LTE架構(gòu)下的多媒體資源分發(fā)方案研究

隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，尤其是對(duì)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，多媒體業(yè)務(wù)可以通過(guò)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)來(lái)開(kāi)展[1]，CDN 能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用普及，大大促進(jìn)Internet 應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展。但是，CDN 網(wǎng)絡(luò)都只是針對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容傳送和業(yè)務(wù)開(kāi)展方式建設(shè)起來(lái)的，還存在一些不足，如對(duì)視頻編碼格式支持不足、時(shí)延太大、無(wú)法提供廣播級(jí)的視頻服務(wù)、難以應(yīng)用于移動(dòng)終端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、投資金額比較大等。

為了多媒體業(yè)務(wù)更好地存儲(chǔ)、分發(fā)、傳送，并更加適應(yīng)當(dāng)前3G 以及未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP) 提出多媒體組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS) 以及增強(qiáng)型的MBMS(E-MBMS) [2]。MBMS 是3GPP R6版本中定義的，它可以在節(jié)省系統(tǒng)資源的同時(shí)，為用戶提供廣播或組播的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了更加滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，尤其是用戶和運(yùn)營(yíng)商對(duì)手機(jī)電視業(yè)務(wù)的強(qiáng)烈需求，3GPP 對(duì)原有MBMS 的邏輯結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模式、傳輸方式和信道結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行改進(jìn)，提出了在系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)/長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE) 架構(gòu)下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時(shí)下載多媒體數(shù)據(jù)時(shí)的資源共享問(wèn)題，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，廣播組播業(yè)務(wù)中心(BM-SC) 相當(dāng)于業(yè)務(wù)資源提供中心，直接向Anchor分發(fā)多媒體數(shù)據(jù)，每一個(gè)Anchor 會(huì)控制相關(guān)的一組E-NodeB，并將多媒體數(shù)據(jù)通過(guò)各個(gè)相關(guān)的E-NodeB 傳輸?shù)浇K端用戶。當(dāng)用戶數(shù)量持續(xù)猛增時(shí)，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。

另外有可能當(dāng)一個(gè)Anchor 或E-NodeB 負(fù)荷很重時(shí)，而周圍的Anchor 或E-NodeB 卻處于空閑狀態(tài)，這就使得設(shè)備資源得不到充分合理的利用，也會(huì)降低超負(fù)荷E-NodeB 下的用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸效率。E-MBMS 整體架構(gòu)始終是集中式的分發(fā)架構(gòu)，為克服這些不足之處，文中提出LTE 架構(gòu)下結(jié)合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)和E-MBMS 技術(shù)的多媒體資源分發(fā)(CPEMRD)方案。

1 P2P 概述

P2P 業(yè)務(wù)可以簡(jiǎn)單地描述為：網(wǎng)絡(luò)中的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)直接互聯(lián)網(wǎng)來(lái)共享彼此資源和服務(wù)。P2P 網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，位于網(wǎng)絡(luò)中的成千上萬(wàn)的計(jì)算機(jī)都處于邏輯對(duì)等的地位，每臺(tái)計(jì)算機(jī)既是資源(服務(wù)和內(nèi)容)的提供者又是資源的獲取者[3-4]。

基于P2P 的資源獲取模式和基于C/S 的資源獲取模式有明顯的區(qū)別。在P2P 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是相等的，它們?cè)谧鳛榉?wù)器向其他節(jié)點(diǎn)提供資源時(shí)，也可以作為客戶端從其他節(jié)點(diǎn)處獲取資源;而在集中控制的C/S 模式網(wǎng)絡(luò)中，客戶端與服務(wù)器是分離的，是兩個(gè)完全不同的概念，資源都保存在服務(wù)器上，客戶端只能從相應(yīng)的服務(wù)器上獲取所需的資源。

P2P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要存在3 種不同的形式：純P2P 結(jié)構(gòu)、帶核心服務(wù)器的混合P2P 結(jié)構(gòu)和帶超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P結(jié)構(gòu)。其中純P2P 結(jié)構(gòu)不依賴于任何中心服務(wù)器，它能動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他對(duì)等方并與之交互信息;混合P2P 結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)只具有服務(wù)功能的核心服務(wù)器來(lái)維護(hù)所有對(duì)等點(diǎn)的共享目錄，并進(jìn)行查詢，但文件的共享交換過(guò)程是直接在對(duì)等方之間進(jìn)行;帶超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P 結(jié)構(gòu)類似于混合P2P 結(jié)構(gòu)，但超級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不只一個(gè)，節(jié)點(diǎn)可以向其中的一個(gè)發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的.然而，P2P 系統(tǒng)也存在明顯的缺點(diǎn)，就是可用性問(wèn)題。盡管從整個(gè)系統(tǒng)而言，P2P 是可靠的，但是對(duì)于單個(gè)內(nèi)容或者單個(gè)任務(wù)而言，P2P 是不穩(wěn)定的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時(shí)可能被刪除或者被終止共享。

2 結(jié)合P2P 和E-MBMS 的多媒體資源分發(fā)

2.1 CPEMRD 方案的提出

E-MBMS 和P2P 被用于不同的領(lǐng)域，E-MBMS 主要用于未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P 則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

P2P 采用一種與E-MBMS 不同的內(nèi)容傳遞方式，它通過(guò)“非中心化”的設(shè)計(jì)和多點(diǎn)傳輸機(jī)制，不依賴服務(wù)器就能快速交換文件。E-MBMS 和P2P 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)在應(yīng)用上具有一定的互補(bǔ)性。如果能夠結(jié)合P2P 的擴(kuò)展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個(gè)可管理的、能夠承載電信級(jí)內(nèi)容應(yīng)用的多媒體資源分發(fā)平臺(tái)。結(jié)合了P2P的E-MBMS 體系結(jié)構(gòu)可以使多媒體業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時(shí)還可以節(jié)約電信運(yùn)營(yíng)商之間的對(duì)接流量，減少網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

如果將E-MBMS 的管理機(jī)制和服務(wù)能力引入P2P 網(wǎng)絡(luò)，可以形成以E-MBMS 為可靠的內(nèi)容核心，以P2P為服務(wù)邊緣的架構(gòu)。通過(guò)這種架構(gòu)，可以在不增加E-MBMS 成本的同時(shí)有效提升E-MBMS 服務(wù)能力，也有效地避免了P2P 應(yīng)用的諸多弊端。

2.2 CPEMRD 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

文章所設(shè)計(jì)的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)是在E-MBMS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合了P2P 結(jié)構(gòu)而組成的，整個(gè)架構(gòu)層次分3 層。中心多媒體資源服務(wù)器或服務(wù)器組只有1 個(gè)，位于BM-SC 服務(wù)中心處;與服務(wù)中心連接的是Anchor，包含有邊緣服務(wù)器;移動(dòng)終端通過(guò)E-NodeB 接入到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。CPEMRD 具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，BM-SC 服務(wù)中心處的“ 資源存儲(chǔ)”服務(wù)器提供原始的多媒體資源;“P2P 控制”實(shí)體用于維護(hù)所有P2P 節(jié)點(diǎn)信息以及所有客戶信息( 節(jié)點(diǎn)號(hào)，地址等);每個(gè)Anchor 處的邊緣服務(wù)器是對(duì)等的，代理從BM-SC 服務(wù)中心的資源存儲(chǔ)服務(wù)器分發(fā)的多媒體資源。移動(dòng)終端通過(guò)E-NodeB 接入到網(wǎng)絡(luò)中，首先從離自己最近的邊緣服務(wù)器(所在小區(qū)所屬的Anchor 處的服務(wù)器)請(qǐng)求下載多媒體資源，P2P 控制實(shí)體中維護(hù)了每個(gè)邊緣服務(wù)器(也即P2P 節(jié)點(diǎn))的狀態(tài)信息和客戶信息，當(dāng)P2P 控制實(shí)體發(fā)現(xiàn)某個(gè)邊緣服務(wù)器利用率過(guò)高負(fù)載過(guò)大時(shí)，可協(xié)調(diào)移動(dòng)終端從其他相對(duì)空閑的邊緣服務(wù)器下載多媒體資源，也可同時(shí)從其他多個(gè)邊緣服務(wù)器同時(shí)下載某個(gè)多媒體資源，從而實(shí)現(xiàn)多條鏈路的負(fù)載均衡。