3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的組播與廣播

　　手機電視業(yè)務(wù)可以使用戶(hù)在移動(dòng)終端上觀(guān)看電視節目。目前的手機電視都是以點(diǎn)到點(diǎn)（PtoP）的方式通過(guò)流媒體技術(shù)來(lái)實(shí)現的。但是，隨著(zhù)手機電視業(yè)務(wù)市場(chǎng)的不斷拓展，簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，因此移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )需要具有點(diǎn)到多點(diǎn)（PtoM）實(shí)現方式的廣播、組播能力。本文簡(jiǎn)單介紹了3GPP和3GPP2 中定義的新移動(dòng)廣播、組播業(yè)務(wù)，詳細說(shuō)明了其網(wǎng)絡(luò )架構和具體的無(wú)線(xiàn)承載方式。

    一、引言

    2004年許多移動(dòng)運營(yíng)商都推出了手機電視業(yè)務(wù)，是以點(diǎn)到點(diǎn)的方式通過(guò)流媒體技術(shù)來(lái)實(shí)現的。但是，隨著(zhù)手機電視業(yè)務(wù)市場(chǎng)的不斷拓展，簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足手機電視業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展的需求。

    幾年前3GPP和3GPP2就已經(jīng)開(kāi)始分別為GSM/WCDMA和CDMA2000制定廣播/組播業(yè)務(wù)了。在3GPP，將其稱(chēng)為多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)（MBMS），而在3GPP2中，則稱(chēng)為廣播和組播業(yè)務(wù)（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(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的廣播和組播進(jìn)行了有效的支持，開(kāi)放移動(dòng)聯(lián)盟廣播業(yè)務(wù)組（OMABCASTOpenMobile Alliance Broadcast service group）將致力于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和非移動(dòng)數字廣播網(wǎng)絡(luò )中廣播/組播業(yè)務(wù)層相關(guān)規范的制定。例如OMA BCAST正在研究?jì)热荼Ｗo、傳輸調度等問(wèn)題。

    我們知道，對于非移動(dòng)廣播技術(shù)而言，它需要在移動(dòng)終端中添加新的接收機，從而接收無(wú)線(xiàn)廣播信號，實(shí)現在移動(dòng)終端中觀(guān)看電視。然而MBMS和BCMCS的引入對現存的無(wú)線(xiàn)部分協(xié)議和核心網(wǎng)協(xié)議的改動(dòng)非常小，這無(wú)疑有利于降低網(wǎng)絡(luò )和終端的成本，因此與非移動(dòng)廣播技術(shù)比較而言，MBMS和BCMCS更具有優(yōu)勢。而且移動(dòng)廣播還可以使移動(dòng)運營(yíng)商保持已經(jīng)建立的商業(yè)模型。因此，對于許多業(yè)務(wù)，尤其是手機電視業(yè)務(wù)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(dòng)運營(yíng)商都推出了移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，例如無(wú)線(xiàn)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(hù)。

    例如，在日本的移動(dòng)用戶(hù)就可以通過(guò)它們的手機來(lái)觀(guān)看從KDDI的EZChannel訂購的不同內容的多媒體業(yè)務(wù)。在歐洲，許多運營(yíng)商都推出了體育信息業(yè)務(wù)，就是通過(guò)多媒體消息業(yè)務(wù)（MMS）來(lái)向用戶(hù)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(yíng)商都已經(jīng)開(kāi)通了手機電視業(yè)務(wù)。

    目前，手機電視業(yè)務(wù)都是通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式來(lái)實(shí)現的。這樣如果內容服務(wù)器要向多個(gè)用戶(hù)傳送多媒體信息就必須與每個(gè)接收者都建立并維持一條連接。然而這種手機電視的實(shí)現方式只能支持少數或者中等數目的手機電視用戶(hù)，一旦用戶(hù)數目增大，這種實(shí)現方式將對現存的網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)巨大的壓力。一方面，內容服務(wù)器要建立多個(gè)內容相同的并行連接，雖然技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題，但是這樣做是非常不經(jīng)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(gè)用戶(hù)位于同一小區而且接收相同業(yè)務(wù)時(shí)，該小區的無(wú)線(xiàn)鏈路將成為瓶頸。由此可以看出，點(diǎn)到點(diǎn)的承載方式非常低效，必須通過(guò)點(diǎn)到多點(diǎn)的承載方式來(lái)高效的支持廣播/組播業(yè)務(wù)。

    三、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的MBMS和BCMCS

    對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，MBMS和BCMCS具有下列特征：

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

    ●在核心網(wǎng)中對廣播/組播數據流具有路由功能。

    ●在小區內具有用于點(diǎn)到多點(diǎn)的高效的無(wú)線(xiàn)承載方式。

    圖1是3GPPMBMS結構中各個(gè)網(wǎng)元的連接結構圖。其中，廣播/多播業(yè)務(wù)中心（BM-SC）是新增加的網(wǎng)元，主要負責提供和傳送移動(dòng)廣播業(yè)務(wù)。BM- SC是MBMS中內容傳送服務(wù)的輸入點(diǎn)。它負責建立、控制核心網(wǎng)中MBMS的傳輸承載，同時(shí)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(wù)通知。該通知包括了終端想加入MBMS業(yè)務(wù)的所有必要信息（例如組播業(yè)務(wù)標識、IP組播地址、傳輸時(shí)間、媒體描述等）。BM-SC還用于產(chǎn)生來(lái)自?xún)热萏峁┥痰臄祿?huà)單，同時(shí)它還負責管理組播模式下的安全問(wèn)題。

    圖1 3GPP中MBMS的網(wǎng)絡(luò )結構圖

    MBMS標準沒(méi)有強制如何實(shí)現BM-SC的這些功能。制造商可能把它們做成單獨的節點(diǎn)，也可能將它們集成到現存的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中。在核心網(wǎng)絡(luò )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(shù)的功能和協(xié)議消息。

    MBMS另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是允許運營(yíng)商以非常小的粒度對特定區域來(lái)定義廣播/組播業(yè)務(wù)。這些地理區域按照MBMS業(yè)務(wù)區域進(jìn)行配置。核心網(wǎng)中的每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)下游節點(diǎn)列表來(lái)決定它需要向那個(gè)節點(diǎn)來(lái)轉發(fā)MBMS業(yè)務(wù)數據。在GPRS網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)（GGSN）層，上述的列表包括數據應當被轉發(fā)到的每個(gè)服務(wù) GPRS支持節點(diǎn)（SGSN）。在SGSN層，該列表應當包括WCDMA無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中需要接收數據的每個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器（RNC），或者是GSM無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中需要接收數據的每個(gè)基站控制器（BSC）。對于以組播方式操作的其他業(yè)務(wù)，核心網(wǎng)根據用戶(hù)當前注冊的業(yè)務(wù)來(lái)管理一個(gè)動(dòng)態(tài)數據分配樹(shù)。在IP組播時(shí)，核心網(wǎng)的每個(gè)節點(diǎn)都向服務(wù)注冊用戶(hù)的下游節點(diǎn)來(lái)轉發(fā)MBMS數據。

    下面的例子給出了使用流媒體業(yè)務(wù)時(shí)移動(dòng)廣播實(shí)現方式的優(yōu)勢。圖2中的幾個(gè)手機電視用戶(hù)分別觀(guān)看三類(lèi)不同頻道的流媒體，它們通過(guò)單播方式來(lái)實(shí)現。在這種情況下每個(gè)用戶(hù)與流媒體服務(wù)器間都要建立一條獨立的流媒體連接。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的負載與用戶(hù)的數目直接相關(guān)。在該例子中由于總共有10個(gè)用戶(hù)使用該業(yè)務(wù)，因此流媒體服務(wù)器必須處理10個(gè)流媒體連接。不難看出，隨著(zhù)用戶(hù)數目的增加，服務(wù)器的負載將迅速增加，同時(shí)核心網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)量也會(huì )大大增加。

    圖2 非MBMS支持的手機電視業(yè)務(wù){{分頁(yè)}}

    圖3給出了同樣情況下由MBMS支持的手機電視業(yè)務(wù)。在此情況下服務(wù)器只向MBMSBM-SC傳送三個(gè)媒體流，每個(gè)頻道一個(gè)。每個(gè)頻道的數據流在核心網(wǎng)內根據需要單獨的進(jìn)行復制。從圖中可以清楚的看出，此時(shí)的流媒體服務(wù)器只需要同時(shí)處理三個(gè)媒體流。在無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)側的瓶頸問(wèn)題。其實(shí)在3GPP2中BCMCS也是這樣實(shí)現的。

    圖3 MBMS支持的手機電視業(yè)務(wù)

    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(gè)數據源到多個(gè)接收者的高效下載。目前，MMS的傳送也是采用點(diǎn)到點(diǎn)方式，在將來(lái)MMS系統可以通過(guò)標準接口與BM-SC相連，從而便可以通過(guò)MBMS來(lái)傳送MMS業(yè)務(wù)，這樣可以方便地通過(guò)MMS來(lái)向用戶(hù)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(wù)所需的協(xié)議沒(méi)有作出明確的規定。

    通過(guò)MBMS的廣播/組播方式來(lái)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T(mén)CP協(xié)議需要一條雙向連接。為此因特網(wǎng)工程任務(wù)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(hù)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(guò)增加前向糾錯碼（FEC）來(lái)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(wú)差錯，因此MBMS還定義了點(diǎn)到點(diǎn)的文件修復過(guò)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(wù)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(lèi)似的，為了描述的簡(jiǎn)潔，此處僅用MBMS來(lái)說(shuō)明。

    圖4 MBMS會(huì )話(huà)的典型流程{{分頁(yè)}}

    開(kāi)始，特定的MBMS業(yè)務(wù)信息被送到業(yè)務(wù)服務(wù)器中，該信息通?？醋魇菢I(yè)務(wù)通知。業(yè)務(wù)通知提供了相應的業(yè)務(wù)信息和終端如何訪(fǎng)問(wèn)它。將MBMS業(yè)務(wù)通知傳送給終端用戶(hù)可以有多種實(shí)現方式。最簡(jiǎn)單的實(shí)現方式就是將其存儲在Web服務(wù)器中，用戶(hù)可以通過(guò)超文本傳輸協(xié)議（HTTP）或者無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議（WAP）來(lái)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(lái)傳送該業(yè)務(wù)通知。還可以利用專(zhuān)門(mén)的MBMS業(yè)務(wù)通知信道來(lái)傳送。

    在終端用戶(hù)接收到業(yè)務(wù)通知后，用戶(hù)使用業(yè)務(wù)的方式取決于業(yè)務(wù)是廣播方式還是組播方式。如果業(yè)務(wù)是廣播方式，那么用戶(hù)終端只需要簡(jiǎn)單的“調諧”到相應的信道（在業(yè)務(wù)通知中有詳細的參數描述）上就可以了。如果業(yè)務(wù)是組播方式，那么用戶(hù)必須向網(wǎng)絡(luò )發(fā)起會(huì )話(huà)加入（sessionjoin）請求，這樣用戶(hù)便會(huì )成為相應MBMS業(yè)務(wù)組的一位成員，因而可以接收到組播業(yè)務(wù)的數據了。

    在傳輸開(kāi)始時(shí)，BM-SC必須向GGSN發(fā)送會(huì )話(huà)開(kāi)始（sessionstart）請求。然后GGSN將分配所需的因特網(wǎng)資源，并將該請求前轉到相應的 SGSN，這些SGSN同樣根據業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）來(lái)分配所需的無(wú)線(xiàn)資源。最后，MBMS業(yè)務(wù)組中的終端將被通知要開(kāi)始傳送組播業(yè)務(wù)數據了。

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

    最后，服務(wù)器發(fā)送會(huì )話(huà)結束（sessionstop）通知，表示數據傳輸階段已經(jīng)結束。想離開(kāi)MBMS組播業(yè)務(wù)的終端用戶(hù)，可以向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送業(yè)務(wù)離開(kāi)（serviceleave）請求，隨后網(wǎng)絡(luò )便將該用戶(hù)從MBMS業(yè)務(wù)組中刪除。

    五、無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中廣播和組播的承載

    對于MBMS和BCMCS，GSM、WCDMA和CDMA2000都分別已經(jīng)定義了廣播和組播的承載方式。由于廣播和組播無(wú)線(xiàn)承載必須同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，因此許多為高速、雙向點(diǎn)到點(diǎn)通信開(kāi)發(fā)的速率、容量增強功能都無(wú)法使用。換句話(huà)說(shuō)，信號不能分別適應每個(gè)用戶(hù)，它必須要保證最差無(wú)線(xiàn)條件下用戶(hù)的通信，因此不管用戶(hù)的位置和無(wú)線(xiàn)條件，新的無(wú)線(xiàn)承載必須提供全區域的覆蓋。

    1.GSM中的廣播/組播無(wú)線(xiàn)承載

    在GSM系統中，MBMS使用GPRS或者EDGE中的分組數據信道（PDCH）作為其點(diǎn)到多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳輸承載。在數據鏈路層上采用無(wú)線(xiàn)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(shuō)明直接使用MBMS承載時(shí)其性能并不令人十分滿(mǎn)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(dòng)請求重傳（ARQ）的RLC/MAC：也稱(chēng)為分組下行確認/非確認（PDAN）模式。在該模式下在給定的小區中，最多可以提供16個(gè)終端的會(huì )話(huà)反饋。這樣如果RLC數據塊傳輸出錯，便可以通過(guò)重傳來(lái)增加冗余保護。

    ●無(wú)ARQ的RLC/MAC：也稱(chēng)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(jìn)行重復，以此來(lái)實(shí)現冗余保護。

    2.WCDMA中的廣播/組播無(wú)線(xiàn)承載

    在WCDMA中，MBMS最大可能的利用了網(wǎng)絡(luò )現存的邏輯信道和物理信道。其實(shí)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(yè)}}

    ●MBMS點(diǎn)到多點(diǎn)控制信道（MCCH）：該信道包含著(zhù)正在進(jìn)行通信或者即將要進(jìn)行通信的MBMS會(huì )話(huà)信息。

    ●MBMS點(diǎn)到多點(diǎn)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(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù)信道（MTCH）：該信道用于承載實(shí)際的MBMS業(yè)務(wù)數據。

    新的物理信道是MBMS通知指示信道（MICH），網(wǎng)絡(luò )通過(guò)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(shí)間間隔（TTI）：40ms和80ms。較長(cháng)的TTI可以提供較大的時(shí)間分集，從而提高M(jìn)BMS性能。

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

    在3GPPR6中，在5MHz的載頻上可以支持16條點(diǎn)到多點(diǎn)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(xiàn)接收終端而言的。如果終端有雙天線(xiàn)和通用RAKE接收機，那么每小區每載頻的容量還會(huì )大大的增加。如果只使用雙天線(xiàn)終端，MBMS的容量要增加2倍，也就是說(shuō)每小區每載頻可以支持32條信道。如果再引入通用RAKE接收機，那么每小區每載頻將支持40條信道。

    MBMS靈活性的一個(gè)非常重要的方面，就是其無(wú)線(xiàn)承載的可用數目是可以設置的，而且還可以讓每個(gè)無(wú)線(xiàn)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(jīng)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(wú)線(xiàn)承載

    CDMA2000也盡可能的利用現存的物理信道來(lái)實(shí)現BCMCS。為了彌補點(diǎn)到多點(diǎn)通信中缺少無(wú)線(xiàn)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(guò)程就像一個(gè)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(guò)空中接口發(fā)送給接收機。

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

    在移動(dòng)通信系統中都假設相鄰小區的信號包含不同的內容，因而要對其進(jìn)行抑制以減小干擾。然而，對于廣播業(yè)務(wù)，其傳輸的內容是相同的，因而無(wú)需抑制相鄰小區的信號。出于這種考慮，學(xué)者們?yōu)?xEV-DO的廣播/組播提出了新的無(wú)線(xiàn)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(lái)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(shù)和復雜的接收機。然而這些信道與目前的無(wú)線(xiàn)承載都是不兼容的。因此運營(yíng)商在實(shí)施BCMCS時(shí)應考慮到這些問(wèn)題。

    六、結束語(yǔ)

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