MBMS－移动网络中的广播(组播)电视业务_移动_视像通讯

MBMS－移动网络中的广播(组播)电视业务

2006/06/05

　　许多移动运营商在2004年推出了移动电视业务，使用者可以通过他们的手机终端观看电视节目。目前是通过点对点的移动流媒体技术来提供移动电视业务的。然而，由于类似移动电视这种“多媒体”业务即将大规模地爆发应用，因此需要采用新的网络通信技术如广播和组播。

　　在这篇文章中，作者介绍了在3GPP和3GPP2中最新关于移动广播和组播业务的概况。同时，也将最新的点对多点无线传输与传统的点对点无线传输的性能进行了比较。

概念介绍

　　电话、短信、流媒体点播和下载都是基于点对点 (PTP) 通信技术的业务。无论是双向视频电话，或者是流媒体点播和下载的会话期间，都是属于客户端/服务器的架构。

　　从另一方面来看，广播和组播是一样的，都是数据包从同一源头传送到多个目的地址的点对多点（PTM）通信。 “广播”主要应用于传送内容给所有用户的服务。大家熟悉的例子是电台广播和电视服务，它们通过空中（或人造卫星）或有线网络传播。而“组播”主要应用于单独传送内容给已经加入了组播组用户的服务。通常，组播组是一组对某种内容感兴趣的用户。例如运动，新闻，卡通诸如此类。组播网络具有能够有效确定内容被单独地分发到属于相应的组播组服务的接收者。因此，组播是一个对传送服务给较大用户群的有效率方法。组播是最早应用于Internet。今天，它被应用于移动网络的视频分发服务。

　　两年前，3GPP和3GPP2开始在GSM/WCDMA和CDMA2000网络上设计广播/组播服务。在3GPP中，该项目被叫做多媒体广播和组播服务(MBMS)。在3GPP2中则被称为广播和组播服务(BCMCS)。在2004年，移动广播服务的多种规范被功能性地冻结。由于3GPP MBMS和3GPP2 BCMCS有许多共同点，因此，以下文章我们只会讨论它们两者之间的区别。另外，移动广播MBMS和BCMCS也同时支持组播。

　　尽管MBMS和BCMCS能够有效地支持移动网络的广播和组播传输，OMA BCAST组织还是继续致力于制定应用在移动或非移动数字广播网络中广播/组播相关的服务层功能规范。例如， OMA BCAST组织提出了内容保护、服务、程序指南和传输计划，它在潜在的广播/组播的发布计划中是不明显的，适用于MBMS、BCMCS或像DVB-H这种的非移动数字广播系统。

　　MBMS和BCMCS分别只介绍了现存广播和核心网络协议的微小变化。同样适用于OMA BCAST中特殊的广播/组播服务层功能。它降低了在终端和网络上应用的成本，也使移动广播技术比非移动广播技术（如DVB-H）相对便宜些，因为非移动广播技术在网络的基础设置中需要新的接收硬件和额外的投资。移动广播的另外一个优点是移动运营商可以保留原有的商业模式。例如移动的手机电视这样的现有服务，将会从移动广播技术的大力推广中受益匪浅。某些移动广播同样将会刺激新的，移动大众传媒服务的发展。而且，运营商可以通过一个共同的业务和网络基础框架在有效的成本模式中，为移动用户提供一个完整的三维视频播放服务，包括技术、网络和电视。

多媒体广播/组播的需要

　　许多最近新推出的移动多媒体业务与传统的广播业务非常相似。如广播和电视，就是将内容整合成信道并发送给定制用户。

　　在日本，很多手机用户订制了KDDI的EZC信道多媒体业务，他们的手机就会接收到不同类型的节目内容。在欧洲，很多运营商推出了通过MMS来发送比赛集锦视频短片的体育信息业务。在其他地区，Vodafone(德国和荷兰) ，TIM (意大利和希腊)，Three (意大利和瑞典) 和Sprint (美国)都分别推出了移动电视服务。在一些情况下，手机用户通过特定的电视节目制作程序，从已有的电视信道中截取节目内容。

　　目前，移动的电视服务是通过点对点连接的流媒体技术进行传送的。因此，当一个内容服务器同时将内容传送给多个用户时必须为每个用户都建立和保持一个独立分开的点对点链接。这种方式对于少数到中等数量的用户而言是有效的，但当用户数量大量增加时服务器系统会难以支撑。

　　设想一下，如果“移动的音乐盒”业务在用户的电话中同时列出前10首最流行的音乐，有 50,000个用户使用服务而每一个用户的平均无线连接接速度是128kbps，假设每个音乐文件的大小大约3MB，每次进入排行榜的音乐条目都必须发送给50,000个用户，假设内容服务器每次只能够处理 1,000个并发连接，那么，一共需要用多于两个半小时去传送一个音乐剪辑给所有用户。在这期间,服务器会不断地产生128Mbps的输出信息量。对于每一个营运商来说，50,000个用户只是一个很小的数目。

　　下一个需要考虑的问题是象移动电视这种实时服务所消耗的带宽容量。在这种情况下，连载服务 (如上所述) 是用不到的。换言之，一个 50,000个订户的移动电视服务需要一个可以同时处理50,000个链接。尽管这在技术上可能是很节约的。但是，当很多订户同时使用它的话，会产生巨大的吞吐量。

　　因为频谱是一种有限和昂贵的资源，移动网络，特别是移动链接，当同一个服务器的众多接收者使用同一个链接的时候，极易造成瓶颈现象。例如，设想球迷们用他们的移动电话来同步收听足球比赛，他们通常采用的方式是用收音机。这种情况下如果不禁止的话，使用点对点技术的移动通讯服务效率将会非常低。因此，采用支持点对多点的广播/组播技术将更加有效。

移动网络中的MBMS和BCMCS

MBMS 和BCMCS为移动网络增加了以下特点：

一组控制广播/组播服务的功能。MBMS使用广播/组播服务中心；BCMCS则称之为BCMCS控制器。

在核心网的进行广播/组播数据流路由。

在一个信元里进行有效的点对多点的无线传输。

　　另外, MBMS 和BCMC为分发多媒体数据定义了协议和媒体编码器。少数的协议和非媒体解码器是新的特点。取而代之,它们更像在线需求流动和其他服务器共同分享。

　　图1指出了在3GPP结构中受MBMS影响的节点。同时也突出了新的BM-SC，它负责提供和发送移动广播服务。 BM-SC服务器是一个希望使用MBMS来进行内容传送服务的入口，它建立和控制MBMS到移动核心网络的连接，同时安排和释放MBMS的传送。BM-SC也提供服务通告给终端用户。这些通告包含一个终端需要使用MBMS服务所需要的信息 (例如组播服务标识符，IP组播地址，传送时间，多媒体描述等等)。BM-SC能够用于对内容提供者的信息传送产生费用记录，同时也可以管理3GPP为组播节点定义的的安全功能。

　　由于MBMS标准并没有定义BM-SC的功能如何实现，因此厂家可以将它们部署到不同的节点，还可以将它们集成到现有的核心和服务网络节点。

　　在核心网络，MBMS和BCMCS增加了创造和管理广播和组播信息分支所需要的功能和协议信息。

　　MBMS的一个显著特点就是能够使运营商在非常精确的地理位置上定义广播和组播服务，基本上可以精确到一个无线信元的位置，这些地理位置可以配置成MBMS服务区域。核心网络的每个节点通过下游节点的列表来决定哪里需要传送MBMS服务数据。在GGSN（Gateway GSN）层，该列表包含了SGSN（Serving GSN）数据转发方向。在SGSN层，该列表包含了WCDMA地面无线接入网络的RNC（Radio Network Controller）节点，或GSM无线接入网络，每个BSC（Base Station Controller）节点都需要接收数据。对于在组播接点展开的服务，核心网络通过追踪用户当前注册的服务来管理一个动态数据分发树，并通过IP组播的方式来转发MBMS数据给服务于注册用户的下游节点。

　　以下例子描述了通过移动广播来开展流媒体服务的性能。图2描述了当多个移动电视用户通过单播的方式来同时观看三个不同信道的情景。在这情况下，每个用户都需要与服务器建立一条独立的流媒体链接，服务器和网络的负载则与用户数量成正比。在这个例子中，由于有10个移动电视用户，流媒体服务器必须处理10个流媒体链接。随着用户数量的不断增加，服务器负载将不断增加，同时核心网络和无线网络的均会产生大量的数据流量。

　　图3描述了通过MBMS来提供移动电视服务的相同情形。服务器对每个信道只需要传送一条流媒体连接到MBMS BM-SC。在有需要的时候，在核心和无线网络的数据流只有在需要的时候才被复制。在这个例子中,流媒体服务器只需要处理三个并发流媒体链接，因此，在最末端的无线节点使用三个并发传输会话就取代了原来的六个独立单播连接。注:：虽然例子是用于3GPP MBMS，它也适用於3GPP2 BCMCS。

　　此外，MBMS和BCMCS除了支持流媒体发送之外，MBMS也支持下载。MBMS下载可以应用于有效地将文件从一个地点发送给多个接收者。MMS服务如果使用这个功能上获得很大的收益 (例如提供精彩体育视频短片的传送服务) ，而目前的MMS服务是使用点对点的技术进行发送的。将来，MMS子系统可以很方便地与BM-SC进行对接，从而使用MSMS下载来进行短片的发送。相对于MBMS而言，BMSCS并没有定义相关的协议来明确地支持文件下载服务
。

　　通过MBMS的广播/组播器来进行文件的传送需要特别的注意。由于MBMS的广播和组播属于单向传输技术，因此不能使用需要双向单播连接的TCP协议。然而，IETF为文件传送提出了一个叫FLUTE（File Deliver over Undirectional Transport）的框架，FLUTE使用了在传输层以下的UDP协议。然而，由于UDP是不可靠的，FLUTE同时使用了前向纠错（FEC）框架来防止突发性的数据包丢失。但是，即使使用了FLUTE也不能保证经常出现的无错误递送，于是MBMS也提出了一个点对点的文件修复程序，该程序会在文件进行了广播或组播后执行。在此其间，接收者可以连接到文件修复服务器并请求数据。因此，MBMS总是能够保证可靠的文件传送。

典型的MBMS工作流程

　　图4展现了一个典型MBMS工作流程的多层参考模型。BCMCS的解决方案也是十分相似的,但是为了简单只是用MBMS命名。

　　一开始，特定的MBMS服务信息被发送到提供服务的服务器，这些信息一般作为服务通告。服务通告提供服务信息和终端的访问方法。发送MBMS服务通告给终端用户的方式有很多种，最简单的方法就是是将它们储存在一个WEB服务器，通过HTTP或WAP的方式进行下载。同时也可以通过现有的机制将服务通告发送到终端，如SMS或MMS，或者通过特定的MBMS服务通告信道来进行发送。

　　用户订购服务通告的服务后所发生的事情取决于该服务是广播或组播服务。广播服务不需更多的操作，终端根据服务通告的参数可以很简单地切换到相关信道。如果是组播服务，必须根据服务通告的参数向网络发起一个加入会话请求，用户终端就变成了MBMS服务组的一个成员，来接收服务发送的数据。

　　在传输开始之前，BM-SC一定要向在核心网络的GGSN发送一个会话开始请求。GGSN在内部分配请求和把该请求转发给相关的SGSNs。 SGSNs依次序地请求能够保证服务质量(QOS)的无线资源的位置，最后，与该MBMS服务组相关的终端会被通知开始传送内容。

　　服务器开始传送多媒体数据给BMSC，该BMSC转发数据给MBMS运送者。数据被传送给参与MBMS会话的所有终端。

　　最后，服务器发送一个会话结束的通告表示数据传输完毕。

想离开MBMS组播服务的终端用户发送一个“服务离开”的请求给网络, 网络就会将使用者从相应的MBMS服务组中脱离开来。

无线网络中的广播和组播传输

　　伴随着MBMS和BCMCS提出，专门针对GSM，WCDMA和CDMA2000的广播和组播传输协议已经开发完成。而且，广播和组播无线传输必须同时服务于大量的用户，双向的点对点通信技术无法满足对带宽和容量要求越来越高的移动视频服务。换句话说，目前的带宽状况不适用于用户在有限带宽下所需要的服务，而新的无线传输技术将能够满足覆盖全部地区并且无论带宽状况如何的用户需求。

GSM的广播和组播无线传输

　　在GSM系统中，MBMS使用GPRS和EDGE模块和编码机制（CS1-4和MCS1-9）。MBMS同样也使用GPRS和EDGE的PDCH（Packet Data Channel）进行点对多点传输，RLC/MAC（Radio Link Control/Medium Access Control）协议在第二层。作为对点对点传输，MBMS也支持多时槽操作。

　　既然这样一来，每个MBMS会话可以使用无线网络的四个时槽。

　　早期的模拟实验已经表明一个直接转发的MBMS传输性能是不令人满意的。因此，为了增加性能，引入了以下两个措施：

　　带自动重复请求(ARQ)功能的RLC/ MAC--也称PDAN（Packet Downlink Ack/Nack）模式。在这个模式中，信元的会话反馈将达到16次之多，这样，终端没有正确接收到的RCL数据块将通过MBMS无线传输进行重新广播，达到冗余的目的。

　　不带自动重复请求(ARQ)功能的RLC/ MAC。在这个模式中，RLC数据块将会按照预先设定重传次数进行重新传送。

　　图5比较了不同数量的用户在盲目重传和PDAN模式下的不同。为了方便比较，假设每个基站都具有相同的C/I（Carrier-to-Interface）速率。实际上不同基站的C/I速率并不相同，因为基站的分布遍及在整个信元中。注意：这个例子采用MCS-6 EDGE编码机制，如果采用GPRS编码机制的话结果结果只有一半的吞吐量。

　　通过防真测试表明，在用户集中的区域下进行速度为40kbps的视频广播，在PDAN模式中需要二到四个时槽的EDGE信道来编码，而盲目重传模式则需要四个时槽的EDGE信道来编码。注意：一个规则的点对点EDGE信道能够使用两个时槽进行相同速率的编码，但是只有对一个使用者。对三个使用者,别需要六个时间点。四个使用者需要八个时间点，等等。因此,如果有两个使用者在通电话，MBMS点对多点负载器就象一个规则的点对点连接一样有效率。和随着使用者的增加变得更加有效率。

　　MBMS 终端机将会或许被建立在已有的升级的软件的EDGE硬件来支持MBMS发信号程序。

　　在GSM中，MBMS移动负载器能籍由GPRS/EDGE数据流程被多重发送--甚至在相同的时间点上。一个配置情节可能要刺激 MBMS密集的EDGE被配置的地区。在没有EDGE的区域， MBMS能够通过点对点的GPRS被提供另外一个配置情节可能需要调整在功能性的水平中。例如，用MBMS广播开始和增加MBMS多点广播。这会在没有用户要求服务的情况下节省电池的容量。

WCDMA的广播和组播无线传输

　　在WCDMA中，MBMS利用现有的逻辑和物理信道来进行扩展。事实上，在WCDMA上实现只需要三个新的逻辑信道和一个新的物理信道，三个新的逻辑信道分别是：

MBMS点对多点控制信道（MCCH），包含正在进行和即将进行的相关MBMS会话的详细信息；

MBMS点对多点时间信道（MSCH），提供MTCH的数据时间表信息；

MBMS点对多点流量信道（MTCH），承载实在的MBMS应用数据。

　　在WCDMA网络中，MCCH、MSCH和MTCH重复使用转发接入信道 (FACH) 和公共控制物理信道(S-CCPCH)来进行传输，RLC和MAC层重复使用已有的协议盏。

　　在MSMS中MTC使用两种交叉深度 (TTI)：40和80ms。一个长交叉深度（TTI）的选择经通过逐渐消失的多样性传播用户数据。这就是，依次序，产生改良的MBMS能力。

　　在3GPP Rel-6中，MBMS介绍了一些为那实际的MTCH分层堆积的能力加强。它们之中的其中一个，软件与FACH联合，尤其值得注目。图6显示从软件联合得到的增益。与单独的移动连接相较，两个移动连接软件联合增益达到大约4.6dB；三个移动连接软件联合增益达到大约6.5dB。

　　在WCDMA网络中，MBMS的一个重要的特性就是其建设成本并不依赖于信元的用户数量。

　　很显然，在相同的信元里提供MBMS服务，MBMS在点对点链接上具有很大的优势。在一个信元里只有少数MBMS用户的时候，用户之间使用点对点链接更加有效率。当MBMS点对多点传输变得比多个独立的点对多点传输更有效率的时候需要考虑更多的结果。交叉点依靠仿真来计算出来，包括点对点和点对多点功能层。有趣的是，通过仿真实验表明交叉点只有一两个用户。为了提供完全的弹性，一个计算程序被介绍在标准方面使网络能够保持对MBMS使用者在一个电话中的数量追踪。因此帮助网络决定使用哪一个负载器。

　　由于采用了WCDMA MBMS技术（3GPP REL-6），一个5Mhz的载波单元可以承载16个64kbps的点对多点MBMS信道。如图6所看到的是一个带天线信号接收终端。终端的执行选项包括双天线接收和高级接收技术，例如一般的搜索接收器 (G-RAKE)，将会极大地增加载波单元的总容量。直接转发的双天线接收可以使WCDMA MBMS容量增加1倍，每个载波单元可以达到32个信道。附加冲突介绍附加的冲突压力技术的引入，例如G-RAKE，将会进一步改良能力，对可能或超过40个信道，符合于2.5Mbps的能力和超过的总的载波能力。

　　MBMS的一个重要特性就是是灵活性，MBMS可以被设定为信元运送者的其中一部分，剩下的部分用于其他服务，如一般的语音和数据服务。MBMS部分包含可变数量的MBMS无线传输，每个无线传输可以提供不同的速率。虽然MBMS支持的用户接入速率可达到256kbps，鉴于目前移动终端的屏幕大小和解像度，64kbps速率一般用于新闻频道应用和128kbps速率一般用于体育频道应用。

CDMA2000和广播和组播无线传输

　　与WCDMA非常相似，CDMA2000使用现有IS-2000(1x)IS -856(1xEV-DO)定义的物理信道。为了弥补在点对多点通信上缺乏无线重传协议的不足（没有PDAN），一项附加的纠错编码层被引入到在现有的传输之上。MBMS相比，这个编码被放置在无线接入网络里，使编码和接收者之间进行合适的通信。这个编码是一个制定现有标准和编码类型（Tourbo编码）及规定一个每节8位字节的Reed-Solomon编码矩阵排列，在这个矩阵的构成中有k排数据。 Reed-Solomon编码包括并增加了n-k 排数据。所有的n排数据通过Tourbo编码的方式把有关内容译成电码并发送到空间传送给那些联合使用BCMCS信号的用户。

　　标准没有指定最小或最大的终端能力。目前，已经商用的1xEV-DO网络中的点对点信息交换下行速度可达到2.4Mbps。然而，这种速率并不能在信元的边缘得到保证，但作为广播服务，必须使包括信元边缘用户在内的所有用户的服务能够得到保证。而且，该速率1xEV-DO的总带宽，因此就没有足够的能力满足点对点的无线传输。更多的复杂的新的编码系列和复杂的资料流媒体处理（media players）会更进一步降低传输的速度。给了这些限制，BCMCS 终端机使用者控制比率将可能与在WCDMA中的MBMS相似。

　　1xEV-DO促进了当前的服务，那就是说，BCMCS能与其它点对点数据通信相混合，包括将来的VoIP应用。
在移动系统中，由于相邻近的单元会产生不同信号相互干扰，必须抑制以避免冲突。由于广播服务传输相同的内容，意味着没有必要抑制邻近单元的信号。由此看来，一项新的1xEV-DO广播和组播无线传输技术已经就绪。一个建议就是，在DVB中开始使用基於OFDM的相同技术；另一个建议就是，在现有的CDMA网络中开展更强大的接收服务。由于这些信道都会向后兼容当前的信道，因此，使用BCMCS的运营商可以选择现有的信道、新的信道，或两者都选择(消耗较多的带宽)。

总结

　　如果广播类的服务需要进行大规模的市场推广，必须通过3GPP MBMS、3GPP2 BCMCS来规范移动广播/组播能力，并且由OMA来制定相关的广播/组播服务层功能规范。

　　由于MBMS和BCMCS都使用很多目前现有的无线和核心网络协议，因此降低了终端和网络的实现成本，而移动运营商也可以保留原有的商业模式。由于信元的体积非常小，移动广播网络能够非常容易地实现将用户定制的内容发送到网络的不同区域。总体而言，移动广播网络相对与非移动广播网络（例如DVB-H）来说有几个优势，非移动网络需要更新终端、增加额外的网络投资和需要建立崭新的商业模式。

　　MBMS和BCMCS的引入将会极大地推进已现有服务的能力。例如，WCDAM网络的一个信元可以提供2.5M的带宽，同时提供多个64kbps的新闻信道128kbps的体育信道。这提高的能力将会刺激新的，移动电话，大众传媒服务的发展。因为移动无线服务能够与已存在的移动服务多重存在。例如语音和数据，交互式的视频广播服务将会成为一种全新的服务。

　　在2005年4月，爱立信公司（Ericsson）首次展示了真正的交互式移动电视服务。在Milia电视和广播盛会，Ericsson展现了一个现有的交互电视格式能被传送到有多媒体功能的移动电话上。观众可以与移动电视节目进行交互活动，只需要按电话的回复键就可以发送投票或问候(SMS-tp-TV或MMS-to-TV)。

　　移动广播可以使运营商通过普通服务和网络架构为用户提供电话、Internet和移动电视服务。

附表，术语与缩略词

3GPP	第三代合作协议
3GPP2	第三代合作协议2
ARQ	自动重新请求协议
BCMCS	广播组播业务
BM-SC	广播组播业务中心
CBS	小区广播业务
C/I	载波干扰比（载干比）
DAB	数字音频广播
DVB	数字视频广播
DVB-H	手持式数字视频广播
EDGE	基于GSM（制式进化的）增强数据速率（技术）
FACH	前向接入信道
FEC	前向纠错
FLUTE	单向传输上的文件传递
GERAN	GSM/EDGE无线接入网
GGSN	GSN网关
GPRS	通用分组无线业务
G-RAKE	广义耙式接收器
GSM	全球移动通信
GSN	GPRS支持节点
HTTP	超文本传输协议
IETF	网络工程任务组
IP	互联网协议
MAC	媒体接入控制
MBMS	多媒体广播/组播业务
MCCH	MBM点对多点控制信道
MICH	MBM通知指令信道
MMS	彩信业务
MSCH	MBMS一点对多点调度信道
MTCH	MBMS一点对多点传输信道
OFDM	正交频道复用
OMA	开放移动联盟
OMA BCAST	致力于“浏览器和内容”移动广播业务OMA分支机构
PDAN	ACK/NACK下行数据包
PDCH	数据包控制
PTM	一点对多点
PTP	点对点
RLC	无线链接控制
RNC	无线网络控制器
S-CCPCH	第二公共控制物理信道
SGSM	GSN业务
SMS	短信业务
TCP	传输控制协议

　　资料: “ Mobile broadcast/multicast in mobile networks ”
　　by Martin Bakhuizen and Uwe Horn

　　翻译：广州富年电子科技有限公司姚薇校对：潘永强

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