Вещание в сетях 4G/5G

Сотовые сети уже давно превратились из телефонных в мультисервисные, причем наиболее динамично развивающееся направление сервисов — это передача видео. Это единственная категория трафика, доля которого в сотовых сетях стабильно растет с каждым годом. Если в 2012 году она составляла половину трафика, в 2016-м — 60%, то сейчас — около 70%, а к 2021 году ожидается рост доли видео до 78%. Причем все это на фоне пятикратного увеличения общего объема мобильного трафика в течение пяти лет. Поэтому неудивительно, что в разработках стандартов скоростной мобильной связи значительное внимание уделяется технологиям передачи видео.

Технологии вещания в сетях 4G

Массовый интерес к передаче видео через сотовые сети наметился с появлением сетей четвертого поколения (4G). Этому способствовали увеличившаяся пропускная способность сетей, распространение смартфонов с большими экранами и разочарование в специализированных технологиях мобильного вещания, таких как DVB-H. В результате последние 10 лет все разработки для мобильного вещания появляются в релизах стандарта 3GPP. Hапомним, что 3GPP (3rd Generation Partnership Project) — консорциум, разрабатывающий стандарты для сотовой телефонии. Эти стандарты обновляются пакетами в рамках новых релизов, примерно раз в полтора года.

Базовый формат передачи видео и ТВ по сотовым сетям (Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS) был разработан еще для GSM-сетей (3G). Пакет соответствующих спецификаций появился в пятом и шестом релизах. Но практическое применение нашла более поздняя версия этой технологии, адаптированная для LTE-сетей. Эта версия под названием evolved MBMS была полностью прописана в девятом релизе 3GPP-стандарта.

В eMBMS были определены стек протоколов, интерфейсы и новая опорная сеть, позволяющие внедрить возможности вещания в сеть нового стандарта — LTE. Этот формат предусматривает смешанный режим unicast/broadcast, в котором до 60% подкадров LTE можно использовать для задач вещания в одночастотной сети (в РЧ-каналах LTE прямого направления используется OFDM). Другими словами, в рамках этого формата неизбежна конкуренция за транспортный ресурс между вещательными и не вещательными сервисами. Проблемы создает также короткий циклический префикс, играющий роль защитного интервала. В eMBMS он не превышает 16,7 мкс, что ограничивает радиус соты SFN-сети пятью километрами.

С 2014 года начали запускаться сети LTE eMBMS разного масштаба. В частности, Nokia Networks запустила в это время общенациональную SFN-сеть в Финляндии. Она строилась в качестве потенциальной замены вещательной ТВ-сети и стала полигоном для экспериментов, которые Nokia проводила с несколькими европейскими партнерами. По мнению специалистов Брауншвейгского университета (Германия), этот и другие, менее масштабные, экспериментальные проекты показали, что LTE eMBMS плохо подходит для развертывания вещательных ТВ-сетей на больших территориях. При сегодняшней плотности вышек и коротком циклическом префиксе создать сколько-нибудь полное покрытие услугой на высоких скоростях не получается. Проблемы создает заложенная в LTE адаптация режима передачи под условия приема абонентским устройством. Если прием оказывается неустойчивым, сота переходит на режим передачи с большей помехоустойчивостью, но малоэффективный в плане использования спектра. Этот механизм совершенно оправдан в режиме передачи «точка-точка», но в вещательном режиме один терминал на краю зоны приема резко снижает скорость доставки ТВ-сигнала всем абонентам, подключенным к той же соте. Улучшить ситуацию можно было бы увеличением защитного интервала, что позволило бы приемнику суммировать сигнал от большего числа сот. Тот же эффект можно получить увеличением количества сот, но это очень затратный метод.

Возможности вещания через сети LTE были значительно улучшены в спецификациях 14-го релиза 3GPP-стандарта, появившегося в марте 2017 года. Улучшения коснулись не только физического, но и сервисного уровня, а также сетевых интерфейсов и архитектуры в целом. Версия MBMS в этом релизе получила название FeMBMS.

В FeMBMS допускается большая плотность OFDM-поднесущих. Шаг между ними сократился до 1,25 кГц, и это позволило увеличить защитный интервал до 200 мкс. Такой интервал дает возможность разносить вышки SFN-­сети уже на 60 км.

Кроме того, был введен отдельный вещательный режим, в котором вещание не конкурирует с unicast-услугами за спектр. Это позволит стабилизировать качество передаваемого видео.

Смешанный режим также сохранился, но пропорции сдвинулись в пользу вещания — оно теперь может занимать 8 из 10 подкадров (рис. 1).

Появились и другие новшества, упрощающие использование сетей LTE для вещания. Был введен режим Transport-only, позволяющий в IP-пакетах передавать медиапотоки любых форматов, не поддерживаемых стандартами 3GPP. Туда, например, можно инкапсулировать пакеты MPEG-2 TS с видео, компрессированном в любом формате. Этот формат можно использовать и для передачи любых данных, например для запросов со стороны систем мониторинга и сбора данных.

Также был разработан новый интерфейс xMB, обеспечивающий вещателям и контент-провайдерам доступ к опорной сети LTE для запуска своих услуг.

Сети с поддержкой FeMBMS позволяют нескольким вещателям создавать и эксплуатировать совместные платформы, агрегирующие разные сервисы, и доставлять их абонентам разных операторов.

Помимо этого, появилась возможность предоставлять услуги по требованию — MBMS-operation-on-demand (MooD).

Важнейшим новшеством, значимым для конкуренции с вещательными сетями, стало введение режима работы без обратного канала (receive-only mode), допускающего прием сервисов FeMBMS без SIM-карты. Другими словами, стал возможен бесплатный прием услуг, причем не только сотовыми приемниками, но и телевизорами.

Для самих приемников были разработаны интерфейсы MBMS-API, упрощающие доступ к услугам FeMBMS.

Однако специалисты по-прежнему предвидят сложности реализации режима FeMBMS из-за того, что общая синхронизация сот выполняется с помощью общих для всех каналов LTE подкадров (рис. 2). А циклический префикс в этих подкадрах не превышает 16,6 мкс, против 200 мкс, заложенных для FeMBMS. Насколько эти опасения обоснованы, будет понятно, когда начнутся тесты этого режима. А ожидаются они в ближайшем будущем.

Ту же технологию FeMBMS предполагается перенести и на сети пятого поколения (5G).

Разработка и стандартизация 5G

Термин 5G используется для обозначения широкого спектра технологий, создаваемых для будущих сетей связи.

Помимо консорциума 3GPP, разработкой и тестированием технологий 5G занимается Международный союз электросвязи (МСЭ), вернее, реализуемый в его рамках проект IMT 2020. Аббревиатура IMT расшифровывается как International Mobile Telecommunication, а 2020 указывает на год, в котором ожидается выход готовой технологии. Взаимодействие между этими двумя организациями — двустороннее. Компании, входящие в IMT 2020, занимаются разработкой и тестированием разных технологических опций. В эту работу вносят вклад и другие группы, но IMT 2020 — самая значимая. 3GPP учитывает результаты наработок и тестов при подготовке своих стандартов, которые, в свою очередь, ратифицируются как часть стандарта IMT-2020.

Сферы применения 5G

Области применения будущего стандарта очень широки. В качестве основных обычно выделяются следующие: высокоскоростной беспроводной Интернет, узкополосная передача данных, например межмашинное взаимодействие (M2M), тактильный Интернет (актуальный, например, для удаленной медицины), сверхнадежная связь с низкой задержкой (Ultra-Reliable Low-Latency Communications — URLLC, необходима, например, для управления беспилотными видами транспорта), другие разновидности Интернета вещей, вещательные услуги.

Список предполагаемых применений диктует разработчикам множество требований, в том числе сложно совместимых между собой (рис. 3). Это малая задержка передачи, высокая надежность каналов, низкая стоимость устройств и экономичное потребление (особенно актуально для M2M-приложений), поддержка стандарта множеством разнородных устройств.

Для выполнения поставленных задач понадобятся сетевые инфраструктуры, существенно отличающиеся от сегодняшних. Многие специалисты предполагают, что из-за больших объемов данных, которые будут передаваться по сетям 5G, значительная их часть будет занимать миллиметровый диапазон. А это, в свою очередь, приведет к многоуровневой структуре размещения базовых станций. Первый уровень, возможно, будет схож с сегодняшними LTE-сетями. Второй уровень будет отличаться значительно большей плотностью базовых станций, точки доступа будут располагаться с шагом 50 метров, и вероятный диапазон работы сот этого уровня — около 6 ГГц. Третий уровень составят внутридомовые точки, которые будут устанавливаться через каждые несколько метров и работать в районе 60 ГГц. Архитектура сети тоже очевидно изменится. Ожидается массовое появление ячеистых (mesh) архитектур, самоорганизующихся сетей (SON) и прямого обмена между устройствами. Кроме того, для 5G будет типично использование антенных систем MIMO и антенн с адаптивным формированием многослойных лучей (рис. 5). Для сетей 5G разработаны новые варианты полнодуплексных протоколов, РЧ-каналы получат более высокие уровни модуляции и эффективные схемы помехоустойчивого кодирования.

Чтобы структурировать набор задач, Международный союз электросвязи (МСЭ) разделил все многообразие сервисов 5G на три категории, различающиеся требованиями к сети и типами терминалов.

Первая — enhanced Mobile Broadband (eMBB) — расширенный мобильный широкополосный доступ. Она включает все приложения, рассчитанные на прием смартфонами и другими абонентскими терминалами.

Вторая категория — уже упомянутая сверхнадежная связь с низкой задержкой (URLLC), ориентированная на беспилотные средства связи и некоторые промышленные приложения.

Третья — массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, MMTC). Это область Интернета вещей бытового применения, в которой в качестве устройств выступают сенсоры.

Эти категории планируется вводить поэтапно, начиная с первой, и именно к ней относятся передача мультимедиа и вещание. Тем не менее и для этой области технологии будут создаваться постепенно. В частности, пока что для реализации вещания предполагается использовать все ту же технологию FeMBMS. Она будет включена в релиз 15-го стандарта 3GPP, который должен выйти осенью 2018 года, включена уже под маркой «5G». Новую версию вещательной технологии специалисты ожидают не раньше, чем в 17-м релизе стандарта.

Технологии 5G

А пока разрабатываются базовые технологии для РЧ-сетей 5G. Они получили название New Radio (NR). В декабре 2017 года появилась первая версия спецификации, регламентирующая работу NR с опорной сетью LTE. В марте 2019 года ожидается появление автономной версии NR. Она получит опорную сеть нового поколения, которая, впрочем, будет работать и с сотами LTE.

В таблице 1 приведены основные характеристики LTE и первой версии NR. Как можно заметить, для NR существенно расширены рабочие диапазоны частот и сильно увеличена возможная ширина транспортной полосы.Кроме того, в NR заложены более богатые возможности перестройки лучей и более продвинутый режим MIMO.

Что же касается защитного интервала, то он такой же, как в базовой версии LTE. Циклический префикс в NG-спецификации такой же или меньше, чем в LTE. В то же время спецификация NG не исключает расширений, позволяющих формировать соты большего размера.

В конце июня 2018 года появилось сообщение о начале работы первой коммерческой сети пятого поколения. Ее запустил финский сотовый оператор Elisa, который уже готов продавать подписки. Не очень понятно, правда, кто может стать абонентом этой сети прямо сейчас, но начиная с 2020 года ожидается появление соответствующих абонентских устройств и бум подключений. И по плану EC к 2025 году сеть 5G должна появиться во всех городах Европейского Содружества.

Сотовые сети против вещательных

Если с ОТТ-платформами операторы вещательных сетей бьются за клиента, то с сотовыми операторами в большей мере — за частотный ресурс.

Напомним хронологию событий. До 2007 года дециметровый диапазон 470—862 МГц был почти в безраздельном распоряжении ТВ-вещания, конкуренцию ему составляли только беспроводные микрофоны. Однако на Всемирной конференции радиосвязи (ВКР) 2007 года было решено верхнюю часть диапазона, 790—862 МГц, на первичной основе отдать сотовым операторам. Другими словами, вещатели могли продолжать работу в этом диапазоне, только если на их частоты не претендовали сотовые операторы и они не создавали помех в сотовой связи. Это решение должно было вступить в силу в 2015 году, однако ВКР-2012 внесла коррективы в ход событий. По инициативе ряда стран было решено потеснить вещателей еще больше, выделив диапазон 690—790 МГц для совместного использования вешателями и сотовыми операторами на первичной основе. Но быстро стало понятно, что такой подход не способствует эффективному использованию спектра. Из-за различий архитектур вещательных и сотовых сетей обеспечить их сосуществование в одном диапазоне, так чтобы они не создавали друг другу помех, практически невозможно. Поэтому на ВКР-2015 было решено пока оставить диапазон 690—790 МГц за вещателями, но через одну конференцию, а именно, на ВКР-2023, глобально пересмотреть распределение спектра с учетом новых реалий. Не исключено, что будет взят курс на отказ от вещания в дециметрах — этот вопрос официально занесен в повестку дня ВКР-2023.

В конце 2016 года Еврокомиссия приняла решение до 2030 года сохранить в Европе диапазон ниже 700 МГц за вещательными сервисами. Однако решение сопровождалось важной оговоркой о технологической нейтральности организации вещательных услуг. Таким образом сотовые операторы смогут претендовать на диапазоны, защищенные решением Еврокомиссии, если заявят, что будут использовать их для вещательных услуг.

Поэтому неудивительно, что консорциум DVB, занимающийся разработкой транспортных стандартов для вещания, озабочен поисками места для вещательных технологий в будущей реальности. Для этого надо интегрировать вещательные сети в инфраструктуру и сотовых сетей. Самая перспективная идея, которую продвигают члены консорциума и ее разработчик профессор Ульрих Реймерс (Ulrich Reimers) из Брауншвейгского технического университета (Technische Universität Braunschweig), получила название Tower-Overlay. Ее общие принципы были сформированы в 2012 году. С тех пор был выпущен 14-й релиз 3GPP, усовершенствовавший режим eMBMS и добавивший в спецификации некоторые инструменты, заложенные в Tower-Overlay. Тем не менее в Браунгшверском университете считают, что Tower-Overlay будет полезно интегрировать и в сети 5G.

Исходный посыл для внедрения этой технологии заключается в том, что вещательные сети значительно более эффективны для передачи ТВ-услуги большому количеству абонентов одновременно. И дело не только в том, что доставка займет только одну частоту. Это справедливо и для всех версий MBMS. Главное, что для вещательного режима неоптимальна сама архитектура сотовой сети, с маленькими сотами и маломощными передатчиками. Такую архитектуру характеризуют аббревиатурой LTLP (Low Tower, Low Power). В то же время вещательные сети относятся к категории HTHP (High Tower, High Power) (рис. 6). Такая топология позволяет покрыть вещанием большую территорию с гораздо меньшими затратами.

Идея технологии заключается в совместном использовании сотовой и вещательной сетей со статическим или динамическим разделением спектра. При превышении определенного количества абонентских запросов ТВ-каналы и востребованный VOD-контент выгружаются из сотовой сети в вещательную, и в сотовой при этом формируется сигнализация, информирующая приемники о том, какой контент в данный момент выгружен.

ТВ-потоки, выгружаемые в вещательную сеть, предлагается передавать не в классических кадрах DVB-T2, которые не могут быть приняты сотовыми модемами, а в FEFs (Future Extension Frames) — кадрах, заложенных в стандарт для передачи по каналам DVB-T2-сигналов другого формата. По своим задачам формат FEF аналогичен режиму Transport Only в FeMBMS, но с той разницей, что применение FEF позволяет часть транспортного потока сохранить для традиционного вещания, мультиплексируя его с сотовым сигналом по времени (рис. 7). Помимо применения FEF, требовалась также небольшая модификация LTE-модема. С появлением FeMBMS сотовый сигнал от DVB-T2 стал отличаться еще меньше и совместить обе технологии стало еще проще. По мнению специалистов Брауншвейгского университета, вещательная сеть органично дополнила бы трехуровневую архитектуру сети 5G, о которой шла речь выше. Она могла бы стать нулевым уровнем. Ряд тестов показал жизнеспособность этого решения, вопрос только в том, заинтересуется ли индустрия сотовой телефонии подобной интеграцией.

Теги