从MBMS向E-MBMS的演进

摘要经过长期的研究和发展，多媒体广播/组播业务（MBMS）在R6、R7版本的3G系统中已经取得了完整的实现，但是仍然无法满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求。随着R8规范的开始制定，一方面为了进一步提高MBMS的业务性能，另一方面需要适应新的系统架构演进/长期演进（SAE/LTE）系统，MBMS在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进。通过分析研究，文章就这几个方面详细地阐述了从现有的MBMS（即R6/R7MBMS）到演进多媒体广播/组播业务（E-MBMS）（包括SAEMBMS和LTEMBMS）的演进过程。

    多媒体广播/组播业务（MBMS）是3GPP组织在R6版本中引入的重要特性，是为了实现从数据源向特定范围内多个用户同时传送数据的一种点到多点的业务，从而令网络（包括核心网和接入网）资源得到共享，以较少的资源实现为大量具有相同需求的用户同时提供业务（如：多媒体业务等）。

    虽然经过长期的研究和发展，MBMS在R6、R7版本的3G系统中已经取得了完整的实现，但是仍然无法满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求。随着R8规范的开始制定，一方面为了进一步提高MBMS的业务性能，另一方面需要适应新的系统架构演进/长期演进（SAE/LTE）系统，MBMS在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进。通过分析研究，本文就这几个方面详细地阐述了从现有的MBMS（即R6/R7MBMS）到E-MBMS（即演进版MBMS，包括SAEMBMS和LTEMBMS）的演进过程。

    1、MBMS逻辑架构的演进

    1.1MBMS架构

    在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。主要的改进包括两方面：一方面通过增加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可实现对MBMS业务的提供与管理。对于内容提供方，BM-SC是MBMS业务内容的入口；对于承载网络，BM-SC负责授权、发起MBMS业务，以及调度、传输MBMS业务内容。作为MBMS的核心功能实体，BM-SC包括5部分功能：

    1）成员关系功能：负责保存用户的订阅信息，对UE加入MBMS业务进行授权处理，以及产生计费记录。

    2）会话与传输功能：负责发起和终止MBMS会话，对外部内容提供方进行授权认证，并负责接收和发送MBMS业务数据。

    3）代理与转发功能：在控制面上BM-SC是内部各个功能与网关GSN（GGSN）之间进行信令交互的代理，在用户面上是会话与传输功能向GGSN传送MBMS业务数据的桥梁。

    4）业务声明功能：负责向UE提供MBMS业务信息，包括媒体说明（如：视频类型、声音编码）和会话说明（如：业务标识、地址、播放时间）。

    5）安全功能：为MBMS业务数据提供完整性和私密性保护，向已获MBMS授权的UE提供密钥。

    BM-SC通过两个控制面接口（Gmb接口、Mz接口）实现对MBMS业务的控制。其中Gmb接口支持GGSN与BM-SC之间的信令交互，是MBMS承载业务的边缘；Mz接口支持在不同的BM-SC之间进行信令交互，为MBMS业务提供跨BM-SC漫游的能力。这两个接口上所交互的信令包括：MBMS承载相关（如：MBMS会话开始、停止）和MBMS用户相关（如：授权、MBMS业务激活）两类。此外BM-SC通过Gi接口传送MBMS业务数据。

    1.2E-MBMS逻辑架构

    在R6/R7中，通过在3G系统中增加BM-SC（包括定义Gmb、Mz接口），并向已有的网络实体增加MBMS功能来提供MBMS业务。因此R6/R7MBMS可以看作是对3G系统的一种功能扩展。而在E-MBMS中提供了完整的逻辑架构（图1），包括在核心网中定义的MBMS逻辑实体和在接入网中定义的动态管理（MCE）功能实体（详见本文第3部分），以及相关的控制面、用户面接口。E-MBMS这种完整、独立的逻辑架构，便于对MBMS各部分功能进行灵活部署，有利于MBMS的资源优化和性能提升。

    图1  E-MBMS逻辑架构

    eBM-SC是演进版的BM-SC，它不但具有BM-SC的功能，还能够在使用MBMS承载（通过SGmb、SGimb接口）或者使用单播承载（通过SGi接口）之间进行选择，这样使得eBM-SC有能力针对业务特性和用户数量来选择合理的承载类型。由于在E-MBMS中提供了增强广播承载类型（详见本文第2部分），因此UE可能使用单播承载向eBM-SC进行注册/注销。此外eBM-SC还能够通过单播承载向特定用户提供高级别的MBMS业务。

    MBMS业务在核心网中由E-MBMS网关负责处理，它由控制面和用户面功能组成，这两部分功能可能实现于不同的网络实体。用户面功能一方面负责中转eBM-SC与控制面功能之问的信令（通过SGmb和Sm接口），另一方面负责接收来自eBM-SC的MBMS业务数据（通过SGimb接口），并通过M1接口向接入网传输业务数据。M1接口支持数据帧的同步传输，以IP组播的方式下发数据。控制面功能主要负责接收和处理来自于eBM-SC的MBMS承载业务的会话控制信令（如：会话开始、停止）、以及用户面功能所提供的必要信息（如：用于MBMS数据传输的IP组播地址），并且通过M3接口与接入网进行信令交互。

    2、MBMS承载类型的演进

    MBMS提供广播和组播两种承载类型。使用广播承载时，业务数据会向业务区域内的所有用户发送，用户无需向网络进行注册便可以接收数据；而使用组播承载时，业务数据只向特定用户进行传输，为了接收业务数据，用户必须向网络进行注册，并将用户信息保存在网络的相关节点之中。MBMS广播和组播是针对不同的业务需求提供的不同承载类型，具有不同的业务流程。

    每项MBMS业务在BM-SC都保存了对应的业务信息，通过业务声明/发现过程（包括WAP、http和MMS等方式），UE可以获得这些业务信息。业务信息中会包括该MBMS业务所使用的承载类型。当使用MBMS组播承载时，业务信息还会向UE提供加入组播承载的必要参数，如业务组播地址、业务开始时间等。

 2.1MBMS广播

    当使用MBMS广播承载时，由于不针对特定的用户，因此不需要在BM-SC和网络节点中保存用户信息。同时由于广播业务并非出自用户的意愿，所以除非进行本地激活，否则UE并不会真正地接收广播数据。进行本地激活，UE只需要根据业务信息中的参数描述，调谐到相应的信道就可以进行数据接收了。

    在进行MBMS业务数据传输之前，由于在网络中并没有为该业务建立承载，因此必须由BM-SC通过会话开始消息来通知网络取得必要的承载资源。在接入网中，会话开始消息还会触发MBMS通知过程，通知UE即将进行MBMS业务数据传输。之后，该MBMS业务数据会通过所建立的广播承载下发。传输结束后，BM-SC会通过会话停止消息通知网络释放所占用的资源。

    2.2MBMS组播

    使用MBMS组播承载时，业务数据只会向那些经过授权并完成加入过程的用户进行传输，因此不同于广播，组播承载业务流程中需要包括订阅、加入和离开过程。用户通过订阅来取得MBMS组播业务的授权，对应的用户信息会保存在BM-SC中。用户发起业务后，必须通过BM-SC的授权，才能够完成在承载网络中的加入过程，并将UE信息保存到相关节点的对应组关系中，这样UE才能够接收到该MBMS业务数据。相反，用户可以进行业务终止，触发承载网络的离开过程而停止接收该业务数据。

    2.3E-MBMS增强广播

    E-MBMS定义了增强广播承载类型，这种承载类型介于广播和组播之间，吸收了广播中流程简单和组播中资源优化的优点。从业务流程上看，增强广播也包括组播中的订阅、加入和离开过程，都需要针对特定的MBMS承载业务实现从UE到BM-SC的注册和注销。不同的是，组播的加入和离开过程需要涉及承载网络层（GTP层），需要将UE信息保存在承载网络的相关节点上（包括：RNC、SGSN和GGSN），并使其成为承载网络该业务组播树的一部分。而增强广播的加入和离开过程实现于应用层，承载网络对此是不可感知的。因此，对于承载网络而言，增强广播更接近于广播。

    使用MBMS组播承载时，用户通过在单播承载上发送互联网组管理协议/多点传输听众发现（IGMP/MLD）加入消息来发起业务，收到该消息的GGSN会向BM-SC请求授权，获得授权后GGSN会发起承载网络层的加入过程，将UE信息加入到承载网络中相关节点对应的组成员关系中。可见，组播的加入/离开过程发起于IP层而实现于承载网络层，因此需要在承载网络层的相关网络节点之间进行复杂的信令交互。

    使用E-MBMS增强广播承载时，只需要在应用层上通过加入/离开过程就可实现从UE到BM-SC的注册/注销，无需在承载网络层进行信令交互和信息存储。增强广播是对广播的一种优化和扩展，如：在接入网，增强广播不会向那些没有接收用户的小区发送数据。

    3、MBMS传输方式的演进

    E-MBMS在接入网中引入了单频网（SFN）传输方式，即MBSFN传输方式，就是在同一时间以相同频率在多个小区进行同步传输。使用这种传输方式可以节约频率资源，提高频谱利用率。同时这种多小区同频传输所带来的分集效果可以解决盲区覆盖等问题，增强接收的可靠性，提高覆盖率。

    3.1MBSFN传输区域

    由于MBSFN传输方式涉及的是多个小区间的同步传输，因此需对MBSFN传输的区域进行定义：

    1）MBSFN同步区域：是指有能力进行MBSFN传输的区域，该区域内的所有eNodeB能够被同步并进行MBSFN传输。

    2）MBSFN区域：是指通过协调实现了MBSFN传输的一组小区。对于接收MBSFN传输的UE，整个MBSFN区域会被看作是一个MBSFN小区。

    显然，MBSFN区域必定不会超出MBSFN同步区域的范围。一个MBSFN同步区域中可以包含多个MBSFN区域，而MBSFN同步区域的特定小区也可以属于多个不同的MBSFN区域。MBSFN同步区域一般通过配置实现，而MBSFN区域既可以通过配置，也可以通过MCE来实现。

    即便在同一个MBSFN区域内，由于对MBSFN传输可能处于不同的接收状况，因此可以进一步将MBSFN区域内的小区分为传输通告小区、传输小区和保留小区。传输通告小区是指那些可同时接收传输内容和业务信息的小区，在这种小区中，UE能够有保障地进行接收；传输小区是指那些只能接收传输内容而无法接收业务信息的小区，这种小区一般位于MBSFN区域的边缘，作用在于保障传输通告小区不会受到MBSFN区域外部的频率干扰；保留小区是指那些不能接收该MBSFN传输的小区。

    3.2MBSFN传输内容同步

    MBSFN传输方式的特征是多小区的同步传输，首先需要解决的是内容同步问题。为了保证无线帧的同步传输，E-MBMS在M1接口（eNodeB同E-MBMS网关用户面之间）上使用了同步（SYNC）协议。E-MBMS网关在进行数据传输时会携带SYNC信息，eNodeB会根据这些SYNC信息来发送无线帧。此外，为了保障同步传输，eNodeB需要具备一定的缓存能力。

    在MBSFN同步区域内，所有eNodeB的SYNC信息是统一的，并且在进行MBSFN传输之前，会由MCE为所有相关的eNodeB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传输，会由特定的E-MBMS网关负责向所有相关的eNodeB发送MBMS业务数据（通过M1接口），E-MBMS网关不需要知道准确的无线资源分配的信息，包括精确的时间分配（如：无线帧传输的精确开始时间），只需要在MBMS业务数据中携带SYNC信息即可。

    3.3MCE逻辑实体

    MCE（MBMS协调实体）是接入网为实现多小区传输（即使用MBSFN传输方式）而引入的逻辑实体（图2），当进行多小区传输时，专门负责对MBSFN区域内所有eNodeB的无线资源进行分配和管理。由于是逻辑实体，MCE既可以作为某些功能实体（如：eNodeB）的一部分，也可以是一个独立的实体。

    图2  MCE逻辑实体

    MCE收到来自E-MBMS网关的MBMS会话控制信令（如：会话开始）后，会判断该MBMS业务在接入网中能否进行多小区传输。当进行多小区传输时，MCE会对MBSFN区域内所有eNodeB的无线资源进行统一管理，包括对时间、频率资源的分配，以及具体的无线配置（如：调制和编码），来保证多个小区间同步传输的协调。当进行单小区传输（即不使用MBSFN传输方式）时，MCE只是将MBMS会话控制信令转发给eNodeB，由eNodeB自行决定无线资源配置。

    M3接口是MCE同E-MBMS网关的控制面接口，负责传递MBMS会话控制信令，以及为进行MBMS业务数据传输所需要的信息（如：IP组播地址）。M2接口是MCE同eNodeB之间的控制面接口，MCE通过该接口对eNodeB进行无线资源管理、以及传递MBMS会话控制信令。

    4、MBMS信道结构的演进

    4.1MBMS信道结构

    MBMS可以使用两种模式进行业务下发：p-t-p或者p-t-m。一方面，使用p-t-m模式可以让所有定制相同MBMS业务的用户在同一个传输信道FACH（前向接入信道）上接收同一份数据。相对于p-t-p模式而言，这种模式能够很大程度地提高无线信道的使用效率。但是另一方面，使用FACH信道时的发射功率要大于专用传输信道（DCH），当接收该MBMS业务的用户很少时，使用FACH信道会造成功率浪费。因此综合考虑发送功率的限制和无线信道的使用效率等因素，MBMS支持两种模式下发业务，其中使用FACH作为p-t-m模式下的传输信道，使用DCH作为p-t-p模式下的传输信道。

下发模式的选择，取决于接收该MBMS业务的用户数量，MBMS通过计数过程来统计接收该业务的用户数量，只有达到一定的用户数量，才会使用p-t-m模式。对于MBMS广播而言，业务的下发与用户的接收情况无关，因此不存在使用p-t-p模式的情况，完全使用p-t-m模式来下发MBMS广播业务。

    为了提供p-t-m模式，MBMS定义了新的功能实体MAC-m和新的逻辑信道MTCH（多点时间信道）、MCCH（多点控制信道）和MSCH（多点调度信道），分别用于下发MBMS的业务数据、控制信息和调度信息。这些逻辑信道只在p-t-m模式下使用，并且都被映射到传输信道FACH上。

    对于使用p-t-p模式的情况，仍然使用已有的DTCH（专用业务信道）和DCCH（数字控制信道）专用逻辑信道，它们都被映射到DCH上。

    4.2E-MBMS信道结构

    在E-MBMS中只定义了两个逻辑信道来支持p-t-m下发：MCCH和MTCH。这是由于E-MBMS中MBMS业务的调度信息和控制信息都能够通过MCCH信道下发，因此不需要再使用专门的MSCH信道。

    为了实现对MBSFN传输方式的支持，E-MBMS定义了新的传输信道MCH（多播信道），这种信道不仅能够实现对整个小区的广播覆盖，还支持在多个小区之间进行MBMS同步传输。当对MBMS业务进行单小区传输时（非MBSFN传输方式），使用下行共享信道DL-SCH；当进行多小区传输（MBSFN传输方式）时，则需要使用MCH来进行同步传输。

    在演进通用陆地无线接入（E-UTRAN）中传输MBMS业务，既可以使用MBMS专用频率资源，也可以使用非MBMS专用的、共享的频率资源，两种情况下都可以使用MBSFN传输方式。

    对于那些使用MBMS专用频率资源的小区（MBMS专用小区），MTCH和MCCH可以映射到MCH上进行p-t-m传输。这种小区不提供上行链路，没有计数机制，不支持单播传输。小区中的UE不需要从其他小区接收任何信息，就可以接收MBMS业务，并且在能力允许的情况下，还能同时接收邻小区的单播业务。

    对于那些没有使用MBMS专用频率资源的小区（混合小区），MTCH和MCCH可以使用MCH或DL-DCH信道进行p-t-m传输，小区中的单播和MBMS传输可以协调并行。

    图3展示了E-MBMS所支持的p-t-m传输模式，其中a和b为两种在混合小区的传输模式，c和d为两种在MBMS专有小区的传输模式。当需要对某个单独的MBMS专用小区进行MBMS业务传输时（图3d），由于没有DL-DCH信道而无法进行单小区传输，因而仍然可以使用MCH信道、针对单个小区进行多小区传输（MBSFN传输方式）。这表明，使用MBSFN方式的多小区传输，是可以在单个小区中进行的。

    图3  E-MBMS的p-t-m传输

    5、结束语

    可以看出，E-MBMS是基于MBMS全面演进的产物，这种演进体现在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等多个方面。通过这种革命性的演进，使得MBMS能够适应更高的业务要求，并具有更强的竞争力。