基于LTE MBMS的手机电视业务的研究

发布时间:2010-12-15 作者:查敦林,王魁英,孙知信

基金项目:国家自然科学基金(60973140), 江苏省自然科学资金(BK2009425), 江苏省高校自然基金(08KJB520005)项目资助

 

    随着现代通信、数字信号处理技术、多媒体技术和大规模集成电路的发展,手机中集成了一个又一个的个人电子用品,从最初的FM手机、到MP3手机、再到拍照手机、全球定位系统(GPS)导航手机,手机产品的功能越来越丰富而且价格也越来越低,这些都成为激励终端产业快速发展的驱动力。调查显示,随着科技的进步和人们生活水平的提高,人民群众的生活方式和消费观念发生了显著的变化:人们的流动性增强,要求实时获取信息的需求越来越大,利用各种移动显示终端随时随地看电视、听广播已经在世界范围内成为发展趋势。可以预见,手机电视正成为手机终端的下一代杀手级应用,必将引发新一轮的换机高潮。以日本为例,统计显示截至2009年12月,日本国内可接收地面移动数字信号、具有电视功能的手机出货量已达2 047万部,销量继2009年7月突破1 000万部大关后,仅花费5个月时间就轻松翻番,约占日本国内市场手机总销量的四成左右。


    文章首先从整体上对手机电视业务进行分析、说明,使读者对手机电视有整体的认识,并对在不同国家、地区的发展现状进行对比分析,指出了各自的优缺点;其次对手机电视业务的承载系统多媒体广播/组播业务(MBMS)进行了详细的分析研究,对长期演进(LTE)网络和LTE中MBMS进行了研究,并给出了LTE中MBMS的实现方法;最后,给出了LTE中手机电视业务的完整搭建过程及其业务流程。


1 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看,目前主要分为3种:


    (1) 基于地面数字广播电视网络的技术实现方式
    这种方式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直接获得数字电视信号,包括欧洲的DVB-H技术、韩国的T-DMB技术和美国高通的Media FLO技术。


    音视频流的传输与无线网络的带宽无关,不仅可以给用户提供一个广播质量的电视频道收视体验,而且在网络组建成本和运营成本上有巨大的优势;但是,由于传统的广播电视网络通常都没有上行链路,因此在实现上行传输时一般都考虑依靠三方移动通信网络的协助来完成,这就要兼顾不同参与方的利益。


    (2) 基于卫星广播网络的技术实现方式
    这种方式通过卫星提供下行传输,实现广播方式的手机电视业务,用户在手机终端上集成直接接收卫星信号的模块来接收数字电视信号。包括韩国的S-DMB和欧洲的SDMB技术。


    这种方式可以满足高速移动环境下视听广播电视节目的要求;但是,此类方式与所要覆盖的范围关系密切,当范围较小、用户比较集中的时候,效率高而且经济;但是当覆盖范围较大时则成本较高,卫星无法对室内形成覆盖,需要建设大量的地面直放站和用于扫盲的加强器,这将导致成本增大。


    (3) 基于移动网络的技术实现方式
    利用移动网络实现的方式,主要是基于全球标准化组织第三代移动通信伙伴计划(3GPP)提出的MBMS的流媒体技术,把手机电视作为一种数据业务推广,并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。这也是目前中国和美国移动运营商推出的手机电视业务所依靠的实现方式。


    这种方式继承了移动网络的诸多能力,可以实现用户业务鉴权以及用户管理、计费、业务的个性化定制和点播、互动应用的实现等。该手机电视技术具有广泛应用的基础;但是,它会占用系统的核心频率,受到移动网络带宽限制,电视播放效果不太稳定,播放速率只有15帧/S,且并发用户数有限以及收费较高等。
为了解决这一技术短板,提高市场竞争力,3GPP组织启动了LTE项目,对3G系统提出了更高的需求,包括每比特成本、增强业务能力、对已有频段和新频段的灵活应用、简化架构、开放接口、降低终端能耗等方面。LTE系统在20 MHz的带宽下可以实现上行50 Mb/s和下行100 Mb/s的峰值速率。总之,LTE将解决现存的技术难点,为手机电视业务在通信网络中的发展铺平道路。


2 MBMS的技术优势及网络架构
    3GPP组织在R6版本中定义的MBMS是指无线网络中一个数据源向多个接收终端发送数据的点到多点(P-T-M)业务,在不改变网络架构的基础上,通过向多个接收端发送相同的数据内容实现网络资源的共享。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低速率的消息类组播和广播,还能实现高速多媒体数据业务的组播和广播,从而弥补了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。MBMS功能是通过对3G网络的改进而实现的,因此MBMS架构要依附于已有的3G网络架构。主要包括两个方面的改进:一方面是通过增加新的功能实体广播组播业务中心(BM-SC)来提供与管理MBMS业务;另一方面是在已有的功能实体上,包括:网关GPRS支持节点(GGSN)、GPRS服务支持节点(SGSN)、基站控制器/无线网络控制器(BSC/RNC)和用户设备(UE)增强对MBMS业务的支持[1-5]。

 

2.1 MBMS技术优势
    (1) 网络投资较少
    MBMS是基于现有的移动网络进行微小的改动,可以充分利用现有移动网络,实现良好的深度覆盖。只需在已有的移动网络中增加新的功能实体,网络投资小,建设周期短。该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提供了一套完全有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没有设置专门的上行信道,但是可以利用蜂窝网已有的上行信道实现交互,如进行业务订阅等。MBMS除了可以提供广播业务,还可以提供更丰富的组播业务:通过P-T-P修复机制实现可靠的下载业务,通过交互信道实现灵活的计费;还可以为用户提供多种丰富的“PUSH”业务。MBMS最小的覆盖单元是蜂窝小区,可以为不同位置用户提供不同的业务,可以在网络的不同区域分别广播不同的内容。


    (3) 无线资源调度灵活
    MBMS用户越多,其在容量和成本方面的优势就越明显,性价比也就越高。即便是MBMS用户数较少,也可以灵活应付,并可以以小区为单位对所属小区的用户进行统计,然后根据统计的结果按照一定的阈值进行选择决定以P-T-P还是P-T-M的方式来传输,为用户灵活地配备信道。当以P-T-M方式传输时,MBMS可以通过选择性合并或用软合并技术提高系统的性能。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中接口资源以及Iub传输资源,从根本上解决移动网络容量方面的劣势。


    (4) 易于进行深度网络覆盖
    MBMS的覆盖方式与蜂窝网已有的覆盖方式相同,通过蜂窝网小区实现连续覆盖,通过RNC控制业务数据在不同蜂窝的发送时间,保证各蜂窝业务的同步,减少用户在跨蜂窝移动时的数据丢失。蜂窝间可以采用同频率或异频率,可以通过分集等技术实现覆盖增强,可以通过直放站、室内分布式系统等实现深度覆盖。

 

2.2 3GPP中MBMS网络架构
    为了支持MBMS用户面和控制面的传输,媒体接入控制(MAC)层部分在控制无线网络控制器(CRNC)新增了一个MAC-m的功能实体,负责MBMS传输信道。为了进行MBMS P-T-M传输,新增了3个逻辑信道:多点控制信道(MCCH),多点调度信道(MSCH),多点业务信道(MTCH),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)。


    为实现对数据包的有效分发,对核心网中以下4个已有的功能实体的功能进行了扩充:
    (1) 对UE增加了相应的MBMS功能和信令交互过程,使UE支持激活/去激活MBMS承载业务,并支持有关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、寻呼消息或者支持同步业务,可以根据MBMS会话标志决定是否忽略MBMS会话等。


    (2) 使GSM EDGE无线接入网络/UMTS陆地无线接入网(GERAN/UTRAN)在预定的MBMS业务区域内传送MBMS业务,组播模式下根据小区中当前服务用户数据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业务传送,允许MBMS接收者在GERAN /UTRAN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,并支持MBMS接收者在SGSN间移动、支持组播业务计费,包括后付费和预付费用户,并同时根据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或其他数据源接收IP组播内容,并发送到合适的通用数据传输平台(GTP)隧道,支持消息通知、搜集计费数据信息等。3GPP中MBMS的网络架构如图1所示。

 

 

2.3 3GPP LTE性能介绍
    LTE项目各项性能概括如下几个方面:


    (1)峰值速率。在上下行各20 MHz带宽的条件下,下行峰值速率达到100 Mb/s,上行峰值速率达到50 Mb/s。


    (2)控制面延迟。要求从空闲状态到激活状态的转换时间要小于100 ms。


    (3)控制面容量。在5 MHz带宽下,每个小区应至少支持200个激活用户。


    (4)用户面延迟。系统在单用户、单业务流以及小IP包条件下,用户面延迟则需要小于5 ms。


    (5)用户吞吐量。下行用户平均吞吐量达到Release 6 高速下行分组接入(HSDPA)的3~4倍;而上行用户平均吞吐量则达到Release 6 HSDPA 的2~3倍。

    
    (6)频谱效率。在有负荷的网络中,下行频谱效率(bits/sec/Hz/site)达到 Release 6 HSDPA的3~4倍;下行频谱效率则会达到Release 6 HSDPA的2~3倍。


    (7)移动性。LTE系统需要改进、优化在低速(0~15 km/h)情况下的性能;在高移动速度(15~120 km/s)下,可以提供很好的、高质量的支持;保证在超高速(120~350 km/h)的移动状态下,系统能够正常工作。


    (8)系统覆盖。在小区半径为5 km的情况下,系统吞吐量、频谱效率和移动性等指标符合定义要求;在小区半径为30 km的情况下,上述的指标可以略有降低;在100 km半径的小区的情况下,系统能够持续保证正常的工作;演进系统分别支持在1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和 20 MHz不同带宽情况下进行部署,而且支持成对和非成对频谱。


    (9)系统共存以及与其他3GPP接入技术的互联互通。支持UTRAN和GERAN的演进系统多模终端,能够支持与UTRAN和GERAN之间的测量和切换。


    (10)无线资源管理需求。增强支持端到端服务质量(QoS);支持在不同接入网技术之间的负荷分担和策略管理。


    (11)系统复杂度方面。最小化可选项,无冗余的必选项。


3 LTE中的MBMS实现及其业务流程

 

3.1 LTE中MBMS的实现方案及实现方法


    目前系统架构演进(SAE)的架构如图2所示[6]。其中包括以下网元。

 


    演进通用陆地无线接入网络(E-UTRAN):是下一代的无线接入网,可以提供更高的上行下行速率、更低的传输延迟和更加可靠的无线传输。

    
    控制面功能实体(MME):负责管理和存储用户设备(UE)上下文(比如UE标识、移动性管理状态、用户安全参数等)、为用户分配临时标识、当UE驻扎在该跟踪区域或者该网络时负责对该用户进行鉴权。


    用户面功能实体(SAE GW):用户面数据路由处理,分为Serving和外部数据网络(PDN)两种。Serving SAE GW是SAE系统与传统3GPP系统间的移动锚点以及e-Node B之间的移动锚点;PDN SAE GW是能够终结处于闲置状体的UE的下行数据,当发送往UE的下行数据到达时,发起寻呼,管理和存储UE的上下文,比如IP承载业务参数和网络内部路由信息等。LTE/SAE网络作为PDN的接入和承载网络,具有激活、维护、去活承载的功能,以及为移动用户持续提供数据业务的切换功能。


    基于SAE/LTE系统的MBMS架构与基于宽带码分多址(WCDMA)系统的MBMS架构有着很大的区别。对于SAE/LTE系统的MBMS来说,需要类似的一个实体来实现节点同步、资源协调等功能。为此,3GPP提出了在LTE架构中引入MBMS-GW逻辑实体,这个实体作为BM-SC和e-Node B之间的一个节点,是网络的接入网关,负责处理用户数据相关的报文和会话相关的信令,不涉及无线网络参数,同时还可以实现MBMS-GW与e-Node B之间的同步。MB-SC与内容服务商/组播广播源相连,完成数据汇聚。另外,引入多媒体多播广播业务协调功能实体(MCE),以实现e-Node B的无线资源协调功能。


    当前有两种重要的实现方案:NTT DoCoMo,T-Mobile,Orange等支持的由NSN提出的Lightweight架构,如图3所示;Ericsson提出的LTE MBMS架构,如图4所示。

 

 


    基于已有的两种解决方案,中兴提出了具体的实现方法[6],如图5所示。BM-SC向多MBMS-GW发送会话开始消息,会话开始消息中可以携带是否进行无线资源协调的指示信息;MBMS-GW根据会话开始消息中的指示信息或者网络配置判断是否进行无线资源协调;在判断不进行无线资源协调的情况下,MBMS-GW将会话消息发送到e-Node B,在判断进行无线资源协调的情况下,MBMS-GW将会话消息发送到MCE。指示信息可以为缺省设置,当携带有指示信息时,指示进行无线资源协调,或者指示不进行无线资源协调。指示信息还可以分别通过不同值来指示是否进行无线资源协调。另外,在MBMS-GW在发送会话开始消息之前,分配用户界面资源和IP组播地址。这样以来,MBMS-GW在发送的会话开始消息中包含IP组播地址。

 


    LTE架构下的MBMS系统包括4个模块,如图6所示。第一消息发送模块,位于BM-SC一侧,用于向MBMS-GW发送会话开始消息,会话开始消息中可以携带是否进行无线资源协调的指示信息;判断模块,位于MBMS-GW一侧,用于根据会话开始消息中的指示信息或网络配置决定是否进行无线资源协调;第二消息发送模块,位于MBMS-GW一侧,用于向e-Node B或者MCE发送会话开始消息,其中当判断模块不进行无线资源协调的情况下,将会话消息发送到e-Node B,否则将会话开始消息发送到MCE;分配模块,位于MBMS-GW一侧,用于分配用户面资源和IP组播地址,可以让第二消息发送模块发送的会话消息中携带该IP组播地址。

 


    LTE中的MBMS在空中接口协议中,采用原有的协议结构和信道结构,MBMS主要以原有的传输和物理信道承载数据流量,但根据业务需求扩展了新的业务信道和新的物理信道,且根据业务的需要选择下行传输速率,其中空中接口支持的媒体下行速率V可选择64 kbit/s,128 kbit/s,256 kbit/s。承载MBMS的物理信道为辅助公共控制物理信道(S-CCPCH),根据其帧结构定义,S-CCPCH的每一帧时长为10 ms,有15个时隙组成,每个时隙有20x2k比特组成,由速率=(每时隙比特数×每帧时隙数)/每帧时长可以得到参数K,

  
再由
便可以得到扩频系数SF,RNC根据SF选择对应长度的扩频码。

 

3.2 MBMS的业务流程
    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[7],如图7所示。会话开始和会话结束都有广播组播业务中心BM-SC来发起,为MBMS数据传送建立或释放相应网络资源。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前或之后激活MBMS业务。相对于广播模式而言,组播模式增加了3个相关的过程:订阅、用户的加入和退出。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。

 


4 结束语
    本文分析了手机电视业务在世界各地的发展现状、存在的问题和遇到的技术瓶颈,强调选用、研发特定的技术发展手机电视业务的重要性。在分析世界各地手机电视业务应用的承载方式基础上,指出了每种技术的优缺点,分析表明使用MBMS技术优势更加明显,同时对MBMS的网络架构进行了研究,给出了网络架构图。但是基于目前的3G网络发展手机电视业务有先天性不足,在其带宽下,对于流媒体服务只能够提供每秒3~5帧的画面,很难提供流畅的画面(对于流畅的画面则至少需要15帧/S)。本文概括了LTE网络中对3G网络的改进和技术优势,对基于LTE网络的MBMS技术进行了分析研究,表明LTE MBMS完全可以很好的承载手机电视业务。最后对MBMS的实现方法和MBMS业务的实现流程进行了详细的说明,使真正的商业模式可行,使易管理、可交互、流畅的手机电视业务成为可能。


5 参考文献
[1] 3GPP TS 23.246(v800).Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) Architecture and Functional Description[S]. 2007.
[2] 3GPP TS 23.401 (v121). General Packet Radio Service (GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Access[S]. 2007.
[3] 3GPP TS 36.300(v820). E-UTRA and E-UTRAN Overall Description[S]. 2007.
[4] 3GPP TS 25.346(v740). Introduction of the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN) [S]. 2007.
[5] 3GPP TS 22.246 (v840). Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) User Services[S]. 2007.
[6] 史立荣.长期演进架构下的多媒体广播多播业务实现方法及系统:中国,101370257[P]. 2009-02-18.
[7] 詹博. LTE中的MBMS(多媒体广播与组播业务)系统级仿真及关键技术研究[D]. 北京:北京邮电大学,2008.

 

收稿日期:2010-07-29

[摘要] 文章介绍了目前世界手机业务的发展状况,分析了普遍使用的3G网络中的手机电视业务的应用瓶颈、弊端,并对手机电视业务的载体多媒体广播/组播业务(MBMS)网络结构、业务流程进行了分析,对基于长期演进(LTE)网络MBMS技术从逻辑架构、业务模式、传输模式、信道结构等方面进行了分析研究,最后给出了LTE中MBMS的实现方法及LTE网络中基于MBMS技术的手机电视业务的流程。

[关键词] 长期演进;多媒体广播组播业务;手机电视

[Abstract] This paper examines the current situation of mobile TV development and analyzes bottlenecks and shortcomings in mobile TV and 3G networks. Network structure and workflow of Multicast Broadcast Multimedia Services (MBMS) are discussed, as well as the logic structure, business model, transmission model, and architecture of LTE(Long Term Evolution) MBMS. An MBMS implementation method and TV service flow in LTE networks is discussed in conclusion.

[Keywords] long term evolution; multicast broadcast multimedia service; mobile TV