LTE架構(gòu)下的多媒體資源分發(fā)方案研究

隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，尤其是對多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求變得越來越強烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，多媒體業(yè)務(wù)可以通過內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)來開展[1]，CDN 能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用普及，大大促進(jìn)Internet 應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展。但是，CDN 網(wǎng)絡(luò)都只是針對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容傳送和業(yè)務(wù)開展方式建設(shè)起來的，還存在一些不足，如對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務(wù)、難以應(yīng)用于移動終端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于簡單、投資金額比較大等。

為了多媒體業(yè)務(wù)更好地存儲、分發(fā)、傳送，并更加適應(yīng)當(dāng)前3G 以及未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計劃(3GPP) 提出多媒體組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS) 以及增強型的MBMS(E-MBMS) [2]。MBMS 是3GPP R6版本中定義的，它可以在節(jié)省系統(tǒng)資源的同時，為用戶提供廣播或組播的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了更加滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求，尤其是用戶和運營商對手機電視業(yè)務(wù)的強烈需求，3GPP 對原有MBMS 的邏輯結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模式、傳輸方式和信道結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行改進(jìn)，提出了在系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)/長期演進(jìn)(LTE) 架構(gòu)下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時下載多媒體數(shù)據(jù)時的資源共享問題，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，廣播組播業(yè)務(wù)中心(BM-SC) 相當(dāng)于業(yè)務(wù)資源提供中心，直接向Anchor分發(fā)多媒體數(shù)據(jù)，每一個Anchor 會控制相關(guān)的一組E-NodeB，并將多媒體數(shù)據(jù)通過各個相關(guān)的E-NodeB 傳輸?shù)浇K端用戶。當(dāng)用戶數(shù)量持續(xù)猛增時，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。

另外有可能當(dāng)一個Anchor 或E-NodeB 負(fù)荷很重時，而周圍的Anchor 或E-NodeB 卻處于空閑狀態(tài)，這就使得設(shè)備資源得不到充分合理的利用，也會降低超負(fù)荷E-NodeB 下的用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸效率。E-MBMS 整體架構(gòu)始終是集中式的分發(fā)架構(gòu)，為克服這些不足之處，文中提出LTE 架構(gòu)下結(jié)合點對點(P2P)和E-MBMS 技術(shù)的多媒體資源分發(fā)(CPEMRD)方案。

1 P2P 概述

P2P 業(yè)務(wù)可以簡單地描述為：網(wǎng)絡(luò)中的兩臺計算機通過直接互聯(lián)網(wǎng)來共享彼此資源和服務(wù)。P2P 網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，位于網(wǎng)絡(luò)中的成千上萬的計算機都處于邏輯對等的地位，每臺計算機既是資源(服務(wù)和內(nèi)容)的提供者又是資源的獲取者[3-4]。

基于P2P 的資源獲取模式和基于C/S 的資源獲取模式有明顯的區(qū)別。在P2P 網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的地位都是相等的，它們在作為服務(wù)器向其他節(jié)點提供資源時，也可以作為客戶端從其他節(jié)點處獲取資源;而在集中控制的C/S 模式網(wǎng)絡(luò)中，客戶端與服務(wù)器是分離的，是兩個完全不同的概念，資源都保存在服務(wù)器上，客戶端只能從相應(yīng)的服務(wù)器上獲取所需的資源。

P2P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要存在3 種不同的形式：純P2P 結(jié)構(gòu)、帶核心服務(wù)器的混合P2P 結(jié)構(gòu)和帶超級節(jié)點的P2P結(jié)構(gòu)。其中純P2P 結(jié)構(gòu)不依賴于任何中心服務(wù)器，它能動態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他對等方并與之交互信息;混合P2P 結(jié)構(gòu)中存在一個只具有服務(wù)功能的核心服務(wù)器來維護(hù)所有對等點的共享目錄，并進(jìn)行查詢，但文件的共享交換過程是直接在對等方之間進(jìn)行;帶超級節(jié)點的P2P 結(jié)構(gòu)類似于混合P2P 結(jié)構(gòu)，但超級節(jié)點的數(shù)目不只一個，節(jié)點可以向其中的一個發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級節(jié)點之間是對等的.然而，P2P 系統(tǒng)也存在明顯的缺點，就是可用性問題。盡管從整個系統(tǒng)而言，P2P 是可靠的，但是對于單個內(nèi)容或者單個任務(wù)而言，P2P 是不穩(wěn)定的，每個節(jié)點可以隨時終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時可能被刪除或者被終止共享。

2 結(jié)合P2P 和E-MBMS 的多媒體資源分發(fā)

2.1 CPEMRD 方案的提出

E-MBMS 和P2P 被用于不同的領(lǐng)域，E-MBMS 主要用于未來移動通信系統(tǒng)流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P 則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點。

P2P 采用一種與E-MBMS 不同的內(nèi)容傳遞方式，它通過“非中心化”的設(shè)計和多點傳輸機制，不依賴服務(wù)器就能快速交換文件。E-MBMS 和P2P 技術(shù)的優(yōu)缺點在應(yīng)用上具有一定的互補性。如果能夠結(jié)合P2P 的擴展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個可管理的、能夠承載電信級內(nèi)容應(yīng)用的多媒體資源分發(fā)平臺。結(jié)合了P2P的E-MBMS 體系結(jié)構(gòu)可以使多媒體業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

如果將E-MBMS 的管理機制和服務(wù)能力引入P2P 網(wǎng)絡(luò)，可以形成以E-MBMS 為可靠的內(nèi)容核心，以P2P為服務(wù)邊緣的架構(gòu)。通過這種架構(gòu)，可以在不增加E-MBMS 成本的同時有效提升E-MBMS 服務(wù)能力，也有效地避免了P2P 應(yīng)用的諸多弊端。

2.2 CPEMRD 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

文章所設(shè)計的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)是在E-MBMS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合了P2P 結(jié)構(gòu)而組成的，整個架構(gòu)層次分3 層。中心多媒體資源服務(wù)器或服務(wù)器組只有1 個，位于BM-SC 服務(wù)中心處;與服務(wù)中心連接的是Anchor，包含有邊緣服務(wù)器;移動終端通過E-NodeB 接入到整個網(wǎng)絡(luò)中。CPEMRD 具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，BM-SC 服務(wù)中心處的“ 資源存儲”服務(wù)器提供原始的多媒體資源;“P2P 控制”實體用于維護(hù)所有P2P 節(jié)點信息以及所有客戶信息( 節(jié)點號，地址等);每個Anchor 處的邊緣服務(wù)器是對等的，代理從BM-SC 服務(wù)中心的資源存儲服務(wù)器分發(fā)的多媒體資源。移動終端通過E-NodeB 接入到網(wǎng)絡(luò)中，首先從離自己最近的邊緣服務(wù)器(所在小區(qū)所屬的Anchor 處的服務(wù)器)請求下載多媒體資源，P2P 控制實體中維護(hù)了每個邊緣服務(wù)器(也即P2P 節(jié)點)的狀態(tài)信息和客戶信息，當(dāng)P2P 控制實體發(fā)現(xiàn)某個邊緣服務(wù)器利用率過高負(fù)載過大時，可協(xié)調(diào)移動終端從其他相對空閑的邊緣服務(wù)器下載多媒體資源，也可同時從其他多個邊緣服務(wù)器同時下載某個多媒體資源，從而實現(xiàn)多條鏈路的負(fù)載均衡。