峰值频谱效率比较

2.6 BICM 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。

式中：m是每个子载波的比特数，Rc是编码率（Coding Rates，CR）。对于FeMBMS：

式中：Nb是子帧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：

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，是每个RB 的子载波数，NRS是每个RB 的参考信令数。

对于5 MHz 带宽、1.25 kHz SCS 的FeMBMS，当MCS 指数为34 时，采用256QAM 时，m=8，NRB=25，Nsymb=1，=144，NRS=24，ITBS=32 和NTBS=21 384 时的峰值BICM 频谱效率计算如式（8）、式（9）所示。物理资源块参数如表6 所示。

表6 物理资源块参数

ATSC 3.0 标准通常提供单一的6 MHz 带宽分配[6]。本文只分析6 MHz带宽的峰值BICM频谱效率。ATSC 3.0 标准和MBSFN 的峰值BICM 频谱效率比较如表7 所示。

表7 ATSC 3.0 和MBSFN 的BICM 峰值频谱效率

2.7 BICM 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5 MHz 的带宽，MBSFN 始终使用∆f=1.25 kHz 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，MBSFN，DVB-T2和 ATSC 3.0 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，ATSC 3.0 和DVB-T2 都能够提供比较高的频谱效率，尤其是对于高CNR。

图4 AWGN 信道的BICM 频谱效率与CNR 的关系

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。ATSC 3.0 和SC-PTM 使用两个发射机和接收机天线，而MBSFN 采用1×2 单输入多输出方案。

图5 瑞利信道的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ATSC 3.0 和DVB-T2 标准。

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，ATSC 3.0 和DVB-T2 的BICM 性能均优于SC-PTM 和MBSFN。

图6 莱斯信道的BICM 频谱效率与CNR 的关系

2.8 ISD（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 中引入了更长的300 μs循环前缀（Cyclic Prefix，CP），使得单频网内发射机间距更大，更有效地发挥了HPHT 的广电传统优势，同时，更长的CP 也增强了接收机应对多径信号的能力。

DVB-T2 和ATSC 3.0 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ATSC 3.0 和DVB- T2 都支持32K 的FFT 模式，这样可以支持较大CP 的插入。但是，长CP 的插入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32K 模式下，DVB-T2 可以支持高达532 μs（8 MHz）的CP 长度，而ATSC3.0 更是能支持703 μs（6 MHz）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-17 5G 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754 MHz 项目和德国的5G Today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。