LTE架構下的多媒體資源分發(fā)方案研究

隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，尤其是對多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的需求變得越來越強烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領域，多媒體業(yè)務可以通過內容分發(fā)網(wǎng)絡(CDN)來開展[1]，CDN 能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應用普及，大大促進Internet 應用和服務的發(fā)展。但是，CDN 網(wǎng)絡都只是針對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡結構、內容傳送和業(yè)務開展方式建設起來的，還存在一些不足，如對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務、難以應用于移動終端、系統(tǒng)結構過于簡單、投資金額比較大等。

為了多媒體業(yè)務更好地存儲、分發(fā)、傳送，并更加適應當前3G 以及未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計劃(3GPP) 提出多媒體組播和廣播業(yè)務(MBMS) 以及增強型的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，為用戶提供廣播或組播的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。

為了更加滿足日益增長的業(yè)務需求，尤其是用戶和運營商對手機電視業(yè)務的強烈需求，3GPP 對原有MBMS 的邏輯結構、業(yè)務模式、傳輸方式和信道結構等多方面進行改進，提出了在系統(tǒng)架構演進(SAE)/長期演進(LTE) 架構下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時下載多媒體數(shù)據(jù)時的資源共享問題，其網(wǎng)絡結構如圖1 所示。在該網(wǎng)絡結構中，廣播組播業(yè)務中心(BM-SC) 相當于業(yè)務資源提供中心，直接向Anchor分發(fā)多媒體數(shù)據(jù)，每一個Anchor 會控制相關的一組E-NodeB，并將多媒體數(shù)據(jù)通過各個相關的E-NodeB 傳輸?shù)浇K端用戶。當用戶數(shù)量持續(xù)猛增時，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。

另外有可能當一個Anchor 或E-NodeB 負荷很重時，而周圍的Anchor 或E-NodeB 卻處于空閑狀態(tài)，這就使得設備資源得不到充分合理的利用，也會降低超負荷E-NodeB 下的用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸效率。E-MBMS 整體架構始終是集中式的分發(fā)架構，為克服這些不足之處，文中提出LTE 架構下結合點對點(P2P)和E-MBMS 技術的多媒體資源分發(fā)(CPEMRD)方案。

1 P2P 概述

P2P 業(yè)務可以簡單地描述為：網(wǎng)絡中的兩臺計算機通過直接互聯(lián)網(wǎng)來共享彼此資源和服務。P2P 網(wǎng)絡是一種分布式網(wǎng)絡，位于網(wǎng)絡中的成千上萬的計算機都處于邏輯對等的地位，每臺計算機既是資源(服務和內容)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)絡中，每個節(jié)點的地位都是相等的，它們在作為服務器向其他節(jié)點提供資源時，也可以作為客戶端從其他節(jié)點處獲取資源;而在集中控制的C/S 模式網(wǎng)絡中，客戶端與服務器是分離的，是兩個完全不同的概念，資源都保存在服務器上，客戶端只能從相應的服務器上獲取所需的資源。

P2P 網(wǎng)絡架構主要存在3 種不同的形式：純P2P 結構、帶核心服務器的混合P2P 結構和帶超級節(jié)點的P2P結構。其中純P2P 結構不依賴于任何中心服務器，它能動態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的其他對等方并與之交互信息;混合P2P 結構中存在一個只具有服務功能的核心服務器來維護所有對等點的共享目錄，并進行查詢，但文件的共享交換過程是直接在對等方之間進行;帶超級節(jié)點的P2P 結構類似于混合P2P 結構，但超級節(jié)點的數(shù)目不只一個，節(jié)點可以向其中的一個發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級節(jié)點之間是對等的.然而，P2P 系統(tǒng)也存在明顯的缺點，就是可用性問題。盡管從整個系統(tǒng)而言，P2P 是可靠的，但是對于單個內容或者單個任務而言，P2P 是不穩(wěn)定的，每個節(jié)點可以隨時終止服務，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內容隨時可能被刪除或者被終止共享。

2 結合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 被用于不同的領域，E-MBMS 主要用于未來移動通信系統(tǒng)流媒體內容分發(fā)，而P2P 則主要用于內容交換。兩種技術各有其優(yōu)缺點。

P2P 采用一種與E-MBMS 不同的內容傳遞方式，它通過“非中心化”的設計和多點傳輸機制，不依賴服務器就能快速交換文件。E-MBMS 和P2P 技術的優(yōu)缺點在應用上具有一定的互補性。如果能夠結合P2P 的擴展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以構建一個可管理的、能夠承載電信級內容應用的多媒體資源分發(fā)平臺。結合了P2P的E-MBMS 體系結構可以使多媒體業(yè)務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡的建設成本。

如果將E-MBMS 的管理機制和服務能力引入P2P 網(wǎng)絡，可以形成以E-MBMS 為可靠的內容核心，以P2P為服務邊緣的架構。通過這種架構，可以在不增加E-MBMS 成本的同時有效提升E-MBMS 服務能力，也有效地避免了P2P 應用的諸多弊端。

2.2 CPEMRD 系統(tǒng)架構設計

文章所設計的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構是在E-MBMS 網(wǎng)絡結構的基礎上，融合了P2P 結構而組成的，整個架構層次分3 層。中心多媒體資源服務器或服務器組只有1 個，位于BM-SC 服務中心處;與服務中心連接的是Anchor，包含有邊緣服務器;移動終端通過E-NodeB 接入到整個網(wǎng)絡中。CPEMRD 具體的系統(tǒng)架構如圖2 所示。

在該系統(tǒng)架構中，BM-SC 服務中心處的“ 資源存儲”服務器提供原始的多媒體資源;“P2P 控制”實體用于維護所有P2P 節(jié)點信息以及所有客戶信息( 節(jié)點號，地址等);每個Anchor 處的邊緣服務器是對等的，代理從BM-SC 服務中心的資源存儲服務器分發(fā)的多媒體資源。移動終端通過E-NodeB 接入到網(wǎng)絡中，首先從離自己最近的邊緣服務器(所在小區(qū)所屬的Anchor 處的服務器)請求下載多媒體資源，P2P 控制實體中維護了每個邊緣服務器(也即P2P 節(jié)點)的狀態(tài)信息和客戶信息，當P2P 控制實體發(fā)現(xiàn)某個邊緣服務器利用率過高負載過大時，可協(xié)調移動終端從其他相對空閑的邊緣服務器下載多媒體資源，也可同時從其他多個邊緣服務器同時下載某個多媒體資源，從而實現(xiàn)多條鏈路的負載均衡。