基于統計的eMBMS容量規劃研究

黃正彬，張建國，徐恩，王加義

（1.中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022；2.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

基于統計的eMBMS容量規劃研究

黃正彬1，張建國2，徐恩2，王加義2

（1.中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022；2.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

通過介紹eMBMS網絡結構，并對eMBMS信道結構和業務調度進行分析，提出了基于統計的eMBMS容量規劃的方法，即根據現網統計邊緣RS-SINR確定PMCH的邊緣RS-SINR和PMCH速率，再根據PMCH速率和視頻的碼率確定1個子幀可以傳輸的視頻流數。根據南寧現網的RS-SINR統計，1個子幀可以傳輸5路標清視頻、2路高清視頻或者1路超清視頻。

增強型多媒體廣播多播業務 容量規劃 RS-SINR 統計

1 引言

隨著4G網絡的大規模建設和數據流量資費的降低，在線視頻業務逐步成為4G用戶的主流業務。由于采用傳統的“點對點”模式傳輸視頻會占用過 多的空中接口資源，導致4G網絡負荷急劇上升，用戶體驗變差。

eMBMS（enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service，增強型多媒體廣播多播業務）采用廣播方式傳輸，“點對多點”模式可 以提升網絡資源利用效率，尤其是空中接口資源的利用效率，因此能夠極大提升網絡的用戶承載能力，具備承載能力強、資源利用率高、配置靈活等技術特點，既可承載低速率的消息類廣播，也可承載高速率的音/視頻直播等業務。

2 eMBMS網絡結構

同時發送完全相同波形的1個或多個小區組成1個MBSFN（MBMS Single-Frequency Network，多播/組播單頻網絡）服務區。1個MBSFN服務區由多個小區組成，1個小區也可以屬于多個MBSFN服務區，但最多只可以屬于8個MBSFN服務區[1]，MBSFN服務區是靜態配置的。

eMBMS網絡由核心網、無線接入網和UE三大部分組成。其中，核心網由MME、MME GW和BM-SC（Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業務中心）組成；無線接入網由MCE（Multi-cell/multicast Coordination Entity，多小區/多播協調實體）和eNB（evolved Node B，演進型基站）組成。eMBMS網絡結構如圖1所示。

eMBMS網絡各個節點的功能[2]描述如下：

◆MME的功能：eMBMS會話管理功能，即MBMS會話的開始、終止、修改；重置功能，確保M3的初始化；錯誤指示功能，合適的錯誤報告、處理機制。

◆BM-SC的功能：成員管理功能，包括鑒權、認證、用戶的計費；會話和傳輸功能，包括會話的調度和重傳，分配TMGI（Temporary Mobile Group Identity，臨時移動組標識），配置MBMS GW參數（QoS、MBMS服務區），發起和中止MBMS承載資源，向MBMS GW發送數據，對外網數據的鑒權、認證和接收；代理傳輸功能，包括為內容提供者的計費。

◆MBMS GW的功能：提供接口的功能，包括SGi-mb接口、SGmb接口、M1接口、Sm接口；分配IP組播地址（IP Multicast Address）功能。MBMS GW可以與多個控制面實體（如MME和BM-SC）進行通信。

◆MCE的功能：接入控制功能，即MCE給MBSFN服務內使用MBSFN多小區MBMS傳輸的所有eNB分配無線資源，如時間/頻率資源、調制和編碼方案等；為eNB提供MCCH（Multicast Control Channel，多播控制信道）相關信息；提供基本的無線參數配置；eNB和MCE配置更新功能。MCE也參與MBMS會話控制信令。

◆e N B的功能：實現小區的管理和控制；從MBMS GW接收IP組播數據并通過空中接口轉發到UE。

eMBMS網絡的各個接口描述如下：

◆M1：MBMS GW和eNB之間用戶面的參考點，采用IP組播方式傳送MBMS數據，該參考點基于GTP-U協議[3]。

◆M2：MCE和eNB之間的控制面參考點，參見文獻[4]。

◆M3：MME和MCE控制面之間的參考點，參見文獻[5]。

◆Sm：MME和MBMS GW控制面之間的參考點，該參考點基于GTPv2-C協議[6]。

◆SGmb：BM-SC和MBMS GW控制面之間的參考點，參見文獻[7]。

◆SGi-mb：BM-SC和MBMS GW用戶面之間的參考點，參見文獻[7]。

◆SGi：BM-SC和PDN網關之間的參考點，參見文獻[7]。

3 eMBMS信道結構和業務調度

圖1 eMBMS網絡結構示意圖

針對MBSFN傳輸，3GPP協議定義了2種類型的邏輯信道：M T C H（Multicast Traffic Channel，多播業務信道）和MCCH（多播控制信道）。MTCH承載M B M S數據，M C C H承載每個M C H的子幀分配、調制和編碼方案等控制信息。MTCH和MCCH復用并映射到MCH（Multicast Channel，多播信道）。MCH映射到PMCH（Physical Multicast Channel，物理多播信道），PMCH在MBSFN子幀上傳輸[8]。

MBSFN子幀指的是支持MBSFN傳輸的子幀，同一個MBSFN服務區的所有小區在MBFSN子幀上同步發送相同的無線信號。對于FDD LTE，1個無線幀的子幀1、子幀2、子幀3、子幀6、子幀7和子幀8可以配置為MBSFN子幀；對于TDD LTE，1個無線幀的子幀3、子幀4、子幀7、子幀8和子幀9可以配置為MBSFN子幀[1]。MBSFN子幀由控制區域和MBSFN區域組成。

與MBMS業務調度相關的2個參數是CSA（Common Subframe Allocation，公共子幀分配）周期和MSP（MCH Scheduling Period，MCH調度周期）[1]，具體如下：

◆CSA周期：所有屬于同一個MBSFN服務區的MCH使用1個MBSFN子幀模式，稱為公共子幀分配（CSA），該CSA是周期性的，稱為CSA周期。CSA周期可以取值40ms、80ms、160ms、320ms、640ms、1 280ms和2 560ms。

◆MCH調度周期：特定MCH的傳輸信道遵循MSA（MCH Subframe Allocation，MCH子幀分配），該MSA也是周期性的，稱為MCH調度周期（MSP）。MSP可以取值80ms、160ms、320ms、1 280ms、2 560ms、5 120ms和10 240ms。

MBMS業務調度如圖2所示。其中，CSA周期是80ms，有2個MCH：第1個MCH的MSP是80ms，對應1個CSA周期，即每80ms調度1次；第2個MCH的MSP是160ms，對應2個CSA周期，即每160ms調度1次。

4 eMBMS容量規劃

eMBMS業務的典型應用有手機視頻、手機廣告、手機音樂臺、手機證券等，由于手機視頻占用的資源最多，建議eMBMS的容量規劃以滿足手機視頻業務為準。下面以南寧市區為例進行eMBMS的容量規劃。

4.1 eMBMS容量規劃方法

圖2 MBMS業務調度示意圖

由于eMBMS采用“點對多點”方式傳輸，UE不上報PMCH質量給eNB，eNB就無法獲知下行信道狀態，因此無法采用傳統的基于UE反饋信道質量的動態調度機制，只能采用靜態調度機制，即預先設定PMCH的MCS（Modulation and Coding Scheme，調制與編碼策略）指示。

本文提出基于統計的eMBMS容量規劃方法是：首先統計現網的RS-SINR分布情況，推導出MBSFN服務區的PMCH的邊緣RS-SINR；然后根據PMCH的邊緣RS-SINR確定PMCH的MCS指示，再根據MCS指示和系統帶寬確定1個無線幀（10ms周期）的1個子幀可以提供的速率；最后根據1個子幀可以提供的速率和不同清晰度視頻的碼率，確定1個子幀可以傳輸的視頻流數。邊緣RS-SINR定義為95%以上的RS-SINR強度。

4.2 MBSFN服務區的邊緣RS-SINR

相比于常規子幀，MBSFN子幀具有以下額外的增益：

◆增加信號強度和降低干擾水平：由于在同一個MBSFN服務區內，多個小區同步發送完全相同的無線信號，終端能利用來自多個小區的信號，因此可以顯著增加接收信號的強度和減少干擾，尤其是在小區的邊緣。針對常規子幀，在同頻組網的條件下，根據負荷的不同，LTE下行鏈路的干擾余量一般取3—8dB[9]；針對MBSFN子幀，LTE的下行干擾余量可以取值為0，即MBSFN子幀相比常規子幀有3—8dB的增益。

◆對抗無線信道衰落的附加增益：由于信號是從幾個地理上分開的位置收到，這通常會使得總體合成信道呈現出強時間分散或者強頻率選擇性[8]。MBSFN子幀相比常規子幀，頻率選擇性衰落的獨立性可以獲得額外的增益，參照WCDMA軟切換增益[10]，MBSFN子幀的分集增益可以取值為3dB。

綜上所述，MBSFN子幀相比于常規子幀，在鏈路預算上可以帶來額外的增益6—11dB，6—11dB的鏈路預算增益對應的RS-SINR增益是4—6dB。

根據路測統計，得出南寧市區下行RS-SINR累積概率分布如圖3所示。

從圖3可知，南寧市區RS-SINR小于0dB的區域比例是4.3%，也就是95.7%的區域下行RS-SINR大于0dB，即南寧市區下行邊緣RS-SINR（95%以上的RSSINR強度）為0—0.5dB。據此可以判斷，南寧市區PMCH信道的邊緣RS-SINR為4—6dB。

4.3 MBMSFN子幀速率

根據3GPP TS 36.213協議[11]可知，PMCH信道不使用MIMO模式，即1個TTI（Transmission Time Interval，傳輸時間間隔）內只有1個傳輸塊，分配的RB數默認為整個系統帶寬，針對20MHz帶寬，在1個子幀內分配給PMCH信道的RB數是100個。根據公式（1）可以計算1個無線幀（10ms周期）的1個子幀（1ms）在不同MCS指示下的速率為：

1個子幀的速率=TBS（傳輸塊大小）/10ms （1）

RS-SINR=有效信號/(鄰區信號+噪聲) （2）

RS-SINR的性能與無線環境、終端性能、天線模式、最大允許HARQ次數、BLER（塊差錯率）等因素有密切關系，因此不易找到MCS指示與RS-SINR的準確對應關系，3GPP也沒有進行標準化。廠家一般根據仿真獲得MCS指示和RS-SINR的對應關系并作為廠家內部實現算法，各個廠家提供的MCS指示和RS-SINR對應關系并不相同。根據某個廠家提供的資料，可以得出不同MCS指示對應的RS-SINR，如表1所示。

4.4 不同清晰度視頻流的碼率

根據華為mLAB與搜狐視頻客戶端聯合實驗室發布的“2014年Q3移動視頻洞察報告”[12]，對搜狐視頻熱門視頻采樣，不同清晰度視頻對應的碼率及其占比情況如表2所示。

通過表2可以發現，目前視頻播放清晰度以標清和高清為主，2014年第二季度占比分別是21.5%和75.7%，超清占比上升較快，達到2.8%，而原畫的占比為0。因此，eMBMS容量規劃可以暫時不考慮原畫畫質，只需考慮標清、高清、超清畫質即可，按照最大的視頻碼率進行規劃，則1路標清視頻、1路高清視頻、1路超清視頻的碼率分別是300kbps、650kbps、1 500kbps。

4.5 eMBMS容量規劃結果

圖3 南寧市區下行RS-SINR累積概率分布

根據圖3可知，南寧市區現網的邊緣RS-SINR為0—0.5dB，由此可以推斷，PMCH信道的邊緣RS-SINR為4—6dB。根據表1可知，4—6dB對應的MCS指示可以選擇為8、9或者10，本次規劃選擇MCS指示9，則1個子幀在1個無線幀周期（10ms）內對應的速率是1.584Mbps，因此1個子幀可以傳輸5路標清視頻、2路高清視頻或者1路超清視頻。

表1 不同MCS指示對應的TBS指示、SNR和1個子幀的速率

表2 不同清晰度視頻對應的碼率及其占比情況

5 結束語

由于PMCH信道的邊緣RS-SINR與網絡結構、用戶位置等因素有關，因此在實際eMBMS業務部署的過程中要結合路測數據、話務統計、用戶投訴等多種因素，合理確定PMCH信道的MCS指示和eMBMS的容量。

建議中國移動初期從行業用戶入手，可采用定制終端，復用現有區域連續頻點，部分區域引入eMBMS服務；隨著網絡、終端支持程度逐步提升，開展廣播類特色業務，復用現有區域連續頻點，考慮在多頻點組網條件下開展eMBMS特色業務。

[1] 3GPP TS 36.331. 3rd Generation Partnership Project; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specifi cation[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 23.246. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and Functional Description[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 36.445. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M1 Data Transport[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 36.443. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M2 Application Protocol (M2AP)[S]. 2010.

[5] 3GPP TS 36.444. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M3 Application Protocol (M3AP)[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 29.274. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; 3GPP Evolved Packet System (EPS); Evolved General Packet Radio Service (GPRS) Tunnelling Protocol for Control Plane (GTPv2-C); Stage 3[S]. 2010.

[7] 3GPP TS 29.061. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) Supporting Packet Based Services and Packet Data Networks (PDN)[S]. 2012.

[8] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G LTE/ LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. Academic Press, 2011.

[9] Harri Holma, Antti Toskala. LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access[M]. John Wiley & Sons Ltd, 2009.

[10] Harri Holma, Antti Toskala. WCDMA技術與系統設計[M]. 陳澤強,周華,付景興,等譯. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[11] 3GPP TS 36.213. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Layer Procedures[S]. 2012.

[12] 華為mLAB&搜狐視頻客戶端聯合實驗室. 移動視頻洞察報告2014Q3[EB/OL]. (2014-10-15)[2014-10-20]. http://www.c114.net/topic/images/4569/ yidongshiping_2014Q3.pdf.★

黃正彬：工程師，畢業于西安郵電學院，現任職于中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，主要從事無線網絡的規劃和優化工作。

張建國：高級工程師，工學碩士畢業于南京郵電學院，現任職于華信咨詢設計研究院有限公司，主要從事無線網絡的規劃和設計工作。

徐恩：高級工程師，中國人民大學工商管理學院MBA碩士，現任職于華信咨詢設計研究院有限公司，主要從事移動通信網絡咨詢、規劃、設計和優化工作。

中國移動發布兩大物聯網開放平臺

2015年5月25日，中國移動在2015年亞洲消費電子展（CES Asia）上發布了面向企業用戶推出的“物聯網專網業務管理平臺”和“OneNet設備云平臺”。

據介紹，“物聯網專網業務管理平臺”是在中國移動物聯網專網卡既有的優勢基礎上，進一步在信息獲取、運維、統計分析以及API接口上進行了創新，為企業提供了更加豐富、多元化、個性化的通信管理工具。

截至目前，中國移動物聯網專網業務管理平臺已經實時管理著近500萬部終端。

“OneNet設備云平臺”是介于終端和應用之間的云服務和信息處理平臺，為物聯網企業提供了多種協議的接入支持，可實現智能設備與應用的對接。另外，還針對產品原型開發、商用及日常運營管理的需要提供了專業的PaaS云服務。

在行業應用展區，中國移動展示了能耗監控平臺、智慧社區平臺和通信模組。通過無線傳感設備，能耗監控平臺可以獲取數據來動態地調整相關設備，從而達到能源的合理配置。智慧社區平臺將小區物業、家庭安防、家政服務、LBS應用等整合在一起，通過OneNet上的應用分發，實現智能化生活的雛形。

在個人產品展區，中國移動展出了在線安防監控產品——“和目”，該產品具有高清畫質、語音對講、智能報警等功能；具備雙模定位功能的隨身設備“找TA智能定位電筒”，可應用于老人、小孩的安全管理。同時，在車聯網領域，中國移動還展出了基于OBD的產品“路尚”、“車務通Pro”。（新浪科技）

Research on eMBMS Capacity Planning Based on Statistics

HUANG Zheng-bin1, ZHANG Jian-guo2, XU En2, Wang Jia-yi2
(1. China Mobile Group Guangxi Co., Ltd., Nanning Branch, Nanning 530022, China; 2. Huaxin Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

By introducing enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service (eMBMS) network structure and analyzing channel structure and service scheduling of eMBMS, a capacity planning method based on statistics was proposed in this paper. According to statistics of marginal RS-SINR in existing network, the marginal RS-SINR and PMCH rate of PMCH were determined. Furthermore, in the light of PMCH rate and video code rate, the number of video fl ows in one sub-frame could be determined. According to RS-SINR statistics in Nanning’s existing network, 5 channel standard-defi nition videos, 2 channel high-defi nition videos or 1 channel super-defi nition video can be transmitted in one sub-frame.

enhanced multimedia broadcast/multicast service (eMBMS) capacity planning RS-SINR statistics

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.002

TN929.5

A

1006-1010(2015)10-0010-06

黃正彬,張建國,徐恩,等. 基于統計的eMBMS容量規劃研究[J]. 移動通信, 2015,39(10): 10-15.

2015-03-17

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn