IMT-Advanced 增强多媒体多播技术

基金项目：国家重大科技专项(2010ZX03003-004)

    随着科技的高速发展和人们生活水平的快速提高，移动通信技术取得了突飞猛进的发展。最开始的第一、二代移动蜂窝通信系统(1G、2G)提供了方便的随时随地的无线语音服务。20世纪90年代，随着互联网的出现，人们对无线数据通信的需求日益增强，因此第三代(3G)系统开始引入包括数据通信在内的移动多媒体服务。然而人们已经不满足于速率上限为2 Mb/s的3G，为此发展了LTE系统，可提供高达300 Mb/s的传输速率。进一步地，未来的第4代移动通信系统(IMT-Advanced)的目标是提供可与有线通信系统可比拟的，高达1 Gb/s的高速通信。发展宽带无线通信技术对提高国家科技水平，促进经济发展，提高人民生活水平具有重要的意义。中国从3G开始，积极推动移动通信技术的发展与标准化，提出了具有自主知识产权的国际标准TD-SCDMA，并进一步发展为国际标准TDD-LTE，而当前正在进行标准化的IMT-Advanced系统更成为中国未来10年重点发展的科技项目。

    从目前全球3G网络运营情况看，高速数据业务已成为发展最为迅速的增值业务。流媒体、手机网络游戏、在线音乐、大容量下载等高速数据业务是3G业务的发展趋势。与高速数据业务发展相适应，移动终端装置的影音多媒体能力越来越强，用户对于在移动终端上使用多媒体或移动电视等服务的兴趣也越来越浓厚。多媒体广播多播业务(MBMS)是国际标准化组织3GPP在第3代移动通信系统(UMTS)的R6版本中引入的重要特性。利用广播多播业务自身的特性，MBMS通过点到多点的传输方式(PTM)可以实现一份资源同时为多个用户传送数据的目的，较之传统的点到点(PTP)传输方式能够极大地节省资源，能够在有限的频谱资源下，为用户提供丰富的多媒体业务。因此，近年来MBMS技术受到学术界和产业界的高度关注。

1 MBMS技术演进
    传统的移动蜂窝通信系统主要是为单个用户服务，而广播网络，如无线电台和电视广播，主要用于大范围覆盖，而不是用于为单个用户传输数据。在UMTS R6中引入的MBMS技术支持在蜂窝系统中传输广播多播业务，从而实现在单个网络中同时有效提供多播和单播业务。从MBMS技术提出至今，其标准已从R6演进到R10，R11目前还正在讨论制订中。在演进过程中，MBMS技术的特性和网络部署都经历了很大的变化。

1.1 UMTS R6/R7
    在UMTS R6/R7中，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[1]。UMTS R6 MBMS网络架构如图1所示。网络架构主要的改进包括两方面：一方面是增加了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GGSN、SGSN、BSC/RNC和UE)增加对MBMS业务的支持。

    BM-SC是MBMS的核心功能实体，负责提供和管理MBMS业务。对于内容提供方，它是MBMS业务内容的入口；对于承载网络，它负责授权和发起MBMS业务，以及调度和传输MBMS业务数据。BM-SC通过Gmb接口与网关GPRS支持节点(GGSN)进行信令交互，实现对MBMS业务的控制，并通过数据面接口Gi传送MBMS业务数据。

    GGSN、服务GPRS支持节点(SGSN)按照BM-SC提供的业务要求建立或者释放MBMS承载，同时负责通过所建立的承载将来自BM-SC的业务数据下发到下游。在GGSN、SGSN中需要保存必要的业务信息，并保存相关的用户信息。通用移动通信系统陆地无线接入网/GSM无线接入网(UTRAN/GERAN)会按照BM-SC的信令要求向用户终端(UE)发送来自上游的业务数据，并且在多播的模式下根据用户的数目来选择合适的无线传输方式。UE是业务的接收端，对于多播，UE需要通过发起激活/去激活MBMS承载过程来加入/离开MBMS业务。

    UMTS R6支持单小区的MBMS传输。不同小区的MBMS使用不同的扰码加扰传输。如果相邻小区传输同一个MBMS业务，接收端可以通过先进的信号处理合并不同小区的信号以增加接收增益。R7进一步增强了对MBMS的支持，允许多个小区以同步方式使用相同的扰码传输相同的MBMS业务。这样，UE接收机就可以进行多小区传输的联合均衡。这种机制某种程度上类似于LTE R8 E-MBMS传输采用的单频网方式[2]，只不过R7的空中接口采用码分多址(WCDMA)技术[3-4]，而R8则采用了正交频分复用(OFDM)技术[5]。

1.2 LTE R8/R9/R10
    LTE R8的一个重要新特性是引入了单频网技术。该技术允许多个互相同步的小区在同一频率上发送相同的MBMS信号，被称为多媒体广播单频网(MBSFN)传输。利用多小区“单频网”操作可以从根本上提高MBMS业务的传输效率和改善覆盖，又称为增强多媒体多播技术(E-MBMS)。单频网传输MBMS模式如图2所示。在单频网传输方式下，多个基站发出的信号均是有用信号。为了避免OFDM的符号间干扰，循环前缀(CP)需要覆盖多个小区信号的时延扩展，因此，需要对单小区下的CP长度进行适当的扩展。这样，在用户端看来，从多个小区接收到的信号如同从一个小区发送过来的多径信号，就可以按照单播信号的接收方法去接收来自多小区的MBMS信号，无需增加任何额外复杂度。

    为了加速商业部署，在LTE R8中只定义了E-MBMS的基本特性，尚未完成整体的标准化。直到LTE R9标准才真正支持了E-MBMS技术。R9不仅详细定义了E-MBMS涉及到的每个实体的功能，还制订了接口之间的消息交互过程。而最新的R10版本是在R9的基础上增加了额外的计数功能。R9支持的E-MBMS逻辑架构如图3所示。图3中MME是移动性管理实体，MCE是多小区/多播协调实体，MBMS GW代表MBMS网关，M3和M2是控制平面接口，M1是数据平面接口。

2 LTE R10中E-MBMS  协议设计
    本节介绍最新的LTE R10标准中E-MBMS的协议设计，包括关键术语的定义，标准支持的MBSFN区域配置，逻辑信道映射和复用，控制信息流程和计数功能。E-MBMS关键术语[6]有：

• MBMS服务区域。传输MBMS的网络地理区域。
• MBSFN同步区域。所有eNB可以同步进行MBSFN传输的网络区域。一个MBSFN同步区域可以包含多个MBSFN区域。在给定的一个频率上，一个eNB只能属于一个MBSFN同步区域。MBSFN同步区域独立于MBMS服务区域。
• MBSFN区域。在MBSFN同步区域中协调实现MBSFN传输的一组小区。MBSFN同步区域中的一个小区可以属于多个MBSFN区域，其中每个MBSFN区域有不同的业务及小区集。

2.1 MBSFN区域配置
    MBSFN区域的配置有3种情况：静态配置、半静态配置及动态配置。

• 静态配置是在MBSFN服务建立时进行的配置。在该配置中，MBSFN业务、区域和小区的映射关系是固定的，不会随着业务的开始和结束发生改变。
• 半静态配置是通过RRC信令实现的，为运营商管理MBSFN区域提供了灵活性。MBSFN区域的分配通常在会话开始和结束时修改，在业务声明周期内可能有很小的变化。
• 动态配置的特点是根据MBMS业务的需要，可随时进行MBSFN区域的配置的更改。尽管动态配置允许无线资源有效支持特定小区的用户数，但实际上频繁重配置带来的频谱增益是非常有限的，因为它本身需要通过MBSFN区域的计数程序对MBSFN区域内接收MBMS业务的用户信息进行收集统计，以决定哪些小区MBSFN传输应该关或开或是否触发额外的邻小区。这些信令交互占据了一定的频谱资源，限制了动态配置带来的增益。此外，动态配置需要对目前网络资源管理机制进行比较大的改动。

    在目前标准R9/R10中，只采用利用无线资源控制(RRC)信令实现的半静态MBSFN区域配置方式。这种方式存在的一个问题是不支持MBMS业务的连续性。因此，MBMS服务连续性是目前R11中讨论的一个热点，是否通过动态配置实现MBMS服务连续性保障还有待进一步研究。

2.2 E-MBMS逻辑信道映射和复用
    E-MBMS的逻辑信道包括多播业务信道(MTCH)和多播控制信道(MCCH)，传输信道对应的是多播信道(MCH)。其中MTCH是从网络到UE传输数据业务的点对多点下行链路信道；MCCH是针对一个或多个MTCH，从网络到UE传输MBMS控制信息的点对多点下行链路信息。MCCH和MTCH都被映射到MBSFN模式的MCH传输信道上。MBMS逻辑信道、传输信道及物理信道映射关系如图4所示。

2.3 E-MBMS控制信息流程
    目前LTE R10系统对于E-MBMS的控制信息流程如图5所示，分别包含了广播控制信道(BCCH)、MCCH以及MCH调度信息(MSI)。其中BCCH通过系统信息块13(SIB13)，最终映射到物理下行共享信道(PDSCH)来传输；而MSI信息是MAC控制元素，可与MCCH或MTCH一起映射到MCH上，并经由MBSFN子帧来传输[7]。希望接收广播多播业务的用户，可以通过系统信息块2(SIB2)获知相应的MBSFN子帧配置信息，然后通过SIB13获知MCCH出现的位置信息。MCCH中包含接收MCH所需要的参数及物理层所采用的调制编码方式、通用子帧分配模式(CSA)等。

2.4 R10 E-MBMS计数
    LTE R10中E-MBMS计数只针对连接状态的UE进行，是用来统计对接收某一个业务感兴趣的UE的个数。运营商可以根据计数结果决定是否采用MBSFN方式传输该业务。计数过程由网络发起。首先会让MBSFN区域内的eNB发送一个计数请求(包含在直接扩展的MCCH消息中)，该消息包含需要UE反馈的临时移动组标识(TMGI)列表。然后连接模式下的UE会通过RRC计数响应消息反馈它正在接收或在列表中感兴趣的业务，该消息包含短的MBMS业务标识(在MBSFN区域内是唯一的)，也可能选择性地包含标识MBSFN区域的信息(如MBSFN区域重叠时)。

    计数过程满足的基本原则：

• 网络可以控制UE是否对每个业务计数。
• UE通过单个计数响应消息可以报告多个MBMS业务。
• 当UE在同一个MBSFN区域内移动时，不用重传计数结果。
• 网络从一个UE相应的一个计数请求消息只获得一个响应，该计数请求消息是在一个修改周期广播的
• UE不能主动告诉网络它接收MBMS业务兴趣的改变。
• 网络对UE感兴趣的每个业务进行计数。

3 E-MBMS的发展趋势
    在LTE中引入了单频网MBSFN传输方式，使得多媒体业务传输的频谱效率从R6的0.02~0.2 bps/Hz提升到1 bps/Hz[8]。然而，IMT-Advanced系统要求达到更高的多媒体业务频谱效率。如何实现该要求，是未来E-MBMS需要解决的关键问题。

3.1 多基站协作传输
    考虑到系统的后向兼容性，在LTE中的MBSFN传输方式仍然会沿用到IMT-Advanced系统中。MBSFN传输方式实质上就是一种多基站的协作方式。由于数据是通过IP多播的方式从MBMS网关发送的，不支持基站之间的相互通信，因此，在MBSFN方式下很难使用协作多输入多输出方式。所以，通过改进MBSFN再进一步提升频谱效率的可能性比较小。

3.2 终端协作多播方式
    除了基站之间的协作，也可以考虑利用移动终端之间的协作来改善多播传输的性能。
由于同一多播组内的用户接收的是相同的业务，无论是合作伙伴的选取还是数据安全方面的问题，都很容易解决。如图6所示，在终端协作传输中，将终端用作多播传输的中继，可以获得较大的路径增益，能够有效克服由于路径损耗造成的边缘用户性能损失。

    进一步地研究表明[9]，将终端协作和MBSFN传输方式结合，可将多播系统容量提升到原来的两倍。虽然现有研究[10-12]证明了终端协作用于多播传输的有效性，但这些方法主要是针对一些特殊的场景设计的，做了较多理想的假设。

    未来的研究应结合实际系统的特点设计终端协作传输机制，考虑符合真实系统需求的无线资源管理，并针对终端的移动特性等进行深入的探讨。

3.3 基于分层编码的多播传输技术
    在现有的MBMS系统中，发射机的发射功率以及调制编码方式的设定需要为覆盖区域内的传输条件较差的用户考虑，这样才能保证大部分用户都能享受到所提供的多媒体服务。但实际上对于距离发射机较近的用户，其信道质量完全可以支撑更好的服务，因此在现有的MBMS系统中。信道条件差的用户成为系统性能提升的“瓶颈”。

    最新的基于多媒体业务的多描述信源编码以及分级信源编码的基本理论，为解决这个问题带来了可能。以分级信源编码为例，其基本原理是将原始的视频信息编码分为基本数据流和增强流数据[13]。基本流考虑的是覆盖内的所有用户，可以保证用户得到最基本的视频观赏效果；而增强流面向信道状况较好的用户，只有那些信道较好的用户才能正确解调，从而可以得到更高质量的视频享受。这样就实现了对不同用户的不同服务等级，对信道状况较好的用户提供更好的服务，充分地利用了信道资源。

3.4 基于喷泉码的多播传输技术
    多媒体广播和多播业务具有数据量大、延时敏感、用户规模动态变化等特点。当传输数据量很大，接收者大量增加时，如果采用自动反馈重传(ARQ)技术来处理丢失包，将造成网络的反馈拥塞，严重时还会造成网络瘫痪。

    为了确保多播业务的服务质量，同时也避免采用ARQ技术带来的严重问题，数字喷泉编码[14-15]被引入到多播传输中。利用喷泉码，在编码的发送端可以由k个信源包生成任意数量的喷泉编码序列。接收端只要收到其中任意k (1+ε)个编码分组，即可通过译码以高概率成功恢复全部k个信源包，然后向发送端传送表示正确接收的ACK消息。发送端收到所有用户的ACK消息后，再发送新的一帧。可见，喷泉码的设计可以降低反馈造成的严重开销，使得多播数据能够在网络中健壮地传输。由于数字喷泉码在多播业务中能够提高数据吞吐能力、降低反馈开销和网络时延，3GPP已经将数字喷泉码作为MBMS多媒体数据传输的标准。

4 结束语
    作为IMT-Advanced的关键技术，E-MBMS受到了产业界和学术界的极大关注，在3GPP组织的推动下获得快速的发展，有巨大的市场应用前景。本文深入剖析了MBMS技术发展的历程和最新的标准动向。虽然MBMS已得到了广泛的研究，但目前的技术还远远不能满足IMT-Advanced的性能要求，必须在协作通信、分层编码、喷泉码等前沿方向加强研究。

5 参考文献
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收稿日期：2011-07-05

[摘要] 多媒体多播(MBMS)通过点到多点方式实现由一个数据源向多个用户发送数据，能有效节省网络资源，是下一代宽带移动通信系统关注的重点技术。文章基于MBMS技术的发展历程、最新标准进展、前沿研究热点、演进过程，剖析了第3代移动通信系统(UMTS)R6 MBMS和第3.9代移动通信系统(LTE)R10增强多媒体多播(E-MBMS)的逻辑架构；阐述了LTE R10中E-MBMS的协议设计，包括关键术语、区域配置、逻辑信道映射和复用、控制消息流程及计数过程；给出了IMT-Advanced中E-MBMS技术发展，包括多基站协作、分层编码、喷泉码传输和终端协作传输的新趋势

[关键词] 多媒体多播；单频网；分层编码；喷泉码；终端协作

[Abstract] Multimedia multicast and broadcast service (MBMS) uses point-to-multipoint transmission to deliver the same data to a large number of users. MBMS greatly saves network resources and has become a key technology in IMT-Advanced systems. This paper provides an overview of the development of MBMS, recent progress in standardization, and frontier research topics. The evolution MBMS standardization is introduced, and the logical architecture of MBMS in UMTS R6 and E-MBMS in LTE R10 is highlighted. The protocol design of E-MBMS in R10 is then presented, and the technical terminologies, MBSFN area configurations, channel mapping, control information procedure, and counting function are discussed. Promising frontier research topics on E-MBMS in IMT-Advanced are discussed in conclusion. These research topics include multi-base-station cooperation, layer coding, fountain coding, and terminal cooperation.

[Keywords] multimedia multicast and broadcast service (MBMS); single frequency network (SFN); layer coding; fountain coding; terminal cooperation