LTE多媒体广播多播业务关键技术研究

基金项目：国家重大专项(2010ZX03003-004)
 

    随着互联网的迅速发展和大屏幕多功能用户设备的普及，出现了大量移动数据多媒体业务和各种高带宽多媒体业务，如视频会议、电视广播、视频点播、广告、网上教育、互动游戏等，这些业务既满足了移动用户多业务的需求，也为移动运营商带来了新的业务增长点。这些移动数据多媒体业务要求多个用户能够同时接收相同数据，与一般的数据业务相比，具有数据量大、持续时间长、时延不敏感等特点。

    为了有效利用移动网络资源，第三代合作伙伴计划(3GPP)提出了多媒体广播多播业务(MBMS)。该业务是一种从一个数据源向多个目标用户设备传送数据的技术，实现了网络(包括核心网和接入网)资源的共享，提高了网络资源(尤其是空中接口资源)的利用率。3GPP定义的MBMS业务不仅能够实现纯文本低速率的消息类多播和广播，而且还能够实现高速多媒体业务的广播和多播，提供多种丰富的视频、音频和多媒体业务，这无疑顺应了未来移动数据发展的趋势，为移动宽带通信的发展提供了更好的业务前景。在长期演进(LTE)系统中研究的MBMS技术，称为演进的多媒体广播多播业务(E-MBMS)，在本文中统称为MBMS。

1 LTE中的MBMS体系结构
    LTE/系统架构演进(SAE)下的MBMS框架[1]如图1所示。MBMS框架包括以下网元：广播多播业务中心(BM-SC)、MBMS网关(MBMS-GW)、多小区/多播协调功能实体(MCE)、演进的NodeB。其中，BM-SC属于业务层网元，是内容提供者的入口，提供业务的汇聚和发送、用户的授权(密钥的产生和发送)、MBMS业务承载的建立和发起、会话控制的发起等，同时还可以实现BM-SC与eNB之间的同步。MBMS-GW作为BM-SC和eNB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。

    对于单个MBMS业务，MCE主要用于业务的调度，即选择合适的资源(包括频率、时间等参数)，进行多媒体广播多播单频网(MBSFN)传输；对于多个MBMS业务，MCE需要协调其相应的多个MBSFN传输，包括MBSFN区域的大小，无线资源的使用等等，以便能够合理地、高效地使用资源。

    MBMS包括多播模式和广播模式。由于多播和广播模式业务需求不同，导致其业务流程也不同。

    在MBMS广播模式下，由于广播业务向无线网络中的所有用户发送信息，因此，各网络节点不需要执行MBMS注册过程。当准备好发送数据时BM-SC触发MBMS会话开始过程；会话开始过程激活网络中用于传输MBMS数据的所有需要的承载资源。通过这个过程，BM-SC将该MBMS承载业务的终端移动组标识(TMGI)、服务质量(QoS)、MBMS业务域、估计会话长度参数等会话属性提供给相关网络节点。下游节点完成相应工作后，BM-SC开始广播数据传输。各个节点通过会话开始过程中建立的承载传输广播数据到UE。

    MBMS广播模式和多播模式的主要业务流程比较相似，都需要依次进行业务声明、会话开始、MBMS通知、数据传送和会话结束的处理。二者的区别在于，多播模式还需要用户签约相应多播组，进行业务激活，并依据用户加入和用户退出的时刻产生相应的计费信息。MBMS广播业务流程示意图如图2所示[2]。

    在LTE/LTE-A中，MBMS只有广播承载模式，没有多播承载模式。

    LTE系统中，用户设备(UE)可以有两种工作模式：无线资源控制空闲(RRC Idle，简称空闲)模式或无线资源控制连接(RRC Connected，简称连接)模式，两种模式下的UE都可以接收MBMS业务。

2 多播传输中的关键技术
    在LTE系统的版本9(R9，Release 9)中引入了MBMS技术，并在版本10(R10，Release 10)中进行增强。在R9中，MBMS业务的控制信令与用户数据分开传输，分别称为控制面(CP)和用户面(UP)。控制面通过控制业务的开始、更新和结束，来控制用户面数据的发送，实现基本的MBMS业务的发送。MBMS业务在固定大小(可以静态或半静态配置)的MBSFN区域中发送。在R10版本中，为了提高MBMS系统的资源利用率，方便运营商管理，对MBMS技术进行了增强，主要包括：计数和基于优先级的抢占(ARP)机制。R11 MBMS[3]将要重点讨论业务连续性，位置相关的MBMS业务，以及载波聚合(CA)和中继下的MBMS部署。

    下面将对多播传输中的关键技术进行具体分析。

2.1 多播无线传输技术
    LTE的一个重要特性是基于同步单频网，采用正交频分复用(OFDM)无线接口传输MBMS数据，这称为MBSFN操作。

    MBSFN传输的示意图如图3所示。在MBSFN传输中，MBMS数据通过时间同步的多个小区在空中接口同时传输。UE接收到有多个小区传输的具有不同传输时延的MBMS信号。如果来自多个小区的信号在符号起始处的循环前缀内到达UE，就没有符号间干扰(ISI)，UE可以将来自多个小区的MBSFN传输看作一个大的小区传输。UE接收机采用与处理单小区传输的多径合并来处理多小区传输，不会导致额外的复杂性。

    MBSFN传输可以使频谱效率大大提高，这对小区边缘用户的接收特别有用，同时可能将构成小区间干扰的邻小区传输转换成为有用的信号能量，因此接收信号功率大大增加。

    为了实现多小区传输信号合并，MBSFN传输的物理多播信道(PMCH)子帧结构使用扩展循环前缀(CP)。因为多小区传播时延的差别通常比单小区时延扩展要大得多，较长的CP有助于确保接收信号落在UE接收机的CP内从而减少了ISI的可能性。这就避免了UE接收机上均衡器的复杂性，但由于较长的CP的额外开销也导致了峰值数据率的一些损失。

2.2 专用载波和混合载波
    可以设计支持专用载波上的MBMS，利用载波上所有的子帧传输MBMS数据，或者在混合载波上共享MBMS和单播业务。对于混合载波部署，用不同的子帧实现MBMS和单播业务的时分复用。不允许使用某些子帧进行MBSFN传输：为了避免干扰同步信号、寻呼以及重要的系统信息的发送，频分双工(FDD)系统中每个无线帧的子帧0、4、5、9或时分双工(TDD)系统中子帧0、1、5、6被保留作为单播传输，以保证解码广播系统信息有足够可用的公共参考信号(CRS)。

    专用MBMS载波只对下行链路传输，不支持上行链路连接(因为没有携带上行链路授权信令的物理下行链路控制信道(PDCCH))

2.3 同步技术
    MBSFN传输要求来自多个小区的传输必须遵守严格的时间同步，精度为几微秒，在CP内实现符号级对齐。在MBMS中定义了MBMS业务区域、MBSFN同步区域、MBSFN区域，上述区域的概念如图4所示。

    为了保证无线帧的同步传输，MBMS在eNB和BM-SC之间使用了同步(SYNC)协议[4]，如图5所示。BM-SC在进行数据传输时会携带SYNC信息。eNB会根据这些SYNC信息来发送无线帧。为了保证同步传输，还需要eNB具有一定的缓存能力。

    在MBSFN同步区域内，所有eNB的SYNC信息是统一的，并且在进行MBSFN传输之前，由MCE为所有的eNB配置相同的无线链路控制/媒体接入控制/物理层(RLC/MAC/PHY)。对于特定的MBMS业务传输，BM-SC向相关的eNB发送MBMS业务数据，BM-SC不需要知道准确的无线资源分配信息，只需要在MBMS业务数据中携带SYNC信息即可。

2.4 MBMS计数过程
    在MBMS传输中，为了统计特定区域中参与接收MBMS业务的用户设备数量，并根据用户设备数量确定无线传输方式，如MBSFN传输或单播传输，可以采用计数过程。计数过程的原理示意图如图6所示。

    在3GPP LTE R10中，提出了根据UE接收状态实现激活或去激活给定MBMS业务的MBSFN传输的需求。为了使网络侧能够得到MBSFN区域内有MBMS业务需求的用户数，MBMS系统引入了计数过程[1, 5]。

    MBMS计数过程的开始和终结都由MCE负责，如图7所示。针对MBMS计数，目前R10的结论如下[5-6]：

    (1)只针对连接模式(RRC Connected)UE进行计数。

    (2)MCE一次最多对16个MBMS业务计数。

    (3)一个计数过程在一个多播控制信道(MCCH)修改周期(MP)内完成。

    空闲模式UE和连接模式UE都可以接收MBMS业务，R10规范中只统计连接模式的UE，因此计数结果是不准确的。在LTE-A R11中可能需要进一步的研究针对空闲模式UE的计数过程，空闲模式UE的计数的难点在于：为了发送反馈信息，UE与网络侧建立RRC连接，UE需要发起随机接入过程。当MBSFN区域中接收MBMS业务的空闲模式UE数量较多时，上行反馈时可能造成上行链路拥塞，因此需要采取拥塞避免方案。可能的解决方案包括：采用概率因子，或者后退机制，或者采用专用的随即接入前导等。

2.5 载波聚合中的MBMS技术
    LTE系统中，小区只有一个上行载波和下行载波。在长期演进-高级(LTE-A)阶段，为了提高上下行的传输速率，一个LTE-A小区的上/下行可以配置有多个分量载波(CC)，多个CC汇聚在一起形成最大100 MHz的传输带宽。UE可以在一个或多个CC上进行数据收发(取决于UE自身的能力)，这称为载波聚合(CA)。

    LTE-A多载波部署如图8所示。MBMS业务可以部署在一个分量载波或者全部分量载波的子集上。

    在多载波环境中传输MBMS业务存在以下问题：对于空闲态UE和没有CA能力的UE只能驻留在一个CC上，如果MBMS部署在另外的CC上，则UE可能无法接收MBMS业务；对于CA能力受限的UE，如果MBMS部署在UE所汇聚CC之外的CC上，UE同样无法接收MBMS业务。可能的解决方案是：网络侧指示MBMS所在的载频信息，在所有CC上发送MBMS配置信息，另外的问题包括：不同的CC是否可以采用不同的MBSFN子帧分配模式？对于空闲UE只能驻留在一个CC上，如何充分利用CA提供的更大带宽？驻留在不同CC上的UE是否可以响应一个CC上的计数请求？这些问题都有待于我们进行进一步的研究。

2.6 中继支持的MBMS技术
    LTE-Advanced对于LTE的演进保留了LTE的核心，并在此基础上采用一系列技术对频域、空域进行扩充，以达到提高频谱利用率、增加系统容量等目的。无线中继技术旨在扩展小区的覆盖范围、减少通信中的盲点地区、提高频谱效率、平衡负载、转移热点地区的业务、节省UE的发射功率等。

    在3GPP LTE R10中，规定中继节点(RN)不支持MBMS业务，即RN不参与MBSFN传输。

    如果MBSFN区域中的施主基站(DeNB)参与MBSFN传输MBMS业务，RN不参与MBSFN传输，RN发送单播业务，DeNB和RN的覆盖存在重叠区域(如图9所示)，则DeNB发送的MBMS业务与RN发送的单播业务存在相互干扰，可能导致UE不能正常接收所需业务[7]。

    有两种方案解决上述问题。方案1：在RN中支持MBMS业务；方案2：RN不支持MBMS，但是采取一些措施避免干扰。对于方案1，目前在3GPP LTE-A R11版本的MBMS研究目标(WI)中还没有描述，可能作为后续版本的增强功能，下面仅对方案2进行讨论。为了避免干扰，首先需要DeNB向RN发送MBMS的资源配置信息，具体为MBSFN子帧配置信息。RN收到MBMS子帧配置信息后再做处理，可能的处理方法包括：

• RN将相应的MBMS子帧设置为空的MBSFN子帧，即只发送MBSFN子帧中的单播域的控制信息。
• RN在相应的MBMS子帧上不发送单播数据；此时MBMS子帧作为单播子帧，由于存在重叠区域，公共参考信号(CRS)和MBMS业务可能产生相互干扰。

2.7 用户设备的MBMS接收性能
    未来，MBSFN数据的接收可能是一个UE能力的可选项，其他可选能力包括对专用MBMS载波7.5 kHz子载波间隔的支持，以及当在专用MBMS载波上接收MBMS时可同时接收单播业务。

    在混合MBMS/单播载波上，UE可用单个无线接收机支持对单播业务和MBMS业务的同时接收，且没有MBMS业务中断。这是混合载波部署的主要优点。

    在专用MBMS载波上，同时接收单播业务(如语音或视频或数据业务)和MBMS业务的能力是可选的，因为在专用载波上同时接收业务只有双接收才能做到。为了检查寻呼信息，不支持同时接收的UE可能必须中断MBMS业务的接收，这可能导致用户体验的恶化。

3 结束语
    面向IMT-Advanced的增强多媒体多播技术作为IMT-Advanced研发和产业化项目中重要的子项目，对IMT-Advanced产品研发和产业化过程都非常重要，直接影响IMT-Advanced系统和产品的性能以及用户感受。3GPP LTE-Advanced是国际电信联盟无线通信部门(ITU-R)已经确定可以满足IMT-Advanced需求的4G技术。MBMS技术作为3GPP LTE/LTE-A的一个重要特性，在3GPP R9/R10/R11进行了深入研究，形成了相应的稳定技术规范。本文对LTE/LTE-A中的MBMS关键技术进行了分析，同时说明了MBMS在3GPP标准研究中的现状。

4 参考文献
[1] 3GPP TS36.300 V10.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 [S]. 2011.
[2] 3GPP TS23.246 v10.0.0. Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description [S]. 2011.
[3] WI: Service continuity improvements/location info for MBMS [C]//3GPP TSG RAN WG2 #73bis Meeting. Apr 11-15, 2011, Shanghai, China. 2011:RP-110452.
[4] 3GPP TS25.446 V9.1.0: MBMS synchronization protocol (SYNC) [S]. 2011.
[5] 3GPP TS36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC) protocol specification [S]. 2010.
[6] 3GPP TS36.443 V10.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M2 Application Protocol (M2AP) [S]. 2011.
[7] CMCC, CATR, ZTE. Considerations on deployment of both relay and MBMS [C]//3GPP TSG RAN WG2 #71 Meeting, Aug 23-27, 2010, Madrid, Spain. 2010: R2-104553.

收稿日期：2011-06-28

[摘要] 多播技术从一个数据源向多个目标用户设备传送数据，实现网络资源的共享，提高网络资源(尤其是空中接口资源)的利用率。增强多播技术是IMT-Advanced的重要组成部分，3GPP LTE-Advanced是国际电信联盟无线通信部门(ITU-R)确认可以满足IMT-Advanced需求的4G技术。多媒体广播多播业务(MBMS)是3GPP LTE/LTE-A的一个重要特性，文章对长期演进LTE/LTE-A MBMS在3GPP标准中的关键技术及进展情况进行分析后，给出了相应问题的解决方案。

[关键词] 第三代合作伙伴计划；长期演进；多媒体广播多播业务；多媒体广播多播单频网

[Abstract] Multicast technology can be used to simultaneously transfer data from one source to many targets. This enables network resource sharing and improves efficiency in the air interface. In this paper, enhanced multicast technology is proposed as the key component of IMT-Advanced. The ITU-R has confirmed that, as a 4G technology, LTE-A can meet the requirements of IMT-Advanced. Key technologies and progress of LTE/LTE-A MBMS in 3GPP are also discussed and some corresponding solutions are proposed.

[Keywords] 3GPP; LTE; multimedia broadcast multicast service; multicast broadcast single frequency network