Вещание в сетях 4G/5G

Если в 2012 году передача видео 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.

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 пред¬усматривает 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.

 

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

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

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. Для сетей 5G разработаны новые варианты полнодуплексных протоколов, РЧ-каналы получат более высокие уровни модуляции и эффективные схемы помехоустойчивого кодирования.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!