基于MBMS的手机电视技术研究

admin

1 手机电视的实现方式
　　手机电视业务又称为手机的移动视频业务，是通过手机等移动终端呈现电视节目的服务。从手机电视的实现方式来看，目前主要分为以下三种:
　　（1）利用数字地面广播实现
　　利用数字地面广播实现的方式，包括欧洲的DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld)技术和日本的单频段转播标准。这种方式将数字电视和移动电话技术进行整合，通过在手机终端上安装微波数字电视接收模块，使用户可以不经过移动通信网络直接获得数字电视信号，将低成本的广播网络同移动网络相结合。但该方式需要更多的参与方，如需要第三方（政府或相关的行业部门）制订相应标准以兼顾不同参与方的利益。
　　（2）基于卫星网络实现
　　基于卫星网络实现的方式，包括韩国的S-DMB（Satellite-Digital Multimedia Broadcasting）和欧洲的SDMB技术。这种方式是将数字视频或音频信息通过DMB卫星进行广播，由移动电话或其它专门的终端实现移动接收。这种方式可以在很宽广的地区充分满足用户在移动环境下接收广播电视这一个性化需求，但该方式所需投资巨大，成本回收仍是一个难题。
　　（3）利用移动网络实现
　　利用移动网络实现的方式，主要是基于WCDMA/GSM全球标准化组织3GPP提出的MBMS的流媒体技术。目前美国和我国移动运营商推出的手机电视业务主要是依靠现有的移动网络实现的。这种方式主要是利用流媒体技术，把手机电视作为一种数据业务推广。该方式可以利用通信网络互动能力强的特点为用户提供更加个性化的服务，不用更改基础网络结构，实施起来更为方便。
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息类组播和广播，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网络资源的不足。
　　（1）网络投资较少
　　基于现有WCDMA/GSM移动网络的MBMS，可以充分利用现有移动网络实现良好的深度覆盖，只是在已有的WCDMA/GSM移动网中增加一些新的功能模块，网络投资较少，建设周期也更短。
　　MBMS技术与其他数字电视广播技术具有完全不同的商业模式，MBMS提供了一套完全由WCDMA/GSM移动运营商运营和控制的广播/组播传输通道，方便移动运营商对手机电视业务的运营。
　　（2）支持的业务丰富
　　MBMS的最小覆盖单元是蜂窝小区，可以为不同位置用户提供丰富的业务，由于蜂窝网的每个小区覆盖范围较小并有更精确的网络规划，可以在网络的不同区域分别广播不同的内容。
　　在交互性方面，虽然MBMS没有设置专门的上行信道，但可以利用蜂窝网已有的上行信道实现交互，如进行业务订阅。除了广播业务，MBMS还可以提供更丰富的组播业务;通过点对点修复机制，实现高可靠的下载业务，通过交互信道实现灵活的计费。MBMS还可以为用户提供多种丰富的“PUSH”业务。
　　（3）无线资源调度灵活
　　MBMS可以实现更灵活的无线资源调度，提高网络资源利用率。p-t-m方式使得资源的消耗同用户数目的增长不再相关，大大节省了日益紧张的空口资源以及Iub传输资源，从根本上解决移动网络容量方面的劣势。
　　MBMS用户数越多，在容量和成本方面的优势就越明显，即性价比越高。当MBMS用户数目较少时，可以以小区为单位对所属于该小区内的用户进行统计，根据统计结果确定以点到点（p-t-p）还是p-t-m方式来传输，为用户灵活地配置信道。当以p-t-m方式传输时，MBMS还可以通过选择性合并或者软合并技术提高系统的性能。
3 基于WCDMA/GSM的MBMS网络框架
　　基于WCDMA/GSM的MBMS并未对基础网络的结构进行根本性的改变，但为了实现其功能还是增加了一些新的功能实体并定义了新的逻辑共享信道来实现空中接口资源共享。参考结构如图1所示。
　　MBMS在核心网部分增加一个新的功能实体——广播组播业务中心（BM-SC:Broadcast Multicast Service Centre）。它是内容提供者的入口，用来授权并在移动网中发起MBMS承载业务，并按预定时间传送MBMS内容。每一项MBMS业务都必须包括BM-SC实体。
　　对于原有分组域功能实体如GGSN、SGSN、UTRAN、GERAN和UE等则增加了相应的MBMS功能和信令交互过程，从而在核心网内实现数据包的有效分发。新增的功能包括:
　　（1）UE支持激活/去激活MBMS承载业务;支持有关MBMS的安全功能，如对内容进行加密和一致性保护;能够接收MBMS业务声明、寻呼信息或支持同步业务;根据MBMS会话标志决定是否忽略MBMS会话等。
　　（2）UTRAN/GERAN在预定的MBMS业务区域内传送MBMS数据，组播模式下根据小区中当前服务用户数目和可用无线资源选择合适的无线承载方式;支持核心网发起和终止MBMS传送;允许MBMS接收者在UTRAN/GERAN间的移动;在进行MBMS业务的同时还可以传送声明、寻呼信息。
　　（3）SGSN对MBMS承载业务进行网络控制;支持MBMS接收者在SGSN间的移动;支持组播业务计费，包括后付费和预付费用户;根据GGSN发送的通知建立或释放Iu承载和Gn承载。
　　（4）GGSN作为MBMS数据的IP组播业务节点，根据BM-SC的通知请求为广播或组播传送建立或释放用户面承载;从BM-SC或其它数据源接收IP组播内容，并发送到适合的GTP隧道；支持消息通知、搜集计费数据信息等。
　　3.1 支撑MBMS的无线接入网结构
　　在无线接入网，MBMS定义了新的逻辑共享信道和新的MAC层实体，实现空中接口资源共享。为了获得MBMS承载业务在RAN中的最优传输，3GPP在RAN中规范了多项技术，如p-t-m传输、合并技术和传输模式的选择。从承载平面来讲，MBMS可以在Gi参考点和UE之间传输具有不同QoS要求的IP组播数据包。从控制层面来讲，MBMS提供了相应的控制机制，管理UE的MBMS承载业务的状态激活、MBMS用户业务的外部荐权问题，控制会话的开始和结束，以及承载资源的管理等。MBMS承载业务的边缘是Gmb和Gi参考点，即广播组播业务中心BM-SC与GGSN之间的接口，Gmb接口提供控制层面功能，Gi接口提供用户层面的承载功能。这里唯一新增的接口是Gmb接口，其它都是WCDMA/GSM网络已有的接口。

图1 WCDMA/GSM网络中MBMS的参考结构

　　为了支持MBMS用户层面和控制层面的传输，MAC层部分新增了一个被称为是MAC-m的功能实体，位于CRNC中，负责安排相关的MBMS传输信道，完成从逻辑信道到传输信道的映射。同时为了进行MBMS的p-t-m传输，新增了三个逻辑信道:MCCH（MBMS point-to-multipoint Control Channel）、MSCH（MBMS point-to-multipoint Scheduling Channel）、MTCH（MBMS point-to-multipoint Traffic Channel），用于p-t-m传输下行用户信息和控制信息;为了寻呼定制了某MBMS业务的用户，还定义了一个专用的寻呼指示信道（MICH）。
　　同p-t-p方式相比，p-t-m方式传输可以让所有定制同一MBMS业务的用户在一个传输信道(FACH)上接收相同数据，无线信道的效率得到很大的提高。综合考虑下行发送功率的限制和覆盖因素，协议中选定FACH作为MBMS业务p-t-m承载的传输信道，但p-t-p方式仍然采用专用信道。即在MBMS中具有两种传输模式：传统的p-t-p模式和新增的p-t-m模式。因为FACH信道的发射功率比DCH大，在定制业务的用户很少情况下显然会浪费功率，所以可以根据无线资源占用最少的原则选择适合的传输方式。一个MBMS业务只建立一个Iu承载，并在小区组内共享PDCP和RLC实体。CRNC控制在小区组内传输多个p-t-m的MBMS无线承载数据;用户可以同时接收多个无线承载数据，并分别解码，在RLC层选择合并;合并技术使p-t-m传输能获得非常显著的接收增益，即便是FACH信道也可以为MBMS提供高达384 kbit/s的高速、可靠传输。
　　3.2 MBMS业务流程
　　由于目前移动网络不支持组播和广播能力，R6协议为WCDMA/GSM网络定义一系列MBMS业务流程，增加了RNC、Iu接口以及Uu接口处的信令交互过程，在WCDMA/GSM分组网已有接口上定义了与MBMS业务相关的新消息和新参数。
　　MBMS包括两种模式:组播模式和广播模式。由于组播和广播模式在业务需求上不同，导致其业务流程也不同，如图2所示。会话开始和会话结束都由广播组播业务中心BM-SC发起，为MBMS数据传送建立或释放相应网络资源，包括GTP用户面、Iu接口承载和空中承载。该过程和用户加入或退出某个组播组过程是完全独立的，如用户可以在组播会话开始之前或之后激活MBMS业务。

图2 MBMS业务流程

　　相对于广播模式而言，组播模式增加了三个相关的过程:订阅、用户的加入和退出。有关的订阅信息存储在BM-SC中。用户加入或退出某个组播组，通过IGMP（Internet Group Management Protocol）协议或MLD（Multicast Listener Discovery）协议实现。UE与GGSN需支持IGMP (IPv4)/MLD (IPv6)协议。通过已建立的UE与GGSN间承载通道，UE向GGSN发送IGMP/MLD 加入消息或离开消息。当用户加入后，CN和RAN节点中都将保存该用户组播业务的MBMS内容（MBMS context）。
　　MBMS业务声明机制要通知用户MBMS业务的相关信息，如MBMS业务的地理范围、IP组播地址、业务开始时间等;运营商可考虑多种方式实现业务声明，如通过小区广播、MBMS广播模式、MBMS组播模式、PUSH机制（WAP、SMS、MMS）、URL（HTTP、FTP）等。
　　3.3 性能分析
　　MBMS业务是一种功率受限的业务。虽然通过争抢有限的功率资源可以提高MBMS业务的质量以及MBMS用户的满意率，但这是以牺牲其他业务为代价的。因此，MBMS的一个主要目标就是以最小的功率来尽可能地提供满意的服务。
　　如图3所示，在使用STTD的情况下，当使用长TTI且BLER为0.01时可以获得至少2 dB的增益。由于MBMS业务对时间延迟并不敏感，所以使用长的TTI并不会影响业务的开展。即提供相同的业务，使用80ms长度的TTI可以比使用20ms长度的TTI节省大约12％的功率。

图3 BLER与发射功率

　　在WCDMA系统中可以采用软合并或者选择性合并技术来提高分集增益。选择性合并指UE能接收在多条无线链路上同时进行传输的MBMS数据并将其进行解码，选择被正确解码的数据块用于高层的处理。选择性合并可以分别解码来自于不同链路上的数据信号，并将这些数据分别存储在UE端的缓存中。软合并指在解码之前，UE端将来自于多个小区的信号进行合并，这种方式既能带来分集增益，又能节省MBMS功率。用于软合并的数据要先存储在UE的缓存中，当来自于各个链路上的TTI全部接收完毕之后才开始合并。在满足95％覆盖的条件下，使用2RL软合并可以带来大约4.6 dB的增益，当使用3RL时，软合并带来的增益可以达到6.5 dB，即可以分别节省至少14％和17％的功率。
4 发展方向
　　在未来移动通信中，MBMS仍然是增加运营收入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。
　　在LTE中，其扁平式的网络结构将弱化RNC的功能，增强E-Node B的调度（scheduling）和分段重组（segmentation/ assembly）功能，同时能够支持1.25 MHz～20 MHz带宽，极大提高峰值数据速率(在20 MHz带宽下支持下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值速率)。这些方面的改进和提高都将为MBMS的进一步演进铺平道路。而HSPDA，由于采用了自适应调制编码、HARQ和快速调度等关键技术，可以提供高速下行分组数据速率并减少时延，其理论峰值速率可以达到14.4 Mbit/s。虽然在其实现上还存在一定的问题，但对于单向发送的MBMS业务来说这种技术无疑具有很大的吸引力。
　　参考文献
　　[1] 林福华“手机的移动视频业务”电子世界 2005.第9期
　　[2] 3GPP TS 23.246 V6.7.0“Architecture and functional description(Release 6)”
　　[3] 3GPP TS 25.346 V6.6.0 “Introduction of the Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN)－stage 2”
　　[4] 汪勇刚“WCDMA增强无线接入技术：从R5到R6” 邮电设计技术 2004 10
　　[5] 3GPP TS 25.803 V6.0.0“S-CCPCH performance for MBMS(Release 6)”
　　[6] R2-060554“E-MBMS Principles” Qualcomm Europe S.A.R.L.（3GPP TSG-RAN WG2 meeting #51）
　　[7] Sanigepalli Praveenkumar, Dr. Hari Kalva, Dr. Borko Furht“Application of Video Error Resilience Techniques for Mobile Broadcast Multicast Services (MBMS)” Proceedings of the IEEE Sixth International Symposium on Multimedia Software Engineering (ISMSE’04) IEEE 2004
　　[8] M.Chuah, Teck Hu, W. Luo “UMTS Release 99/4 Airlink Enhancement for supporting MBMS Services” IEEE Communications Society 2004