3G移动网络中的组播与广播

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一、引言
        2004年许多移动运营商都推出了手机电视业务，是以点到点的方式通过流媒体技术来实现的。但是，随着手机电视业务市场的不断拓展，简单的点到点方式已经无法满足手机电视业务迅猛发展的需求。
        几年前3GPP和3GPP2就已经开始分别为GSM/WCDMA和CDMA2000制定广播/组播业务了。在3GPP，将其称为多媒体广播和组播业务（MBMS），而在3GPP2中，则称为广播和组播业务（BCMCS）。虽然二者由不同的标准组织制定，然而，二者却有很多相同之处。
       鉴于MBMS和BCMCS对移动网络中的广播和组播进行了有效的支持，开放移动联盟广播业务组（OMA BCAST Open Mobile Alliance Broadcast service group）将致力于移动网络和非移动数字广播网络中广播/组播业务层相关规范的制定。例如OMA BCAST正在研究内容保护、传输调度等问题。
        我们知道，对于非移动广播技术而言，它需要在移动终端中添加新的接收机，从而接收无线广播信号，实现在移动终端中观看电视。然而MBMS和BCMCS的引入对现存的无线部分协议和核心网协议的改动非常小，这无疑有利于降低网络和终端的成本，因此与非移动广播技术比较而言，MBMS和BCMCS更具有优势。而且移动广播还可以使移动运营商保持已经建立的商业模型。因此，对于许多业务，尤其是手机电视业务将从MBMS和BCMCS中获得更大的发展。
二、广播/组播的需求
        目前许多移动运营商都推出了移动多媒体业务，例如无线广播和手机电视，它们将不同的内容分成不同的频道，并将这些内容推送给频道用户。
        例如，在日本的移动用户就可以通过它们的手机来观看从KDDI的EZChannel订购的不同内容的多媒体业务。在欧洲，许多运营商都推出了体育信息业务，就是通过多媒体消息业务（MMS）来向用户推送一些体育视频片断。另外，Vodafone（德国和荷兰）、TIM（意大利和希腊）、Three（意大利和瑞典）以及Sprint（美国）等国外运营商都已经开通了手机电视业务。
        目前，手机电视业务都是通过点到点的连接方式来实现的。这样如果内容服务器要向多个用户传送多媒体信息就必须与每个接收者都建立并维持一条连接。然而这种手机电视的实现方式只能支持少数或者中等数目的手机电视用户，一旦用户数目增大，这种实现方式将对现存的网络带来巨大的压力。一方面，内容服务器要建立多个内容相同的并行连接，虽然技术上没有问题，但是这样做是非常不经济的。另一方面，我们知道频谱资源是有限的，而且是昂贵的，因此当多个用户位于同一小区而且接收相同业务时，该小区的无线链路将成为瓶颈。由此可以看出，点到点的承载方式非常低效，必须通过点到多点的承载方式来高效的支持广播/组播业务。
三、移动网络中的MBMS和BCMCS
        对移动网络来说，MBMS和BCMCS具有下列特征：
●具有控制广播/组播业务传送的能力。在MBMS中将其称为广播/组播业务中心，而在BCMCS中则称之为BCMCS控制器。
●在核心网中对广播/组播数据流具有路由功能。
●在小区内具有用于点到多点的高效的无线承载方式。
        图1是3GPP MBMS结构中各个网元的连接结构图。其中，广播/多播业务中心（BM-SC）是新增加的网元，主要负责提供和传送移动广播业务。BM-SC是MBMS中内容传送服务的输入点。它负责建立、控制核心网中MBMS的传输承载，同时也负责MBMS传输的调度和传送。BM-SC还向终端设备提供业务通知。该通知包括了终端想加入MBMS业务的所有必要信息（例如组播业务标识、IP组播地址、传输时间、媒体描述等）。BM-SC还用于产生来自内容提供商的数据话单，同时它还负责管理组播模式下的安全问题。

图1　3GPP中MBMS的网络结构图

        MBMS标准没有强制如何实现BM-SC的这些功能。制造商可能把它们做成单独的节点，也可能将它们集成到现存的网络节点中。在核心网络中，MBMS和BCMCS需要增加一些用于创建、管理广播/组播数据分配树的功能和协议消息。
        MBMS另外一个重要特点就是允许运营商以非常小的粒度对特定区域来定义广播/组播业务。这些地理区域按照MBMS业务区域进行配置。核心网中的每个节点通过下游节点列表来决定它需要向那个节点来转发MBMS业务数据。在GPRS网关支持节点（GGSN）层，上述的列表包括数据应当被转发到的每个服务GPRS支持节点（SGSN）。在SGSN层，该列表应当包括WCDMA无线接入网中需要接收数据的每个无线网络控制器（RNC），或者是GSM无线接入网中需要接收数据的每个基站控制器（BSC）。对于以组播方式操作的其他业务，核心网根据用户当前注册的业务来管理一个动态数据分配树。在IP组播时，核心网的每个节点都向服务注册用户的下游节点来转发MBMS数据。
        下面的例子给出了使用流媒体业务时移动广播实现方式的优势。图2中的几个手机电视用户分别观看三类不同频道的流媒体，它们通过单播方式来实现。在这种情况下每个用户与流媒体服务器间都要建立一条独立的流媒体连接。服务器和网络业务的负载与用户的数目直接相关。在该例子中由于总共有10个用户使用该业务，因此流媒体服务器必须处理10个流媒体连接。不难看出，随着用户数目的增加，服务器的负载将迅速增加，同时核心网和无线接入网的业务量也会大大增加。

图2　非MBMS支持的手机电视业务

        图3给出了同样情况下由MBMS支持的手机电视业务。在此情况下服务器只向MBMS BM-SC传送三个媒体流，每个频道一个。每个频道的数据流在核心网内根据需要单独的进行复制。从图中可以清楚的看出，此时的流媒体服务器只需要同时处理三个媒体流。在无线侧MBMS方式使用了三条并行的广播信道，这样就可以很好地解决了无线侧的瓶颈问题。其实在3GPP2中BCMCS也是这样实现的。

图3　MBMS支持的手机电视业务

        此外，MBMS和BCMCS除了支持上述的流媒体传送方式外，MBMS还支持任意文件从一个数据源到多个接收者的高效下载。目前，MMS的传送也是采用点到点方式，在将来MMS系统可以通过标准接口与BM-SC相连，从而便可以通过MBMS来传送MMS业务，这样可以方便地通过MMS来向用户发送视频片断和体育赛事。与MBMS不同的是，在BCMCS中对文件传送业务所需的协议没有作出明确的规定。
        通过MBMS的广播/组播方式来传送文件是需要特别注意的。我们知道，在下行方向广播和组播都是单向传送的。因此传输控制协议（TCP）是不能使用的，因为TCP协议需要一条双向连接。为此因特网工程任务组（IETF）提出了单向传输的文件传送（FLUTE）架构。FLUTE架构中是将用户数据报协议（UDP）作为它的底层传输协议。然而UDP是不可靠的，因此FLUTE通过增加前向纠错码（FEC）来增加对封装数据的保护。但是我们知道，再强的纠错方式也不能保证传输的毫无差错，因此MBMS还定义了点到点的文件修复过程。在广播数据传送完成后，如果发现文件有错，接收者便可以连接到修复服务器上并要求对出错的数据重传，这样MBMS便可以保证文件传输的可靠性了。
四、典型的MBMS工作流程
        图4给出了MBMS的典型工作流程。BCMCS的工作流程也是类似的，为了描述的简洁，此处仅用MBMS来说明。

图4　MBMS会话的典型流程

        开始，特定的MBMS业务信息被送到业务服务器中，该信息通常看作是业务通知。业务通知提供了相应的业务信息和终端如何访问它。将MBMS业务通知传送给终端用户可以有多种实现方式。最简单的实现方式就是将其存储在Web服务器中，用户可以通过超文本传输协议（HTTP）或者无线应用协议（WAP）来下载。当然也可以利用现存的短信或者彩信的推送（push）机制来传送该业务通知。还可以利用专门的MBMS业务通知信道来传送。
        在终端用户接收到业务通知后，用户使用业务的方式取决于业务是广播方式还是组播方式。如果业务是广播方式，那么用户终端只需要简单的“调谐”到相应的信道（在业务通知中有详细的参数描述）上就可以了。如果业务是组播方式，那么用户必须向网络发起会话加入（session join）请求，这样用户便会成为相应MBMS业务组的一位成员，因而可以接收到组播业务的数据了。
        在传输开始时，BM-SC必须向GGSN发送会话开始（session start）请求。然后GGSN将分配所需的因特网资源，并将该请求前转到相应的SGSN，这些SGSN同样根据业务质量（QoS）来分配所需的无线资源。最后，MBMS业务组中的终端将被通知要开始传送组播业务数据了。
        服务器接着将多媒体数据发送给BM-SC，随后BM-SC会将这些数据转发到MBMS的承载层。这样数据便会发送到加入MBMS业务组的所有终端了。
        最后，服务器发送会话结束（session stop）通知，表示数据传输阶段已经结束。想离开MBMS组播业务的终端用户，可以向网络发送业务离开（service leave）请求，随后网络便将该用户从MBMS业务组中删除。
五、无线接入网中广播和组播的承载
        对于MBMS和BCMCS，GSM、WCDMA和CDMA2000都分别已经定义了广播和组播的承载方式。由于广播和组播无线承载必须同时服务多个用户，因此许多为高速、双向点到点通信开发的速率、容量增强功能都无法使用。换句话说，信号不能分别适应每个用户，它必须要保证最差无线条件下用户的通信，因此不管用户的位置和无线条件，新的无线承载必须提供全区域的覆盖。
1.GSM中的广播/组播无线承载
        在GSM系统中，MBMS使用GPRS或者EDGE中的分组数据信道（PDCH）作为其点到多点的无线传输承载。在数据链路层上采用无线链路控制协议（RLC）和媒体接入控制协议（MAC）。
        早期的仿真说明直接使用MBMS承载时其性能并不令人十分满意。因此为了提高性能，又增加了下面两种增强机制：
●具有自动请求重传（ARQ）的RLC/MAC：也称为分组下行确认/非确认（PDAN）模式。在该模式下在给定的小区中，最多可以提供16个终端的会话反馈。这样如果RLC数据块传输出错，便可以通过重传来增加冗余保护。
●无ARQ的RLC/MAC：也称为盲接收模式。在该模式中RLC数据块在传输前按照预先定好的次数进行重复，以此来实现冗余保护。
2.WCDMA中的广播/组播无线承载
        在WCDMA中，MBMS最大可能的利用了网络现存的逻辑信道和物理信道。其实现只需要增加三条新的逻辑信道和一条新的物理信道。新的逻辑信道如下：
●MBMS点到多点控制信道（MCCH）：该信道包含着正在进行通信或者即将要进行通信的MBMS会话信息。
●MBMS点到多点调度信道（MSCH）：该信道为MTCH信道上的数据调度提供相应的信息。
●MBMS点到多点业务信道（MTCH）：该信道用于承载实际的MBMS业务数据。
        新的物理信道是MBMS通知指示信道（MICH），网络通过该信道通知终端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）和辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）。其RLC和MAC使用现存的大部分协议栈。
        对于MTCH，MBMS使用了两种不同的传输时间间隔（TTI）：40ms和80ms。较长的TTI可以提供较大的时间分集，从而提高MBMS性能。
        在3GPP R6中，MBMS针对MTCH的物理层引入了几种增强技术。其中的一种就是FACH的软合并。通过多条无线链路的软合并，可以大大的增强系统的性能。
        在3GPP R6中，在5MHz的载频上可以支持16条点到多点的MBMS信道，且每条信道的比特速率都是64kb/s，这是对于单天线接收终端而言的。如果终端有双天线和通用RAKE接收机，那么每小区每载频的容量还会大大的增加。如果只使用双天线终端，MBMS的容量要增加2倍，也就是说每小区每载频可以支持32条信道。如果再引入通用RAKE接收机，那么每小区每载频将支持40条信道。
        MBMS灵活性的一个非常重要的方面，就是其无线承载的可用数目是可以设置的，而且还可以让每个无线承载具有不同的比特速率。我们知道，尽管MBMS支持的最高比特速率是256kb/s，但是根据目前终端的大小和分辨率，64kb/s的速率对于新闻频道已经足够了，128kb/s对于体育频道也是够用的。
3.CDMA2000中的广播/组播无线承载
        CDMA2000也尽可能的利用现存的物理信道来实现BCMCS。为了弥补点到多点通信中缺少无线链路重传协议，CDMA2000中在现存的编码层又引入了另一种纠错编码。编码过程就像一个矩阵，行数据编码依然采用现存的编码机制（即Turbo码），而列编码则采用RS编码，编码后的数据通过空中接口发送给接收机。
        BCMCS标准没有规定最小或者最大的终端能力。目前对于1xEV-DO来说，其商业有效速率在下行可以达到2.4Mb/s（点到点方式）。然而该速率不能覆盖小区的边缘，而且此时该载波也无剩余容量。加上Turbo编码和RS编码的复杂性，对于BCMCS来说，其终端用户的比特速率跟MBMS是相当的。
        在移动通信系统中都假设相邻小区的信号包含不同的内容，因而要对其进行抑制以减小干扰。然而，对于广播业务，其传输的内容是相同的，因而无需抑制相邻小区的信号。出于这种考虑，学者们为1xEV-DO的广播/组播提出了新的无线承载方式。其中一种建议提出了基于正交频分复用（OFDM）方式来承载。其使用的调制方式跟数字视频广播（DVB）一样。另外的建议认为要使用现存CDMA扩频技术和复杂的接收机。然而这些信道与目前的无线承载都是不兼容的。因此运营商在实施BCMCS时应考虑到这些问题。
六、结束语
        随着MBMS和BCMCS的不断发展，其支持的多媒体业务，尤其是手机电视业务必将得到迅猛的发展。而且由于移动广播业务可以跟现存的移动业务（例如语音、数据）复用，因此在不久的将来交互式广播业务很可能成为新的业务。