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技術探索

eMBMS系統架構與5G Broadcast技術發展介紹

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 徐國晃、林萬怡、王玉喆、嚴育岱


3GPP標準組織正在制定5G Broadcast(Multicast Broadcast Service, MBS)相關標準。

3GPP標準組織於Release 14即開始針對C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything)通訊技術制定了2種方式,一個為基於LTE Broadcast之eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services)技術,另一個為PC5 Direct Communication技術。與PC5相比,LTE Broadcast相對成熟,並且適用於V2N (Vehicle to Network)通訊模式。

本文將說明eMBMS系統中其頻譜資源管理之機制,以及在單頻網MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network)傳輸的涵蓋區域下,基地台彼此如何達到資料同步傳送的SYNC Protocol機制。另針對3GPP標準組織正在制定的5G Broadcast相關議題做一介紹。

精彩內容

1. eMBMS頻譜資源管理機制
2. 基地台同步傳送SYNC Protocol機制
3. 5G Broadcast相關議題

eMBMS技術 

在行動通訊系統中,eMBMS是一種點對多點服務,其中數據資料是從一個來源實體傳輸給多個接收者,其優點在於eMBMS服務可以共享網路和無線頻譜資源。對於V2N於特定數據傳送的情境中,如車輛偵測到之狀態和判別之結果,車輛有可能需要同時將資料傳輸給後台網路和周圍車輛,這時基於eMBMS小範圍的點對多點廣播傳輸系統將遠勝於點對點單播的傳輸方式。

eMBMS技術在3GPP標準中可分為兩種模式,群播廣播單頻網(MBSFN)及單細胞之點對多點傳輸(SC-PTM),兩者差異在於MBSFN會使範圍內的基站同時廣播相同數據資料,因此能有效率的運用頻譜資源;反之SC-PTM可在不同基站廣播不同資訊。在應用上,當特定區域內需要不同的服務時,可利用SC-PTM彌補MBSFN不能夠彈性調整的部分。

圖1為eMBMS網路架構,包括在核心網路中定義的eMBMS邏輯實體和在接取網中定義的動態管理功能實體,以及相關的控制與使用者介面。其中MCE、MBMS GW、BM-SC以及V2X Application Server為eMBMS特有的網路元件,過去這些元件放置於核心網路端,現在配合核心網路元件分散到Mobile Edge Computing(MEC)的發展趨勢,這些元件未來將會放置在MEC端。同時,V2X應用下所使用到的MBMS U-Plane元件也將成為Edge端應用軟體的一部份。

圖1 eMBMS之系統架構圖

eMBMS頻譜資源管理機制 

在eMBMS架構中,MCE元件扮演著分配頻譜資源的角色,當收到新的Session的請求時,會先判斷頻譜資源的使用狀況,在資源足夠的情況下,分配頻寬讓Session提供服務,並將分配的結果利用Scheduling Information訊息發送至基站。上述流程如圖2所示。

圖2 Session Start與Scheduling information流程圖

在Scheduling Information訊息中,利用MBSFN Area Configuration List欄位來設定頻譜資源的分配,詳細欄位如圖3所示。

圖3 MBSFN Area Configuration List欄位資訊表。

 

配置結果會先利用Common Subframe Allocation Period(CSA)設定頻譜資源分配的週期,並用Subframe Configuration規劃CSA中的哪些Subframes可供MBSFN服務使用,最後再以PMCH Configuration分配頻寬給各個服務。

在PMCH Configuration中利用AllocationSubframeEnd設定該組PMCH可使用的最後一個Subframe,MCE根據收到Session的QoS等資訊先判斷要將此服務歸類至哪一組PMCH設定,並計算預配置的頻寬大小,間接影響AllocationSubframeEnd設定,而每組設定會根據在List中的順序依序排列下去,以此來規劃每組PMCH可使用的最大頻寬;而MCH Scheduling Period(MSP)則代表基站發送MCH Scheduling Information (MSI)的週期,並且MSP的週期不能小於CSA的週期;最後再利用MBMS Session List設定哪些Session套用此PMCH設定,並設定使用的Logical Channel Identity。

一個Radio Frame中最多可設定六個Subframe作為MBSFN服務來使用,而Subframes Configuration中的欄位ChoiceSubframeAllocation可做此設定,1代表要做MBSFN服務,0則相反,並且可選擇Frame 1或4。以Frame 1作為說明,當選擇Frame 1並且設定011000,代表只有六個中的第二跟三個Subframe可做為MBSFN服務使用,如下圖4所示。

圖4 ChoiceSubframeAllocation欄位對照圖

接著,再利用RadioFrameAllocationPeriod及Offset來規劃這組設定要套用在CSA中的哪些Radio Frame上面。根據以上PMCH configuration, Subframe configuration以及CSA三個欄位,即可設定出該MBSFN area的頻譜資源分配方式,範例以Frame 4來說明,如下圖5所示。

圖5 Scheduling Information欄位資訊對照範例圖

 

最後,當頻譜資源不足時,可依據優先權等判斷條件終止某些服務,再將終止服務後釋放出的資源配置給優先權較高的服務,此時可利用Suspension Notification List來設定哪些服務要被終止。

 

SYNC Protocol運作機制 

為了實現MBSFN同步傳輸模式,基地台彼此間的無線訊框時序(Radio Frame Timing)必須是同步的,而目前同步機制是透過SYNC協定(SYNC protocol)來完成。如圖6所示,BM-SC會為每一個廣播群播封包加上一個SYNC標頭(SYNC header),並且該SYNC標頭內將包含有足夠的資訊,以幫助基地台決定何時傳輸該筆資料的無線傳輸訊框。

圖6 SYNC協定保證資料內文之同步性

在SYNC標頭中的時間標籤欄位(Timestamp),其長度為16位元,單位為10ms。這意味著它最多可以表示600+秒的時間。因此,時間標籤值只能表示核心網路(BM-SC/MBMS GW)與MBSFN區域中基地台之間的「相對時間」。因此需要定義一個方式,以便當基地台接收到SYNC封包時,它可以將時間標籤值轉換為絕對時間,並在下一個MCH排程週期中廣播封包內容。而為了實現核心網路和基地台之間的共用時間參考能正確的運作,需要在BM-SC和所有基地台中配置兩個參數T0與Tsp,其中T0為第一個同步週期的起始時間,Tsp為每一個同步週期的時間長度,Tsp的時間長度最多為600秒。若tc表示目前當下的時間,則目前當下的同步週期Tn的起始時間為Tn = tc – ((tc – T0) % Tsp)。SYNC封包中的時間標籤值tpdu則表示相對於目前當下同步週期開始的時間。因此,當基地台接收到SYNC封包時,它可以將該時間標籤值的實際時間計算為Tn + tpdu。然後,基地台將排程該封包內容以在最近的下一個MSP中廣播。

以上為BM-SC和所有基地台如何時間同步發送特定封包的基礎運作方式。然而,為了能更好地處理丟棄的封包,BM-SC不僅在從應用服務器接收到資料時發送每個封包,並用接收它們的相對時間標記它們。BM-SC也將每個同步週期細分為多個等間隔的同步序列(SYNC sequence)。對於在同步序列內發送的所有資料流,它們都具有相同的時間標籤值ts,這是相對於目前當下同步週期起始時間的同步序列開始的時間。圖7為一範例說明。每個同步序列Tss的長度在BM-SC和MCE中配置。MCE應將MSP值設置為Tss的整數倍。此外,基地台並不需要關注同步序列的長度,因為它只是使用時間標籤值來確定應該將數據封包發送到哪個MSP。

圖7 同步週期與同步序列之範例

5G Broadcast相關議題 

3GPP標準組織正在制定5G Broadcast(Multicast Broadcast Service, MBS)相關標準,預定於Release 17釋出,目前包含基站、核網與終端等部分,雖然尚未有標準制定的內容,但在3GPP TR 23.757已有針對「使5G系統具備廣播服務的功能」探討系統需求與關鍵問題,底下將針對目前探討議題做一介紹。

圖8 MBS架構圖

基本系統架構需求的部分,根據23.757的內容,本解決方案應基於TS 23.501「System architecture for the 5G System(5GS)」,以提供包括新增功能的彈性和模組化的5G系統架構為原則,本系統應提供有效的各種多播和廣播傳輸服務,同時解決方案應將對現有外部服務的影響降至最低,並將連接到5GC的NG-RAN的NR視為RAT。

基本功能的部分應包含可選擇性地將5G MBS服務信息從應用程序/服務層傳遞到5GC、UE請求加入MBS服務(Join)、建立MBS傳輸(Establishment)、MBS數據傳送到UE (Transport)、UE停止接收MBS流(Stop Transport)、釋放MBS流傳輸(Release)等。資料傳輸的部分,如圖9所示可分成2個面向來探討,從核網的角度來看,MBS服務可能有2種傳輸方法,包含個別MBS流量傳輸方法:每個UE,都會建立MBS專用的PDU Session來接收MBS服務;以及共享MBS流量傳輸方法:多個UE共享同一個PDU Session來接收MBS服務。從RAN的角度來看,MBS服務亦有2種傳輸方法,包含點對點(PTP)傳遞方法與點對多點(PTM)傳遞方法。

圖9 傳輸方法原理圖

根據3GPP討論,5G MBS有下列幾點重要的關鍵問題

1.MBS會話管理
為了傳輸多播和廣播通訊服務的資料流,需要建立和維護MBS會話。本關鍵問題將研究(1)何時以及如何觸發MBS會話的建立?(2)何時以及如何觸發MBS會話的停用?(3)哪些網路功能負責建立和維護MBS會話(包括5GC與第三方之間的互動)?(4)哪些資訊/參數用於建立MBS會話(例如,與會話相關的ID、QoS訊息、廣播服務區域或多播服務區域等)?(5)當UE加入MBS多播會話時會向gNB提供哪些資訊?gNB如何將UE與已建立的MBS多播會話相關聯?(6)對於已建立的MBS會話,可以更新哪些資訊/參數(例如QoS訊息、廣播服務區域或多播服務區域等)?(7)哪些網路功能負責決定用於MBS會話的廣播或多播的服務區域?如何決定廣播或多播的服務區域(預先定義或是於正在進行的MBS會話期間確定)?

2.定義服務等級
設想5G系統可應用於不同的使用案例,在一些使用案例中,完整的5G系統可成為另一個系統的一部分,例如:為支援IPTV。5G系統可整合到IPTV網路中,從中接收多播資料,其中5GS的作用主要是提供廣播/多播服務的高效「透明」(transparent)傳輸。然而在垂直域(vertical domains)的使用案例中,「透明」模式是不可行的;為提供多播或廣播服務,應定義一種全服務模式(full-service mode)。本關鍵問題將研究5GS廣播和多播的服務分級,對於不同的服務等級,可以提供不同的解決方案作為其他關鍵問題的一部分。

3.多播通訊服務的授權等級
預期5GS將支援多播服務的不同使用案例。移動網路運營商(MNO)及應用服務提供商(ASP)可望為UE提供不同等級的授權(例如,在會話或服務等級)以存取多播通信服務,研究與討論的方向包含(1)定義和研究如何支援UE存取多播通訊服務所需等級的授權(2)UE如何加入/離開(包括授權或撤銷權限)多播通訊服務。

4.QoS分級對多播和廣播通訊服務的支援
不同的多播和廣播通訊服務可能有不同的QoS要求,對於此關鍵問題,將以TS 23.501第5.7節中所提到的QoS框架作為基準,內容包含(1)QoS要求,包括封包錯誤率(packet error rate)、延遲預算(delay budget)、MBR或GBR;(2)如何提供方法來支援已確定的QoS等級(3)由哪個NF決定多播和廣播服務的QoS等級(4)由哪個實體執行所需的QoS,以及如何實施。

5.支援廣播電視影片和無線電通訊服務
本關鍵問題主要討論(1)基於NG-RAN的E-UTRA,用以支援廣播電視、影片和無線電通訊(2)向未訂閱MNO的設備提供影像/電視/無線電廣播通訊服務;例如:免費電視頻道接收;在解決方案的部分有(1)透過純接收模式設備來支援免費電視頻道接收服務。(2)支援共享MBS功能以允許專用MBS網路(3)曝露MBS服務和傳輸(類似於對xMB外部參考點的支援)。

6.地區MBS服務
V2X或是公共安全等服務,會在特定區域、特別的時間以及特定的持續時間發生,同時也要考慮UE要支援為可接收其所在區域中可用的多播或廣播服務的。此關鍵問題的解決方案應考慮(1)需要額外的特定功能和信息(例如,廣播服務區域/多播服務區域的地理範圍)在5G系統中提供本地多播和廣播通信服務。(2)支持UE發現和接收5G系統本地可用的多播和廣播通信服務。

7.單播與廣播之間的切換可靠度
主要提供一個單播廣播之間切換的動態傳輸方法,以及多個UE基於不同位置或移動過程中,並非每個基站都支援廣播服務,因此在切換過程中UE有機會將原有應用從廣播中切換至單播。

8.單播與廣播之間的切換可靠度(與上述7.一樣的情境,但由不同公司提出)
主要討論啟動單播廣播傳輸模式切換的方法效率,以及在切換過程中確保應用服務的連續不中斷。

9.在NR/5GC和E-UTRAN/EPC之間切換時,減少公共安全服務的中斷
5G MBS服務如何在4G和5G網路之間的順利切換,考慮多個UE基於不同位置或移動過程中,因並非每個基站都支援廣播服務,所以在切換過程中UE有機會將原有應用從廣播中切換至單播。本問題討論的方向包含(1)允許5G系統向駐留4G和5G上的UE提供相同的MBS服務。(2)定義UE在4G和5G之間執行切換的流程。

eMBMS將創造更多低延遲應用服務

過往eMBMS主要用於影像串流服務,但隨著車聯網應用之興起,eMBMS之技術將朝向低延遲方向發展,如3GPP R15所提出Localized eMBMS function,包含核網功能元件MCE、MBMS GW、BM-SC以及V2X AS,及其各元件之U/C(User/Control)分離網路架構,以降低整體網路延遲,滿足更多車聯網安全應用之需求;而5G MBS服務的標準制定雖然還在進行中,相關的技術指標也還不明確,但可用的廣播服務頻寬至少會有5倍以上的預期成長,另外低延遲與終端Service flow的概念,未來將會更適合應用於車聯網等情境上,並且創造出更多低延遲應用的廣播服務。

參考文獻

[1] LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (3GPP TS 36.300 version 15.3.0 Release 15).
[2] LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M2 Application Protocol (M2AP) (3GPP TS 36.443 version 15.0.0 Release 15)
[3] MBMS Synchronization Protocol (SYNC) (3GPP TS 25.445 version 15.0.0 Release 15)
[4] LTE; Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on architectural enhancements for 5G multicast-broadcast services (3GPP TR 23.757 version 1.2.0 Release 17)

延伸閱讀