基于WCDMA的MBMS及其關(guān)鍵技術(shù)

摘要： 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用以及移動(dòng)通信用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)廣播多播技術(shù)，已成為移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。本文將介紹基于WCDMA的多媒體廣播多播服務(wù)MBMS（MultimediaBroadcastandMulticastService）及其關(guān)鍵技術(shù)。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用以及移動(dòng)通信用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)廣播多播技術(shù)，已成為移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。為了在移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)廣播多播技術(shù)，第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和3GPP2，已經(jīng)開始這方面的研究和協(xié)議制定工作，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：占用的無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的資源最小；在終端移動(dòng)的條件下，流媒體業(yè)務(wù)接收順暢；廣播多播業(yè)務(wù)的發(fā)射功率最小化，以免影響其它無線鏈路的正常通信；系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)，便于移動(dòng)通信系統(tǒng)添加區(qū)域的廣播或多播業(yè)務(wù)等。本文將介紹基于WCDMA的多媒體廣播多播服務(wù)MBMS（MultimediaBroadcastandMulticastService）及其關(guān)鍵技術(shù)。

一、MBMS簡(jiǎn)介

廣播多播技術(shù)是指通過共享一條傳輸鏈路，把多媒體數(shù)據(jù)廣播或多播到移動(dòng)終端。為了實(shí)現(xiàn)MBMS，需要對(duì)WCDMA網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的SGSN（ServingGPRSSupportNode）、GGSN（Gateway GPRS Support Node）、RNC（Radio Network Controller）和UE（User Equipment）等分組域的節(jié)點(diǎn)增加MBMS功能，同時(shí)需要增加廣播和多播服務(wù)中心BM-SC（Broadcast Multicast Service Center）。MBMS體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 MBMS體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型

在圖1中Gmb、Gi參考點(diǎn)為BM-SC與GGSN之間的接口，其中，Gmb接口提供控制面功能，Gi接口提供用戶面功能。BM-SC是新增的節(jié)點(diǎn)，它是MBMS業(yè)務(wù)提供者的入口，用于授權(quán)和發(fā)起業(yè)務(wù)，保存一些業(yè)務(wù)參數(shù)信息，并按照預(yù)定時(shí)間發(fā)送業(yè)務(wù)。

對(duì)于WCDMA網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在的節(jié)點(diǎn)，需要增加的MBMS相關(guān)功能和過程有：UE支持激活和撤銷MBMS業(yè)務(wù)，支持與MBMS安全相關(guān)的功能，支持并行處理MBMS業(yè)務(wù)和非MBMS業(yè)務(wù)。UTRAN中包含RNC和NodeB節(jié)點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前小區(qū)中訂閱MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目和可用的無線資源，選擇合適的無線承載方式，即PTP（Point-to-Point）和PTM（Point-to-Multipoint）兩種方式。UTRAN支持核心網(wǎng)發(fā)起和終止MBMS業(yè)務(wù)的傳輸，支持接收MBMS業(yè)務(wù)的UE在RNC之間的移動(dòng)，同時(shí)支持傳輸與MBMS業(yè)務(wù)并行的其他業(yè)務(wù)。SGSN對(duì)接收MBMS業(yè)務(wù)的UE進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，將MBMS業(yè)務(wù)發(fā)送給UTRAN，完成MBMS業(yè)務(wù)的計(jì)費(fèi)功能。GGSN根據(jù)BM-SC的通知為MBMS業(yè)務(wù)建立或釋放用戶面和控制面的承載。

MBMS有廣播和多播兩種工作模式。廣播模式是指多媒體數(shù)據(jù)從一個(gè)業(yè)務(wù)源被單向發(fā)送給廣播服務(wù)區(qū)域內(nèi)的所有UE，該模式UE無需注冊(cè)即可接收廣播數(shù)據(jù)，可有效節(jié)約無線資源，但無法保證UE接收數(shù)據(jù)的完整性；多播模式與廣播模式十分類似，但可接收多播數(shù)據(jù)的UE只限于已注冊(cè)的UE，當(dāng)小區(qū)中接收多播數(shù)據(jù)的UE過少時(shí)，可選擇PTP的無線承載方式發(fā)送多播數(shù)據(jù)，以減少對(duì)其他無線鏈路的干擾。

MBMS的工作流程：

●注冊(cè)階段（廣播模式不需要）：建立UE和MBMS業(yè)務(wù)提供者之間的聯(lián)系。注冊(cè)完成后，UE可以接收多播數(shù)據(jù)，MBMS業(yè)務(wù)提供者對(duì)提供的MBMS業(yè)務(wù)收費(fèi)。

●業(yè)務(wù)聲明階段：向UE提供即將發(fā)送的MBMS業(yè)務(wù)的基本信息。

●UE加入階段（廣播模式不需要）：基于業(yè)務(wù)聲明階段提供的業(yè)務(wù)信息，UE通過本階段的操作成為一個(gè)MBMS業(yè)務(wù)的多播組成員。UE加入后，UE需要為接收到的MBMS業(yè)務(wù)付費(fèi)，因此該階段操作需要UE和MBMS業(yè)務(wù)提供者之間進(jìn)行身份認(rèn)證。

●會(huì)話開始階段：UTRAN為MBMS業(yè)務(wù)分配資源，建立業(yè)務(wù)承載，BM-SC準(zhǔn)備發(fā)送MBMS業(yè)務(wù)。

●MBMS通知階段：通知UE做好接收MBMS業(yè)務(wù)的準(zhǔn)備工作。

●數(shù)據(jù)傳送階段：MBMS業(yè)務(wù)發(fā)送給UE。在多播模式下，MBMS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)是加密的。

●會(huì)話結(jié)束階段：MBMS業(yè)務(wù)傳送結(jié)束，釋放傳送MBMS業(yè)務(wù)所分配的資源。

●UE離開階段（廣播模式不需要）：UE取消多播業(yè)務(wù)的注冊(cè)，不再接收該多播業(yè)務(wù)。

二、實(shí)現(xiàn)MBMS的關(guān)鍵技術(shù)

為了降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，WCDMA網(wǎng)絡(luò)的物理層未定義新的物理信道來傳輸MBMS業(yè)務(wù)，而使用專用物理下行信道（PTP無線承載方式下）和次公共控制物理信道（PTM無線承載方式下）傳輸MBMS業(yè)務(wù)。WCDMA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層分為PDCP、RLC和MAC三個(gè)子層。為了支持MBMS業(yè)務(wù)在用戶面和控制面的傳輸，WCDMA為MBMS在MAC子層定義了新的功能實(shí)體MAC-m以及新的邏輯信道MTCH、MCCH和MSCH，分別用于傳輸MBMS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)、控制信息和調(diào)度信息。由于對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)中廣播、多播技術(shù)的研究尚處于起步階段，所以很多重要問題和關(guān)鍵技術(shù)仍在進(jìn)一步研究和討論中，下文將詳細(xì)論述實(shí)現(xiàn)MBMS的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1.計(jì)數(shù)/重計(jì)數(shù)技術(shù)

在MBMS中，UTRAN有必要知道訂閱某一MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目，根據(jù)該數(shù)目，UTRAN決定采用何種無線承載方式。實(shí)際系統(tǒng)可采用尋呼信道或是廣播信道來要求已經(jīng)訂閱了某一MBMS業(yè)務(wù)的UE向UTRAN發(fā)送一個(gè)回復(fù)，進(jìn)而UTRAN統(tǒng)計(jì)出訂閱該MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目。而重計(jì)數(shù)的目的是在MBMS業(yè)務(wù)的傳輸過程中重新統(tǒng)計(jì)訂閱該MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目，以確認(rèn)當(dāng)前的無線承載方式是否為最佳。如果當(dāng)前采用的不是最佳的無線承載方式，則UTRAN對(duì)該業(yè)務(wù)進(jìn)行無線承載方式的切換。

UTRAN中的RNC節(jié)點(diǎn)觸發(fā)了一次計(jì)數(shù)過程后，UE會(huì)返回一個(gè)計(jì)數(shù)響應(yīng)給RNC。為了避免UE計(jì)數(shù)響應(yīng)返回時(shí)導(dǎo)致上行隨機(jī)接入信道的擁塞，RNC在計(jì)數(shù)過程中采用了基于接入概率因子的控制過程。UE根據(jù)RNC設(shè)定的接入概率因子的值以一定的概率回復(fù)RNC的計(jì)數(shù)信令，RNC根據(jù)正確回復(fù)的UE的數(shù)目估算出剩余的UE數(shù)目，并進(jìn)行接入概率因子的調(diào)整，并在下一次計(jì)數(shù)過程中按照調(diào)整后的接入概率因子進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果RNC統(tǒng)計(jì)出訂閱該MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目達(dá)到一個(gè)門限值，則結(jié)束計(jì)數(shù)過程。

2.無線承載方式切換技術(shù)

為了優(yōu)化無線資源的利用效率，UTRAN根據(jù)小區(qū)中訂閱某一MBMS業(yè)務(wù)的UE數(shù)目來決定是采用PTP或是PTM來承載該MBMS業(yè)務(wù)。然而基于UE的個(gè)數(shù)來決定采用何種無線承載方式并不是很合理。例如分別給5個(gè)靠近小區(qū)中心的UE建立PTP的無線承載方式所帶來的干擾可能要小于在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用PTM的無線承載方式多播該業(yè)務(wù)所帶來的干擾。不過如果這5個(gè)UE在小區(qū)的邊緣，則可能使用PTM的無線承載方式會(huì)帶來較小的干擾。另一個(gè)要考慮的因素是MBMS業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，對(duì)于使用較高帶寬的MBMS業(yè)務(wù)，無線承載方式切換的門限，即訂閱該業(yè)務(wù)的UE數(shù)目要小于使用較少無線資源的MBMS業(yè)務(wù)所對(duì)應(yīng)的切換門限。

當(dāng)業(yè)務(wù)的無線承載方式發(fā)生變化時(shí)，接收該業(yè)務(wù)的UE在RLC子層和MAC子層對(duì)應(yīng)的實(shí)體將進(jìn)行重建。如果UE接收的是后臺(tái)業(yè)務(wù)，則當(dāng)該業(yè)務(wù)的無線承載方式從PTP切換到PTM時(shí)，UE在RLC子層對(duì)應(yīng)的實(shí)體將從AM模式切換到UM模式，在MAC子層對(duì)應(yīng)的實(shí)體從MAC-d切換到MAC-m，邏輯信道從DTCH切換到MTCH，傳輸信道從DPCH切換到FACH；反之亦然。如果UE接收的是流媒體業(yè)務(wù)，則當(dāng)該業(yè)務(wù)的無線承載方式從PTP切換到PTM時(shí)，UE在MAC子層對(duì)應(yīng)的實(shí)體從MAC-d切換到MAC-m，邏輯信道從DTCH切換到MTCH，傳輸信道從DPCH切換到FACH；反之亦然。所以從MBMS工作的角度看來，如果MBMS業(yè)務(wù)總是通過PTM的無線承載方式提供給訂閱該業(yè)務(wù)的UE而無須在不同的無線承載方式之間切換的話，系統(tǒng)的工作過程將明顯簡(jiǎn)化。

3.宏分集技術(shù)

宏分集技術(shù)是當(dāng)UE處于小區(qū)邊緣時(shí)，UE把來自不同NodeB的多徑信號(hào)進(jìn)行分集合并，從而改善UE處于小區(qū)邊緣時(shí)的接收信號(hào)質(zhì)量。具體來說，當(dāng)UE通過專用物理下行信道，即PTP的無線承載方式接收MBMS業(yè)務(wù)時(shí)，如果UE處于軟切換區(qū)域，則UE將接收到來自激活集中所有小區(qū)發(fā)送的該MBMS業(yè)務(wù)；當(dāng)UE通過次公共控制物理信道，即PTM的無線承載方式接收來自主服務(wù)小區(qū)發(fā)送的MBMS業(yè)務(wù)時(shí)，如果該UE相鄰的小區(qū)也通過PTM的無線承載方式提供相同的MBMS業(yè)務(wù)，則UTRAN將在MCCH上為UE提供該鄰小區(qū)的信息，使UE獲得譯解來自鄰小區(qū)的MBMS業(yè)務(wù)的必要細(xì)節(jié)。

宏分集根據(jù)UE接收到的來自不同NodeB的信號(hào)之間的時(shí)延分為兩種：一種是軟合并，一種是選擇性合并。當(dāng)來自不同NodeB的信號(hào)之間的時(shí)延小于RAKE接收機(jī)的合并窗口大小時(shí)，UE將接收到的信號(hào)在碼片一級(jí)進(jìn)行軟合并，軟合并的處理過程如圖2所示。

圖2 軟合并的處理過程

UE同時(shí)接收來自n個(gè)（一般n=3）NodeB的發(fā)送信號(hào)，并對(duì)每個(gè)NodeB的信號(hào)分別進(jìn)行RAKE接收和信道解復(fù)用，然后將多路數(shù)據(jù)疊加為一路送入譯碼器。通過信號(hào)幅度相加和噪聲能量相加的原理，軟合并處理可使得接收信號(hào)的信噪比得到大幅度提高。

選擇性合并發(fā)生在UE的RLC子層，是在RLCPDU一級(jí)進(jìn)行的合并，即UE的RLC子層從接收到的來自不同NodeB的相同序號(hào)的RLCPDU中選擇出正確的一個(gè)RLC PDU進(jìn)行分段重組。

4.重傳機(jī)制

在MBMS中重傳主要是用來恢復(fù)UE沒有正確接收到的RLCPDU。為了最大可能的重用已有的WCDMA技術(shù)，最簡(jiǎn)單的恢復(fù)沒有正確接收的RLCPDU的方法是通過單獨(dú)的PTP無線承載方式重傳這些RLCPDU。在這種情況下，MBMS業(yè)務(wù)的傳輸分為兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段中，MBMS業(yè)務(wù)通過PTM的無線承載方式提供給訂閱該業(yè)務(wù)的所有UE。每個(gè)UE保存正確接收到的RLC PDU，并且記錄下未能正確接收到的RLC PDU的序號(hào)。在第二個(gè)階段中，每個(gè)UE將和Node B建立一個(gè)單獨(dú)的PTP的連接來請(qǐng)求丟失的RLC PDU。因?yàn)樵诘诙�個(gè)階段中每個(gè)UE是獨(dú)占無線資源的，所以不同UE的重傳過程是非同步的。雖然這種重傳機(jī)制比較簡(jiǎn)單，并且能夠很好的向下兼容，但它存在兩個(gè)明顯的不足，即低效率和高延時(shí)。如果n個(gè)UE丟失了某一RLC PDU，則該RLC PDU至少要被重傳n次，并且重傳過程在PTM傳輸完成之后才會(huì)開始，所以RLC PDU的延時(shí)是不可預(yù)測(cè)的。因此這種重傳機(jī)制是不適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的，尤其是當(dāng)很多UE要求重傳RLC PDU時(shí)。

對(duì)上述重傳方法的一種改進(jìn)是當(dāng)UE發(fā)現(xiàn)RLCPDU丟失后立即通過特定的反饋信道通知RNC。只要有一個(gè)UE沒有正確接收到某一RLCPDU，則該RLCPDU將會(huì)通過PTM的無線承載方式在下一個(gè)可用的時(shí)隙內(nèi)被重傳，直到所有的UE都正確接收到該RLC PDU。雖然在這種基于PTM無線承載方式的重傳機(jī)制下，系統(tǒng)的性能將會(huì)提高，但是重傳的RLC PDU對(duì)于多數(shù)UE來說是沒有用的，因?yàn)樗麄冊(cè)诘谝淮蝹鬏斨幸呀?jīng)正確接收到該RLC PDU了。所以在實(shí)際系統(tǒng)中可采用將PTM重傳方法和RS（Reed Solomon）編碼相結(jié)合的重傳機(jī)制。

在RNC的RLC子層，長(zhǎng)度為L(zhǎng)比特的連續(xù)的RLCPDU按行寫入n行l(wèi)列的編碼模塊中。當(dāng)一組k個(gè)RLCPDU寫入編碼模塊后，編碼模塊按列進(jìn)行RS編碼，每列產(chǎn)生n-k個(gè)效驗(yàn)位，故RS編碼的碼字長(zhǎng)度為n。編碼完成后，依次從編碼模塊中按行讀出k個(gè)RLCPDU通過PTM的無線承載方式發(fā)送到UE。發(fā)送完畢后，編碼模塊中還剩下n-k行l(wèi)列的效驗(yàn)位。UE的RLC層產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的n行列的解碼模塊，解碼模塊的最后n-k行被初始化為填充比特。當(dāng)UE正確接收到一個(gè)RLC PDU后，該RLC PDU將按行寫入解碼模塊中。如果某一RLC PDU被丟失，則該RLC PDU在解碼模塊中對(duì)應(yīng)的行將被填入填充比特。當(dāng)UE不能夠正確接收一組k個(gè)RLC PDU時(shí)，該UE將通過合適的反饋信道通知RNC。在這種情況下，RNC讀出一行在編碼模塊最后n-k行中尚未發(fā)送的效驗(yàn)位構(gòu)成一個(gè)RLC PDU通過PTM的無線承載方式發(fā)送到UE。當(dāng)發(fā)送了額外的效驗(yàn)位后，所有的UE將判斷各自的解碼模塊中填充比特的行數(shù)是否超過n-k。如果填充比特的行數(shù)沒有超過n-k，則解碼模塊能夠按列譯出k個(gè)RLC PDU。如果某個(gè)UE的解碼模塊中填充比特的行數(shù)超過了n-k，則該UE將請(qǐng)求RNC發(fā)送編碼模塊中下一行未被發(fā)送的效驗(yàn)位。一旦所有的UE都不再請(qǐng)求額外的效驗(yàn)位后，下一組k個(gè)RLC PDU將按同樣的方法被處理。

三、LTE中的E-MBMS

LTE（LongTermEvolvement）通常被認(rèn)為是3.9G，是3GPP組織制定的基于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。在LTE中MBMS被稱為增強(qiáng)型MBMS（E-MBMS），它能夠支持更高速率的多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和提供更好的服務(wù)質(zhì)量，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于LTE大大提高了物理層的傳輸能力，同時(shí)為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，所以E-MBMS技術(shù)在現(xiàn)有的廣播多播技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)。首先RNC節(jié)點(diǎn)被取消，取而代之的是被稱為Anchor的節(jié)點(diǎn)，在Anchor節(jié)點(diǎn)中取消了RLC子層，RLC子層的重傳功能被放入MAC子層，該功能被稱為Outer-ARQ以區(qū)別HARQ。其次，E-MBMS技術(shù)取消了SGSN和GGSN節(jié)點(diǎn)，Gmb、Gi接口終止于E-NodeB，BMSC直接與Anchor進(jìn)行交互。MBMS通過次公共控制物理信道或?qū)Ｓ梦锢硐滦行诺腊l(fā)送MBMS業(yè)務(wù)，而E-MBMS通過高速物理下行共享信道來發(fā)送MBMS業(yè)務(wù)，由于高速物理下行共享信道支持全小區(qū)的廣播功能，因此在E-MBMS中不存在PTP的無線承載方式。同時(shí)在E-MBMS中采用了分層調(diào)制的技術(shù)，即對(duì)MBMS業(yè)務(wù)的不同部分采用不同的調(diào)制方式。可以預(yù)見，E-MBMS技術(shù)必將是LTE與DVB-H、S-DMB、WiMAX等下一代移動(dòng)通信技術(shù)相抗衡的殺手锏。

四、結(jié)束語

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的廣播多播技術(shù)是近幾年來研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一，與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng)，在CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中的廣播多播技術(shù)被稱BCMCS（BroadcastandMulticastService）技術(shù)。BCMCS的廣播多播機(jī)制和工作模式與MBMS十分相似，但在多播模式下，BCMCS由于采用了共享機(jī)制所以不提供PTP的無線承載方式。隨著大屏幕多功能手機(jī)的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用越來越廣泛，人們已經(jīng)不再滿足于簡(jiǎn)單的手機(jī)上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)，而各種高帶寬多媒體廣播多播業(yè)務(wù)，例如電視廣播、視頻會(huì)議等的不斷出現(xiàn)一方面滿足了移動(dòng)用戶不斷上升的業(yè)務(wù)需求，另一方面也將為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。