提高服務效能 優化運作效率3GPP EnTV融合數位廣播技術的發展

一、前言

通訊技術自從類比傳輸轉換成數位傳輸的數位匯流環境，整個通訊產業，不論是廣播電視產業或是電信產業的終端用戶使用習慣皆出現了趨勢性變化；特別是影音串流的收視方式，以OTT(Over the Top)為代表的各種內容供應商衍生各種新型商業模式的湧現，在在使以傳統廣播經營方式的營運商逐漸流失收視客群；同時電信營運商也因影音串流服務得付出高昂的網路建置和維運成本，卻面臨收益因此被大量蠶食和用戶體驗變差等問題。

長期以來廣播業者希望能將其所有線性和非線性服務交付給可攜式和行動設備，相繼開發DVB-H 、DVB-NGH及MediaFLO等行動接收技術，但收益甚微。近期歐洲廣播聯盟(European Broadcasting Union, EBU)結合歐洲的廣播公司加入參與3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作夥伴計劃)組織的“增強電視服務”(Enhancement for TV service, EnTV)研究項目提供了新的契機。本文將探討針對3GPP EnTV電視服務MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播群播服務)的技術演進與數位廣播的融合過程進行敘述。

二、EnTV結合數位廣播技術

3GPP發展EnTV目的就是希望未來5G NR環境中也能持續優化多媒體廣播群播服務的運作效率，讓行動影音服務品質達到標準規格的要求，又能減少對寶貴無線資源不必要的占用需求。

在歐洲廣播聯盟(EBU)結合歐洲的廣播公司執行5G-Xcast計畫(圖1)並加入參與3GPP組織EnTV研究，提供未來5G可能會部署在不同的原廣播基礎設施上，包括使用衛星和地面高功率高塔網路(High Power High Tower, HPHT)等設施，可以互補或協作的方式使用不同的網路基礎結構，以有效利用網路和頻譜資源。

EBU提交了對EnTV的高階要求(圖2)，其中包括公共服務廣播公司免費提供線性電視和廣播節目的義務。這些要求進行對3GPP文件的更新及修改，這包括無線電接取、系統架構以及服務層和核心網路。

三、3GPP多媒體廣播群播服務（MBMS）技術的演進

由於行動影音串流服務(如電視節目、球賽及遊戲)已蔚為風潮，多媒體服務一直以來是全球電信商的重點服務之一，3GPP為有效提升包含接取網路與核心網路的網路資源的行動影音服務效能，遂在標準中加入多媒體廣播群播服務(MBMS)運作架構與技術規格。

多媒體廣播群播服務(MBMS)技術為使內容供應商同時可向多個終端設備(point-to-multipoint)傳遞資料，藉由網路資源共享，提升整體網路資源的使用效率，甚至可以完整結合到目前Internet提供的群播服務。MBMS最早是2008年3GPP在3G標準的R6被提出，現階段演進改善到2017年R14，MBMS相關的一系列標準規格仍不斷演進改善。

在R6/R7中MBMS功能是以3G網路為基礎發展所需機制與技術，所以，需要在既有的3G架構中增加新的功能實體，如BM‐SC(負責管理MBMS業務)，盡可能在既有的功能實體(如GGSN、SGSN、BSC/RNC 和UE)基礎上，架構出MBMS服務的運作機制。

R6版本中公布的MBMS技術規格支援單一小區域傳輸模式，不同小區域的MBMS必須使用不同的擾碼(Scrambling Code)以分辨不同小區域要傳遞的MBMS服務內容。

R7(WCDMA)版本中則進一步對MBMS做了一些強化動作，允許多個小區在「同步模式」下，使用相同的Scrambling Code傳送相同的MBMS服務內容。這樣，UE(User Equipment)就可以透過多個基地台將傳輸量平均分攤掉。

R8(LTE)版本中的MBMS機制最重要的特色就是單頻網SFN(Single Frequency Network，單頻網)技術。這項技術它允許讓許多能彼此同步的小區域，以相同的頻率，發送相同的MBMS服務內容，此被稱為單頻網工作模式的MBSFN(Multicast Broadcast Single Frequency Network，廣播單頻網路)傳輸模式，組構多個小區域形成一個會動態長大的SFN，藉此增強MBMS 服務的傳輸效率跟覆蓋率，所以3GPP 稱其為演進的多媒體廣播群播服務(eMBMS, Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service)。為了加速MBMS服務機制的推動，LTE R8 只定義了eMBMS的基本特性，尚未對整體進行標準化。

R9版本才真正定義了eMBMS所需的相關技術，R9不僅詳細定義eMBMS中涉及的功能實體職權內容，還制訂了介面之間訊號及資料傳遞的程序。R9的eMBMS邏輯架構則增加了MME(行動管理實體)、MCE(多小區多播實體)、MBMS GW(MBMS 閘道)，以及M3、M2 與M1 等介面。同時Protocol也有相對的設計，包括對關鍵術語的定義、對MBSFN區域的配置、邏輯通道間的相應關係、控制訊號流程，以及前面提到的計數功能等等都有規範。

R10版本則是在R9基礎上，增加額外的計數功能。R10版本的計數程序，只針對連接狀態下的UE數量進行統計，瞭解對哪些MBMS服務內容發出讀取需求的UE個數。電信商再據以決定是否啟動MBSFN模式以完成服務的需求。

隨著研究的深入，在後續的R10到R12等版本中，3GPP又陸續新增了計數功能和接納控制功能，引入了傳統地面數位電視廣播技術中的CP(Cyclic Prefix，循環字首)技術以支援更大範圍的MBSFN。在R14之中EnTV技術作為演進後的eMBMS被確定在標準中，也有人稱其為FeMBMS(Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Services)。目前“5G廣播”泛指的是從 3GPP R9版本一路演進至今的LTE廣播技術，而基於5G NR的廣播技術，尚未在3GPP標準中確立。目前各方正繼續改善LTE廣播方案，力求於2020年將FeMBMS廣播模式寫入未來3GPP R17標準中。

四、EnTV在3GPP R14版本新增的廣播特性

R14以後稱為FeMBMS，它提供了HPHT(High Power High Tower)廣播，允許經由eMBMS和unicast改進對行動設備與固定電視機的電視訊號服務的支援。R14新增射頻介面的特性介紹於3GPP TS36.201和 3GPP TS36.211，新增的廣播特性如下所列：

• 可支援更大的站點間距(ISD, Inter-Site Distance)
  取消了保護間隔CP最多只有33μs的限制，增加了200μs選項。200μs的CP能夠明顯擴大廣播基站的覆蓋區域至15KM的站點間距(ISD)，如此可支援不同的接收設備類型，例如屋頂或車載的天線接收。
• 專用或混合eMBMS載波
  允許在單載波上混合單播(unicast)和廣播(broadcast)服務使用，可達到百分百的廣播資源分配，以及獨立系統信息和同步信號提供專用的載波(dedicated carriers)。
• 共享eMBMS廣播
  支援共享eMBMS廣播網路，營運商可以將其eMBMS網路聚合到共享的eMBMS內容發送平臺，不同網路的使用者可以利用這個共享的廣播網路同時接收相同廣播內容，從而提高覆蓋範圍和頻寬效率。
• 僅接收模式ROM(Receive-Only Mode)
  ROM模式可適用於沒有SIM卡或非3GPP訂戶的設備，將eMBMS擴展到傳統電視接收器。對於ROM設備來說，無須訂閱和註冊，不需要SIM卡，支援匿名接收eMBMS，提供免費的電視服務。可參閱3GPP TS 24.116的ROM模式；3GPP TS 24.117電視服務配置管理對象和TS 26.346有關ROM模式的服務通告。
• 免費接取服務(Free-to-air services)
  ROM的一個特定應用是經由eMBMS啟用免費接取廣播內容(參見3GPP TS 24.116)，所提供的廣播服務支援，使所有終端都可以接收，包括那些非行動的訂戶。這擴展了行動廣播的適用性，以支持公共廣播的要求。此外，最新的3GPP規範可以根據歐盟關於470~790MHz頻譜範圍的決定進行操作。利用屋頂天線在eMBMS設備和現有電視接收機上接收免費廣播和付費電視服務，這是eMBMS廣播的一項重大改進。
• xMB 介面
  為了簡化對eMBMS系統功能的存取，內容供應商和廣播業者現在可以經由標準化的xMB(廣播應用程式設計)介面建立電視服務，該介面有兩個面：xMB-C用於控制、xMB-U用於傳送媒體內容到BM-SC，3GPP TS 29.116文件詳述xMB介面。
• 應用程式介面API
  新的eMBMS-API簡化開發者對複雜eMBMS 程序的存取，如圖3所示。API存在於UE中，從eMBMS用戶端到內容接收器的應用程式APP，通過xMB提供相關資訊以向應用程式公開服務，3GPP TS 26.347文件詳述MBMS APIs。

• 媒體格式
  為了支援UHD電視，R14版本將媒體編解碼器和格式升級到為廣播電視所定義，請參閱3GPP TS 26.116：在3GPP服務上的電視。

五、結論

3GPP的EnTV研究以改善對電視服務的支援，進行了大量的系統和架構的更新。 這些功能將可直接解決了過去有關廣播業務某些方面的擔憂，例如：屋頂和車載天線的更高頻譜效率，網路共享和更高的靈活性可以大大降低部署和運營成本。如此，對行動網路業者(Mobile Network Operator, MNO)和廣播業者，不僅可以靈活地構建新型的電視服務和應用程序，並可將其服務範圍擴大到更大範圍的設備。

(作者為電信技術中心高級工程師)