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论文研究-3GPP LTE中演进多媒体广播组播业务(E-MBMS)关键技术及融合组网方案研究 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3GPP LTE 中演进多媒体广播组播业务 (E-MBMS)关键技术及融合组网方案研究# 张涛* （北京邮电大学泛网无线教育部重点实验室，北京 100876） 摘要：第三代合作伙伴计划（3GPP）提出的多媒体广播组播业务在手机电视领域具有很强 的竞争力，随着标准化的进展 LTE 在 MBMS 基础上提出了演进型 E-MBMS 业务。本文对 E-MBMS 的网络架构以及关键技术进行了研究，分析了 LTE 中 E-MBMS 业务的优缺点。针 对 E-MBMS 中存在的问题，提出了通过异构融合网络传输 E-MBMS 业务的组网方案。该组 网方案可以在异构融合网络中使用 WLAN 网络向用户提供 E-MBMS 业务。所提出的组网方 案充分利用 WLAN 网络的优点弥补蜂窝网络的不足，增强热点覆盖，优化网络资源尤其是 节约空中接口资源。 关键词：多媒体广播组播；LTE；E-MBMS；网络融合 中图分类号：TN929.5 Key Technology and Network Integration Scheme of E-MBMS in 3GPP LTE Zhang Tao (Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: The Multimedia Broadcast Multicast Service proposed by The Third Generation Partnership Project (3GPP) is highly competitive in mobile TV field.With the progress of standardization of LTE, E-MBMS is proposed based on MBMS services.In this paper, E-MBMS network architecture and key technology are studied,and the advantages and disadvantages of E-MBMS service are analyzed.To solve the problems in E-MBMS,the paper present the proposal that using heterogeneous network for E-MBMS transmission.The network scheme can be used in heterogeneous WLAN networks to provide users with E-MBMS services. The scheme proposed can full use of the advantages of WLAN networks to make up for the lack of cellular networks, enhanced hot spot cover age, optimize network resources, especiallythe air interface resources. Key words: MBMS;LTE;E-MBMS;network interation 0 引言 当前多媒体技术飞速发展，移动终端的多媒体功能越来越强，用户使用移动多媒体业务 的需求也越来越强烈。为了有效地利用移动网络资源，全球标准化组织 3GPP（第三代合作 伙伴计划）在 Release 6 中提出了支持点到多点的多媒体广播组播业务[1]（MBMS，Multimedia Broadcast Multicast Service）。MBMS 在向大量用户提供多媒体业务的同时节约了大量网络 资源，尤其是空中接口资源[2]。为了更好地支持高品质的流媒体和实时性广播组播业务，第 三代合作伙伴计划长期演进 (3GPP Long Term Evolution, LTE)在 LTE Release 9 中提出了更 先进的演进型 MBMS（E-MBMS）。随着 LTE 标准化的进展，3GPP LTE 提出了新网络架 构及技术以支持演进多媒体广播和组播业务（E-MBMS）[3]。本文以 3GPP Release 9 为主要 参考，对 LTE 系统中 E-MBMS 关键技术进行全面介绍，同时在跟踪 E-MBMS 标准化的基 基金项目：国家 863 基金项目 作者简介：张涛（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：多媒体广播组播业务（MBMS）以及 LTE 系统中 E-MBMS 关键技术. E-mail: ztaotower@sina.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 础上对目前以及未来的标准化进展做了总结和展望。 1 LTE 概述 LTE 是英文 Long Term Evolution 的缩写。LTE 并非人们普遍误解的 4G 技术，而是 3G 与 4G 技术之间的一个过渡，是 3.9G 的全球标准,它改进并增强了 3G 的空中接入技术，采 用 OFDM 和 MIMO 作为其无线网络演进的唯一标准。LTE 的研究，包含了一些普遍认为很 重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成 本的降低。这种以 OFDM/FDMA 为核心的技术可以被看作“准 4G”技术。 3GPP 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力” 等方面对 LTE 进行了详细的描述。与 3G 相比，LTE 具有如下技术特征[4]: （1）明显增加峰值数据速率。如在 20MHz 带宽上达到 100Mbit/s 的下行传输速率 （5bit/s/Hz）、50Mbit/s 的上行传输速率（2.5bit/s/Hz）。 （2）在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如 MBMS（多媒体广 播和组播业务）在小区边界可提供 1bit/s/Hz 的数据速率。 （3）明显提高频谱效率。如 2-4 倍的 R6 频谱效率。 （4）无线接入网（UE 到 eNodeB 用户面）延迟时间低于 10ms。 （5）明显降低控制面等待时间，低于 100ms。 （6）支持与已有的 3G 系统和非 3GPP 规范系统的互操作运行。 （7）支持进一步增强的 E-MBMS。 上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是 LTE 研究中最重要的部分，也是 E-UTRA 和 E-UTRAN 保持最强竞争力的根本。在 LTE 中，还规范了一些其他要求[3]，如 与配置相关的要求、E-UTRAN 架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相 关要求和业务相关要求。 2 LTE 中的 E-MBMS 业务 随着 LTE 技术的不断发展，要求 LTE 可以支持增强型的多媒体广播组播业务[5]。目前 研究人员对 E-MBMS 的解释有两种：一种是解释为增强型 MBMS，另一种是演进 MBMS。 可以这样认为：LTE 长期演进中的多媒体广播组播业务是在 MBMS 基础上平滑演进的增强 型 E-MBMS。LTE 中为 E-MBMS 定义了新的逻辑架构并引入了新的技术。 2.1 E-MBMS 的逻辑架构 LTE 为 E-MBMS 定义了新的逻辑架构并增添了新的网元。如图 1 所示，是 E-MBMS 的 逻辑架构[3]。其中 MCE 是一个逻辑实体，在网络部署上 MCE 可以是其他网元的一部分— —功能是准入控制、MBSFN 区域中所有 eNB 进行 MBSFN 传输所需无线资源的分配。如果 无线资源不能满足 MBMS 业务需求，MCE 可以决定不建立无线承载。除了时频资源的分配， 还包括决定其他具体无线配置，例如编码调制方案。MCE 还涉及 MBMS 会话控制信令， MCE 不执行 UE-MCE 信令。 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 LTE 中 E-MBMS 逻辑架构 当 MCE 作为其他网络元件的一部分时，每个 eNB 由一个唯一的 MCE 为其服务。MBMS GW 是一个逻辑实体，位于 BM-SC 和 eNB 之间，其主要功能是发送/广播 MBMS 数据包到 传输 E-MBMS 业务的 eNB，同时也不排除它可能是其他网元的一部分。MBMS GW 使用 IP 组播的方法向 eNB 转发 E-MBMS 用户数据。还通过 MME 向 E-UTRAN 执行会话控制信令 （会话开始与结束时）。 E-MBMS 继续采取了用户面与控制面分离的协议结构。图 2 所示为控制平面协议栈结 构，图 3 所示为用户平面的协议栈结构。用户面和控制面分别定义了 E-MBMS 业务相关的 接口。 E-MBMS 相关的接口主要包括 M1 接口、M2 接口和 M3 接口。其中 MME 和 MCE 之 间的 M3 接口定义了一个应用协议 M3AP ，这个应用协议支持 E-RAB 层的 MBMS 会话控 制信令（不包括无线配置参数）。MCE 和 eNB 之间的 M2 接口也定义了一个应用协议 M2AP， 用来传送多小区传输模式下 eNB 的无线配置参数和会话控制信令。M1 接口是一个纯用户面 接口，位于 eNB 与 MBMS GW 之间，该接口使用 IP 组播传输点到多点的用户数据，因此 此接口没有定义控制面相关的应用协议。 图 2 E-MBMS 控制面协议栈 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 E-MBMS 用户面协议栈 在实际网络部署中，不排除 M3 接口可以终结于 eNB。在这种情况下 MCE 被认为是 eNB 的一部分。然而 M2 接口仍然需要存在于 MCE 和相应的 eNB 之间。图 4 描述了两种假设的 部署场景[3]。图中左侧所示为 MCE 独立部署时的网络结构，右侧所示为 MCE 部署在 eNB 上、M2 作为内部接口时的网络结构。 图 4 MCE 不同部署场景下的网络架构 2.2 LTE 中 E-MBMS 的关键技术 与 Release6 中的 MBMS 业务相比，E-MBMS 不但在网络架构上有了革命性的变化，而 且在组网方式与信道结构上做了很大调整。这些技术上的改进在一定程度上使 E-MBMS 业 务具有更好的性能。 根据 3GPP 最新标准[3]， E-MBMS 允许支持所有支持业务的的 UE 可以在 RRC_IDLE 或 RRC_CONNECTED 状态下接收 E-MBMS 广播业务。与 UTRAN 中的 MBMS 采用的专用小 区不同，E-UTRAN 中的 E-MBMS 仅支持混合小区的模式。E-MBMS 广播与 LTE 系统单播 传输共享一个载波。进行 E-MBMS 传输的小区称为 MBMS/单播混合小区。 在传输方式上，E-MBMS 不再采用单小区的传输模式，而是完全采用多小区传输向用 户广播 MBMS 业务。E-MBMS 多小区传输具有以下特点：多小区传输采用 MBSFN 模式[3]； MBSFN 区域内进行 E-MBMS 同步传输；E-MBMS 传输支持多小区合并；MBSFN 同步区域， - 4 -
    中国科技论文在线 MBSFN 区域，MBSFN 小区采用半静态配置。 http://www.paper.edu.cn 在信道结构上，E-MBMS 中只定义了两个逻辑信道支持 P-T-M 广播传输：多播控制信 道（MCCH）和多播业务信道（MTCH）。在信道映射上，MCCH 与 MTCH 都映射到新的 传输信道——多播信道（MCH），MBSFN 传输模式中 MCCH 与 MTCH 可以复用和映射到 同一个 MCH 信道上进行 P-T-M 传输[3]。图 5 所示为 E-MBMS 信道结构及映射关系。其中 多个 E-MBMS 业务可以映射到同一个 MCH 信道并且 MCH 信道上仅传输属于同一个 MBSFN 区域的数据。每个 MBSFN 区域可以有一条或多条 MCH 信道，这些 MCH 信道具 有相同的覆盖区域。 图 5 E-MBMS 下行信道结构与映射关系 3 LTE 中 E-MBMS 演进及异构组网方案 3.1 E-MBMS 标准化进展 LTE 中支持的 E-MBMS 虽然具有很多优点，但与此同时也有一些亟待解决的问题。目 前 LTE 系统中的 E-MBMS 只能提供单纯的下行广播业务，没有 MBMS 专用的上行通道， 缺少用户与网络交互的过程，因此用户无法向网络进行反馈。由于传输 E-MBMS 广播业务 时网络无法获知用户的接收状态，因此网络无法根据用户的接收状况对业务的传输进行动态 调整。如果正在接收 E-MBMS 广播业务的用户移出 MBSFN 区域，现有标准无法支持业务 的连续性。E-MBMS 采用 MBSFN 模式传输业务时，MBSFN 区域采用半静态配置，当某些 区域没有对 MBMS 业务感兴趣的用户时，整个 MBSFN 区域（MBSFN Area）广播该 MBMS 业务会造成很大的资源浪费。 因此，3GPP Release 10 工作计划中针对 E-MBMS 提出了新的需求和演进方向。最近的 标准化关注的问题主要有： MBSFN 单频网传输时的业务连续性问题[6]； 网络如何获得用户接收状态即用户信息反馈问题； 不同区域的用户如何根据相关度接收不同 E-MBMS 业务的问题等[7]。 3.2 异构融合网络中提供 E-MBMS 业务的方案 针对当前标准中 E-MBMS 业务存在的问题，提出一种在异构融合网络中提供 E-MBMS 业务的方案。对于实现 E-MBMS 广播组播业务，可以通过广播、组播、单播的承载方式[1]。 其中 BM-SC 既可以通过 E-MBMS 广播承载方式提供业务，也可以通过 EPS 系统单播承载 方式提供 E-MBMS 业务,同时还可以通过异构网络提供 E-MBMS 业务。 异构网络的融合技术目前主要有两种方法，一种是松耦合的融合方式，另一种是紧耦合 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的融合方式[8]。考虑到紧耦合的网络融合方式，我们提出一种融合方案：WLAN 接入 3GPP 多 媒体广播组播的系统 MBMS GW 实体，基本架构模型如图 6 所示。其中红色虚线代表控制 面接口，黑色实现表述用户面接口。其基本思想是：控制面数据仍然依附于蜂窝网络，但是 用户面数据通过 WLAN 进行传输。控制平面由 E-UTRAN 提供的优点是可以同步蜂窝网络 中的 MBMS 相关信令，而大量的用户数据利用带宽和速率更占优势的 WLAN 传输不但能节 省蜂窝网络的昂贵资源同时可以对蜂窝网络进行热点覆盖和补充覆盖。 图 6 控制面与用户面分离的紧耦合接入方式 松耦合的解决方案是：由蜂窝系统中的 BM-SC 提供 E-MBMS 业务的数据，通过核心网 中的 PDN GW 网关最后到达用户所在的 WLAN 网络。图 7 是本方案的网络架构图。这种融 合方式实现简单，蜂窝网络中的广播多播控制实体（BM-SC）只需要为 WLAN 网络提供 MBMS 业务内容即可。 图 7 WLAN 通过松耦合方式接入 BM-SC 同时，在异构融合场景下，提出一种对 MBMS 业务流程改进的方法。在 MBMS 业务即 将发生时，重新对网络进行选择，根据网络状态和某些参数决定接入蜂窝接入网还是 WLAN。如图 8 所示，改进后的 MBMS 流程增加了接入网络的选择流程，在 MBMS 会话开 始之前确定用户终端接入 E-UTRAN 或 WLAN，同时 MBMS 传输过程中，可以根据网络状 况判断是否需要在 E-UTRAN 和 WLAN 之间进行切换以保证 MBMS 业务顺利进行。 通过异构融合组网方案和改进的 MBMS 流程，可以在 E-UTRAN 中引入 WLAN 作为附 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 加接入网向用户提供多媒体广播组播业务。当蜂窝网络覆盖范围不足或网络恶化时，可以充 分利用 WLAN 的资源弥补蜂窝网络的不足这样就可以大大节省蜂窝资源的无线资源，充分 发挥异构环境下网络互补的优越性。 图 8 融合网络中加入了接入方式选择的 MBMS 流程 4 结论 本文对 3GPP Release6 MBMS 业务以及 LTE 系统中的 E-MBMS 业务关键技术以及标准 化进展进行了分析，详细介绍了 E-MBMS 的逻辑架构和最新标准化进展所关注的问题。同 时针对现有 E-MBMS 业务的技术特点，提出了在 LTE 系统中采用异构融合组网的方式提供 E-MBMS 业务的改进方案。采用异构融合组网方案提供 E-MBMS 业务能充分整合异构网络 中蜂窝网和 WLAN 网络的优点，节省网络资源，充分保证了异构网络环境下不同网络间的 互操作性。下一步的工作主要是研究异构网络间的协同无线资源管理以满足 E-MBMS 业务 标准化推进的需求。 [参考文献] (References) [1] 3GPP TS 23.246 V9.3.0. Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and Functional [2] 3GPP TS 25.346 V8.3.0.Introduction of the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) in the Radio Description[S]. 3GPP，2009.9 Access Network (RAN)[S].3GPP，2009.3 [3] 3GPP TS 36.300 V10.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2[S]. 3GPP，2010 [4] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP 长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社， [5] 赵训威，林辉，张明，等.3GPP 长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.1 [6] 3GPP Service continuity in connected mode and location information for MBMS for LTE. RP-100690. TSG-RAN Meeting 48，2010.6 [7] 3GPP Further enhancements to MBMS for LTE. RP-100691. TSG-RAN Meeting 48，2010.6 [8] ETSI Broadband Radio Access Networks (BRAN); HIPERLAN TYPE 2; Requirements and Architectures for Interworking between HIPERLAN/2 and 3rd Generation Cellular Systems TR 101 957 Vl.1.1,2001.8 2008.11 - 7 -
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