Công nghệ truyền hình qua mạng 5G - Fembms: Tương lai của truyền hình di động

Giải pháp công nghệ truyền hình qua mạng viễn thông di động 5G, còn được gọi là Dịch vụ phát sóng quảng bá đa hướng đa phương tiện tiên tiến nâng cao - FeMBMS (Further enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service) được chính thức đưa vào thử nghiệm sau khi tiêu chuẩn được ban hành vào tháng 6/2017 trong bộ tiêu chuẩn 3GPP phiên bản 14. Trong bộ tiêu chuẩn này, giải pháp công nghệ FeMBMS được sử dụng để hỗ trợ thiết bị người dùng di động LTE (như điện thoại thông minh và máy tính bảng) thu sóng phát thanh – truyền hình với các tùy chọn mới, với những ưu điểm như phát sóng từ các tháp phát sóng công suất cao (HPHT), băng thông rộng hơn, hoạt động không cần thẻ SIM.

Lịch sử hình thành

ịch sử hình thành Thực tế, FeMBMS không phải là một công nghệ mới. Ban đầu, Dịch vụ phát sóng quảng bá đa hướng đa phương tiện MBMS (Multimedia Broadcast - Multicast Service), được Diễn đàn Tiêu chuẩn hóa Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) chuẩn hoá trong tiêu chuẩn của mạng 3G từ năm 2006. MBMS được thiết kế để cung cấp các dịch vụ quảng bá và phát đa hướng, cả trong một tế bào mạng di động cũng như trong mạng lõi.

MBMS là một đặc tả kỹ thuật giao diện điểm - đa điểm cho các mạng di động thuộc tiêu chuẩn cho các dịch vụ phát quảng bá/đa hướng trong GSM/UMTS và CDMA2000. MBMS chỉ giới thiệu những thay đổi nhỏ đối với các giao thức mạng vô tuyến và mạng lõi hiện có. Do đó, MBMS có thể được thực hiện bằng cách nâng cấp phần mềm thuần túy nói chung, miễn là phần cứng cung cấp đủ sức mạnh xử lý. Điều này giúp giảm chi phí thực hiện cả đối với thiết bị đầu cuối và trong mạng lõi. MBMS làm cho phát sóng di động trở thành một công nghệ tương đối rẻ, nếu so với các công nghệ phát sóng truyền hình khác đòi hỏi phần cứng máy thu mới và sự đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng mạng mới.

Sau đó, bước phát triển kế tiếp là Dịch vụ phát sóng quảng bá đa hướng đa phương tiện nâng cao eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Service), được mô tả lần đầu trong 3GPP phiên bản 9, hoàn thiện tại 3GPP phiên bản 13. 3GPP đã chuẩn hoá công nghệ phát sóng quảng bá trong 4G LTE với tên gọi Dịch vụ đa phương tiện phát đa phương tiện tăng cường (eMBMS), hay còn gọi là LTE Broadcast. Công nghệ này cho phép một số lượng người dùng di động vô hạn tiêu thụ cùng một nội dung cùng một lúc, nhưng chỉ sử dụng một lượng tài nguyên mạng cố định.

Với eMBMS, tối đa 60% dung lượng mạng có thể được phân bổ cho các dịch vụ phát sóng. Trong phạm vi băng thông được dành cho phát sóng, các nhà khai thác có toàn quyền kiểm soát nội dung sẽ được phát. eMBMS có giao diện điểm - đa điểm được sử dụng cho các dịch vụ di động, nhưng được thiết kế để cải thiện hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ quảng bá và phát đa hướng.

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của chuẩn di động 4G LTE và 5G, tiêu chuẩn eMBMS dần được bổ sung, nâng cấp phù hợp, dẫn đến sự hình thành của tiêu chuẩn FeMBMS tiên tiến hơn.

FeMBMS - 3GPP Phiên bản 14

Nhu cầu phát triển một nền tảng truyền hình qua mạng di động hiệu quả hơn tiếp tục dẫn đến việc phát hành tiêu chuẩn 3GPP Phiên bản 14 vào năm 2017. Phiên bản 14 là một sự cải tiến đáng kể của các phiên bản eMBMS trước đó và do đó được gọi là Dịch vụ phát quảng bá và đa hướng đa phương tiện tiên tiến nâng cao - FeMBMS. Thay vì chỉ có 60% dung lượng được dùng để truyền các dịch vụ truyền phát như eMBMS, FeMBMS cho phép tối đa 100% dung lượng dành riêng cho các dịch vụ phát sóng. Bước tiến lớn từ eMBMS này đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng tăng của các đài truyền hình về tiềm năng của FeMBMS.

FeMBMS là tiêu chuẩn công nghệ băng rộng di động đầu tiên kết hợp chế độ truyền phát được thiết kế để cung cấp dịch vụ phát sóng mặt đất từ cơ sở hạ tầng tháp phát sóng công suất cao (HPHT) thông thường. FeMBMS cơ bản dựa trên kỹ thuật OFDM, giống như các dịch vụ phát sóng quảng bá khác như DVB-T2 và ATSC 3.0… Đối với lớp vật lý, các cải tiến chính trong FeMBMS là hỗ trợ khoảng cách giữa các site lớn hơn cho các mạng đơn tần và khả năng phân bổ 100% tài nguyên cho phát sóng, với tín hiệu độc lập ở đường xuống. Từ góc độ kiến trúc hệ thống, chế độ chỉ nhận của FeMBMS cho phép nhận tín hiệu miễn phí (FTA) mà không cần đường lên hoặc thẻ SIM, do đó nhận nội dung mà không cần đăng ký thiết bị người dùng với mạng. Các chức năng này chỉ có trong thông số kỹ thuật của LTE Advanced pro được gọi tên mới là 5G New Radio (NR), được chuẩn hóa trong 3GPP từ Phiên bản 15, cho đến nay vẫn tập trung hoàn toàn vào truyền dẫn đơn hướng.

Thiết kế của FeMBMS trên thực tế vẫn dựa trên các tiêu chuẩn OFDM khác như DVB-T2 và ATSC 3.0. Bảng 1 minh họa các đặc tính OFDM cho FeMBMS, so sánh với eMBMS.

Trong các bản phát hành trước đó, CP của eMBMS bị giới hạn ở 33µs. CP thấp hơn đã hạn chế việc tạo ra các SFN lớn hơn đối với các mạng di động hoặc mật độ của các tháp năng lượng thấp LPLT. Tuy nhiên, việc triển khai các SFN lớn hơn hiện có thể thực hiện được với FeMBMS mới nhất, vì hiện tại nó có khoảng bảo vệ mở rộng hơn (GI) lên tới 20033us và tỷ lệ GI là 1/4. Dung lượng của FeMBMS được phân bổ trong các khối tài nguyên (RB) và các tùy chọn băng thông nằm trong khoảng từ 1,4 đến 20 MHz. Nó có một số lượng lớn các tùy chọn dung lượng từ sự kết hợp của các tốc độ mã và điều chế khác nhau (cụ thể là QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM).

Từ quan điểm của lớp vô tuyến, các cải tiến quan trọng nhất của FeMBMS so với eMBMS là: (i) khả năng thiết lập các sóng mang FeMBMS chuyên dụng phân bổ tới 100% tài nguyên vô tuyến cho phát sóng mặt đất (nghĩa là không có ghép kênh theo tần số hoặc thời gian với các tài nguyên phát đơn hướng trong cùng khung), tín hiệu độc lập và thông tin hệ thống trong đường xuống; (ii) một khung thứ cấp mới, giảm chi phí do không chứa vùng kiểm soát phát đơn hướng; và (iii) hỗ trợ khoảng cách lớn hơn giữa các site trong mạng đơn tần, đạt hiệu quả phổ cao hơn với một số học mới - khoảng cách sóng mang con (SCS) 1,25 kHz và tiền tố lặp (CP). Các thay đổi số học mới có ý nghĩa nhất là thời lượng ký hiệu OFDM dài hơn, chiếm một khung thứ cấp, điều này dẫn đến việc phải thiết kế cấu trúc khung thứ cấp mới, được gọi là CAS (Cell Acquisition Subframe).

Những thay đổi này đã dẫn đến một hệ thống giống như các hệ thống phát sóng mặt đất kỹ thuật số khác như DVB-T/T2, ATSC 3.0 hoặc DAB/DAB+. Ngoài nội dung phát sóng, các thuê bao băng rộng di động có thẻ SIM có thể tận hưởng các dịch vụ phong phú khi kết hợp với phát đơn hướng độc lập để tương tác, tương tự như các bộ HbbTV (Truyền hình phát sóng lai) thông thường.

Một số ưu điểm của FeMBMS, đó là: Sử dụng được tối đa 100% dung lượng mạng để truyền phát; Tận dụng phổ tần số hiệu quả hơn; Khoảng cách giữa các site lớn hơn, cho vùng phủ sóng lớn hơn; Có thể truyền tải hỗn hợp MBMS/unicast; Chế độ truyền dành riêng MBMS; Có chế độ chỉ nhận và khả năng phát quảng bá miễn phí.

Hoạt động thử nghiệm truyền hình di động eMBMS/FeMBMS trên thế giới

Hiện tại, một thử nghiệm thực địa 5G lớn của châu Âu đang được thiết lập theo dự án nghiên cứu của CHLB Đức tại vùng Bavaria có tên "5G TODAY". Dự án được tài trợ bởi Chính phủ Đức, với sự tham gia của các doanh nghiệp và viện nghiên cứu hàng đầu của Đức như Bayerischer Rundfunk, Viện nghiên cứu công nghệ phát sóng truyền hình Đức, Kathrein, Rohde & Schwarz và Telefónica Deutschland. Các đơn vị này đang trong quá trình nghiên cứu mô hình FeMBMS trong mạng vô tuyến 5G để phát sóng truyền hình quy mô lớn. Thử nghiệm 5G được thực hiện ở vùng núi cao Bavaria, được phủ sóng bởi 02 máy phát hiệu suất cao tại các địa điểm phát của BR ở Ismaning gần Munich và trên đỉnh núi Wendelstein. Cả hai đều hoạt động với công suất 100 kilowat ERP. Với sự trợ giúp của HPHT, việc phát sóng các kênh truyền hình trên các khu vực rộng lớn có thể được thử nghiệm dựa trên chế độ phát sóng FeMBMS. Chế độ này cho phép phân phối nội dung sâu rộng trên các khu vực có phạm vi bao phủ lớn với bán kính lên tới 60 km.

Hoạt động thử nghiệm của 5G Today kết thúc vào ngày 31/10/2019. Kết quả của thử nghiệm được đánh giá tốt, với hầu hết các khu vực của thử nghiệm đều thu được sóng truyền hình di động có chất lượng tốt. Thử nghiệm cho thấy FeMBMS có thể đạt được các tính năng tương đương với hệ thống phát sóng quảng bá truyền thống. Kết quả của thử nghiệm này đã tạo cơ sở quan trọng cho việc chuẩn hoá đối với phát sóng quảng bá 5G hiện đang được xây dựng.

Tại Anh, Chính phủ đã tài trợ dự án 5G RuralFirst, cung cấp các thử nghiệm để khai thác lợi ích 5G nhằm phục vụ các cộng đồng người dân ở nông thôn và các ngành nông nghiệp, phát thanh truyền hình và dịch vụ công ích. Tại Italia cũng đang triển khai mạng phát quảng bá 4G/LTE độc lập ở thung lũng Aosta, với cấu hình mạng phù hợp và các công nghệ truyền dẫn khác nhau như DVB-T2 và/hoặc 3GPP Phiên bản 14 FeMBMS. Dự án này cho phép mạng LTE eMBMS độc lập được triển khai trên cơ sở hạ tầng phát sóng mặt đất; Phân phối truyền hình trực tiếp thông qua LTE eMBMS đến các thiết bị di động.

Hiện trạng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, tuy chưa có doanh nghiệp nào cung cấp dịch vụ FeMBMS, hay eMBMS, nhưng theo kết quả từ những thử nghiệm trên thế giới, tiềm năng của FeMBMS có thể được ứng GI [µs] Tu [µs] Phân đoạn Chiều dài GI [km] 4.7/5.2 66.7 1/12-13 1.4 Tiền tố lặp hạn chế trong eMBMS 16.7 66.7 1/4 5 33.3 133.3 1/4 10 200 800 1/4 60 Được mở rộng trong FeMBMS GI: khoảng bảo vệ Tu: Chiều dài ký tự Hình 2. FeMBMS trong mạng LTE/EPC với kiến trúc HPHT Số 7+8 tháng 7.2020 111 dụng để bổ sung cho hệ thống truyền hình quảng bá mặt đất DVB-T2 tại các khu vực chưa có sóng truyền hình, với việc tận dụng hạ tầng viễn thông 4G hiện đang được trải rộng khắp. Hiện tại, nhiều khu vực vùng sâu vùng xa của Việt Nam chưa có sóng truyền hình mặt đất, hiện phải sử dụng sóng truyền hình vệ tinh để thay thế, nhằm đạt mục tiêu vùng phủ sóng truyền hình cho người dân. Ngoài việc đầu thu vệ tinh cần có hệ thống ăng ten cố định, cồng kềnh, thì việc tín hiệu vệ tinh bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố thời tiết cũng là hạn chế. Việc sử dụng hệ thống truyền hình mặt đất vẫn là phương án cho chất lượng tốt nhất. Thay vì phải đầu tư một hệ thống phát tín hiệu truyền hình mặt đất như DVB-T2 gồm cột ăng ten, máy phát, thiết bị ghép kênh, truyền dẫn… chỉ dành mục đích duy nhất là phát tín hiệu truyền hình, thì với công nghệ FeMBMS, sử dụng ngay hạ tầng 4G/5G có sẵn mà không cần đầu tư thêm nhiều. Dung lượng mạng để truyền phát có thể được tận dụng linh hoạt, khi ở vùng sâu vùng xa, nhu cầu xem truyền hình cao hơn nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu, thì các trạm phát có thể tối ưu cho phát sóng quảng bá FeMBMS, ngược lại tại các khu vực có nhu cầu xem truyền hình thấp, hoặc chỉ cần phát quảng bá theo một khung thời gian cụ thể như tại các sự kiện, thì có thể cấu hình ưu tiên phát 4G/5G. Có thể thấy, với lợi thế là công nghệ hội tụ giữa viễn thông và truyền hình, tận dụng nền tảng hạ tầng viễn thông sẵn có mà không cần đầu tư thêm, khắc phục được các nhược điểm của các hệ thống truyền hình di động đã từng triển khai trước đây, thì FeMBMS trong tương lai sẽ hứa hẹn có khả năng ứng dụng cao tại Việt Nam.

Tương lai của truyền hình di động FeMBMS

Công nghệ FeMBMS hay 4G/5G broadcast, là một phần trong đặc tả kỹ thuật của mạng di động băng rộng 4G và 5G. Với việc sử dụng hạ tầng mạng viễn thông, FeMBMS được coi như là một dịch vụ gia tăng của mạng di động băng rộng, cung cấp dịch vụ truyền hình cho người xem qua các hình thức quảng bá hoặc theo yêu cầu. Cũng như dịch vụ truyền hình OTT, tiềm năng của FeMBMS có khả năng thay thế cho công nghệ phát sóng truyền hình truyền thống nhờ vào việc tích hợp các phương thức truyền dẫn từ quảng bá (broadcast) cho đến điểm - điểm (unicast), điểm – đa điểm (multicast), thích hợp để truyền phát các nội dung VoD cũng như truyền hình quảng bá đến các thiết bị di động đầu cuối của người xem. Khi xu hướng xem truyền hình di động mọi lúc mọi nơi của người sử dụng đang có ưu thế so với phương pháp truyền thống, thì công nghệ FeMBMS với sự tiện dụng từ nền tảng truyền dẫn mạnh mẽ, dung lượng lớn, tốc độ cao của 5G, cũng như tích hợp các tính năng VoD trên nền tảng số, hứa hẹn là sự thay thế hiệu quả cho truyền hình truyền thống.

Điểm mạnh của FeMBMS so với các công nghệ phát sóng truyền hình trước đó là khả năng linh hoạt của hạ tầng truyền dẫn, cũng như sự hỗ trợ từ trong chipset của các thiết bị di động (đây là tính năng có sẵn trong đặc tả của công nghệ 3G/4G/5Gthay vì phải tích hợp thêm chipset giải mã như DVB-H, T-DMB…). Thay vì phải có hệ thống truyền dẫn, phát sóng riêng biệt chỉ dành cho phát sóng truyền hình, thì FeMBMS có thể tận dụng hệ thống truyền dẫn băng rộng di động có sẵn để vừa cung cấp dịch vụ di động lẫn cung cấp các dịch vụ quảng bá, phát đa hướng, phát đơn hướng phục vụ cho phát thanh, truyền hình, hoặc xây dựng các tháp phát sóng HPHT để có vùng phủ rộng hơn. Việc không có nhiều thiết bị đầu cuối phổ biến hỗ trợ là một trong những nguyên nhân đối với các dịch vụ truyền hình di động như DVB-H, T-DMB không được phổ biến. Tuy hiện thời chưa có thiết bị thương mại nào tích hợp FeMBMS, nhưng với việc các thiết bị đầu cuối từ các nhà sản xuất thiết bị viễn thông lớn trên thế giới đều có xu hướng được tích hợp công nghệ này ngay trong chipset, eMBMS đã được tích hợp rộng rãi trong các điện thoại đầu bảng của các hãng lớn như Samsung, LG, cũng như các hãng sản xuất chipset di động hàng đầu như Qualcomm, Intel, MediaTek, và với sự hỗ trợ của phần mềm trung gian (Android, Expway eMBMS Middleware…) hoặc các phần mềm FeMBMS client, thì tương lai, sau khi chuẩn 5G được hoàn thiện, FeMBMS chắc chắn cũng sẽ được tích hợp tương tự.

Kết luận

Với công nghệ FeMBMS phát sóng quảng bá trên mạng 4G/5G hiện tại, có thể coi đây là dịch vụ phát thanh, truyền hình di động với hệ thống truyền dẫn phát sóng qua mạng viễn thông di động mặt đất. Với sự hội tụ của viễn thông và phát thanh truyền hình như xu thế hiện nay, cùng ưu điểm của mạng 5G cũng như công nghệ FeMBMS như trên, có thể thấy xu hướng các dịch vụ phát sóng truyền hình mặt đất hiện tại hoàn toàn có khả năng bị thay thế bằng FeMBMS và các công nghệ tương tự trong tương lai gần. Bên cạnh đó, xu hướng hiện nay là các doanh nghiệp viễn thông đã và đang sẵn sàng cạnh tranh trong lĩnh vực truyền hình, và ngược lại, các doanh nghiệp truyền hình cũng đang muốn vào khai thác thị trường viễn thông. Do vậy, việc quản lý giữa các dịch vụ viễn thông và phát thanh truyền hình sẽ ngày càng bị xoá nhoà ranh giới. Điều này đặt ra một thách thức không nhỏ đối với các nhà quản lý cần phải có những lưu ý về cơ chế, chính sách phù hợp trong tương lai để có thể theo kịp được sự phát triển này.

Tài liệu tham khảo 1.

Viavi Solutions Inc, LTE Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS), 2015.

2. Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; 5G; Release description; Release 14 (3GPP TR 21.914 version 14.0.0 Release 14).

 3. Multimedia Broadcast Multicast Services (MBMS) and Packet-switched Streaming Service (PSS) enhancements to support television services (3GPP TR 26.917 version 15.0.1 Release 15).

4. https://www.hindawi.com/journals/ijdmb/2009/597848/

5. http://5g-xcast.eu/wp-%20content/uploads/2018/06/ ieee_bmsb_roadst_broad cast_5g. pdf.

 6. https://www.progira.com/news/embms-fembms-5g-cutting-technical-jargon/; 7. https://5g-today.de

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT Số 7+8 Tháng 8/2020)