3GPP中多媒体广播和组播技术

摘要
　　介绍了3GPP中多媒体广播和组播技术（MBMS），包括MBMS的网络结构、业务流程和发展方向，介绍了阿尔卡特朗讯MBMS特色解决方案。

1  引言
　　组播和广播是一种从一个数据源向多个目标传送数据的技术。在传统移动网络中，小区广播业务（Cell Broadcast Service, CBS）允许低比特率数据通过小区共享广播信道向所有用户发送。随着Internet的迅猛发展，大量多媒体业务涌现出来，其中一些应用业务要求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、网上教育等。这些移动多媒体业务与一般的数据相比，具有数据量大、持续时间长、时延敏感等特点。目前的IP组播技术只适用于有线IP网络，不适用于移动网络，因为移动网络具有特定的网络结构、功能实体和无线接口，这些都与有线IP网络不同。
　　为了有效地利用移动网络资源，3GPP/GSM全球标准化组织3GPP提出了组播和广播业务（Multimedia Broadcast/Multicast Service, MBMS），在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空口接口资源。3GPP定义的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，这无疑顺应了未来移动数据发展的趋势。
　　本文就3GPP中MBMS无线接入结构、典型MBMS业务流程以及MBMS的发展方向进行了介绍。

2  3GPP中MBMS网络结构
　　对于3GPP而言，MBMS具有下列特征：
　　●具有控制广播/组播业务传送的能力。
　　● 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网络结构图。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网络结构图
　　为了支持MBMS用户层面和控制层面的传输，MAC层部分在CRNC新增了一个MAC-m的功能实体，负责MBMS传输信道。同时为了进行MBMS P-t-M（Point-to-Multipoint）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（Point-to-Point）方式相比，P-t-M方式传输可以让所有定制同一MBMS业务的用户在一个公共传输信道(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384kbit/s的高速、可靠传输。
　　图2给出了使用MBMS相比单播方式的优势。在单播方式中，每个用户与SGSN之间都要建立一条单独的连接。服务器和网络业务的负载与用户数目直接相关。随着用户数目的增加，服务器和网络负载将迅速增加，从而可能会影响到传统的语音和数据业务。

        　　图2  广播业务的演进

3  MBMS业务流程
　　由于目前移动网络不支持组播和广播能力，3GPP定义一系列MBMS业务流程，增加了Iu接口以及Uu接口处的信令交互过程，在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3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3  典型的MBMS业务流程
　　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（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，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接收相应的信道（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。

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1.25~20MHz带宽，极大提高峰值数据速率（在20MHz带宽下支持下行100Mbit/s、上行50Mbit/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14.4Mbit/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。
5  阿尔卡特朗讯MBMS特色实现方案
　　阿尔卡特朗讯在3GPP制定MBMS规范时就开始了MBMS的跟踪研究，随着R6/R7 MBMS改进和LTE MBMS规范工作的推进，阿尔卡特朗讯结合自身在HSDPA/HSUPA方面的领先进展和研发实力，提出了整套MBMS解决方案。

　　经过跟各个运营商的沟通，最典型的MBMS应用有：
　　●mUCC（mobile User Created Contents）：向其他用户提供由用户自己创作的服务（包括用手机拍摄的语音、视频、图片等）。
　　●Delayed Download (Joint-Purchase of Contents)：为了优化无线资源，当需要MBMS服务的用户数超过一个门限，才会传输MBMS内容。
　　●T-Commerce：当用户在家时可以通过手机浏览商店货品信息。如果用户确定要买，可以再提供额外的服务用于下订单或付款。
　　●Remote Education：由于没有足够时间或其它因素，学生无法亲自参加课程培训。可以通过MBMS接受在线的远程教学并可参加远程考试（例如大学入学考试、TOFEL等）。
　　●Multipoint Video Conference。

　　阿尔卡特朗讯把在R4/R5产品研发和应用中积累的优异的产品性能和无线资源管理算法有机地植入MBMS，最大限度地发挥MBMS的优势，为移动运营商和终端用户提供优质服务。

参考文献
　　1 TS23.246 MBMS Architecture and functional description
　　2 TS25.346 Introduction of the Multimedia Broadcast 
Multicast Service in the Radio Access Network stage 2
　　3 汪勇刚(上海贝尔阿尔卡特研究与创新中心). WCDMA增强无线接入技术: 从R5到R6. 邮电设计技术. 2004, 10
    (来源：中国联通网)