基于TD-SCDMA的MBMS技术的研究

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0引言多媒体广播业务（MBMS）是3GPP组织提出的基于UMTS（通过移动通信系统）的手机电视技术方案，目的是为WCDMA和TD-SCDMA网络提供更有效的方式，以便将多媒体信息以组播或广播方式传送到各个UMTS终端。从2004年来许多运营商都推出了这种业务，随着时间的推移和2008年北京奥运会的临近，国内的TD-SCDMA手机研发公司(如重邮信科)从2006年开始制定基于现有的TD-SCDMA系统的多媒体广播业务(TD-MBMS)的总体技术方案。手持电视技术主要分为3类：分别源于地面数字广播技术、卫星传输技术和移动网络技术。第一类技术以欧洲的DVB-H、韩国的T-DMB、日本的ISDB-T、美国的MediaFlo和中国的CMMB为代表，实现上以地面广播网络为基础，与移动网络松耦合或相对独立组网；第二类技术以韩国、日本以及欧洲一些国家采用的S-DMB为代表，实现上以卫星传送为基础，辅以地面广播网络，与移动网络结合或相对独立组网；第三类技术以3GPP的MBMS和3GPP2的BCMCS为代表，实现上以移动网络为基础，不能相对于移动网络独立组网。手机电视业务的高带宽、突发多用户的需求，与移动网本身带宽和容量资源严重不足形成难以解决的矛盾。因此，点对点方式提供手机电视的大规模商用服务并不可行，而采用广播方式的手机电视技术将是该业务发展的必然趋势。 1基于TD-SCDMA的MBMS技术的介绍1.1 MBMS总体架构MBMS(multimedia broadcast multicast serv-ice)是3GPP R6开始定义的多媒体广播组播功能。MBMS提供2种方式：广播方式和组播方式。MBMS不仅能实现纯文本低速率的消息类组播和广播，而且还能实现高速多媒体业务的组播和广播。组播和广播业务MBMS基于WCDMA／GSM分组网，通过增加一些新的功能实体，如广播组播业务中心BM-SC，对已有的分组域功能实体如SG-SN、GGSN、RNC和UE等增加MBMS功能，并定义了新的逻辑共享信道来实现空口资源共享。如图1所示，对原有网络主要改动是：增加BM-SC网元，对现有分组域相关网元进行功能升级，以支持MBMS特有接口功能(如Gmb)、特有信道(如MICH、MTCH／MCCH／MSCH)、特有物理层过程(FACH信道选择性合并、PTM与PTP切换)和特有业务流程(如订阅)，这里唯一新增的接口是Gmb接口。

1.2 MBMS的技术优势3GPP在R6版本中定义的MBMS是指无线网络中一个数据源向多个用户发送数据的点到多点(p-t-m)业务，在不改变网络结构的基础上实现网络资源共享。除了移动核心网和接入网资源，MBMS还可以共享更为紧张的空中接口资源，以提高无线资源的利用率。MBMS的优势在于不仅能实现纯文本低速率的消患类组播和广播，还能实现高速率多媒体数据业务的组播和广播，从而弥补IP组播技术不能使多个移动用户共享移动司络资源的不足。在终端方面，MBMS仍然最大限度地继承了已有的3GPP标准，在终端耗电、存储、多媒体处理、显示等技术得到改善的同时，仅仅是原有基带处理功能的增强。因此，承载宽带多媒体业务的MBMS终端与现有终端保持了很好的统一性。在带宽方面，MBMS最大可以使用256 Kbit／s的速率进行下载和流媒体的传送。在互动方面，MBMS本身没有定义特别的上行信道，但可以利用已有上行控制信道进行业务订阅、业务加入等业务控制流程，同时利用上行业务信道实现与下行广播／组播配合的一些交互类业务。
                          
                       
                          
                                在容最方面，MBMS提供点到多点传送多媒体的发送机制，资源消耗与用户数的增长无关，从而为节省3G网络非常紧张的空口资源和Iub口传输资源、规避移动网络容量劣势寻找到了根本解决途径。用户数越多，MBMS在容量和成本方面的优势发挥就越明显；在组播用户数少或者没有组播业务用户的时候，网络可以灵活地为用户分配专用信道或者关闭组播业务信道，这些移动网络特有的高效资源管理技术更让MBMS在容量方面锦上添花。2 基于TD-SCDMA的MBMS技术在物理层上的最主要发展2.1单频网(SFN)技术MBMS在物理层的显著改进，是引入了单频网(single frequency network，SFN)。随着频率资源的日趋紧张，单频网无论是在数字电视地面广播领域中还是移动通信技术中都开始受到越来越多的重视。所谓单频网，即在一定的地理区域内若干部发射机同时在同一个频段上发射同样的信号，以实现对该区域的可靠覆盖。在MBMS中实现的单频网即是在若干基站同时在同一频率上发射相同的信号。SFN带来的最大好处，是频谱效率的提高，同时，UE(用户设备)在SFN内移动时无需任何切换，大大减少了信令的开销。在传输广播业务的时隙采用单频网配置的情况下，多个相邻的小区采用统一的扰码(包括Mid-amble码)，就可以保证各个小区发射的信号完全相同，UE只需将多个小区发射的信号当成多径处理，可以非常简单地实现UTN宏分集。但在一定程度上，单频网要求接收机能够容忍更长的时延扩展。单频网中，相邻基站在同时同频，发送相同的信号。这些信号是由相同的业务数据经过相同的信道编码、信道映射、扩频、打孔、交织、调制等过程的处理，最终形成。单频网应用中最重要的技术，就是要求各个发射机所广播的信号在频率和时间上都保持同步。频率同步即要求每个单频网发射机的工作频率都相同；对于多载波调制而言，还要求每个子载波的频率相等。频率同步可以通过与同一个参考频率(一般使用来自GPS卫星的10 MHz参考频率)锁相同步来实现。如图2所示，此时对手机接收机而言，来自于不同基站的信号可等价为多径信号。因接收机无须区分信号是否来自于不同基站，复杂度大大降低。原本基站之间存在着同频干扰，而手机需要进行复杂计算消除干扰；但SFN中，由于多径信号丰富，反而使接收性能大大提高，进而提高了频谱利用率。

2.2单频网(SFN)技术在物理层实现上的改进2.2.1一种动态单频网组网方法在标准中初步使用的是基于O&M配置的SFN操作方法，这种操作方法灵活性较差，并且无法对接入MBMS业务的用户进行合理的分配。这是一种静态的MBSFN方法。静态的MBSFN方法应用简单，虽然能够显著的降低MBSFN的复杂性，但是静态SFN方法的缺点却是显而易见的：(1)O&M方式的SFN区域为了覆盖到那些难以覆盖到的用户位置需要把整个区域设置的非常大。所以这种方案会不可避免的会造成无线资源和传输资源的浪费，因为某些没有MBMS业务UE接入的小区资源被空闲了。(2)静态SFN区域覆盖的面积越大，就会造成越多的无线资源和传输资源的浪费。但是在MBSFN区域中用户配给方案并没有得到及时的改进。这种矛盾就可以通过动态SFN方案来解决。动态SFN方法是先配置一个初始小区，当处于边缘地带的申请MBMS接入业务的移动终端，当终端处于SFN保护区域时，终端发出SFN UP-DATE INDICATION消息来请求MCE增加相邻小区到最终的SFN区域里面去。
                          
                       
                          
                                动态SFN方法是对原来的静态SFN方法的一种进步，因为原来的静态SFN是将提供MBMS业务区域范同内的所有小区固定为SFN区域，虽然方法简单但是对于紧张的无线网络资源来说是一个很大的弊端。动态SFN先以当前时刻提供MBMS业务的小区以及与他们相邻近的小区定为初始小区，然后根据用户终端移动过程的需求来向上级发出请求，动态的改变SFN区域范围，虽然流程更加复杂，但是空闲出来的那些小区的无线网络就被闲置出来，可以用于其他业务，这是非常可取的方法。在动态SFN方法中有一种基于简单选择方案的方法，是将所有与有MBMSUE接入的小区相邻的小区全部归入final area中，而现在出于提高网络资源利用率的目的，根据网络拓扑结构和MCE的能力和可靠性，又有一种动态SFN的改进方法，就是只将与两个有MBMSUE接入的小区都相毗邻的小区划分到final area中去，而那些只与一个有MBMSUE接入的小区都相毗邻的小区排除在外。2.2.2单频网(SFN)技术的发展和改进单频网的优势之处是显而易见的，但是也有一定的局限性，TD-SCDMA是时分双工(TDD)系统，上下行链路占用相同频率，而MBMS典型业务是下行广播，显然在TD-SCDMA中用一个单独频点组一个单频网并不合适，会面临频谱资源和基站成本的问题；可能造成MBMS频点的时隙(下行)和非MBMS频点的相同时隙(上行)间的较强干扰。另外，单独频点也不利于与N频点系统进行资源规划和共用接收机。因此，在TD-MBMS中引入了基于SFN的同时隙网(union time-slot net-work，UTN)技术，UTN网络提高了对手机接收机所容忍多径延迟的要求。TD-SCDMA是3G标准越来越重要的组成部分。目前TD系统采用N频点组网方式，一个小区有1个主频点和(N-1)个辅频点资源。通常N=3，即5 MHz同频组网，见图3。

N频点系统，每帧中只有主频点以广播方式发送TS0(时隙0)，而辅频点则不发送该时隙。主频点通常要在相邻小区间进行频率规划，尽量避免邻区间的主频点相同。

图4给出了N频点和UTN联合组网示意图。下行时隙可被配置为UTN或N频点时隙；小区中不同频点问UTN占用时隙可以相同或不同；但相邻小区相同频点的UTN时隙分配是相同的。UTN时隙用来发送MBMS广播业务，在该时隙上，参与广播的多个基站发送相同的信号，因此，UTN实际上是一种SFN网络。UTN时隙使用公共的Midamble码、扰码，亦即本小区和邻小区的这些参数是相同的；在邻区之间，该时隙所发射的数据也是由相同数据经过相同的处理而形成。而其他的N频点时隙，则采用本小区特定的Midamble码和扰码。TS6(时隙6)通常不用作UTN时隙，否则，当手机在辅频点接收MBMS业务时，由于射频器件的限制，可能没有足够的时间切换到主频点的TS0。事实上，可将UTN时隙视为一个与N频点网络时分复用的独立的SFN无线网络。UTN可以进行区域化组网。相同的UTN时隙在不同的地域可以组成不同的UTN网络，但不同UTN网络之间应该是地域隔离的。典型的场景是不同城市使用不同的UTN网络播放各自的电视频道。可以对N频点系统的UTN频点和时隙资源进行灵活的配置，例如将更多的下行时隙分配给UTN；各频点上的UTN时隙数目不同，以适应不同速率的业务等。3结论在未来移动通信中，MBMS仍然是增加运营收的主要应用业务之一。LTE着重考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据率、增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等。SFN和UTN组网相结合的方式的灵活性和高效性是显而易见的。MBMS技术可极大地提高网络资源利用率，尤其是宝贵的空口资源，可实现多种丰富的视频、音频和多媒体应用业务，为3G的发展提供更为广阔的空间。