5G NR组播广播综述
发布时间：2022-09-17 来源：安广器材 浏览次数：
引言
5G NR组播广播于2019年12月被3GPP（第三代移动通信伙伴计划）立项，项目分为无线接入网组（RAN）的NR_MBS标准项目和业务与架构组（SA）的FS_5MBS研究项目及后续的5MBS标准项目。2021年底，NR_MBS项目RAN1小组的标准冻结，2022年3月，RAN2/3/4小组标准核心部分冻结；5MBS项目在2021年9月SA#93e会议后发布了技术规范的R17版本：TS 23.247。该技术规范定义了5G NR组播广播系统增强架构、各网元功能、接口和工作过程等。随着RAN组的工作陆续结束，该规范相应地进行了完善，在2022年6月达到稳定。
1、5G NR组播广播设计思想
5G NR组播广播中的“广播”指的是空口传输方式，而不是广播电视业务，组播和广播传输方式可以被用来提供各种业务。组播广播功能可被用于：公共安全和应急任务、车联网、IPv4/IPv6组播传输、IPTV、软件交付（下载/更新）、群组通信和物联网等。
为了有利于实现和部署，尽量从总体上降低对5G系统带来的影响，并尽量减少终端的复杂度，例如避免对终端硬件造成影响。一方面，5G NR组播广播在设计上尽量复用5G系统已有架构和功能模块，另一方面，业务层和传输层分离设计，业务层作为可选项建立在传输层之上，应用可以直接利用5G网络的传输层功能。
2、 系统架构
5G NR组播广播系统架构是对定义在TS 23.501中5G系统架构的扩展，增加了支持组播广播服务（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模块，新增加了16个接口（以mb为后缀的接口、xMB和MB2接口），扩展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR组播广播系统架构见图1。
图1 5G NR组播广播系统架构
点划线之上是系统的控制面，之下是数据面，这遵循了5G系统的控制和传输分离的设计原则。与MBS业务相关的模块主要包括控制面的MBSF和数据面的MBSTF；与MBS数据传输强相关的模块，在控制面主要包括SMF和MB-SMF，在数据面主要包括UPF和MB-UPF。AF/AS是应用功能或应用服务，可以理解为内容源。
实线模块是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虚线模块是可选的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虚线框内的模块可以是独立的网元，也可以作为逻辑功能实现在一个网元中。细连接线是控制信令，粗连接线是用户数据。
3、 会话过程
3.1 组播
移动通信单播（双向、点对点）通信过程需要建立分组数据单元（PDU，Packet Data Unit）会话，而组播广播通信需要建立MBS会话，其可以细分为组播MBS会话和广播MBS会话。
组播MBS会话建立需要两个过程。第一个过程，核心网5GC建立组播MBS会话，图2中灰色部分；第二个过程，UE申请加入组播MBS会话，AF开始向UE传输数据，见图2中亮黄色部分。
图2 组播MBS会话建立过程
经过第二个过程后，组播业务数据开始从AF传输到5GC、基站和UE。如果基站支持MBS功能，MB-UPF可以通过N3mb接口传输MBS数据到基站（图中绿色线）；如果基站不支持MBS功能，MB-UPF通过N19mb接口传输MBS数据到UPF，UPF按照单播通信相同的方式传输MBS数据到基站（图中蓝色线）。
3.2 广播
广播MBS会话建立过程与组播有两点不同，一是在与组播通用的第一个过程结束后，5GC不需要等待UE加入，直接执行会话启动过程，配置无线网络资源，AF开始向基站发送广播业务数据；二是除了网络向UE发送业务通告，需要在基站配置MBS频率选择区域ID（MBS FSA ID）和相邻小区频率信息，基站在无线接口的系统信息块（SIB）中发送MBS SA ID和相邻小区频率信息，UE需要这些信息接收广播并在移动过程中维持业务连续性。
4、 数据传输
4.1 核心网
3GPP R17版本为核心网传输MBS服务定义了两种传输方法：5G核心网（5GC）单独MBS流量传输方法和5G核心网（5GC）共享MBS流量传输方法。
对于组播，如果基站支持MBS，核心网应当使用共享MBS流量传输方法；如果基站不支持MBS，核心网使用单独MBS流量传输方法。当UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站间移动切换过程中会存在两种传输方法短暂共存的情况。
对于广播，核心网只能使用共享MBS流量传输方法。
4.2 基站
对于组播，核心网使用共享MBS流量传输方法时，基站使用组播无线承载MRB，采用PTM和/或PTP传输模式，基站使用哪种传输模式及何时切换由基站负责决定；核心网使用单独MBS流量传输方法时，基站使用与单播相同的无线承载DRB，采用PTP传输模式。
对于广播，核心网只能使用共享MBS流量传输方法，基站使用MRB及其PTM传输模式。
4.3 终端
为接收组播，UE执行与单播相同的网络接入过程，进入到与单播网络接入后相同的状态。
在物理层，组播（PTM传输模式）接收只有一步：UE通过RRC信令得到盲检MTCHs的配置信息；根据配置信息，盲检物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的调度信息；根据MTCHs调度信息，从承载在物理下行共享信道上的组播传输信道（MTCHs/PDSCH）取得组播数据。
为接收广播，UE或者预先配置所需信息，或者在应用层上配置广播会话。其中，接收服务通告和SIP信令等都需要UE完成网络接入，进行双向通信。R17标准不支持ROM，由具体网络部署和UE实现解决。
在物理层，广播接收分为两步：
第一步，根据系统信息SIB20上的配置信息，盲检PDCCH得到组播控制信道（MCCH）的调度信息；根据MCCH调度信息，从MCCH/PDSCH上获得盲检MTCHs所需的配置信息；
第二步，根据上一步获得的MTCHs配置信息，盲检PDCCH得到MTCHs的调度信息；根据调度信息，从MTCHs/PDSCH得到广播数据。
5、 功能总结
组播广播功能深度融合于5G通信网络架构，附着在移动通信网络部署，目前标准不支持独立的广播网络。
3GPP R17版本采用R15版本的参数集，因此在子载波间隔、循环前缀和物理信道等方面没有支持广播单频网的设计，不能支持数字地面电视所采用的大塔广播单频网部署方式，相邻站点间同频部署会产生干扰，只能单站部署或异频部署。
支持本地/区域组播广播业务。
标准立项文件声称不支持ROM，但目前物理层可以支持ROM。
为了获得业务信息，终端需要通过某种手段接收业务通告，通常要利用通信功能，违背了ROM。如果有合理手段解决或者在终端预配置，终端可以工作在ROM模式。
除了上述主体功能，NR组播广播其它功能及支持的RRC状态见表1。
表1 R17 5G NR组播广播功能及RRC状态
6、 结束语
3GPP R17版本的5G NR组播广播标准主体上已经制定完成，但在技术上还存在一些限制和不足。3GPP R18版本立项已经完成，R18的5G NR组播广播基于R17版本继续演进，例如，增强在大规模终端场景下的组播广播业务传输，支持由应用服务触发的按需组播，支持能力受限设备的组消息传输等。
5G NR组播广播依托于移动通信网络，占用通信频谱资源，如果用来开展广播电视公共服务，还需要运营商找到合理的部署方式和可持续的商业模式，只有这样才能拉动产业链支持，技术标准才能得到产业化应用。
国内外已经有团队研究如何扩展NR物理层参数集，使NR能够支持广播大塔单频网部署方式，此种技术至少需要等到3GPP R19版本才有立项机会。
5G NR组播广播于2019年12月被3GPP（第三代移动通信伙伴计划）立项，项目分为无线接入网组（RAN）的NR_MBS标准项目和业务与架构组（SA）的FS_5MBS研究项目及后续的5MBS标准项目。2021年底，NR_MBS项目RAN1小组的标准冻结，2022年3月，RAN2/3/4小组标准核心部分冻结；5MBS项目在2021年9月SA#93e会议后发布了技术规范的R17版本：TS 23.247。该技术规范定义了5G NR组播广播系统增强架构、各网元功能、接口和工作过程等。随着RAN组的工作陆续结束，该规范相应地进行了完善，在2022年6月达到稳定。
1、5G NR组播广播设计思想
5G NR组播广播中的“广播”指的是空口传输方式，而不是广播电视业务，组播和广播传输方式可以被用来提供各种业务。组播广播功能可被用于：公共安全和应急任务、车联网、IPv4/IPv6组播传输、IPTV、软件交付（下载/更新）、群组通信和物联网等。
为了有利于实现和部署，尽量从总体上降低对5G系统带来的影响，并尽量减少终端的复杂度，例如避免对终端硬件造成影响。一方面，5G NR组播广播在设计上尽量复用5G系统已有架构和功能模块，另一方面，业务层和传输层分离设计，业务层作为可选项建立在传输层之上，应用可以直接利用5G网络的传输层功能。
2、 系统架构
5G NR组播广播系统架构是对定义在TS 23.501中5G系统架构的扩展，增加了支持组播广播服务（MBS，Multicast Broadcast Service）的功能模块，新增加了16个接口（以mb为后缀的接口、xMB和MB2接口），扩展了N1、N2、N4、N10、N11、N30和N33接口以支持MBS。5G NR组播广播系统架构见图1。
图1 5G NR组播广播系统架构
实线模块是必要的，例如MB-UPF、MB-SMF等；虚线模块是可选的，比如MBSF、MBSTF等。彩色虚线框内的模块可以是独立的网元，也可以作为逻辑功能实现在一个网元中。细连接线是控制信令，粗连接线是用户数据。
3、 会话过程
3.1 组播
移动通信单播（双向、点对点）通信过程需要建立分组数据单元（PDU，Packet Data Unit）会话，而组播广播通信需要建立MBS会话，其可以细分为组播MBS会话和广播MBS会话。
组播MBS会话建立需要两个过程。第一个过程，核心网5GC建立组播MBS会话，图2中灰色部分；第二个过程，UE申请加入组播MBS会话，AF开始向UE传输数据，见图2中亮黄色部分。
图2 组播MBS会话建立过程
3.2 广播
广播MBS会话建立过程与组播有两点不同，一是在与组播通用的第一个过程结束后，5GC不需要等待UE加入，直接执行会话启动过程，配置无线网络资源，AF开始向基站发送广播业务数据；二是除了网络向UE发送业务通告，需要在基站配置MBS频率选择区域ID（MBS FSA ID）和相邻小区频率信息，基站在无线接口的系统信息块（SIB）中发送MBS SA ID和相邻小区频率信息，UE需要这些信息接收广播并在移动过程中维持业务连续性。
4、 数据传输
4.1 核心网
3GPP R17版本为核心网传输MBS服务定义了两种传输方法：5G核心网（5GC）单独MBS流量传输方法和5G核心网（5GC）共享MBS流量传输方法。
对于组播，如果基站支持MBS，核心网应当使用共享MBS流量传输方法；如果基站不支持MBS，核心网使用单独MBS流量传输方法。当UE在支持MBS的基站和不支持MBS的基站间移动切换过程中会存在两种传输方法短暂共存的情况。
对于广播，核心网只能使用共享MBS流量传输方法。
4.2 基站
对于组播，核心网使用共享MBS流量传输方法时，基站使用组播无线承载MRB，采用PTM和/或PTP传输模式，基站使用哪种传输模式及何时切换由基站负责决定；核心网使用单独MBS流量传输方法时，基站使用与单播相同的无线承载DRB，采用PTP传输模式。
对于广播，核心网只能使用共享MBS流量传输方法，基站使用MRB及其PTM传输模式。
4.3 终端
为接收组播，UE执行与单播相同的网络接入过程，进入到与单播网络接入后相同的状态。
在物理层，组播（PTM传输模式）接收只有一步：UE通过RRC信令得到盲检MTCHs的配置信息；根据配置信息，盲检物理下行控制信道（PDCCH）得到MTCHs的调度信息；根据MTCHs调度信息，从承载在物理下行共享信道上的组播传输信道（MTCHs/PDSCH）取得组播数据。
为接收广播，UE或者预先配置所需信息，或者在应用层上配置广播会话。其中，接收服务通告和SIP信令等都需要UE完成网络接入，进行双向通信。R17标准不支持ROM，由具体网络部署和UE实现解决。
在物理层，广播接收分为两步：
第一步，根据系统信息SIB20上的配置信息，盲检PDCCH得到组播控制信道（MCCH）的调度信息；根据MCCH调度信息，从MCCH/PDSCH上获得盲检MTCHs所需的配置信息；
第二步，根据上一步获得的MTCHs配置信息，盲检PDCCH得到MTCHs的调度信息；根据调度信息，从MTCHs/PDSCH得到广播数据。
5、 功能总结
组播广播功能深度融合于5G通信网络架构，附着在移动通信网络部署，目前标准不支持独立的广播网络。
3GPP R17版本采用R15版本的参数集，因此在子载波间隔、循环前缀和物理信道等方面没有支持广播单频网的设计，不能支持数字地面电视所采用的大塔广播单频网部署方式，相邻站点间同频部署会产生干扰，只能单站部署或异频部署。
支持本地/区域组播广播业务。
标准立项文件声称不支持ROM，但目前物理层可以支持ROM。
为了获得业务信息，终端需要通过某种手段接收业务通告，通常要利用通信功能，违背了ROM。如果有合理手段解决或者在终端预配置，终端可以工作在ROM模式。
除了上述主体功能，NR组播广播其它功能及支持的RRC状态见表1。
表1 R17 5G NR组播广播功能及RRC状态
3GPP R17版本的5G NR组播广播标准主体上已经制定完成，但在技术上还存在一些限制和不足。3GPP R18版本立项已经完成，R18的5G NR组播广播基于R17版本继续演进，例如，增强在大规模终端场景下的组播广播业务传输，支持由应用服务触发的按需组播，支持能力受限设备的组消息传输等。
5G NR组播广播依托于移动通信网络，占用通信频谱资源，如果用来开展广播电视公共服务，还需要运营商找到合理的部署方式和可持续的商业模式，只有这样才能拉动产业链支持，技术标准才能得到产业化应用。
国内外已经有团队研究如何扩展NR物理层参数集，使NR能够支持广播大塔单频网部署方式，此种技术至少需要等到3GPP R19版本才有立项机会。
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