移动网络中的广播多播业务

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　　一、引言

　　随着Internet网的迅猛发展，大量多媒体业务涌现，其中一些应用业务，多个用户能同时接收相同数据，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教育、互动游戏等等不一而足。这些移动多媒体业务和一般数据相比，有数据量大，持续时间长，时延敏感等特点。目前的IP组播技术不适用于移动网络，因为移动网络有特定网络结构、功能实体和独特的无线接口承载。这些都与有线IP网络不同，所以，现有IP组播技术不能使多个移动用户共享移动网络资源。

　　在某种意义上说，点对多点的广播和组播是相同的，数据分组同时从一个源发送到多个目的地。广播指的是发送到所有的用户，例如电台广播和电视业务。组播指的是仅将业务发送给加入到特定组的用户。组播组是一组对某类业务感兴趣的用户，如体育新闻，卡通等。具有组播能力的网络可以将内容发到属于相应的组播组的接收者。这是一种将业务发送到大量用户组的有效方法，组播最初被Internet引入，现在也引入到无线网络中。

　　几年前，3GPP和3GPP2就已开始研究GSM和CDMA2000中的广播和组播业务。在3GPP中，该工作组称为多媒体广播组播业务（MBMS），而在3GPP2中称为广播组播业务（BCMCS）。移动广播业务功能标准在2004年冻结。3GPP MBMS和3GPP2 BCMCS有很多相同之处，因此，本文中都用移动广播表示。

　　MBMS和BCMCS引入了对广播组播传输的有效支持，OMA BCAST正在制定广播组播相关的规范。底层的广播组播业务机制，可以是MBMS，BCMCS，或者非移动的数字广播系统，如DVB-H。

　　MBMS和BCMCS对现有无线网络和核心网络协议的改动不大，这减小了终端和网络的实施成本，使得移动广播与非移动广播相比也并不昂贵。非移动广播需要终端中有新的接收硬件，网络结构中也要增加新的投资。移动广播的另外一个优势是移动运营商可以保留现有的商业模式。当前的业务，如移动TV，会从移动广播中极大地受益。当然，移动广播也会刺激新的、移动的、大量媒体业务的产生。它也使得运营商能够提供完全的三重播放业务，即电话、Internet和TV。

　　二、广播和组播的必要性

　　最近国外推出的几种移动多媒体业务与传统的广播业务非常相似。如电台广播和TV，将内容汇聚到信道并推送到相应的频道用户。例如在日本，移动用户如果定购了KDDI的EZ Channel多媒体业务，就可以在终端接收不同种类的内容。在欧洲，大量运营商推出了体育类信息服务，可以通过MMS将精彩片断发送给用户。此外，Vodafone（德国和挪威）、TIM（意大利和希腊）、Three（意大利和瑞典）和Sprint（美国）都推出了移动电视业务。

　　在某些情况下，移动电视业务通过点对点连接发送。因此，内容服务器同时将内容发给几个用户，必须为每个用户建立和维持单独的点对点链接。这种方法在用户少的时候比较适用，但是当用户大量增长时就存在扩展性的问题。

　　例如，一个“移动音乐”业务，可以在用户的电话上同步最受欢迎的10首歌曲。假定有5万个用户都定购了这个业务，每个用户的无线链路的速率为128kbit/s。同样，假定每个文件大小为3MB。当每次一个新的歌曲进入前十名时，就必须发给5万个用户。假定内容服务器可以同时处理1000个并发的连接，则需要两个半小时才能够将更新内容发到5万个用户。在这段时间，服务器就会产生128Mbit/s的业务流。需要注意的是，5万个用户与每个运营商潜在的用户市场相比，仍然是非常小的。

　　下面考虑移动电视等实时业务需要消耗多少容量。有5万个用户的移动电视业务，要求一个服务器可同时处理5万个连接。尽管这在技术上是可行的，但并不经济。而且，当多个用户同时使用时，该业务会产生大量的突发业务流。

　　如果大量使用同一业务的用户在同一小区，无线接入网，尤其是无线链路，很容易成为瓶颈。例如，在足球场，许多球迷都使用他们的移动电话来监视同时进行的其他比赛，就像他们当时使用的晶体管收音机。在这种情况，使用点对点的无线电承载效率非常低。因此，非常需要能够支持广播组播业务的无线承载。

　　三、MBMS和BCMCS的网络结构

　　MBMS和BCMCS要求移动网络增加以下特点：

　　（1）一组控制广播组播发送业务的功能。MBMS使用广播组播中心，BCMCS使用BCMCS控制器；
　　（2）广播组播在核心网中为数据流选择路由；
　　（3）在一个小区内，点对多点无线电传输的有效无线承载。
　　此外，MBMS和BCMCS也制定了多媒体数据发送的协议和媒体编码解码规范，但是相关协议很少。

　　图1是使用MBMS的3GPP结构。MBMS标准并不强制BM-SC功能如何实施。某些厂家以单独的节点提供，另外一些则将它们融合到现有的核心和业务网络节点。

图1　3GPP MBMS结构

　　广播组播业务中心（BM-SC：Broadcast Multicast Service Centre）是新增的移动网功能实体，是内容提供者的入口，用来授权和在移动网中发起MBMS承载业务，并按预定时间计划传送MBMS内容。其功能包括：
　　（1）对第三方内容提供商的鉴权、授权和计费；
　　（2）提供MBMS传输相关参数，如QoS、组播广播区域；发起和终止MBMS传输资源；
　　（3）从外部数据源接收并传送MBMS内容，安排MBMS会话传送并告知用户；会话重传等；
　　（4）业务声明，包括媒体描述、会话描述如组播业务标识、地址、传送时间等。
　　图2示出BCMCS的网络结构图。新增的主要节点有BCMCS控制器、BCMCS内容服务器、BSN和组播路由器。

图2　BCMCS网络结构图

　　BCMCS控制器是核心网的功能节点，其功能如下：

　　（1）负责管理BCMCS会话信息，并给BSN功能节点、RAN（通过S-AAA）、MS（通过PDSN）、以及内容服务器提供BCMCS会话信息。
　　（2）使用从HAAA接收的BCMCS用户档案执行授权。
　　（3）承担BAK分发器的功能，可承担BAK生成器的功能。
　　（4）执行发现操作，帮助MS找到MS要求的内容。
　　（5）可对BCMCS内容提供商进行认证，协助它将BCMCS内容传送给BCMCS内容服务器。

　　BCMCS内容服务器使BCMCS内容可以在IP组播流中使用。业务网络的BCMCS服务器不必要是内容生成器或内容源；它仅为内容到达BSN之前的最后一个应用层实体。可以存储和转发从内容提供商来的内容，融合从多个内容提供商的内容。在高层加密情况下，内容服务器可以加密流内容。此时，BCMCS内容服务器还承担着SK生成器功能。

　　BSN是新增的逻辑功能实体，主要功能有：

　　（1）与BSC/PCF通信，增加或删除一个组播服务IP流。
　　（2）它可使用IP组播协议管理自己与最近的路由器（连接到BCMCS内容服务器）之间的承载（支持组播IP流）。
　　（3）将BCMCS控制器接收的处理方式使用在组播IP流上。
　　（4）被PCF选择支持组播IP流的BSN可与支持和MS之间的正常PPP连接的PDSN不同。

　　组播路由器为可选实体。如果从BCMCS内容服务器到BSN采用隧道的方式传输内容，这个实体可被忽略。

　　蜂窝业务提供商或者内容提供商通过BCMCS业务通知和业务发现向用户表明BCMCS的有效性。业务通知机制允许网络向用户通知业务的有效性。业务发现机制允许用户向网络询问BCMCS业务的有效性。需要BCMCS业务的用户可以通过各种机制来发现BCMCS的内容和目录。这些机制包括：广告、短消息（SMS，Short Messaging Service）、无线接入协议（WAP，Wireless Access Protocol）等等。BCMCS控制器也可用作向MS提供BCMCS内容和目录信息的服务器。业务发现和业务通知用于分配关于业务（比如内容名称或者组播IP地址，以及用于特定内容程序的端口号）的用户信息和其它与业务相关的参数（比如业务注册允许的时间、业务开始和终止时间）。

　　在核心网中，MBMS和BCMCS增加了相应的功能和协议报文来建立和管理广播和组播数据分布树。

　　MBMS允许运营商为特定地理位置区域定义广播和组播业务，精度非常高，可以达到每个单独的无线小区。这些地理区域通过MBMS业务区进行配置。核心网中的每个节点使用下行节点列表来决定在哪个节点转发MBMS业务数据。在GGSN，列表包括数据应该转发的每个SGSN。在SGSN，列表包括WCDMA地面无线接入网的每个需要接收数据的无线网络控制器（RNC）节点，或者GSM无线接入网中的每个基站控制器（BSC）节点。在组播模式运行的业务，核心网管理一个动态数据分布树，跟踪当前定购业务的用户。对IP组播，每个核心网节点转发MBMS数据到为注册用户提供服务的下行节点。

　　下面举例说明使用移动广播业务的性能增益。如果10个移动电视用户通过单播方式观看3个不同频道。这种情况下，每个用户都需要到服务器的单独链接。服务器和网络业务流负载与用户数量直接相关。这样，流媒体服务器之所以要处理1O个流链接，是因为有10个用户。很明显，如果用户数量增加，服务器负载增加，并且在核心网络和无线网络部分势必产生大量的业务流。

　　如果通过MBMS提供移动电视，服务器仅发送每个频道的一个流到MBMS BM-SC。如果需要，每个频道的数据流在核心网和无线网部分单独复制。这样，流媒体服务器仅需要处理3个并发的流。而且，在最底层的小区所需要的无线资源，仅需要分配给3个并行的广播传输，而不是10个单独的单播传输。值得注意的是，3GPP2的BCMCS也是这种情况。

　　除了MBMS和BCMCS支持的流媒体传送方法，MBMS也支持下载。MBMS下载可以用来有效地从一个源发送任意文件到多个接收者。现有的内容，个人MMS业务（如发送简短的体育片断的视频）将会从这个特点中受益。现在，这些业务使用的都是MMS的点对点链接。将来，MMS子系统可以非常容易地接入到BM-SC，可以将片断通过MBMS进行下载。

　　通过MBMS广播组播承载进行文件传送，需要特别注意的是广播和组播在下行链路为单向传输。因此，不能使用传输控制协议（TCP），因为TCP需要双向的单播链接。然而，IETF提供了一个在单播上的框架，称为无向文件传输协议（FLUTE）。FLUTE使用用户数据协议（UDP）作为底层传输协议。然而，由于UDP是不可靠的，FLUTE使用前向纠错（FEC）来保护封装的数据。尽管有很强的错误保护，FLUTE也不能保证无错传输。MBMS也规定了一个点对点文件修复步骤，在一个文件被广播或者组播后执行。在这个阶段，接收者可以连接到文件修复服务器并请求数据。因此，MBMS可以保证可靠的传输。

　　四、无线接入网中的广播和组播承载

　　要提供MBMS和BCMCS业务，就要为GSM、WCDMA、CDMA2000开发新的广播组播无线承载和协议。然而，由于广播组播无线承载必须同时服务多个用户，许多用于点对点通信的增加速率和容量的方法不能使用。换句话说，必须让具有最差无线链路质量的用户也能使用。因此，新的无线承载必须提供全部区域的覆盖，无论用户在什么位置和处于什么无线条件。

　　1.GSM广播组播无线承载

　　在GSM中，MBMS使用GPRS和EDGE的调制和编码方式（CS1-4和MCS1-9）。MBMS也使用GPRS和EDGE分组数据信道（PDCH）来进行点对多点传输，2层使用无线链路控制／媒体接入控制（RLC/MAC）协议。对点对点传输，MBMS支持多时隙操作，这种情况下，无线网络在每个MBMS会话中可以使用4个时隙。

　　早期的仿真表明，直接转发MBMS承载的性能并不能令人满意。因此，为了改进性能，引入了两种增强方法：

　　（1）使用自动重发请求（ARQ）的RLC/MAC，亦称为分组下行ACK/NACK模式（PDAN）。在这种模式中，一个给定的小区会话反馈可以提供给16个终端。这样，如果终端没有正确接收的RLC数据块，可以通过MBMS无线承载重新广播。
　　（2）无ARQ的RLC/MAC，亦称为盲重复模式。这种模式中，在下一个RLC块发送之前，RLC块重复发送预定的次数。

　　为了简单起见，假定每个移动台都有相同的载干比（C/I）。实际上，不同的用户具有不同的载干比，因为他们在小区中的不同位置。仿真表明，在PDAN模式中，使用EDGE信道编码，40kbit/s的视频广播需要2到4个时隙，取决于用户的数量，而盲重复模式需要4个时隙。一个普通的点对点EDGE信道可以以同样的速率提供流，使用2个时隙，但是只给1个用户使用。对3个用户，需要6个时隙，四个用户需要8个，以此类推。因此，如果小区中有2个用户，MBMS点对多点承载与通常的点对点链接一样有效，当用户数量增加的时候，就变得更加有效。

　　MBMS终端可以基于现有的EDGE硬件，进行软件升级来支持MBMS信令。在GSM中，即使在同一个时隙，MBMS无线承载仍可与GPRS/EDGE数据流复用。一个部署场景是在部署EDGE的密集区域激活MBMS；而在没有EDGE的区域，MBMS可以通过点对点GPRS提供。另外一个部署场景是需求功能的阶段性——例如，开始是MBMS广播，然后，增加MBMS组播。

　　2.WCDMA广播组播无线承载

　　在WCDMA中，MBMS最大程度地复用现有的逻辑和物理信道。实际上，WCDMA中的实施仅需要3个新的逻辑信道和1个新的物理信道。新的逻辑信道是：

　　（1）MBMS点对多点控制信道（MCCH），包括进来和出去的MBMS会话细节。
　　（2）MBMS点对多点调度信道（MSCH），提供MTCH上的数据调度信息。
　　（3）MBMS点对多点业务信道（MTCH），承载实际的MBMS应用数据。

　　新的物理信道是MBMS通知标识信道（MICH），网络通过该信道通知终端MCCH上可用的MBMS信息。

　　MCCH、MSCH、MTCH复用WCDMA中的转发接入信道（FACH）传输和第二个普通控制物理信道（S-CCPCH）。RLC和MAC层复用现有的协议栈。

　　MBMS中的MTCH使用两种交织深度（TTI）：40ms和80ms。选择长交织深度（TTI）在时域提供分集，通过在衰落变化中扩展用户数据，因此，改善了MBMS容量。

　　在3GPP R6中的MBMS引入了几种物理层MTCH的容量改进方法。一种方法是FACH的软合并。与单个无线链路相比，2条无线链路的软合并产生4.6dB的增益，3条无线链路的软合并产生6.5dB的增益。

　　WCDMA中MBMS的一个重要特征是MBMS无线传输的成本与小区的用户数量无关。很明显，当一个小区有几个MBMS业务用户时，MBMS比点对点链接有很大的容量优势。当一个小区中的MBMS用户非常少的时候，使用点对点链接或许更加有效。在判断什么时候一个MBMS点对多点承载比多个点对点链接更有效这方面，3GPP已经做了大量的工作。交叉点取决于所作的假定，包括点对点和点对多点的功能级别。有趣的是，仿真表明，交叉点仅是1、2个用户。为了提供灵活性，在标准中引入了一个计数步骤，保证网络跟踪一个小区中的MBMS用户数，帮助网络决定使用哪一种承载。

　　使用WCDMA MBMS技术，单接收天线的终端，一个5MHz小区载波可以支持16个点对多点MBMS信道，每个用户每个信道的速率为64kbit/s。终端使用其他技术，如双接收机技术，通用RAKE接收机，可以进一步地改进容量。直接转发的双天线接收分集，可以改讲WCDMA MBMS容量因子为2，每个小区载波上允许32个用户。引入额外的干扰抑制技术，如G-RAKE，可以进一步地提高容量，可能达到40个信道或者更多，相应于总的小区载波容量为2.5Mbit/s或者更高。

　　MBMS的一个重要的方面是灵活性—MBMS可以设置来使用一部分小区载波，将其他部分用于语音和数据业务。MBMS部分包括一个可变的MBMS无线承载数量。而且，每个无线承载可以有不同的比特率。尽管MBMS支持用户速率高达256kbit/s，考虑到现在手机的显示屏大小和分辨率，对于新闻频道，64kbit/s就足够，对体育频道，128kbit/s就够了。

　　3.CDMA2000广播组播无线承载

　　与WCDMA类似，CDMA2000使用现有的IS-2000（1X）和IS-856物理信道。为了弥补点对多点通信中没有无线链路重传协议的不足，在现有承载的编码之上引入了一种额外的纠错编码层。与MBMS相比，这个编码放在无线接入网，在接收机译码时，允许两层最优的合作。编码是一个矩阵，行由现有的帧和和编码类型（Turbo编码）组成，列是一组Reed-Solomon码，每个列宽是8个字节。矩阵中有k行构成信息，RS码有n列。所有的n行使用Turbo码独立编码，通过无线发送到接收者，并从多个基站软合并BCMCS信号。

　　现在商用的1XEV-DO调制解调器下行速率可以达到2.4Mbit/s。然而，这个速率并不能在小区边缘提供，广播业务要求能让这些在小区边缘的用户也能接收。而且，2.4Mbit/s是1XEV-DO总的带宽，如果全部用于广播业务，这个载波上就没有用于其他点对点通信的容量。新编码层会增加复杂度，媒体处理数据流的复杂度会进一步降低速率。考虑到这些限制，BCMCS终端用户速率将会与WCDMA中的MBMS差不多。

　　1XEV-DO有助于并发的业务，即BCMCS可以与其他点对点数据通信混合，包括VoIP。

　　移动系统假定相邻的小区包括不同的信号，必须抑制这些信号，以减小干扰。广播业务中发送同样的内容，因此不需要抑制。现有提出的一个建议是基于正交频分复用（OFDM），使用与DVB同样的调制技术。另外的建议是CDMA扩展，使用更高级的接收机。由于这些信道都不是后向兼容的，因此，对部署BCMCS业务感兴趣的运营商要么选择当前的信道、新信道，或者二者（消耗更多的带宽）。

　　五、结论

　　广播类业务的大量市场部署，要求具备3GPP MBMS和3GPP2 BCMCS规定的移动广播组播能力，以及OMA标准化的相关广播组播业务层功能。MBMS和BCMCS复用现有的多数无线和核心网络协议，以减小终端和网络的实施成本。而且，移动运营商可以保持现有的商业模式。

　　目前，随着大屏幕多功能手机的日益普及，移动数据业务的使用越来越广泛，人们已不再满足于简单的手机上网浏览业务，各种高带宽多媒体业务如视频会议、电视广播、视频点播、广告等将不断出现，一方面满足移动用户不断上升的业务需求，同时也为移动运营商带来新的业务增长点。而MBMS、BCMCS技术通过极大地提高网络资源利用率，尤其是宝贵的空口资源，基于MBMS、BCMCS技术可实现多种丰富的视频音频和多媒体应用业务，为3G发展提供更好的业务前景。