基于WCDMA的MBMS及其关键技术

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随着移动通信技术的快速发展、移动通信网络的广泛使用以及移动通信用户数量的迅猛增长，在移动通信网络中实现广播多播技术，已成为移动通信系统发展的热点之一。为了在移动通信系统中实现广播多播技术，第三代移动通信的标准化组织3GPP和3GPP2，已经开始这方面的研究和协议制定工作，并提出相应的设计目标：占用的无线接入网和核心网的资源最小；在终端移动的条件下，流媒体业务接收顺畅；广播多播业务的发射功率最小化，以免影响其它无线链路的正常通信；系统分层设计，便于移动通信系统添加区域的广播或多播业务等。本文将介绍基于WCDMA的多媒体广播多播服务MBMS（MultimediaBroadcastandMulticastService）及其关键技术。  
　　一、MBMS简介
　　广播多播技术是指通过共享一条传输链路，把多媒体数据广播或多播到移动终端。为了实现MBMS，需要对WCDMA网络中现有的SGSN（ServingGPRSSupportNode）、GGSN（Gateway GPRS Support Node）、RNC（Radio Network Controller）和UE（User Equipment）等分组域的节点增加MBMS功能，同时需要增加广播和多播服务中心BM-SC（Broadcast Multicast Service Center）。MBMS体系结构的简化模型如图1所示。


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图1 MBMS体系结构的简化模型 
　　在图1中Gmb、Gi参考点为BM-SC与GGSN之间的接口，其中，Gmb接口提供控制面功能，Gi接口提供用户面功能。BM-SC是新增的节点，它是MBMS业务提供者的入口，用于授权和发起业务，保存一些业务参数信息，并按照预定时间发送业务。
　　对于WCDMA网络中已经存在的节点，需要增加的MBMS相关功能和过程有：UE支持激活和撤销MBMS业务，支持与MBMS安全相关的功能，支持并行处理MBMS业务和非MBMS业务。UTRAN中包含RNC和NodeB节点，根据当前小区中订阅MBMS业务的UE数目和可用的无线资源，选择合适的无线承载方式，即PTP（Point-to-Point）和PTM（Point-to-Multipoint）两种方式。UTRAN支持核心网发起和终止MBMS业务的传输，支持接收MBMS业务的UE在RNC之间的移动，同时支持传输与MBMS业务并行的其他业务。SGSN对接收MBMS业务的UE进行网络控制，将MBMS业务发送给UTRAN，完成MBMS业务的计费功能。GGSN根据BM-SC的通知为MBMS业务建立或释放用户面和控制面的承载。
　　MBMS有广播和多播两种工作模式。广播模式是指多媒体数据从一个业务源被单向发送给广播服务区域内的所有UE，该模式UE无需注册即可接收广播数据，可有效节约无线资源，但无法保证UE接收数据的完整性；多播模式与广播模式十分类似，但可接收多播数据的UE只限于已注册的UE，当小区中接收多播数据的UE过少时，可选择PTP的无线承载方式发送多播数据，以减少对其他无线链路的干扰。
　　MBMS的工作流程：
　　●注册阶段（广播模式不需要）：建立UE和MBMS业务提供者之间的联系。注册完成后，UE可以接收多播数据，MBMS业务提供者对提供的MBMS业务收费。
　　●业务声明阶段：向UE提供即将发送的MBMS业务的基本信息。
　　●UE加入阶段（广播模式不需要）：基于业务声明阶段提供的业务信息，UE通过本阶段的操作成为一个MBMS业务的多播组成员。UE加入后，UE需要为接收到的MBMS业务付费，因此该阶段操作需要UE和MBMS业务提供者之间进行身份认证。
　　●会话开始阶段：UTRAN为MBMS业务分配资源，建立业务承载，BM-SC准备发送MBMS业务。
　　●MBMS通知阶段：通知UE做好接收MBMS业务的准备工作。
　　●数据传送阶段：MBMS业务发送给UE。在多播模式下，MBMS业务的数据是加密的。
　　●会话结束阶段：MBMS业务传送结束，释放传送MBMS业务所分配的资源。
　　●UE离开阶段（广播模式不需要）：UE取消多播业务的注册，不再接收该多播业务。

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二、实现MBMS的关键技术

　　为了降低系统实现的复杂度，WCDMA网络的物理层未定义新的物理信道来传输MBMS业务，而使用专用物理下行信道（PTP无线承载方式下）和次公共控制物理信道（PTM无线承载方式下）传输MBMS业务。WCDMA网络的数据链路层分为PDCP、RLC和MAC三个子层。为了支持MBMS业务在用户面和控制面的传输，WCDMA为MBMS在MAC子层定义了新的功能实体MAC-m以及新的逻辑信道MTCH、MCCH和MSCH，分别用于传输MBMS业务的数据、控制信息和调度信息。由于对移动通信系统中广播、多播技术的研究尚处于起步阶段，所以很多重要问题和关键技术仍在进一步研究和讨论中，下文将详细论述实现MBMS的四项关键技术。

　　1.计数/重计数技术

　　在MBMS中，UTRAN有必要知道订阅某一MBMS业务的UE数目，根据该数目，UTRAN决定采用何种无线承载方式。实际系统可采用寻呼信道或是广播信道来要求已经订阅了某一MBMS业务的UE向UTRAN发送一个回复，进而UTRAN统计出订阅该MBMS业务的UE数目。而重计数的目的是在MBMS业务的传输过程中重新统计订阅该MBMS业务的UE数目，以确认当前的无线承载方式是否为最佳。如果当前采用的不是最佳的无线承载方式，则UTRAN对该业务进行无线承载方式的切换。

　　UTRAN中的RNC节点触发了一次计数过程后，UE会返回一个计数响应给RNC。为了避免UE计数响应返回时导致上行随机接入信道的拥塞，RNC在计数过程中采用了基于接入概率因子的控制过程。UE根据RNC设定的接入概率因子的值以一定的概率回复RNC的计数信令，RNC根据正确回复的UE的数目估算出剩余的UE数目，并进行接入概率因子的调整，并在下一次计数过程中按照调整后的接入概率因子进行计数。如果RNC统计出订阅该MBMS业务的UE数目达到一个门限值，则结束计数过程。

　　2.无线承载方式切换技术

　　为了优化无线资源的利用效率，UTRAN根据小区中订阅某一MBMS业务的UE数目来决定是采用PTP或是PTM来承载该MBMS业务。然而基于UE的个数来决定采用何种无线承载方式并不是很合理。例如分别给5个靠近小区中心的UE建立PTP的无线承载方式所带来的干扰可能要小于在整个网络中使用PTM的无线承载方式多播该业务所带来的干扰。不过如果这5个UE在小区的边缘，则可能使用PTM的无线承载方式会带来较小的干扰。另一个要考虑的因素是MBMS业务的服务质量，对于使用较高带宽的MBMS业务，无线承载方式切换的门限，即订阅该业务的UE数目要小于使用较少无线资源的MBMS业务所对应的切换门限。

　　当业务的无线承载方式发生变化时，接收该业务的UE在RLC子层和MAC子层对应的实体将进行重建。如果UE接收的是后台业务，则当该业务的无线承载方式从PTP切换到PTM时，UE在RLC子层对应的实体将从AM模式切换到UM模式，在MAC子层对应的实体从MAC-d切换到MAC-m，逻辑信道从DTCH切换到MTCH，传输信道从DPCH切换到FACH；反之亦然。如果UE接收的是流媒体业务，则当该业务的无线承载方式从PTP切换到PTM时，UE在MAC子层对应的实体从MAC-d切换到MAC-m，逻辑信道从DTCH切换到MTCH，传输信道从DPCH切换到FACH；反之亦然。所以从MBMS工作的角度看来，如果MBMS业务总是通过PTM的无线承载方式提供给订阅该业务的UE而无须在不同的无线承载方式之间切换的话，系统的工作过程将明显简化。

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3.宏分集技术
　　宏分集技术是当UE处于小区边缘时，UE把来自不同NodeB的多径信号进行分集合并，从而改善UE处于小区边缘时的接收信号质量。具体来说，当UE通过专用物理下行信道，即PTP的无线承载方式接收MBMS业务时，如果UE处于软切换区域，则UE将接收到来自激活集中所有小区发送的该MBMS业务；当UE通过次公共控制物理信道，即PTM的无线承载方式接收来自主服务小区发送的MBMS业务时，如果该UE相邻的小区也通过PTM的无线承载方式提供相同的MBMS业务，则UTRAN将在MCCH上为UE提供该邻小区的信息，使UE获得译解来自邻小区的MBMS业务的必要细节。

　　宏分集根据UE接收到的来自不同NodeB的信号之间的时延分为两种：一种是软合并，一种是选择性合并。当来自不同NodeB的信号之间的时延小于RAKE接收机的合并窗口大小时，UE将接收到的信号在码片一级进行软合并，软合并的处理过程如图2所示。





图2 软合并的处理过程

　　UE同时接收来自n个（一般n=3）NodeB的发送信号，并对每个NodeB的信号分别进行RAKE接收和信道解复用，然后将多路数据叠加为一路送入译码器。通过信号幅度相加和噪声能量相加的原理，软合并处理可使得接收信号的信噪比得到大幅度提高。

　　选择性合并发生在UE的RLC子层，是在RLCPDU一级进行的合并，即UE的RLC子层从接收到的来自不同NodeB的相同序号的RLCPDU中选择出正确的一个RLC PDU进行分段重组。

　　4.重传机制

　　在MBMS中重传主要是用来恢复UE没有正确接收到的RLCPDU。为了最大可能的重用已有的WCDMA技术，最简单的恢复没有正确接收的RLCPDU的方法是通过单独的PTP无线承载方式重传这些RLCPDU。在这种情况下，MBMS业务的传输分为两个阶段。在第一个阶段中，MBMS业务通过PTM的无线承载方式提供给订阅该业务的所有UE。每个UE保存正确接收到的RLC PDU，并且记录下未能正确接收到的RLC PDU的序号。在第二个阶段中，每个UE将和Node B建立一个单独的PTP的连接来请求丢失的RLC PDU。因为在第二个阶段中每个UE是独占无线资源的，所以不同UE的重传过程是非同步的。虽然这种重传机制比较简单，并且能够很好的向下兼容，但它存在两个明显的不足，即低效率和高延时。如果n个UE丢失了某一RLC PDU，则该RLC PDU至少要被重传n次，并且重传过程在PTM传输完成之后才会开始，所以RLC PDU的延时是不可预测的。因此这种重传机制是不适合实时业务的，尤其是当很多UE要求重传RLC PDU时。

　　对上述重传方法的一种改进是当UE发现RLCPDU丢失后立即通过特定的反馈信道通知RNC。只要有一个UE没有正确接收到某一RLCPDU，则该RLCPDU将会通过PTM的无线承载方式在下一个可用的时隙内被重传，直到所有的UE都正确接收到该RLC PDU。虽然在这种基于PTM无线承载方式的重传机制下，系统的性能将会提高，但是重传的RLC PDU对于多数UE来说是没有用的，因为他们在第一次传输中已经正确接收到该RLC PDU了。所以在实际系统中可采用将PTM重传方法和RS（Reed Solomon）编码相结合的重传机制。

　　在RNC的RLC子层，长度为L比特的连续的RLCPDU按行写入n行l列的编码模块中。当一组k个RLCPDU写入编码模块后，编码模块按列进行RS编码，每列产生n-k个效验位，故RS编码的码字长度为n。编码完成后，依次从编码模块中按行读出k个RLCPDU通过PTM的无线承载方式发送到UE。发送完毕后，编码模块中还剩下n-k行l列的效验位。UE的RLC层产生一个相应的n行列的解码模块，解码模块的最后n-k行被初始化为填充比特。当UE正确接收到一个RLC PDU后，该RLC PDU将按行写入解码模块中。如果某一RLC PDU被丢失，则该RLC PDU在解码模块中对应的行将被填入填充比特。当UE不能够正确接收一组k个RLC PDU时，该UE将通过合适的反馈信道通知RNC。在这种情况下，RNC读出一行在编码模块最后n-k行中尚未发送的效验位构成一个RLC PDU通过PTM的无线承载方式发送到UE。当发送了额外的效验位后，所有的UE将判断各自的解码模块中填充比特的行数是否超过n-k。如果填充比特的行数没有超过n-k，则解码模块能够按列译出k个RLC PDU。如果某个UE的解码模块中填充比特的行数超过了n-k，则该UE将请求RNC发送编码模块中下一行未被发送的效验位。一旦所有的UE都不再请求额外的效验位后，下一组k个RLC PDU将按同样的方法被处理。

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三、LTE中的E-MBMS

　　LTE（LongTermEvolvement）通常被认为是3.9G，是3GPP组织制定的基于WCDMA网络的演进标准。在LTE中MBMS被称为增强型MBMS（E-MBMS），它能够支持更高速率的多媒体数据的传输和提供更好的服务质量，其体系结构如图3所示。




　　由于LTE大大提高了物理层的传输能力，同时为了降低系统的复杂度，所以E-MBMS技术在现有的广播多播技术的基础上进行了一些改进。首先RNC节点被取消，取而代之的是被称为Anchor的节点，在Anchor节点中取消了RLC子层，RLC子层的重传功能被放入MAC子层，该功能被称为Outer-ARQ以区别HARQ。其次，E-MBMS技术取消了SGSN和GGSN节点，Gmb、Gi接口终止于E-NodeB，BMSC直接与Anchor进行交互。MBMS通过次公共控制物理信道或专用物理下行信道发送MBMS业务，而E-MBMS通过高速物理下行共享信道来发送MBMS业务，由于高速物理下行共享信道支持全小区的广播功能，因此在E-MBMS中不存在PTP的无线承载方式。同时在E-MBMS中采用了分层调制的技术，即对MBMS业务的不同部分采用不同的调制方式。可以预见，E-MBMS技术必将是LTE与DVB-H、S-DMB、WiMAX等下一代移动通信技术相抗衡的杀手锏。

　　四、结束语

　　移动通信系统中的广播多播技术是近几年来研究的热点技术之一，与WCDMA网络相对应，在CDMA2000网络中的广播多播技术被称BCMCS（BroadcastandMulticastService）技术。BCMCS的广播多播机制和工作模式与MBMS十分相似，但在多播模式下，BCMCS由于采用了共享机制所以不提供PTP的无线承载方式。随着大屏幕多功能手机的普及，移动数据业务的应用越来越广泛，人们已经不再满足于简单的手机上网浏览业务，而各种高带宽多媒体广播多播业务，例如电视广播、视频会议等的不断出现一方面满足了移动用户不断上升的业务需求，另一方面也将为移动运营商带来丰厚的经济效益。

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