3G移動網絡中的組播與廣播

　　手機電視業(yè)務可以使用戶在移動終端上觀看電視節(jié)目。目前的手機電視都是以點到點（PtoP）的方式通過流媒體技術來實現的。但是，隨著手機電視業(yè)務市場的不斷拓展，簡單的點到點方式已經無法滿足需求，因此移動網絡需要具有點到多點（PtoM）實現方式的廣播、組播能力。本文簡單介紹了3GPP和3GPP2 中定義的新移動廣播、組播業(yè)務，詳細說明了其網絡架構和具體的無線承載方式。

    一、引言

    2004年許多移動運營商都推出了手機電視業(yè)務，是以點到點的方式通過流媒體技術來實現的。但是，隨著手機電視業(yè)務市場的不斷拓展，簡單的點到點方式已經無法滿足手機電視業(yè)務迅猛發(fā)展的需求。

    幾年前3GPP和3GPP2就已經開始分別為GSM/WCDMA和CDMA2000制定廣播/組播業(yè)務了。在3GPP，將其稱為多媒體廣播和組播業(yè)務（MBMS），而在3GPP2中，則稱為廣播和組播業(yè)務（BCMCS）。雖然二者由不同的標準組織制定，然而，二者卻有很多相同之處。

    鑒于MBMS和BCMCS對移動網絡中的廣播和組播進行了有效的支持，開放移動聯盟廣播業(yè)務組（OMABCASTOpenMobile Alliance Broadcast service group）將致力于移動網絡和非移動數字廣播網絡中廣播/組播業(yè)務層相關規(guī)范的制定。例如OMA BCAST正在研究內容保護、傳輸調度等問題。

    我們知道，對于非移動廣播技術而言，它需要在移動終端中添加新的接收機，從而接收無線廣播信號，實現在移動終端中觀看電視。然而MBMS和BCMCS的引入對現存的無線部分協(xié)議和核心網協(xié)議的改動非常小，這無疑有利于降低網絡和終端的成本，因此與非移動廣播技術比較而言，MBMS和BCMCS更具有優(yōu)勢。而且移動廣播還可以使移動運營商保持已經建立的商業(yè)模型。因此，對于許多業(yè)務，尤其是手機電視業(yè)務將從MBMS和BCMCS中獲得更大的發(fā)展。

    二、廣播/組播的需求

    目前許多移動運營商都推出了移動多媒體業(yè)務，例如無線廣播和手機電視，它們將不同的內容分成不同的頻道，并將這些內容推送給頻道用戶。

    例如，在日本的移動用戶就可以通過它們的手機來觀看從KDDI的EZChannel訂購的不同內容的多媒體業(yè)務。在歐洲，許多運營商都推出了體育信息業(yè)務，就是通過多媒體消息業(yè)務（MMS）來向用戶推送一些體育視頻片斷。另外，Vodafone（德國和荷蘭）、TIM（意大利和希臘）、Three（意大利和瑞典）以及Sprint（美國）等國外運營商都已經開通了手機電視業(yè)務。

    目前，手機電視業(yè)務都是通過點到點的連接方式來實現的。這樣如果內容服務器要向多個用戶傳送多媒體信息就必須與每個接收者都建立并維持一條連接。然而這種手機電視的實現方式只能支持少數或者中等數目的手機電視用戶，一旦用戶數目增大，這種實現方式將對現存的網絡帶來巨大的壓力。一方面，內容服務器要建立多個內容相同的并行連接，雖然技術上沒有問題，但是這樣做是非常不經濟的。另一方面，我們知道頻譜資源是有限的，而且是昂貴的，因此當多個用戶位于同一小區(qū)而且接收相同業(yè)務時，該小區(qū)的無線鏈路將成為瓶頸。由此可以看出，點到點的承載方式非常低效，必須通過點到多點的承載方式來高效的支持廣播/組播業(yè)務。

    三、移動網絡中的MBMS和BCMCS

    對移動網絡來說，MBMS和BCMCS具有下列特征：

    ●具有控制廣播/組播業(yè)務傳送的能力。在MBMS中將其稱為廣播/組播業(yè)務中心，而在BCMCS中則稱之為BCMCS控制器。{{分頁}}

    ●在核心網中對廣播/組播數據流具有路由功能。

    ●在小區(qū)內具有用于點到多點的高效的無線承載方式。

    圖1是3GPPMBMS結構中各個網元的連接結構圖。其中，廣播/多播業(yè)務中心（BM-SC）是新增加的網元，主要負責提供和傳送移動廣播業(yè)務。BM- SC是MBMS中內容傳送服務的輸入點。它負責建立、控制核心網中MBMS的傳輸承載，同時也負責MBMS傳輸的調度和傳送。BM-SC還向終端設備提供業(yè)務通知。該通知包括了終端想加入MBMS業(yè)務的所有必要信息（例如組播業(yè)務標識、IP組播地址、傳輸時間、媒體描述等）。BM-SC還用于產生來自內容提供商的數據話單，同時它還負責管理組播模式下的安全問題。

    圖1 3GPP中MBMS的網絡結構圖

    MBMS標準沒有強制如何實現BM-SC的這些功能。制造商可能把它們做成單獨的節(jié)點，也可能將它們集成到現存的網絡節(jié)點中。在核心網絡中，MBMS和BCMCS需要增加一些用于創(chuàng)建、管理廣播/組播數據分配樹的功能和協(xié)議消息。

    MBMS另外一個重要特點就是允許運營商以非常小的粒度對特定區(qū)域來定義廣播/組播業(yè)務。這些地理區(qū)域按照MBMS業(yè)務區(qū)域進行配置。核心網中的每個節(jié)點通過下游節(jié)點列表來決定它需要向那個節(jié)點來轉發(fā)MBMS業(yè)務數據。在GPRS網關支持節(jié)點（GGSN）層，上述的列表包括數據應當被轉發(fā)到的每個服務 GPRS支持節(jié)點（SGSN）。在SGSN層，該列表應當包括WCDMA無線接入網中需要接收數據的每個無線網絡控制器（RNC），或者是GSM無線接入網中需要接收數據的每個基站控制器（BSC）。對于以組播方式操作的其他業(yè)務，核心網根據用戶當前注冊的業(yè)務來管理一個動態(tài)數據分配樹。在IP組播時，核心網的每個節(jié)點都向服務注冊用戶的下游節(jié)點來轉發(fā)MBMS數據。

    下面的例子給出了使用流媒體業(yè)務時移動廣播實現方式的優(yōu)勢。圖2中的幾個手機電視用戶分別觀看三類不同頻道的流媒體，它們通過單播方式來實現。在這種情況下每個用戶與流媒體服務器間都要建立一條獨立的流媒體連接。服務器和網絡業(yè)務的負載與用戶的數目直接相關。在該例子中由于總共有10個用戶使用該業(yè)務，因此流媒體服務器必須處理10個流媒體連接。不難看出，隨著用戶數目的增加，服務器的負載將迅速增加，同時核心網和無線接入網的業(yè)務量也會大大增加。

    圖2 非MBMS支持的手機電視業(yè)務{{分頁}}

    圖3給出了同樣情況下由MBMS支持的手機電視業(yè)務。在此情況下服務器只向MBMSBM-SC傳送三個媒體流，每個頻道一個。每個頻道的數據流在核心網內根據需要單獨的進行復制。從圖中可以清楚的看出，此時的流媒體服務器只需要同時處理三個媒體流。在無線側MBMS方式使用了三條并行的廣播信道，這樣就可以很好地解決了無線側的瓶頸問題。其實在3GPP2中BCMCS也是這樣實現的。

    圖3 MBMS支持的手機電視業(yè)務

    此外，MBMS和BCMCS除了支持上述的流媒體傳送方式外，MBMS還支持任意文件從一個數據源到多個接收者的高效下載。目前，MMS的傳送也是采用點到點方式，在將來MMS系統(tǒng)可以通過標準接口與BM-SC相連，從而便可以通過MBMS來傳送MMS業(yè)務，這樣可以方便地通過MMS來向用戶發(fā)送視頻片斷和體育賽事。與MBMS不同的是，在BCMCS中對文件傳送業(yè)務所需的協(xié)議沒有作出明確的規(guī)定。

    通過MBMS的廣播/組播方式來傳送文件是需要特別注意的。我們知道，在下行方向廣播和組播都是單向傳送的。因此傳輸控制協(xié)議（TCP）是不能使用的，因為TCP協(xié)議需要一條雙向連接。為此因特網工程任務組（IETF）提出了單向傳輸的文件傳送（FLUTE）架構。FLUTE架構中是將用戶數據報協(xié)議（UDP）作為它的底層傳輸協(xié)議。然而UDP是不可靠的，因此FLUTE通過增加前向糾錯碼（FEC）來增加對封裝數據的保護。但是我們知道，再強的糾錯方式也不能保證傳輸的毫無差錯，因此MBMS還定義了點到點的文件修復過程。在廣播數據傳送完成后，如果發(fā)現文件有錯，接收者便可以連接到修復服務器上并要求對出錯的數據重傳，這樣MBMS便可以保證文件傳輸的可靠性了。

    四、典型的MBMS工作流程

    圖4給出了MBMS的典型工作流程。BCMCS的工作流程也是類似的，為了描述的簡潔，此處僅用MBMS來說明。

    圖4 MBMS會話的典型流程{{分頁}}

    開始，特定的MBMS業(yè)務信息被送到業(yè)務服務器中，該信息通常看作是業(yè)務通知。業(yè)務通知提供了相應的業(yè)務信息和終端如何訪問它。將MBMS業(yè)務通知傳送給終端用戶可以有多種實現方式。最簡單的實現方式就是將其存儲在Web服務器中，用戶可以通過超文本傳輸協(xié)議（HTTP）或者無線應用協(xié)議（WAP）來下載。當然也可以利用現存的短信或者彩信的推送（push）機制來傳送該業(yè)務通知。還可以利用專門的MBMS業(yè)務通知信道來傳送。

    在終端用戶接收到業(yè)務通知后，用戶使用業(yè)務的方式取決于業(yè)務是廣播方式還是組播方式。如果業(yè)務是廣播方式，那么用戶終端只需要簡單的“調諧”到相應的信道（在業(yè)務通知中有詳細的參數描述）上就可以了。如果業(yè)務是組播方式，那么用戶必須向網絡發(fā)起會話加入（sessionjoin）請求，這樣用戶便會成為相應MBMS業(yè)務組的一位成員，因而可以接收到組播業(yè)務的數據了。

    在傳輸開始時，BM-SC必須向GGSN發(fā)送會話開始（sessionstart）請求。然后GGSN將分配所需的因特網資源，并將該請求前轉到相應的 SGSN，這些SGSN同樣根據業(yè)務質量（QoS）來分配所需的無線資源。最后，MBMS業(yè)務組中的終端將被通知要開始傳送組播業(yè)務數據了。

    服務器接著將多媒體數據發(fā)送給BM-SC，隨后BM-SC會將這些數據轉發(fā)到MBMS的承載層。這樣數據便會發(fā)送到加入MBMS業(yè)務組的所有終端了。

    最后，服務器發(fā)送會話結束（sessionstop）通知，表示數據傳輸階段已經結束。想離開MBMS組播業(yè)務的終端用戶，可以向網絡發(fā)送業(yè)務離開（serviceleave）請求，隨后網絡便將該用戶從MBMS業(yè)務組中刪除。

    五、無線接入網中廣播和組播的承載

    對于MBMS和BCMCS，GSM、WCDMA和CDMA2000都分別已經定義了廣播和組播的承載方式。由于廣播和組播無線承載必須同時服務多個用戶，因此許多為高速、雙向點到點通信開發(fā)的速率、容量增強功能都無法使用。換句話說，信號不能分別適應每個用戶，它必須要保證最差無線條件下用戶的通信，因此不管用戶的位置和無線條件，新的無線承載必須提供全區(qū)域的覆蓋。

    1.GSM中的廣播/組播無線承載

    在GSM系統(tǒng)中，MBMS使用GPRS或者EDGE中的分組數據信道（PDCH）作為其點到多點的無線傳輸承載。在數據鏈路層上采用無線鏈路控制協(xié)議（RLC）和媒體接入控制協(xié)議（MAC）。

    早期的仿真說明直接使用MBMS承載時其性能并不令人十分滿意。因此為了提高性能，又增加了下面兩種增強機制：

    ●具有自動請求重傳（ARQ）的RLC/MAC：也稱為分組下行確認/非確認（PDAN）模式。在該模式下在給定的小區(qū)中，最多可以提供16個終端的會話反饋。這樣如果RLC數據塊傳輸出錯，便可以通過重傳來增加冗余保護。

    ●無ARQ的RLC/MAC：也稱為盲接收模式。在該模式中RLC數據塊在傳輸前按照預先定好的次數進行重復，以此來實現冗余保護。

    2.WCDMA中的廣播/組播無線承載

    在WCDMA中，MBMS最大可能的利用了網絡現存的邏輯信道和物理信道。其實現只需要增加三條新的邏輯信道和一條新的物理信道。新的邏輯信道如下：{{分頁}}

    ●MBMS點到多點控制信道（MCCH）：該信道包含著正在進行通信或者即將要進行通信的MBMS會話信息。

    ●MBMS點到多點調度信道（MSCH）：該信道為MTCH信道上的數據調度提供相應的信息。

    ●MBMS點到多點業(yè)務信道（MTCH）：該信道用于承載實際的MBMS業(yè)務數據。

    新的物理信道是MBMS通知指示信道（MICH），網絡通過該信道通知終端MCCH信道上有有效MBMS信息。

    MCCH、MSCH和MTCH重用WCDMA中的前向接入信道（FACH）和輔助公共控制物理信道（S-CCPCH）。其RLC和MAC使用現存的大部分協(xié)議棧。

    對于MTCH，MBMS使用了兩種不同的傳輸時間間隔（TTI）：40ms和80ms。較長的TTI可以提供較大的時間分集，從而提高MBMS性能。

    在3GPPR6中，MBMS針對MTCH的物理層引入了幾種增強技術。其中的一種就是FACH的軟合并。通過多條無線鏈路的軟合并，可以大大的增強系統(tǒng)的性能。

    在3GPPR6中，在5MHz的載頻上可以支持16條點到多點的MBMS信道，且每條信道的比特速率都是64kb/s，這是對于單天線接收終端而言的。如果終端有雙天線和通用RAKE接收機，那么每小區(qū)每載頻的容量還會大大的增加。如果只使用雙天線終端，MBMS的容量要增加2倍，也就是說每小區(qū)每載頻可以支持32條信道。如果再引入通用RAKE接收機，那么每小區(qū)每載頻將支持40條信道。

    MBMS靈活性的一個非常重要的方面，就是其無線承載的可用數目是可以設置的，而且還可以讓每個無線承載具有不同的比特速率。我們知道，盡管MBMS支持的最高比特速率是256kb/s，但是根據目前終端的大小和分辨率，64kb/s的速率對于新聞頻道已經足夠了，128kb/s對于體育頻道也是夠用的。

    3.CDMA2000中的廣播/組播無線承載

    CDMA2000也盡可能的利用現存的物理信道來實現BCMCS。為了彌補點到多點通信中缺少無線鏈路重傳協(xié)議，CDMA2000中在現存的編碼層又引入了另一種糾錯編碼。編碼過程就像一個矩陣，行數據編碼依然采用現存的編碼機制（即Turbo碼），而列編碼則采用RS編碼，編碼后的數據通過空中接口發(fā)送給接收機。

    BCMCS標準沒有規(guī)定最小或者最大的終端能力。目前對于1xEV-DO來說，其商業(yè)有效速率在下行可以達到2.4Mb/s（點到點方式）。然而該速率不能覆蓋小區(qū)的邊緣，而且此時該載波也無剩余容量。加上Turbo編碼和RS編碼的復雜性，對于BCMCS來說，其終端用戶的比特速率跟MBMS是相當的。

    在移動通信系統(tǒng)中都假設相鄰小區(qū)的信號包含不同的內容，因而要對其進行抑制以減小干擾。然而，對于廣播業(yè)務，其傳輸的內容是相同的，因而無需抑制相鄰小區(qū)的信號。出于這種考慮，學者們?yōu)?xEV-DO的廣播/組播提出了新的無線承載方式。其中一種建議提出了基于正交頻分復用（OFDM）方式來承載。其使用的調制方式跟數字視頻廣播（DVB）一樣。另外的建議認為要使用現存CDMA擴頻技術和復雜的接收機。然而這些信道與目前的無線承載都是不兼容的。因此運營商在實施BCMCS時應考慮到這些問題。

    六、結束語

    隨著MBMS和BCMCS的不斷發(fā)展，其支持的多媒體業(yè)務，尤其是手機電視業(yè)務必將得到迅猛的發(fā)展。而且由于移動廣播業(yè)務可以跟現存的移動業(yè)務（例如語音、數據）復用，因此在不久的將來交互式廣播業(yè)務很可能成為新的業(yè)務。