LTE eMBMS技术助力移动视频业务发展

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一．市场背景

近几年，移动宽带应用发展迅猛，移动视频业务备受业界关注。根据GSA移动宽带发展报告，YouTube每天有40多亿用户观看视频。同时，美国全球产业分析公司（Global Industry Analysts，GIA）预测，到2017年全球移动视频市场将达到300亿美元规模，市场价值巨大。

虽然移动视频业务随着移动互联网的快速发展，业务量迅猛增长，移动运营商却喜忧参半。一方面，快速增长的视频业务带来巨大的网络压力，带宽的快速消耗和用户的投诉使得运营商不得不投入大量资金进行网络扩容，另一方面移动运营商又面临成为管道的趋势，缺少有效的针对数据业务特别是视频业务的商业模式，单纯依靠流量收费。在这样的情况下，移动运营商虽然投入巨大，但仍然面临 “网络性能受限”和“增量不增收”的双重考验。

针对这一问题，业界主要设备厂家纷纷在协助运营商寻求解决之道。基于LTE e-MBMS的移动视频系统解决方案，最近日益受到业界的关注。如阿尔卡特朗讯提出的“LTE Video”方案，就是基于LTE eMBMS技术研发的。“LTE Video”利用LTE eMBMS提供的网络能力和业务能力，在时间维度和业务维度上有效调配网络资源，采取单播、组播和广播等多种灵活方式，帮助运营商更加高效的提供移动视频服务。

二．LTE eMBMS技术介绍

说到LTE eMBMS，不能不先介绍MBMS。MBSM全称为Multimedia Broadcast Multicast Service，即多媒体广播/多播业务，是3GPP定义的一种用于在移动蜂窝网络中承载多媒体广播业务和多播业务的技术方案，用于实现从数据业务源向特定范围内多个用户同时传送某类内容的数据业务的一种点到多点业务，通过使用较少的网络资源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），从而减少对网络资源的占用。MBMS第一版完整的技术标准出现在3GPP R6版本中，后在R7中进一步完善，并形成了基于3G技术（TD-SCDMA和WCDMA）的MBMS技术标准。

LTE时代，终端用户对移动视频业务的需求与日俱增，基于LTE的演进型多媒体广播/多播技术规范也在相应继续完善。3GPP一方面进一步提高MBMS的业务性能，另一方面则需适应新的SAE/LTE的系统架构要求。3GPP在2010年开始完成了基于LTE的eMBMS（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service）技术。eMBMS基于3GPP R9协议规定，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，更加适应现阶段移动视频业务在LTE网络上的传送和使用。相比MBMS，eMBMS技术更加成熟，其所依赖的网络和商用部署条件也更加完善，eMBMS技术所依托的网络带宽更宽，这意味着能提供更多的频道和视频内容，视频画面可以更加清晰，流畅，从而获得更好的用户体验。

1、LTE eMBMS网络架构

不同于3G时代的MBMS主要依附在既有的3G网络架构之上，通过引入功能实体广播多播业务中心（BM-SC）来提供和管理MBMS 业务。eMBMS提供了更加独立的MBMS广播/多播方式——MBMS单频网（ Multimedia Broadcast multicast service Single Frequency Network, MBSFN）以及完整的逻辑结构，并基于IP多播协议实现业务的广播和多播。

MBSFN的定义如图1所示。单频网技术是指属于同一MBMS业务区的小区采用同一频段同时发送MBMS 业务数据，终端可以在接收端进行软合并，从而实现接收分集。这些属于同一MBMS业务区的同步发送小区，被定义为MBSFN 同步区（MBSFN Synchronization Area）。在一个MBSFN同步区中，执行相同MBMS业务内容的一组小区，被称为MBSFN 区域（MBSFN Area）。一个小区只可能属于一个MBSFN 同步区，但可以属于多个MBSFN Area。

图1 eMBMS单频网

图2 eMBMS 网络架构

eMBMS的网络架构如图2所示，可以看到，eMBMS架构中，除了原EPC/LTE网络既有的MME和eNB外，主要新增两个网元：多小区/多播协调实体（Multi-cell/multicast Coordination Entity, MCE），MBMS 网关（MBMS Gate Way, MBMS GW）。实际上，原来3G时代引入的BM-SC仍在存在，它位于MBMS GW的上方，整体管理网络的MBMS业务。

-  MCE是位于eMBMS架构中的一个逻辑实体，有可能在网络中独立出现，也有可能集成在其他网元。MCE主要用于进行接入控制和在MBSFN模式下多小区MBMS传送时，在同一个MBSFN区域内所有eNB使用的无线资源分配。当无线资源不足以提供MBMS服务时，将由MCE决定不建立新MBMS业务的无线承载。除了时间、频率等无线资源外，MCE还决定了诸如调制和编码方式等的无线参数配置。MCE主要用于进行MBMS会话控制。

-  MBMS GW也是一个逻辑实体，既可能在网络中独立出现，也有可能集成在其他网元中。它位于BM-SC和eNB之间，主要功能是用于向执行MBMS内容传送的eNB发送或广播MBMS数据。MBMS GW使用IP多播协议向eNB传送MBMS的业务数据，并执行MME发送的MBMS 会话控制信令（会话开始、停止），从而控制向eNB的数据发送。

2、LTE eMBMS的信道和业务流程

在LTE中，在E-MBMS中定义了两个逻辑信道来支持多播传送：MCCH和MTCH信道。这是由于E-MBMS中MBMS业务的调度信息和控制信息都可通过MCCH信道下发，因此不需要再保留MSCH信道了。

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，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同步传送。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，就使用MCH来进行传送。当使用MBSFN传输方式时，MTCH和MCCH可映射到MCH上进行多播传送。

eMBMS 的业务流程主要包括两个流程：会话开始流程和会话结束流程。

2.1 会话开始流程

会话开始流程是MME请求E-UTRAN 通知UE接收MBMS 会话，并触发EPC为这个会话建立MBMS 承载，如图3 所示。具体流程为：

（1）当一个视频业务的MBMS承载准备建立时，MME首先向控制目标MBMS 业务区的MCE 发送MBMS 会话开始请求消息，消息中包含IP 多播地址和会话属性；

（2）MCE 向MME确认MBMS 会话开始请求的接收；

（3）MCE 向目标MBMS 业务区中的eNB发送MBMS 会话开始消息，除了会话属性，消息还包括MBSFN 发送所需的无线配置承载；

（4）eNB 确认收到MCE的MBMS 会话开始请求消息；

（5）eNB 向UE发送MBMS 会话开始消息；至此，会话开始的信令流程走完；

（6）为了接收MBMS 用户面的视频流数据，eNB 加入IP 多播组；

（7）eNB 在预订时间，在小区的MTCH信道上转发MBMS 数据给UE。UE接收视频流数据，在手机上播放。

图3 eMBMS会话建立过程

2.2 会话结束流程

当承载视频业务的MBMS会话结束时，MME将发起结束流程请求E-URAN 通知UE 结束MBMS 会话，并触发EPC 释放MBMS 承载，如图4 所示。具体流程是：

（1）MME 向控制着MBMS 业务区的MCE 发送MBMS 会话停止请求；

（2）MCE 收到请求消息后，向MCE确认MBMS 会话停止请求已正确接收；

（3）MCE 在目标MBMS 业务区里向各个发送视频流的eNB发送MBMS 会话停止请求消息；

（4）eNB 返回会话停止响应消息表示确认；

（5）eNB 继续向UE 发送MBMS 会话停止消息，同时UE业务播放结束；

（6）eNB释放MBMS承载和空中接口资源，并离开IP 多播组。

图4 eMBMS会话结束过程

此外，LTE eMBMS还对基于MBMS的业务计费进行了进一步的研究，并提出了基于MBMS承载的计费和基于广播/多播内容的计费方式，为运营商的MBMS商业模式提供了支持。篇幅所限，此处不再一一赘述，感兴趣的读者可以参考文献[1]。

三．移动视频中的LTE-eMBMS应用

上文提到，LTE eMBMS由于在逻辑架构、业务模式等方面进行了重大改进，更加适应现阶段视频业务在移动网络上的传送和使用。由于eMBMS技术所依托的LTE网络带宽（按20MHz）是3G（按5MHz）时的4倍，这意味着运营商能提供更多的频道内容和更加清晰和低时延的画面，特别适合很多精彩赛事、大型表演、重大活动的实时转播，因此在现阶段纷纷被运营商和设备厂家关注。阿尔卡特朗讯、华为等多家国际顶级设备厂家都纷纷提出了基于LTE eMBMS的移动视频解决方案，并和运营商开始了深度的合作。

2014年2月初，在纽约超级碗赛事的实况转播中，北美运营商Verizon使用阿尔卡特朗讯提供的LTE eMBMS技术方案，成功实现对超级碗赛事的实况转播，用户通过LTE终端欣赏了西雅图海鹰队完胜丹佛野马队并首度夺冠的精彩场面。同时，Verizon通过该技术方案，提供给用户球队信息查阅、视频回放，比赛实况预告等多种信息服务，提升了用户体验，同时也验证了LTE eMBMS技术实现移动视频广播的有效性。该技术方案，在今年2月的巴塞罗那世界移动通信大会（MWC）上也进行了展示。

2014年3月，阿尔卡特朗讯与阿联酋电信运营商Etisalat UAE宣布，双方将携手扩展阿联酋LTE覆盖。Etisalat UAE在本次扩容中使用阿尔卡特朗讯的LTE解决方案为阿联酋客户提供LTE-FDD网络和高速移动宽带。这张网络也将引入eMBMS技术来有效应对由视频、游戏及其它高带宽应用引发的对高速移动宽带日益增长的需求，并为Etisalat UAE的“智慧城市”项目和2020年世博会项目奠定基础。

四、结论

移动视频业务的迅猛发展给移动运营商的网络容量和性能带来的巨大压力，针对这一问题，业界主要设备厂家纷纷在协助运营商寻求解决之道。基于LTE e-MBMS的移动视频系统解决方案，充分利用LTE的带宽和低时延、全IP优势，在时间维度和业务维度上有效调配网络资源，采取组播和广播等多种灵活方式，提供移动视频业务，帮助运营商更加高效的提供移动视频服务，有效的缓解运营商网络扩容的压力，改善了用户体验。我们有理由期待，LTE eMBMS的发展将迎来了一个新的时期。

参考文献

[1] 3GPP TS 36.300 V9.a.0 LTE Overall Description Stage 2.

[2] 3GPP TS 36.442 V9.1.1 Signaling Transport for Interfaces Supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN.

[3] 3GPP TS 23.246 V9.6.0 Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) Architecture and Functional Description.

[4] 3GPP TS 22.246 Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) User Services.

[5] 张高山, 刘海洋, 李楠, 许叶丝, LTE中eMBMS技术探讨,电信工程技术与标准化，2011年01期

专家介绍：

李文宇，工业和信息化部电信研究院通信标准研究所主任工程师，工学博士。长期从事无线移动通信和网络技术领域的研究、标准化和新技术试验工作。在第三代移动通信技术、LTE/LTE-Advanced以及通信芯片领域有十多年的研究经历，承担了多项国家重大科技专项课题和国家高技术研发项目（863课题）。目前主要的研究方向包括无线网络系统分析和性能评估、移动芯片和终端前沿技术研究，在国内外刊物上发表了30多篇学术论文，申请了10多项技术发明专利。