5G广播是什么？它有可能取代ATSC 3.0吗？

　　道格·伦格

　　美国消费技术协会（CTA）估计，到2025年，美国天线市场的总规模将超过5300万户家庭，这证明了美国人对收看无线电视的兴趣依然增长。虽然ATSC 3.0的建设仍在继续，但“5G广播”这个新概念现在被认为是大功率、高塔“下一代”电视广播的另一种选择。

　　美国已经有一个试验性的5G广播电视台播出（7月宣布的新罕布什尔州威斯特摩兰WWOOLD），而世界其它地区的广播电视公司正在测试5G广播部署。它会取代ATSC 3.0成为“下一代”电视广播技术吗？在我看来，主要因素将是消费者和广播电视公司是否会放弃无线电视，转而支持互联网上的流媒体节目。

　　5G广播主要针对移动设备，在这个领域，视频分发的数据容量仍然是一个问题。到目前为止，消费者接受ATSC 3.0限于固定电视机。虽然越来越多的人不再使用有线电视，用（或重新找回）无线电视，但这些电视机中有更多只连接到互联网，而不是连接到天线。

　　在很大程度上控制着美国移动设备分销的无线通信运营商，他们会在没有政府命令的情况下准许接收5G广播吗？而如果有政府指令，也许该指令可能要求的是准许ATSC 3.0设备接收5G广播。

　　这就提出了一些问题：哪种技术更好？哪个更容易实现？我将提供一些信息和资源链接来帮助您回答这些问题。

　　3GPP标准

　　当前的5G广播是在3GPP第17版中定义的。

　　目前的标准具有支持大功率、高塔广播的特性。这些特性包括只接收模式ROM（不需SIM卡）和长达200微秒的循环前缀，允许单频网（SFN）中发射站之间的距离更大。

　　5G广播信号的主要组成部分是包含PBCH（物理广播信道）的CAS（小区捕获子帧）、PDCCH（物理下行链路控制信道）和解码PMCH（物理多播信道）所需的PDSCH（物理下行链路共享信道）。为了接收5G广播信号，接收器必须能够解码PBCH、PDCCH、PDSCH和PMCH。

　　PBCH、PDCCH和PDSCH是与ATSC 3.0中的L1-basic和L1-detailed引导信号可比的控制信道，而PMCH类似于ATSC 3.0中的PLP子帧。这些组成部分的编码和调制决定了系统的鲁棒性和容量。

　　5G广播硬件/软件

　　罗德与施瓦茨公司开发了一个5G广播平台，已在全球范围内进行测试。图1摘自公司尼克·季米特拉科普洛斯博士的“车用5G汽车”演讲，显示R&S BSCC2.0（广播服务和控制中心）将R&S SDE900（用于产生ATSC 3.0信号的同一信号设备）产生的信号馈送到TCE901激励器和THU9evo发射机。

　　除了BSCC2.0之外，这种配置对美国广播公司来说很熟悉。图2来自BSCC2.0产品手册，显示了该装置的内部结构。

　　开源的5 G 无线通信平台OpenAirInterface5g计划开发了一种软件，可以在基于UHD/USRP的SDR上运行。

　　图3显示一个使用两个EttusB210 S DR的系统，与G N URadio ATSC 3.0发射机中使用的型号相同。

　　5G广播与ATSC 3.0性能比较与前面描述的5G广播系统一样，ATSC 3.0具有允许接收器锁定频道，获取有关如何调谐频道和解码数据的信息的元素。这些元素的实现方式会影响不同条件下的性能。

　　《I E E E广播》杂志论文“ATSC 3.0和用于移动手持应用3GPP Rel-17 5G广播系统的评估”中表11显示了ATSC 3.0在TU-6、印度城市、印度农村和首尔-SFN-3频道上的性能提升，这是在3、40和120千米/小时的速度下的理想估计和线性估计。

　　与5G PBCH相比，ATSC 3.0引导信号的性能增益从最坏情况下的-4.1dB（对120千米/小时速度TU-6频道的线性估计）到最佳情况下的+10.5dB（对3千米/小时速度首尔-SFN-3频道的线性估计）变化。在24种情况中，有20种情况的引导信号性能优于PBCH。

　　PDSCH与L1-Detail的比较表明，ATSC 3.0的性能增益在-3.0dB到+5.0dB之间变化。在24种情况中的3种情况中，PDSCH是不可解码的。L1-Detail在24种情况中的8种中比PDSCH差，尽管其中6种情况中的差异小于1dB。

　　当将ATSC 3.0子帧与PMCH进行比较时，子帧在每个信道的5Mb/s、10Mb/s和15Mb/s表现更好，PMCH在15Mb/s的24种情况中有8个种不可解码。性能增益从120千米/小时10Mb/s TU-6频道的+15dB线性估计到3千米/小时和40千米/小时10Mb/s的+0.6dB理想估计。

　　此IEEE论文中讨论的研究解释ATSC 3.0的性能增益来自其优越的BICM（比特交织编码调制）成分，以及根据传播信道情况的时间交织器。在高移动性的非视距信道中，引导信号表现比PBCH差，但在其它情况下引导信号有更好的表现。在PDSCH的比较中，L1-Detail在视距上表现更好，但在非视距情况下PDSCH能够利用两种PDSCH结合提供的分集性。

　　实际影响：5G广播与ATSC 3.0

　　广播公司拥有ATSC 3.0传输基础设施，但目前除了固定电视机和网关设备之外，没有其它消费设备。高通正在向其移动设备芯片组增加5G广播支持，但目前还没有支持5G广播的设备可供消费者使用。原型设备可用于这两个标准。消费者什么时候能购买到这些设备？

　　ATSC 3.0广播已经在美国70多个市场播出。目前，美国只有一个5G广播电台，即前面提到的试验性LPTV。5G媒体行动小组的网站上有5G广播试验的详细信息，以及5G广播参考工具的GITHUB链接。预计在2023年IBC展会上将听到更多关于全球5G广播部署的消息。

　　5G广播可以建立在现有的调制解调器和5G移动设备部件上。因此，制造商在移动设备上实现它相对容易。ATSC 3.0具有不兼容的物理层，需要额外的硬件，这意味着移动设备有额外成本。ATSC3.0的许多性能优势来自于需要更多内存的时间交织。我不了解电视机中的5G功能。如果电视机需要5G广播，成本是多少？

　　《IEEE广播杂志》论文显示，ATSC 3.0在网络部署方面具有显著的成本优势——等效或更好的覆盖所需的发射机较少。这对美国重要吗？

　　5G广播和ATSC 3.0在一起

　　如果最终的情况是，5G广播可以在新移动设备上使用，但不能在电视机上使用，而ATSC 3.0可以在电视机上使用，但不能在移动设备上使用，将会怎样？那在汽车上呢？我们已经看到人们对使用ATSC 3.0向汽车分发内容的兴趣，正如IEEE论文中所示，ATSC3.0在这方面具有性能优势，但如果5G无线设备已经在车中，这可能会给5G广播带来优势。

　　一种解决方案是电视台在同一频道上同时传输5G广播信号和ATSC 3.0信号。这将需要使用时分复用（TDM）以共享频道。2023NAB展会上有这方面的演示。

　　为此，ATSC 3.0或5G广播标准中的任意一个或两个都需要改变其帧结构。鉴于已经在使用的ATSC 3.0电视机的数量，对该标准的任何更改都必须与现有电视机兼容。

　　它会成为现实吗?

　　FCC的规定要求广播公司至少向公众提供一个标准清晰度的免费频道。在向ATSC 3.0转换期间，FCC要求广播公司确保所有观众都能收看节目，包括在ATSC 1.0上同播。FCC不太可能允许广播公司同时关闭ATSC 1.0和ATSC 3.0，并在短期内转向5G广播。假设对无线电视的兴趣持续，ATSC 3.0电视机的数量将不断增加，从而使全面过渡到5G广播变得困难。

　　若无新的频谱，我预计在足够的ATSC 1.0频谱转移到ATSC3.0以便与ATSC 3.0共享频谱之前，美国广播频段上不会有大量的5G广播信号。到那时，一些电视台可能会完全转向5G广播，而其它电视台则在ATSC 3.0频道上播放节目，类似于现在电视台向ATSC 3.0过渡的方式。电视台也可以使用时分复用共享ATSC 3.0和5G广播之间的频道。两者都假定FCC会批准。

　　罗德和施瓦茨在他们的演讲中描述的5G广播/多播未来的几个愿景可以应用于ATSC 3.0系统。最终，选择可能不仅取决于技术，还取决于市场营销、商业计划和消费者偏好。

　　5G广播正在不断发展。3GPP版本18和19应该使大功率、高塔广播公司更容易开始5G广播，当（和如果）移动设备上可接收5G广播时，要么单独自己广播，要么与ATSC 3.0时间共享。

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