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
- eMBMS頻譜資源管理機制
- 基地台同步傳送SYNC Protocol機制
- 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
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