【放送・映像サービスとIP技術】

ローカル5GによるIP放送実現に向けて～実証実験報告～2023/7/21
一般社団法人 日本ケーブルラボ
技術部 清水発表内容
1.背景
2.検討の内容
2.1 適応型MBMS
2.2 ローカル5Gシミュレータ
2.3 実証実験(1)無線区間検証(2)総合検証
3. まとめ日本ケーブルラボ5つの重点分野

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1．背景

背景

⚫ 集合住宅における新4K8K衛星放送視聴環境の整備のために棟内設備の広帯域化に関する改修が必要、過疎地域における共聴施設の老朽化対策が必要⚫ ローカル5Gを活用して、集合住宅/辺地共聴の引込線の無線化⚫ ローカル５ G による効率的なIP放送を標準化に沿って実現するた
め 適 応 型 MBMS 方式の新規調査研究を
総 務 省 か ら 2021 年
度に請負*（2022年度は実証実験）*ケーブルテレビネットワークの構築におけるローカル5G活用技術に関する調査研究32.1 適用型MBMS

MBMSの概要⚫ MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Service)とは– 3GPP移動体通信を介して、ブロードキャストおよびマルチキャストを実現する技術規格⚫ MBMS標準化動向– 3GPPの規格スケジュール期間(リリース)でMBMSの規格が更新
3GPP年
内容
リリース6

2005

MBMS規定(3G)

リリース9

2009

eMBMS規定(LTE)

リリース142017

FeMBMS規定(LTE Advance)

リリース162020

5G Broadcast(5G NR)

リリース172022

5G NR 小セル仕様

リリース182023予定5G NR 大セル仕様(検討中)⚫ ケーブル事業における多チャンネルIP放送への適用(インターネットサービスだけではない)– MBMSはケーブル事業においても多チャンネルIP放送技術として有効– ただし、帯域利用の効率化とQoS向上が必要(適応型MBMS方式)
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2.1 適用型MBMS

適応型MBMS方式の概要

MBMS適応制御の特徴⚫ 3GPPにて規格化された移動体用映像配信方式
MBMSコア
コンテンツ
サーバFLUTEDASH by UC

Unicast①全番組配信⚫ 適応型MBMS方式（ラボ提案）

チャネル選択情報、BC受信状態情報

FLUTE by MC

基地局

BC
受信端末
(BC/UC)DASH by UC

UC④BC/UC非連動②BC/UC独立配信③無線変調非対応コンテンツビットレート

BC：ブロードキャスト
UC：ユニキャスト
MC：マルチキャスト

・ 現行MBMS方式に、ラボ独自開発のMBMS適応制御部を導入（MBMSコア+Unicast＋適応制御部）

コンテンツサーバ

DASH by UC①視聴番組限定配信

MBMS適応制御の特徴①～④

MBMS
適応制御部
FLUTE

Unicast

チャネル選択情報、BC受信状態情報

FLUTE by MC

基地局

BC

UC

受信端末
(BC/UC)DASH by UC②視聴状況に基づくBC/UC適応配信③無線変調適応コンテンツビットレート導入④BC/UCシームレス再生
FLUTE: File Delivery over. Unidirectional Transport
5
DASH: Dynamic adaptive streaming over HTTP

2.1 適用型MBMS

適応型MBMSの4つの特徴
項目内容効果・目的① 視聴番組限定配信⚫ 視聴要求番組のみ配信

帯域利用
効率化視聴状況に基づく②BC/UC適応配信⚫ BC受信中に伝送誤りでセグメントロスが発生した場合はUCに切換えて受信継続⚫ 誤り回復でBC受信可となった場合、UCからBCへ再切換

伝送誤り耐性強化

無線変調適応型③
可変ビットレート符号化④ BC/UCシームレス再生⚫ 無線部の変調符号化指数(MCS)*に対応するビットレート(低MCSでは低ビットレート)を適用⚫ BC⇔UC切換時に映像再生の連続性を確保

帯域利用
効率化
QoS維持

*5G無線システムでは、基地局から送信される下りチャネル状態情報測定用の基準信号を端末で受信し、その結果を基地局にフィードバックすることにより、下りの変調符号化指数(MCS: Modulation and Coding Scheme)を決定(256QAMからQPSK、符号化率)62.1 適用型MBMS

片方向伝送用FLUTEプロトコル✓ FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport: RFC-3926)✓ は放送等における片方向伝送路でIPパケットを伝送するためのプロトコル✓ BC配信時には再送によるエラー修復ができないため、FEC（AL-FEC*）によるエラー修復機能✓ どの程度の誤り訂正符号(AL-FEC)量を付加するかがポイント・・・

コンテンツファイル
ソースシンボル

ファイル分割・・・
FECシンボル

・・・

AL-FEC生成
FLUTE

・・・
・・・

IP/UDP
UDPヘッダ
IPヘッダ

FLUTEヘッダ*AL-FEC : Application Layer Forward Error Correction• 符号化アルゴリズムとして、ARIB TRではCompact No-Code FEC、LDPC
符号Staircase、Reed-Solomon Code over GF を規定
ARIB資料を基に作成

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2.1 適用型MBMS

2021年度の成果概要

1. システム最適化– 適応型MBMS方式の仕様を検討• 机上の特性解析により、適応型MBMS方式の有効性を確認

2. モデルシステムの検討– モデルシステムの検討と技術仕様化• 5G適応型MBMS方式のモデルシステム（3GPP標準仕様＋MBMS適応制御部・コンテンツサーバ・UE等から構成）を検討、モデルシステム仕様書を策定– モデルシステムの技術検証• モデルシステムの適正動作を有線上で検証するための有線検証システムを開発・評価

2022年度は無線区間を含めたシミュレーションや実証実験を実施
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2.2 ローカル5G
シミュレータローカル5Gシミュレータ⚫ フィールドでの実証実験前に机上での事前評価用に開発⚫ シミュレータの目的◆集合住宅および辺地共聴を対象モデル① 既設の無線環境における対象モデルに対する伝搬特性を分析し、目安として最適なパラメータ(カバー率、放送番組数など)を導出② 新規に基地局設置位する際の目安として最適なパラメータ(アンテナ設置位置、基地局の選定)を導出

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2.2 ローカル5G
シミュレータ

既設の無線環境における集合住宅対象モデル例
シミュレーション出力

既設無線設備、環境の情報入力⚫ 集合住宅各戸の受信可能変調指数（ＭＣＳ）の分布

基地局

集合住宅
入力パラメータ

基地局

アンテナの垂直/水平半値幅、送信利得、高さ
送信出力、MIMO数

集合住宅
映像パラメータ(可変)⚫ 放送番組数と視聴世帯カバー率

階数、戸数などの構造

視聴世帯カバー率100%

基地局との距離運用変調指数 4

映像符号化ビットレート
20Mbps ～ 1Mbps

映像符号化ビットレート
10Mbps

誤り訂正符号率 0～50%

視聴世帯カバー率(%)

放送番組数

誤り訂正符号率 30%
放送番組数 810

2.2 ローカル5G
シミュレータ

既設の無線環境における辺地共聴対象モデル例
シミュレーション出力

既設無線設備、環境の情報入力⚫ 辺地共聴エリアの受信可能変調指数（ＭＣＳ）の分布

基地局位置
提供エリア

基地局

辺地共聴
入力パラメータ

基地局

アンテナの垂直/水平半値幅、送信利得、高さ
送信出力、MIMO数

辺地共聴

映像パラメータ(可変)⚫ 放送番組数とエリアカバー率

住所、提供エリア、基地局位置

エリアカバー率20%

受信エリアカバー率

運用変調指数 8

映像符号化ビットレート
20Mbps ～ 1Mbps

映像符号化ビットレート
10Mbps

誤り訂正符号率 0～50%

地理院地図

エリアカバー率(%)

誤り訂正符号率 30%
放送番組数 16

放送番組数

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2.3 実証実験

実証実験の目的と項目⚫ 目的① 実フィールド(集合住宅、辺地共聴住宅を想定)における、使用する基地局/受信機の無線特性評価② 無線区間を含めた適応型MBMS方式の有効性を実証と運用パラメータの評価

⚫ 項目
試験項目
無線区間
検証
総合検証

内容
サブ６帯のローカル5G実験試験局を用いて、集合住宅及び辺地共聴をモデルとして無線特性の検証を行う
上記無線区間と実際のケーブルテレビ事業者の伝送路の有線区間も含めた映像転送シス
テム全体の総合検証を行う

主なポイント●無線特性の把握
・最大基地局-端末間距離はどれだけか。
・変調符号化指数(MCS)はどれだけか。
・スループットはどれだけか。
●映像伝送品質の確保
・誤り訂正符号(AL-FEC)量はどれだけ必要か。
・無線状況に基づくBC配信からUC配信の切り替えは有効か
・MCSとAL-FECの最適な組み合わせは。
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2.3実証実験

実証実験システム構成

構成機器

伝送方式

ベンダー

備考

5G基地局

UC配信

5G NR

A社

出力 30dBm コアはクラウドコア

5G基地局

UC/BC配信

5G NR, 4G eMBMS

B社

出力 23dBm コア・基地局一体

5G受信機

UC受信

5G NR

A社

アンテナ内臓

5G受信機

UC/BC受信

5G NR, 4G eMBMS

C社

アンテナ外付けD社

FLUTE復号、DASH player実装

端末（STB）-*BC配信の実験では4Gシステム(周波数Sub6)を使用

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2.3 実証実験

実証実験フィールド全景（松山市福音寺町）
705号室
702号室
306号室

③辺地共聴

②集合住宅
80m

①基地局
①清水マンション ：306号室（松山市福音寺町720-4）②アメニティ２５ ：306号室、702号室、705号室（松山市福音寺町728）③飲食店駐車場：（松山市天山1-10-30付近）

142.3 実証実験

実証実験風景
基地局側

集合住宅

UC配信用
BC用
基地局
受信機
＜アンテナ内蔵＞アンテナ

FLUTE搭載STB

多チャンネル映像受信

辺地共聴（電測車）

基地局操作

コンテンツサーバ操作

電測車（ポールに受信機設置、ポール高：8ｍ）

無線特性測定（RSRP、スループット等）

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2.3 実証実験(1)無線区間検証

無線区間検証の概要⚫ 対象：集合住宅、辺地共聴⚫ 内容：MCS毎に送信出力を変えて、受信電力(RSRP)、スループット等を測定
集合住宅／電測車（辺地共聴）

送信電力を変更

PC

基地局

受信機
BC配信/
UC配信

スループット測定ツール
測定項目

測定指標

測定する値
(単位)

受信電力

RSRP

dBm

電波干渉

SIR

dB

通信品質

スループット

Mbps

伝送遅延

遅延時間

msec

PC

スループット測定ツール
受信電力
測定器

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2.3 実証実験(1)無線区間検証

送信電力対受信電力の例(A社基地局)

理論値
受信電力＝送信電力ー伝搬損失量（Loss）
4πd

Loss(dB) = 20log(λ)⚫ 基地局からの距離は以下の通り
702号室：79.5m⚫ 送信電力に対する受信電力の関係は、ほぼ理論値通り⚫ 受信電力がMCSによらないことを確認
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2.3実証実験(1)無線区間検証MCS対スループットの例(A社基地局)⚫ A社基地局の最大出力30dBmにて、各MCSのUDP/IPのスループットを測定⚫ 理論値の約8割の結果を示している(Max 600Mbps)
QPSK

16QAM

64QAM

⚫ MCS22でスループットが急激に落ちていることから、この環境での限界はMCS21 (64QAM)であると推定

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2.3 実証実験(2)総合検証

受信映像の総合評価⚫ 対象：集合住宅、辺地共聴⚫ 内容：UDP(誤り訂正符号付)とTCP(パケット再送付)の受信映像の視聴確認⚫
集合住宅／電測車（辺地共聴）

コンテンツサーバ

送信出力/MCSを変更

受信機

基地局

端末
UC配信
(TCP/UDP)
複数の誤り訂正符号(AL-FEC)量のコンテンツを準備

送信出力、AL-FEC量、MCSをパラメータとして視聴

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2.3 実証実験(2)総合検証

受信映像の総合評価の例(A社基地局)

UDP対応化⚫ スループットが最大値の間でも視聴可能とするにはAL-FECの調整が必要⚫ スループットが最大値の半分よりも大きい間は、AL-FECの割合を増やすことで視聴可能⚫ UC/UDPで視聴不可でも、UC/TCPにて視聴可能となることを確認(2dB改善)◎視聴可(UDP)、〇視聴可(TCP)、△不安定、×視聴不可

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2.3 実証実験(2)総合検証

MCSとAL-FECの最適な組み合わせ例⚫ 受信映像の総合評価の結果を、受信電力の範囲で振り分け⚫ ペイロード最大化の下、最適なMCSとAL-FECの組合せを決定
MCS9
RSRP
(dBm)

ペイロード

(Byte)MCS16

AL-FEC スループット(%)(Mbps)

視聴可否 ペイロード(Byte)MCS20

AL-FEC スループット(%)(Mbps)

視聴可否 ペイロード(Byte)

AL-FEC スループット(%)(Mbps)

視聴可否

～-94

115

22223

○21822435

○255

18561

○

-94～-97115

22223○21822435○

24820560○-97～-99115

22223○

218

22435○

217

30560

○

-99～-103

115

22223○

218

22435○

181

40545

○

-103～-105

115

22223

○

21822435○✕-105～-107

115

22223○

212

24435○✕-107～-109

115

22223○

205

26431○✕-109～-115

115

22223○

103

26217○✕-115～-119

7930170○✕✕

例えば、受信電力が-94～-97dBmの範囲では、ペイロード長248 Byteが最大なので、MCS20とAL-FEC20%が最適な組合せとなる。
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3.まとめまとめ①⚫実証実験により以下の結果
検証項目
無線区間検証(使用した基地局/受信機の評価)

総合検証(集合住宅・辺地共聴（電測車）での受信映像評価・確認)

実証実験集約無線特性の把握
最大基地局端末間距離本実証実験環境で距離80～200mで受信電力を測定するとともに伝送映像が距離150mまて良好であることを確認

最大変調指数（MCS）

変調度QPSK～256QAMでスループット測定し、本実証実
験環境では、MCS21(64QAM)が限界。256QAMは難しい

スループット

スループットは、理論値の70～80％程度。MAXは600Mbps
程度(64QAM)

映像伝送品質の確保
誤り訂正符号(AL-FEC)量

ペイロードに対して20～40%程度のAL-FECを付加することが映像伝送品質確保の上で有効

無線状況に基づくBC配信からUC配信の切り替え

無線状況が悪化した場合、TCP配信(パケット再送付)の補完により視聴限界受信電力を2～4dB程度低減可能

MCSとAL-FECの最適な組み合わせ受信入力レベル(距離に相当)毎にペイロード最大化の下、最適なMCSとAL-FECの組合せを決定

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3. まとめ

まとめ②⚫ 本実証実験と、これを補うために開発したローカル5Gシミュレータにより得られた知見に基づき、ケーブルテ
レビ事業へのローカル5GによるIP放送実用化指針となる運用ガイドラインをまとめた章

内容

１．はじめにガイドライン策定の背景・目的とガイドライン概要

２．ローカル5GによるIP放送
システムの全体構成と適応型
MBMS技術

ローカル5G放送システム全体構成、適応型MBMSとモデルシステム

３．ローカル5Gシミュレータ

基本構成と機能（シミュレータ構成、実証実験環境のシミュレーション例）
各種パラメータ分析（基地局パラメータ最適化、伝送パラメータ最適化）

４．実証実験結果

実験構成（実験システム構成、実験概要）
実験結果（無線性能測定に基づく受信映像の総合評価、チャネル切替え遅延時間測定）

５．業界提言運用システムパラメータ
業界提言

添付１. 5G適応型MBMS
モデルシステム仕様

ラボで2021年度作成されたローカル５Gによるケーブルテレビ事業者のための多チャンネル映像配信サービス実現を目的としたモデルシステム仕様について詳述

添付２. IP配信システム構
築ガイドラインラボで2021年度発行されたユニキャストによるIP映像配信サービスのためのシステム構築の構
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成要素・高度化・今後の展望について詳述

ご清聴ありがとうございました

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