基于LTE MBMS的手機電視業(yè)務的研究

摘要:文章介紹了目前世界手機業(yè)務的發(fā)展狀況，分析了普遍使用的3G網絡中的手機電視業(yè)務的應用瓶頸、弊端，并對手機電視業(yè)務的載體多媒體廣播/組播業(yè)務(MBMS)網絡結構、業(yè)務流程進行了分析，對基于長期演進(LTE)網絡MBMS技術從邏輯架構、業(yè)務模式、傳輸模式、信道結構等方面進行了分析研究，最后給出了LTE中MBMS的實現(xiàn)方法及LTE網絡中基于MBMS技術的手機電視業(yè)務的流程。

關鍵詞: 長期演進；多媒體廣播組播業(yè)務；手機電視

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.

Key words: long term evolution; multicast broadcast multimedia service; mobile TV

隨著現(xiàn)代通信、數(shù)字信號處理技術、多媒體技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，手機中集成了一個又一個的個人電子用品，從最初的FM手機、到MP3手機、再到拍照手機、全球定位系統(tǒng)(GPS)導航手機，手機產品的功能越來越豐富而且價格也越來越低，這些都成為激勵終端產業(yè)快速發(fā)展的驅動力。調查顯示，隨著科技的進步和人們生活水平的提高，人民群眾的生活方式和消費觀念發(fā)生了顯著的變化：人們的流動性增強，要求實時獲取信息的需求越來越大，利用各種移動顯示終端隨時隨地看電視、聽廣播已經在世界范圍內成為發(fā)展趨勢。可以預見，手機電視正成為手機終端的下一代殺手級應用，必將引發(fā)新一輪的換機高潮。以日本為例，統(tǒng)計顯示截至2009年12月，日本國內可接收地面移動數(shù)字信號、具有電視功能的手機出貨量已達2 047萬部，銷量繼2009年7月突破1 000萬部大關后，僅花費5個月時間就輕松翻番，約占日本國內市場手機總銷量的四成左右。

文章首先從整體上對手機電視業(yè)務進行分析、說明，使讀者對手機電視有整體的認識，并對在不同國家、地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀進行對比分析，指出了各自的優(yōu)缺點；其次對手機電視業(yè)務的承載系統(tǒng)多媒體廣播/組播業(yè)務(MBMS)進行了詳細的分析研究，對長期演進(LTE)網絡和LTE中MBMS進行了研究，并給出了LTE中MBMS的實現(xiàn)方法；最后，給出了LTE中手機電視業(yè)務的完整搭建過程及其業(yè)務流程。

1 電視的實現(xiàn)方式

手機電視業(yè)務又稱為手機的移動視頻業(yè)務，是通過手機等移動終端呈現(xiàn)電視節(jié)目的服務。從手機電視的實現(xiàn)方式看，目前主要分為3種：

(1) 基于地面數(shù)字廣播電視網絡的技術實現(xiàn)方式

這種方式通過在手機終端上安裝微波數(shù)字電視接收模塊，使用戶可以不經過移動通信網直接獲得數(shù)字電視信號，包括歐洲的DVB-H技術、韓國的T-DMB技術和美國高通的Media FLO技術。

音視頻流的傳輸與無線網絡的帶寬無關，不僅可以給用戶提供一個廣播質量的電視頻道收視體驗，而且在網絡組建成本和運營成本上有巨大的優(yōu)勢；但是，由于傳統(tǒng)的廣播電視網絡通常都沒有上行鏈路，因此在實現(xiàn)上行傳輸時一般都考慮依靠三方移動通信網絡的協(xié)助來完成，這就要兼顧不同參與方的利益。

(2) 基于衛(wèi)星廣播網絡的技術實現(xiàn)方式

這種方式通過衛(wèi)星提供下行傳輸，實現(xiàn)廣播方式的手機電視業(yè)務，用戶在手機終端上集成直接接收衛(wèi)星信號的模塊來接收數(shù)字電視信號。包括韓國的S-DMB和歐洲的SDMB技術。

這種方式可以滿足高速移動環(huán)境下視聽廣播電視節(jié)目的要求；但是，此類方式與所要覆蓋的范圍關系密切，當范圍較小、用戶比較集中的時候，效率高而且經濟；但是當覆蓋范圍較大時則成本較高，衛(wèi)星無法對室內形成覆蓋，需要建設大量的地面直放站和用于掃盲的加強器，這將導致成本增大。

(3) 基于移動網絡的技術實現(xiàn)方式

利用移動網絡實現(xiàn)的方式，主要是基于全球標準化組織第三代移動通信伙伴計劃(3GPP)提出的MBMS的流媒體技術，把手機電視作為一種數(shù)據(jù)業(yè)務推廣，并利用通信網絡互動能力強的特點為用戶提供更加個性化的服務，不用更改基礎網絡結構，實施起來更為方便。這也是目前中國和美國移動運營商推出的手機電視業(yè)務所依靠的實現(xiàn)方式。

這種方式繼承了移動網絡的諸多能力，可以實現(xiàn)用戶業(yè)務鑒權以及用戶管理、計費、業(yè)務的個性化定制和點播、互動應用的實現(xiàn)等。該手機電視技術具有廣泛應用的基礎；但是，它會占用系統(tǒng)的核心頻率，受到移動網絡帶寬限制，電視播放效果不太穩(wěn)定，播放速率只有15幀/S，且并發(fā)用戶數(shù)有限以及收費較高等。

為了解決這一技術短板，提高市場競爭力，3GPP組織啟動了LTE項目，對3G系統(tǒng)提出了更高的需求，包括每比特成本、增強業(yè)務能力、對已有頻段和新頻段的靈活應用、簡化架構、開放接口、降低終端能耗等方面。LTE系統(tǒng)在20 MHz的帶寬下可以實現(xiàn)上行50 Mb/s和下行100 Mb/s的峰值速率。總之，LTE將解決現(xiàn)存的技術難點，為手機電視業(yè)務在通信網絡中的發(fā)展鋪平道路。

2 MBMS的技術優(yōu)勢及網絡架構

3GPP組織在R6版本中定義的MBMS是指無線網絡中一個數(shù)據(jù)源向多個接收終端發(fā)送數(shù)據(jù)的點到多點(P-T-M)業(yè)務，在不改變網絡架構的基礎上，通過向多個接收端發(fā)送相同的數(shù)據(jù)內容實現(xiàn)網絡資源的共享。除了移動核心網和接入網資源，MBMS還可以共享更為緊張的空中接口資源，以提高無線資源的利用率。MBMS的優(yōu)勢在于不僅能實現(xiàn)低速率的消息類組播和廣播，還能實現(xiàn)高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的組播和廣播，從而彌補了IP組播技術不能使多個移動用戶共享移動網絡資源的不足。MBMS功能是通過對3G網絡的改進而實現(xiàn)的，因此MBMS架構要依附于已有的3G網絡架構。主要包括兩個方面的改進：一方面是通過增加新的功能實體廣播組播業(yè)務中心(BM-SC)來提供與管理MBMS業(yè)務；另一方面是在已有的功能實體上，包括：網關GPRS支持節(jié)點(GGSN)、GPRS服務支持節(jié)點(SGSN)、基站控制器/無線網絡控制器(BSC/RNC)和用戶設備(UE)增強對MBMS業(yè)務的支持[1-5]。

2.1 MBMS技術優(yōu)勢

(1) 網絡投資較少

MBMS是基于現(xiàn)有的移動網絡進行微小的改動，可以充分利用現(xiàn)有移動網絡，實現(xiàn)良好的深度覆蓋。只需在已有的移動網絡中增加新的功能實體，網絡投資小，建設周期短。該技術與其他數(shù)字電視廣播技術具有完全不同的商業(yè)模式，MBMS提供了一套完全有移動運營商運營和控制的廣播、組播傳輸通道，方便移動運營商對手機電視業(yè)務的運營。

(2) 支持的業(yè)務豐富

MBMS沒有設置專門的上行信道，但是可以利用蜂窩網已有的上行信道實現(xiàn)交互，如進行業(yè)務訂閱等。MBMS除了可以提供廣播業(yè)務，還可以提供更豐富的組播業(yè)務：通過P-T-P修復機制實現(xiàn)可靠的下載業(yè)務，通過交互信道實現(xiàn)靈活的計費；還可以為用戶提供多種豐富的“PUSH”業(yè)務。MBMS最小的覆蓋單元是蜂窩小區(qū)，可以為不同位置用戶提供不同的業(yè)務，可以在網絡的不同區(qū)域分別廣播不同的內容。

(3) 無線資源調度靈活

MBMS用戶越多，其在容量和成本方面的優(yōu)勢就越明顯，性價比也就越高。即便是MBMS用戶數(shù)較少，也可以靈活應付，并可以以小區(qū)為單位對所屬小區(qū)的用戶進行統(tǒng)計，然后根據(jù)統(tǒng)計的結果按照一定的閾值進行選擇決定以P-T-P還是P-T-M的方式來傳輸，為用戶靈活地配備信道。當以P-T-M方式傳輸時，MBMS可以通過選擇性合并或用軟合并技術提高系統(tǒng)的性能。P-T-M方式使得資源的消耗同用戶數(shù)目的增長不再相關，大大節(jié)省了日益緊張的空中接口資源以及Iub傳輸資源，從根本上解決移動網絡容量方面的劣勢。

(4) 易于進行深度網絡覆蓋

MBMS的覆蓋方式與蜂窩網已有的覆蓋方式相同，通過蜂窩網小區(qū)實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，通過RNC控制業(yè)務數(shù)據(jù)在不同蜂窩的發(fā)送時間，保證各蜂窩業(yè)務的同步，減少用戶在跨蜂窩移動時的數(shù)據(jù)丟失。蜂窩間可以采用同頻率或異頻率，可以通過分集等技術實現(xiàn)覆蓋增強，可以通過直放站、室內分布式系統(tǒng)等實現(xiàn)深度覆蓋。

2.2 3GPP中MBMS網絡架構

為了支持MBMS用戶面和控制面的傳輸，媒體接入控制(MAC)層部分在控制無線網絡控制器(CRNC)新增了一個MAC-m的功能實體，負責MBMS傳輸信道。為了進行MBMS P-T-M傳輸，新增了3個邏輯信道：多點控制信道(MCCH)，多點調度信道(MSCH)，多點業(yè)務信道(MTCH)，用于P-T-M傳輸下行用戶信息和控制信息。為了尋呼定制了某MBMS業(yè)務的用戶，還定義了一個專用的尋呼指示信道(MICH)。

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的有效分發(fā)，對核心網中以下4個已有的功能實體的功能進行了擴充：

(1) 對UE增加了相應的MBMS功能和信令交互過程，使UE支持激活/去激活MBMS承載業(yè)務，并支持有關MBMS的安全功能，如對內容進行加密和一致性保護，能夠接收MBMS業(yè)務聲明、尋呼消息或者支持同步業(yè)務，可以根據(jù)MBMS會話標志決定是否忽略MBMS會話等。

(2) 使GSM EDGE無線接入網絡/UMTS陸地無線接入網(GERAN/UTRAN)在預定的MBMS業(yè)務區(qū)域內傳送MBMS業(yè)務，組播模式下根據(jù)小區(qū)中當前服務用戶數(shù)據(jù)和可用無線資源選擇合適的無線承載方式，支持核心網發(fā)起和終止MBMS業(yè)務傳送，允許MBMS接收者在GERAN /UTRAN間的移動，在進行MBMS業(yè)務的同時還可以傳送聲明、尋呼信息。

(3) SGSN對MBMS承載業(yè)務進行網絡控制，并支持MBMS接收者在SGSN間移動、支持組播業(yè)務計費，包括后付費和預付費用戶，并同時根據(jù)GGSN發(fā)送的通知建立或釋放Iu承載和Gn承載。

(4) GGSN作為MBMS數(shù)據(jù)的IP組播業(yè)務節(jié)點，根據(jù)BM-SC的通知請求為廣播或組播傳送建立或釋放用戶面承載，從BM-SC或其他數(shù)據(jù)源接收IP組播內容，并發(fā)送到合適的通用數(shù)據(jù)傳輸平臺(GTP)隧道，支持消息通知、搜集計費數(shù)據(jù)信息等。3GPP中MBMS的網絡架構如圖1所示。

2.3 3GPP LTE性能介紹

LTE項目各項性能概括如下幾個方面：

(1)峰值速率。在上下行各20 MHz帶寬的條件下，下行峰值速率達到100 Mb/s，上行峰值速率達到50 Mb/s。

(2)控制面延遲。要求從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉換時間要小于100 ms。

(3)控制面容量。在5 MHz帶寬下，每個小區(qū)應至少支持200個激活用戶。

(4)用戶面延遲。系統(tǒng)在單用戶、單業(yè)務流以及小IP包條件下，用戶面延遲則需要小于5 ms。

(5)用戶吞吐量。下行用戶平均吞吐量達到Release 6 高速下行分組接入(HSDPA)的3～4倍；而上行用戶平均吞吐量則達到Release 6 HSDPA 的2～3倍。

(6)頻譜效率。在有負荷的網絡中，下行頻譜效率(bits/sec/Hz/site)達到 Release 6 HSDPA的3～4倍；下行頻譜效率則會達到Release 6 HSDPA的2～3倍。

(7)移動性。LTE系統(tǒng)需要改進、優(yōu)化在低速(0～15 km/h)情況下的性能；在高移動速度(15～120 km/s)下，可以提供很好的、高質量的支持；保證在超高速(120～350 km/h)的移動狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠正常工作。

(8)系統(tǒng)覆蓋。在小區(qū)半徑為5 km的情況下，系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率和移動性等指標符合定義要求；在小區(qū)半徑為30 km的情況下，上述的指標可以略有降低；在100 km半徑的小區(qū)的情況下，系統(tǒng)能夠持續(xù)保證正常的工作；演進系統(tǒng)分別支持在1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和 20 MHz不同帶寬情況下進行部署，而且支持成對和非成對頻譜。

(9)系統(tǒng)共存以及與其他3GPP接入技術的互聯(lián)互通。支持UTRAN和GERAN的演進系統(tǒng)多模終端，能夠支持與UTRAN和GERAN之間的測量和切換。

(10)無線資源管理需求。增強支持端到端服務質量(QoS)；支持在不同接入網技術之間的負荷分擔和策略管理。

(11)系統(tǒng)復雜度方面。最小化可選項，無冗余的必選項。

3 LTE中的MBMS實現(xiàn)及其業(yè)務流程

3.1 LTE中MBMS的實現(xiàn)方案及實現(xiàn)

方法

目前系統(tǒng)架構演進(SAE)的架構如圖2所示[6]。其中包括以下網元。

演進通用陸地無線接入網絡(E-UTRAN)：是下一代的無線接入網，可以提供更高的上行下行速率、更低的傳輸延遲和更加可靠的無線傳輸。

控制面功能實體(MME)：負責管理和存儲用戶設備(UE)上下文（比如UE標識、移動性管理狀態(tài)、用戶安全參數(shù)等）、為用戶分配臨時標識、當UE駐扎在該跟蹤區(qū)域或者該網絡時負責對該用戶進行鑒權。

用戶面功能實體(SAE GW)：用戶面數(shù)據(jù)路由處理，分為Serving和外部數(shù)據(jù)網絡(PDN)兩種。Serving SAE GW是SAE系統(tǒng)與傳統(tǒng)3GPP系統(tǒng)間的移動錨點以及e-Node B之間的移動錨點；PDN SAE GW是能夠終結處于閑置狀體的UE的下行數(shù)據(jù)，當發(fā)送往UE的下行數(shù)據(jù)到達時，發(fā)起尋呼，管理和存儲UE的上下文，比如IP承載業(yè)務參數(shù)和網絡內部路由信息等。LTE/SAE網絡作為PDN的接入和承載網絡，具有激活、維護、去活承載的功能，以及為移動用戶持續(xù)提供數(shù)據(jù)業(yè)務的切換功能。

基于SAE/LTE系統(tǒng)的MBMS架構與基于寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)的MBMS架構有著很大的區(qū)別。對于SAE/LTE系統(tǒng)的MBMS來說，需要類似的一個實體來實現(xiàn)節(jié)點同步、資源協(xié)調等功能。為此，3GPP提出了在LTE架構中引入MBMS-GW邏輯實體，這個實體作為BM-SC和e-Node B之間的一個節(jié)點，是網絡的接入網關，負責處理用戶數(shù)據(jù)相關的報文和會話相關的信令，不涉及無線網絡參數(shù)，同時還可以實現(xiàn)MBMS-GW與e-Node B之間的同步。MB-SC與內容服務商/組播廣播源相連，完成數(shù)據(jù)匯聚。另外，引入多媒體多播廣播業(yè)務協(xié)調功能實體(MCE)，以實現(xiàn)e-Node B的無線資源協(xié)調功能。

當前有兩種重要的實現(xiàn)方案：NTT DoCoMo，T-Mobile，Orange等支持的由NSN提出的Lightweight架構，如圖3所示；Ericsson提出的LTE MBMS架構，如圖4所示。

基于已有的兩種解決方案，中興提出了具體的實現(xiàn)方法[6]，如圖5所示。BM-SC向多MBMS-GW發(fā)送會話開始消息，會話開始消息中可以攜帶是否進行無線資源協(xié)調的指示信息；MBMS-GW根據(jù)會話開始消息中的指示信息或者網絡配置判斷是否進行無線資源協(xié)調；在判斷不進行無線資源協(xié)調的情況下，MBMS-GW將會話消息發(fā)送到e-Node B，在判斷進行無線資源協(xié)調的情況下，MBMS-GW將會話消息發(fā)送到MCE。指示信息可以為缺省設置，當攜帶有指示信息時，指示進行無線資源協(xié)調，或者指示不進行無線資源協(xié)調。指示信息還可以分別通過不同值來指示是否進行無線資源協(xié)調。另外，在MBMS-GW在發(fā)送會話開始消息之前，分配用戶界面資源和IP組播地址。這樣以來，MBMS-GW在發(fā)送的會話開始消息中包含IP組播地址。

LTE架構下的MBMS系統(tǒng)包括4個模塊，如圖6所示。第一消息發(fā)送模塊，位于BM-SC一側，用于向MBMS-GW發(fā)送會話開始消息，會話開始消息中可以攜帶是否進行無線資源協(xié)調的指示信息；判斷模塊，位于MBMS-GW一側，用于根據(jù)會話開始消息中的指示信息或網絡配置決定是否進行無線資源協(xié)調；第二消息發(fā)送模塊，位于MBMS-GW一側，用于向e-Node B或者MCE發(fā)送會話開始消息，其中當判斷模塊不進行無線資源協(xié)調的情況下，將會話消息發(fā)送到e-Node B，否則將會話開始消息發(fā)送到MCE；分配模塊，位于MBMS-GW一側，用于分配用戶面資源和IP組播地址，可以讓第二消息發(fā)送模塊發(fā)送的會話消息中攜帶該IP組播地址。

LTE中的MBMS在空中接口協(xié)議中，采用原有的協(xié)議結構和信道結構，MBMS主要以原有的傳輸和物理信道承載數(shù)據(jù)流量，但根據(jù)業(yè)務需求擴展了新的業(yè)務信道和新的物理信道，且根據(jù)業(yè)務的需要選擇下行傳輸速率，其中空中接口支持的媒體下行速率V可選擇64 kbit/s，128 kbit/s，256 kbit/s。承載MBMS的物理信道為輔助公共控制物理信道(S-CCPCH)，根據(jù)其幀結構定義，S-CCPCH的每一幀時長為10 ms，有15個時隙組成，每個時隙有20x2k比特組成，由

速率=（每時隙比特數(shù)×每幀時隙數(shù)）/每幀時長

可以得到參數(shù)K，

再由

便可以得到擴頻系數(shù)SF，RNC根據(jù)SF選擇對應長度的擴頻碼。

3.2 MBMS的業(yè)務流程

MBMS包括兩種模式：組播模式和廣播模式。由于組播和廣播模式在業(yè)務需求上不同，導致其業(yè)務流程也不同[7]，如圖7所示。會話開始和會話結束都有廣播組播業(yè)務中心BM-SC來發(fā)起，為MBMS數(shù)據(jù)傳送建立或釋放相應網絡資源。該過程和用戶加入或退出某個組播組過程是完全獨立的，如用戶可以在組播會話開始前或之后激活MBMS業(yè)務。相對于廣播模式而言，組播模式增加了3個相關的過程：訂閱、用戶的加入和退出。MBMS業(yè)務聲明機制要通知用戶MBMS業(yè)務的相關信息，如MBMS業(yè)務的地理范圍、IP組播地址、業(yè)務開始時間等；運營商可考慮多種方式實現(xiàn)業(yè)務聲明，如通過小區(qū)廣播、MBMS廣播模式、MBMS組播模式、PUSH機制(WAP、SMS、MMS)、URL(HTTP、FTP)等。

4 結束語

本文分析了手機電視業(yè)務在世界各地的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題和遇到的技術瓶頸，強調選用、研發(fā)特定的技術發(fā)展手機電視業(yè)務的重要性。在分析世界各地手機電視業(yè)務應用的承載方式基礎上，指出了每種技術的優(yōu)缺點，分析表明使用MBMS技術優(yōu)勢更加明顯，同時對MBMS的網絡架構進行了研究，給出了網絡架構圖。但是基于目前的3G網絡發(fā)展手機電視業(yè)務有先天性不足，在其帶寬下，對于流媒體服務只能夠提供每秒3～5幀的畫面，很難提供流暢的畫面（對于流暢的畫面則至少需要15幀/S）。本文概括了LTE網絡中對3G網絡的改進和技術優(yōu)勢，對基于LTE網絡的MBMS技術進行了分析研究，表明LTE MBMS完全可以很好的承載手機電視業(yè)務。最后對MBMS的實現(xiàn)方法和MBMS業(yè)務的實現(xiàn)流程進行了詳細的說明，使真正的商業(yè)模式可行，使易管理、可交互、流暢的手機電視業(yè)務成為可能。

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收稿日期：2010-07-29

查敦林，中興通訊核心網產品規(guī)劃部主任工程師，研究方向為新一代通信網絡體系結構和業(yè)務提供等。

王魁英，南京郵電大學計算機學院研究生、碩士，研究方向為計算機網絡與安全。

孫知信，南京郵電大學計算機技術研究所博士、教授，研究方向為計算機網絡與安全、多媒體通信。