第15卷第2期
中華民國110年6月出刊

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高速傳輸 智慧串接未來5G技術於廣播電視中的應用

文|黃文隆
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前言

近年來,我們可以看到傳統電視在廣告市場中的營收持續下滑,網際網路的興起是最主要的因素之一,它影響了所有行業的經營模式,廣播電視當然也不例外,舉例OTT(over-the-top)服務就是一種透過網際網路直接向觀眾提供串流服務,這種服務不斷提供新的內容與附加功能,當然也從傳統電視的廣告市場中奪走大量的觀眾,面對大量流失的廣告收入,電視台早已開始找尋新的技術,研究除了廣播電視平台之外的藍海策略,5G技術就是國內電視台目前最積極研究的項目。4G-LTE是目前最主要的行動通信技術,而5G技術則是建立在目前4G-LTE系統的架構上,可以針對特定的應用服務提出更好的解決方案,例如虛擬實境、自駕車、智慧家電、遠距醫療等,圖一為國際電信聯盟(ITU-R)對於5G技術相關應用模式的建議1,如圖1所示,5G技術有3個特點第一為增強型行動寬頻(eMBb),主要優化行動寬頻存取的數據量與增加信號覆蓋範圍;第二為超可靠低延遲特性(UrLLC),使用者與任何設備能夠以最低延遲時間與其他設備進行雙向通訊;舉例在高速鐵路上與公司進行AR/VR視訊會議,即是使用以上兩大特性;第三為巨量機器通訊(MMTC),也就是日常生活中所有的機器或設備都嵌入感測晶片與網路連接,如果配合eMBb的特性,即是智慧城市的應用。在廣播電視中的服務包括行動影音服務、高畫質影音服務、虛擬實境服務、互動式媒體等,這些都和大量寬頻數據與可靠低延遲的傳輸特點息息相關,而電視機或其他影音接收裝置與網路的結合,更是目前智慧家電中的非常重要的應用模式;所以廣播電視業者該如何突破目前經營的瓶頸,5G技術絕對是可以提供一個完美的解決方案。

國際第三代合作夥伴組織(3rd Generation Partnership project, 3GPP組織)在影音廣播技術中從R9版本不斷演進到目前正在研擬的R17版本,針對廣播電視領域,在3GPP-R14版本2中,提出了多媒體廣播群播服務技術(eMBMS, evolved Multimedia Broadcast Multicast Services)又稱LTE廣播,泛稱5G廣播技術;未來,電視台將利用5G廣播的技術可以向大量的觀眾,同時提供高畫質的影音服務例如4K或8K的畫質,並且透過電信商的合作平台,開發全新的業務,為營收得到新的契機。本文除了概述5G廣播技術外,針對5G技術在廣播電視中的應用服務也提出建議方案。

國際電信聯盟(ITU-R)對於5G技術相關應用模式的建議
圖1國際電信聯盟(ITU-R)對於5G技術相關應用模式的建議

一、5G廣播技術概述

在3GPP-R14版本中,首次提出5G廣播的的特性,包括多媒體單頻網廣播(MBSFN)和點對多點媒體廣播通訊(SC-PTM)與物聯網相關的技術,R14這個版本中特別針對行動裝置與固定電視兩種服務模式的需求,對eMBMS這個技術提供了擴充功能與增強的服務;另外在此特別說明,在 R14版本以前,多媒體廣播技術稱為eMBMS,是以LPLT(Low Power Low Tower)實現單播與廣播技術的融合,但載波資源利用率只有60%;R14版本以後多媒體廣播技術稱為(FeMBMS,Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Services)也稱為EnTV(Enhanced TV),它提供HPHT(High PowerHigh Tower)進行多媒體廣播,並且優化LPLT中OFDM的保護區間(CP)只有33μs的限制(大約10公里),增加了200μs(大約60公里)的選項,可以大範圍的處理多路徑干擾的現象;也取消eMBMS廣播中載波利用率60%的限制,提升到接近100%,充分利用頻譜效率。本文所談的5G廣播,就是以R14版中EnTV為基礎進行擴充的,針對5G廣播的特性概述如下:

當基地站間距15公里時,模擬不同CP長度下接收端的SNR值
圖2當基地站間距15公里時,模擬不同CP長度下接收端的SNR值
  1. (一)、以最佳的頻譜效率支援5G蜂巢站點間距:在3GPP的R14版本中,MBSFN可以有3種循環前置區間的選擇,分別為16.7μs、33.3μs及200μs 3種區間,如此一來蜂巢基地台的間距可以提升ISD(Inter-Site Distance),可以彈性的規劃基地台的數量,進而提升頻譜效率。如圖2所示為基地站間距15公里時,依ITUR-P.1546傳播模型,模擬OFDM在不同CP條件下,接收端的信號雜訊比(SNR)的累積分配函數CDF,當CP為200μs時,SNR為20~25dB約占50%,優於其他CP選擇 。
  2. (二)、可以專用或混合eMBMS載波:在同一個載波上允許使用多達100%的廣播資源分配以及專用載波的獨立系統訊息和同步信號,提供混合單播和廣播服務。
  3. (三)、新的碼框類型:新型MBSFN子碼框沒有單播的控制位元資訊,相對於先前版本,可以減少eMBMS傳輸的位元,提升eMBMS的傳輸效率。
  4. (四)、共享eMBMS廣播:透過eMBMS支援群播的特性,播送影音服務至特定使用者的終端,再藉由終端利用網路資源共享在網路平台上,除了可以增加影音媒體的曝光度外,亦可以增加更多的收視戶。
  5. (五)、僅接收模式:允許行動裝置僅有接收eMBMS的功能,也就是ROM 模式(Receive–Only-Mode),這個模式適用於沒有SIM卡的設備,也就是當手機沒有電信商服務的時候,也可以接收由eMBMS廣播所提供的多媒體服務。
  6. (六)、免費提供服務:透過eMBMS實現免費廣播服務(參考3GPP TS 24.116)4。免費廣播所提供的服務支援所有的终端都可以接收,包括非行動裝置的用戶。這實質擴展了廣播的範圍,更符合公共服務的精神。
  7. (七)、eMBMS系统功能的存取:可以透過標準化的的xMB(廣播應用程式設計)存取介面建立電視服務,總共有兩種介面:xMB-C用於存取控制,xMB-U用於傳送媒體內容到BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)
  8. (八)、應用程式介面API,新的eMBMS-API程式可以簡化開發者對於eMBMS系統的存取次數,使得應用程式與eMBMS客户間更容易互相溝通。
  9. (九)、為了廣播高畫質電視,R14版本將影音編碼器與解碼器的格式使其符合廣播電視所定義的格式,同時在R15版本中增加支援HDR的定義。
  10. (十)、eMBMS傳輸模式擴展3GPP以外的電視傳輸模式,例如DVB和ATSC3.0系統,如此一來,電視台可以省略轉碼系統,立即與現有接收戶的電視機相容使用。

國際3GPP組織表示,以上這些功能可以解決過去廣播業務在某些方面所提出的問題,例如,屋頂和車載天線需要更高的信號雜訊比,如何提升廣播頻譜的效率,透過網絡共享和更高的靈活性可以大大的降低基地站建置和營運的成本。5G廣播不同於其他電視傳輸格式,eMBMS是一個大頻寬的數據廣播,結合4G-LTE技術並且優化傳輸模式與單頻網路,即所有的基地站可以使用相同的頻率資源,這種傳輸模式與目前4G技術相比,不但可以增加訊號覆蓋範圍,基地站發射功率更可以節省80~90%3

二、5G技術於廣播電視中的優勢

電視廣播網與蜂巢式行動網最主要的區別在於前者向所有用戶傳送相同的訊息,而後者則是採取點對點的通信。電視廣播網其主要的優點是無論有多少用戶接收到傳送的信號,網路中的數據容量要求是一定的,缺點是單向廣播缺乏互動性,這也是蜂巢式行動網絡的優勢。蜂巢式行動網絡中的有一個重要問題,即傳輸容量與連接到基地台的用戶數有關,而5G技術在廣播電視中有那些主要的應用,例如4G傳輸設備目前已經廣泛用於新聞採訪即時作業,但是信號傳輸並不可靠、5G技術的特性可以提高廣播業者營運的靈活性和工作效率,實現目前無法實現的新用例,開發不同的商業模式,可以解決昂貴與複雜的後製問題。

三、5G技術於廣播電視中的應用

5G技術在電視廣播應用方面,可以分為信號傳輸和內容後製兩個面向:

  1. (一)、信號傳輸方面:廣播電視最注重的要求是大範圍的涵蓋率、信號穩定性與合適的商業模式,而在EBU的研究報告中,已經有廠商在測試5G技術在廣播電視上提供服務,以德國為例,在德國巴伐利亞州政府的支持下, 巴伐利亞廣播公司(Bayerischer Rundfunk, BR)、廣播技術研究所IRT、Kathrein Antenna公司、羅德史瓦茲公司以及德國電信等公司進行R14廣播技術的實驗,5GTODAY項目是世界上第一個5G廣播的大規模測試網絡4。5G的實驗現場位於德國慕尼黑,由附近巴伐利亞高山地區的Ismaning和Wendelstein山頂的兩台高性能發射機進行5G涵蓋區覆蓋,信號覆蓋了附近廣大的區域。兩台發射機的輸出功率分別為100KW,這次的測試為高塔和高功率發射機模式(HPHT),使用新的5G廣播模式FeMBMS,可以進行大範圍的電場區域測試,FeMBMS廣播模式允許在半徑高達60 km的大覆蓋區域内進行測試,如圖3所示,除發射端,該團隊刻正開發基於軟體定義無線電(Software Defined Radio, SDR)的FeMBMS接收機,未來可將晶片嵌入行動裝置、電視機及家電等,可以穩定的接收5G廣播信號。
  2. (二)、電視內容製作方面:衛星新聞採訪技術(SNG)在目前電視台中,已經是很成熟的技術,但對於現今新聞的多樣性與變化性而言,不夠快速與靈活,以4G傳輸背包做為傳輸的設備,的確可以彌補SNG的缺點,但是往往因為基地站的頻寬共享或是區域性電波干擾,傳輸可靠性不佳,影響媒體播出的時效性;5G技術將可以解決這個問題,並且提供低延遲且大寬頻的網路與電視台主控室構連,新聞採訪過程不斷訊,提高傳輸的可靠度,圖4所示為電視台使用5G傳輸設備傳送即時新聞與戶轉播節目的現場情況,目前因為5G基地站仍覆蓋不足,所以使用4G與5G的網路聚合技術進行即時影像傳輸。
大功率高塔發射站和MBSFN结合的廣播示意圖
圖3大功率高塔發射站和MBSFN结合的廣播示意圖
4G與5G傳輸設備的網路聚合傳輸功能
圖44G與5G傳輸設備的網路聚合傳輸功能

目前電視台的戶外轉播仍是從有線攝影機傳輸到戶外轉播車(OB Van),再從車中透過衛星或是微波傳輸到電視台主控室進行播出。有了5G技術,攝影機的影像透過5G連網會直接上傳到雲端,在雲端進行編輯與後製,再由電視台主控發送到電視螢幕,明顯縮短影像傳輸的路徑,並將延遲降到最低,傳輸過程中不再需要透過以往衛星或微波連線的路線;而當中最重要的關鍵就是傳輸的網路品質和頻寬,網路的品質必須穩定,即使現場同時有成千上萬的人上網,也能夠互相不爭搶頻寬。電視台的遠程製作目前都是使用光纖線路,將副控制室的設備連接到現場棚內的攝影機或是導播機,線材的花費的確是巨大的成本,而且容易因為不確定因素導致線路破損而導致錄影中斷或停止播出。隨著5G基地台的建立,只要是網路覆蓋良好的地方就可以實行遠程製作,而不侷限於光纖線路。

四、結論

台灣5G的商業服務在2020年6月已陸續開台,國家通訊傳播委員會統計至2020年11月底全台涵蓋率為26%,今年各家電信業者仍持續加速擴建基地台,預計2021年5G涵蓋率全台將可達80%以上;當5G訊號涵蓋率快速普及後,再加上5G高速、低延遲、物聯網的三大特性,我們不僅開始思考及尋找可以獲利的5G應用模式。本文中,說明5G技術進行電視廣播的優點和5G技術於廣播電視中的兩種應用模式,5G廣播能夠提供用戶額外的功能與應用,替傳統電視的廣播帶來了附加價值,將吸引行動裝置用戶收視電視廣播的內容。在5G技術遠程內容製作方面,國內廠商已進行多項測試,並且都有良好效果;例如在2020年台北市跨年晚會中,華視與電信商遠傳電信首度合作,在跨年晚會主舞台上,藉由5G技術,進行異地合演歌舞秀,成為全台第一個運用5G技術來完成多現場、低遲延、零時差的娛樂表演,帶領消費者搶先體驗5G時代的應用,如圖5所示。5G廣播不但可以優化目前的電視傳輸網路的效率可以達成超高畫質影音的傳送,而且能夠替傳統電視找到新的附加價值,開發新的業務。為了更了解5G技術與廣播電視融合的成效與發展,政府相關單位可以成立5G廣播相關實驗計畫,結合我國廣播電視的現況進行技術、規範等相關研究,為台灣未來5G廣播政策之參考依據。
(本文作者為中華電視公司工程部工務中心工程師)

華視與遠傳電信在跨年晚會主舞台上藉由5G技術進行異地合演歌舞秀
圖5華視與遠傳電信在跨年晚會主舞台上藉由5G技術進行異地合演歌舞秀


參考文獻

  1. 1"Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond," Tech. Rep. M.2083, ITU-R, September 2015.
  2. 23rd Generation Partnership Project (3GPP), Release 14 TR 21.914, 2017.
  3. 3J. J. Gimenez, D. Gomez-Barquero, J. Morgade, and E. Stare, "Wideband Broadcasting: A Power-Efficient Approach to 5G Broadcasting," IEEECommunications Magazine, vol. 56, pp. 119–125, March 2018.
  4. 4"TR044 - trials tests and projects relating to 4G/5G broadcast supported by European PSB," tech. rep., European Broadcasting Union, Geneva,July 2018.
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