基于TD-SCDMA的MBMS技術(shù)的研究

0引言

　　多媒體廣播業(yè)務(wù)（MBMS）是3GPP組織提出的基于UMTS（通過移動(dòng)通信系統(tǒng)）的手機(jī)電視技術(shù)方案，目的是為WCDMA和TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)提供更有效的方式，以便將多媒體信息以組播或廣播方式傳送到各個(gè)UMTS終端。從2004年來許多運(yùn)營商都推出了這種業(yè)務(wù)，隨著時(shí)間的推移和2008年北京奧運(yùn)會(huì)的臨近，國內(nèi)的TD-SCDMA手機(jī)研發(fā)公司(如重郵信科)從2006年開始制定基于現(xiàn)有的TD-SCDMA系統(tǒng)的多媒體廣播業(yè)務(wù)(TD-MBMS)的總體技術(shù)方案。

　　手持電視技術(shù)主要分為3類：分別源于地面數(shù)字廣播技術(shù)、衛(wèi)星傳輸技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。第一類技術(shù)以歐洲的DVB-H、韓國的T-DMB、日本的ISDB-T、美國的MediaFlo和中國的CMMB為代表，實(shí)現(xiàn)上以地面廣播網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)松耦合或相對獨(dú)立組網(wǎng)；第二類技術(shù)以韓國、日本以及歐洲一些國家采用的S-DMB為代表，實(shí)現(xiàn)上以衛(wèi)星傳送為基礎(chǔ)，輔以地面廣播網(wǎng)絡(luò)，與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合或相對獨(dú)立組網(wǎng)；第三類技術(shù)以3GPP的MBMS和3GPP2的BCMCS為代表，實(shí)現(xiàn)上以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，不能相對于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立組網(wǎng)。

　　手機(jī)電視業(yè)務(wù)的高帶寬、突發(fā)多用戶的需求，與移動(dòng)網(wǎng)本身帶寬和容量資源嚴(yán)重不足形成難以解決的矛盾。因此，點(diǎn)對點(diǎn)方式提供手機(jī)電視的大規(guī)模商用服務(wù)并不可行，而采用廣播方式的手機(jī)電視技術(shù)將是該業(yè)務(wù)發(fā)展的必然趨勢。 1基于TD-SCDMA的MBMS技術(shù)的介紹

1.1 MBMS總體架構(gòu)

　　MBMS(multimedia broadcast multicast serv-ice)是3GPP R6開始定義的多媒體廣播組播功能。MBMS提供2種方式：廣播方式和組播方式。MBMS不僅能實(shí)現(xiàn)純文本低速率的消息類組播和廣播，而且還能實(shí)現(xiàn)高速多媒體業(yè)務(wù)的組播和廣播。

　　組播和廣播業(yè)務(wù)MBMS基于WCDMA／GSM分組網(wǎng)，通過增加一些新的功能實(shí)體，如廣播組播業(yè)務(wù)中心BM-SC，對已有的分組域功能實(shí)體如SG-SN、GGSN、RNC和UE等增加MBMS功能，并定義了新的邏輯共享信道來實(shí)現(xiàn)空口資源共享。如圖1所示，對原有網(wǎng)絡(luò)主要改動(dòng)是：增加BM-SC網(wǎng)元，對現(xiàn)有分組域相關(guān)網(wǎng)元進(jìn)行功能升級(jí)，以支持MBMS特有接口功能(如Gmb)、特有信道(如MICH、MTCH／MCCH／MSCH)、特有物理層過程(FACH信道選擇性合并、PTM與PTP切換)和特有業(yè)務(wù)流程(如訂閱)，這里唯一新增的接口是Gmb接口。

1.2 MBMS的技術(shù)優(yōu)勢

　　3GPP在R6版本中定義的MBMS是指無線網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)數(shù)據(jù)源向多個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的點(diǎn)到多點(diǎn)(p-t-m)業(yè)務(wù)，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。除了移動(dòng)核心網(wǎng)和接入網(wǎng)資源，MBMS還可以共享更為緊張的空中接口資源，以提高無線資源的利用率。MBMS的優(yōu)勢在于不僅能實(shí)現(xiàn)純文本低速率的消患類組播和廣播，還能實(shí)現(xiàn)高速率多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的組播和廣播，從而彌補(bǔ)IP組播技術(shù)不能使多個(gè)移動(dòng)用戶共享移動(dòng)司絡(luò)資源的不足。

　　在終端方面，MBMS仍然最大限度地繼承了已有的3GPP標(biāo)準(zhǔn)，在終端耗電、存儲(chǔ)、多媒體處理、顯示等技術(shù)得到改善的同時(shí)，僅僅是原有基帶處理功能的增強(qiáng)。因此，承載寬帶多媒體業(yè)務(wù)的MBMS終端與現(xiàn)有終端保持了很好的統(tǒng)一性。

　　在帶寬方面，MBMS最大可以使用256 Kbit／s的速率進(jìn)行下載和流媒體的傳送。在互動(dòng)方面，MBMS本身沒有定義特別的上行信道，但可以利用已有上行控制信道進(jìn)行業(yè)務(wù)訂閱、業(yè)務(wù)加入等業(yè)務(wù)控制流程，同時(shí)利用上行業(yè)務(wù)信道實(shí)現(xiàn)與下行廣播／組播配合的一些交互類業(yè)務(wù)。

　　在容最方面，MBMS提供點(diǎn)到多點(diǎn)傳送多媒體的發(fā)送機(jī)制，資源消耗與用戶數(shù)的增長無關(guān)，從而為節(jié)省3G網(wǎng)絡(luò)非常緊張的空口資源和Iub口傳輸資源、規(guī)避移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量劣勢尋找到了根本解決途徑。用戶數(shù)越多，MBMS在容量和成本方面的優(yōu)勢發(fā)揮就越明顯；在組播用戶數(shù)少或者沒有組播業(yè)務(wù)用戶的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)可以靈活地為用戶分配專用信道或者關(guān)閉組播業(yè)務(wù)信道，這些移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特有的高效資源管理技術(shù)更讓MBMS在容量方面錦上添花。

2 基于TD-SCDMA的MBMS技術(shù)在物理層上的最主要發(fā)展

2.1單頻網(wǎng)(SFN)技術(shù)

　　MBMS在物理層的顯著改進(jìn)，是引入了單頻網(wǎng)(single frequency network，SFN)。隨著頻率資源的日趨緊張，單頻網(wǎng)無論是在數(shù)字電視地面廣播領(lǐng)域中還是移動(dòng)通信技術(shù)中都開始受到越來越多的重視。所謂單頻網(wǎng)，即在一定的地理區(qū)域內(nèi)若干部發(fā)射機(jī)同時(shí)在同一個(gè)頻段上發(fā)射同樣的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域的可靠覆蓋。在MBMS中實(shí)現(xiàn)的單頻網(wǎng)即是在若干基站同時(shí)在同一頻率上發(fā)射相同的信號(hào)。SFN帶來的最大好處，是頻譜效率的提高，同時(shí)，UE(用戶設(shè)備)在SFN內(nèi)移動(dòng)時(shí)無需任何切換，大大減少了信令的開銷。

　　在傳輸廣播業(yè)務(wù)的時(shí)隙采用單頻網(wǎng)配置的情況下，多個(gè)相鄰的小區(qū)采用統(tǒng)一的擾碼(包括Mid-amble碼)，就可以保證各個(gè)小區(qū)發(fā)射的信號(hào)完全相同，UE只需將多個(gè)小區(qū)發(fā)射的信號(hào)當(dāng)成多徑處理，可以非常簡單地實(shí)現(xiàn)UTN宏分集。但在一定程度上，單頻網(wǎng)要求接收機(jī)能夠容忍更長的時(shí)延擴(kuò)展。單頻網(wǎng)中，相鄰基站在同時(shí)同頻，發(fā)送相同的信號(hào)。這些信號(hào)是由相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)過相同的信道編碼、信道映射、擴(kuò)頻、打孔、交織、調(diào)制等過程的處理，最終形成。

　　單頻網(wǎng)應(yīng)用中最重要的技術(shù)，就是要求各個(gè)發(fā)射機(jī)所廣播的信號(hào)在頻率和時(shí)間上都保持同步。頻率同步即要求每個(gè)單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)的工作頻率都相同；對于多載波調(diào)制而言，還要求每個(gè)子載波的頻率相等。頻率同步可以通過與同一個(gè)參考頻率(一般使用來自GPS衛(wèi)星的10 MHz參考頻率)鎖相同步來實(shí)現(xiàn)。

　　如圖2所示，此時(shí)對手機(jī)接收機(jī)而言，來自于不同基站的信號(hào)可等價(jià)為多徑信號(hào)。因接收機(jī)無須區(qū)分信號(hào)是否來自于不同基站，復(fù)雜度大大降低。原本基站之間存在著同頻干擾，而手機(jī)需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算消除干擾；但SFN中，由于多徑信號(hào)豐富，反而使接收性能大大提高，進(jìn)而提高了頻譜利用率。

2.2單頻網(wǎng)(SFN)技術(shù)在物理層實(shí)現(xiàn)上的改進(jìn)

2.2.1一種動(dòng)態(tài)單頻網(wǎng)組網(wǎng)方法

　　在標(biāo)準(zhǔn)中初步使用的是基于O&M配置的SFN操作方法，這種操作方法靈活性較差，并且無法對接入MBMS業(yè)務(wù)的用戶進(jìn)行合理的分配。這是一種靜態(tài)的MBSFN方法。靜態(tài)的MBSFN方法應(yīng)用簡單，雖然能夠顯著的降低MBSFN的復(fù)雜性，但是靜態(tài)SFN方法的缺點(diǎn)卻是顯而易見的：

　　(1)O&M方式的SFN區(qū)域?yàn)榱烁采w到那些難以覆蓋到的用戶位置需要把整個(gè)區(qū)域設(shè)置的非常大。所以這種方案會(huì)不可避免的會(huì)造成無線資源和傳輸資源的浪費(fèi)，因?yàn)槟承]有MBMS業(yè)務(wù)UE接入的小區(qū)資源被空閑了。

　　(2)靜態(tài)SFN區(qū)域覆蓋的面積越大，就會(huì)造成越多的無線資源和傳輸資源的浪費(fèi)。但是在MBSFN區(qū)域中用戶配給方案并沒有得到及時(shí)的改進(jìn)。這種矛盾就可以通過動(dòng)態(tài)SFN方案來解決。

　　動(dòng)態(tài)SFN方法是先配置一個(gè)初始小區(qū)，當(dāng)處于邊緣地帶的申請MBMS接入業(yè)務(wù)的移動(dòng)終端，當(dāng)終端處于SFN保護(hù)區(qū)域時(shí)，終端發(fā)出SFN UP-DATE INDICATION消息來請求MCE增加相鄰小區(qū)到最終的SFN區(qū)域里面去。

　　動(dòng)態(tài)SFN方法是對原來的靜態(tài)SFN方法的一種進(jìn)步，因?yàn)樵瓉淼撵o態(tài)SFN是將提供MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域范同內(nèi)的所有小區(qū)固定為SFN區(qū)域，雖然方法簡單但是對于緊張的無線網(wǎng)絡(luò)資源來說是一個(gè)很大的弊端。動(dòng)態(tài)SFN先以當(dāng)前時(shí)刻提供MBMS業(yè)務(wù)的小區(qū)以及與他們相鄰近的小區(qū)定為初始小區(qū)，然后根據(jù)用戶終端移動(dòng)過程的需求來向上級(jí)發(fā)出請求，動(dòng)態(tài)的改變SFN區(qū)域范圍，雖然流程更加復(fù)雜，但是空閑出來的那些小區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)就被閑置出來，可以用于其他業(yè)務(wù)，這是非?？扇〉姆椒?。在動(dòng)態(tài)SFN方法中有一種基于簡單選擇方案的方法，是將所有與有MBMSUE接入的小區(qū)相鄰的小區(qū)全部歸入final area中，而現(xiàn)在出于提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的目的，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和MCE的能力和可靠性，又有一種動(dòng)態(tài)SFN的改進(jìn)方法，就是只將與兩個(gè)有MBMSUE接入的小區(qū)都相毗鄰的小區(qū)劃分到final area中去，而那些只與一個(gè)有MBMSUE接入的小區(qū)都相毗鄰的小區(qū)排除在外。

2.2.2單頻網(wǎng)(SFN)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)

　　單頻網(wǎng)的優(yōu)勢之處是顯而易見的，但是也有一定的局限性，TD-SCDMA是時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)，上下行鏈路占用相同頻率，而MBMS典型業(yè)務(wù)是下行廣播，顯然在TD-SCDMA中用一個(gè)單獨(dú)頻點(diǎn)組一個(gè)單頻網(wǎng)并不合適，會(huì)面臨頻譜資源和基站成本的問題；可能造成MBMS頻點(diǎn)的時(shí)隙(下行)和非MBMS頻點(diǎn)的相同時(shí)隙(上行)間的較強(qiáng)干擾。另外，單獨(dú)頻點(diǎn)也不利于與N頻點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行資源規(guī)劃和共用接收機(jī)。因此，在TD-MBMS中引入了基于SFN的同時(shí)隙網(wǎng)(union time-slot net-work，UTN)技術(shù)，UTN網(wǎng)絡(luò)提高了對手機(jī)接收機(jī)所容忍多徑延遲的要求。

　　TD-SCDMA是3G標(biāo)準(zhǔn)越來越重要的組成部分。目前TD系統(tǒng)采用N頻點(diǎn)組網(wǎng)方式，一個(gè)小區(qū)有1個(gè)主頻點(diǎn)和(N-1)個(gè)輔頻點(diǎn)資源。通常N=3，即5 MHz同頻組網(wǎng)，見圖3。

　　N頻點(diǎn)系統(tǒng)，每幀中只有主頻點(diǎn)以廣播方式發(fā)送TS0(時(shí)隙0)，而輔頻點(diǎn)則不發(fā)送該時(shí)隙。主頻點(diǎn)通常要在相鄰小區(qū)間進(jìn)行頻率規(guī)劃，盡量避免鄰區(qū)間的主頻點(diǎn)相同。

圖4給出了N頻點(diǎn)和UTN聯(lián)合組網(wǎng)示意圖。下行時(shí)隙可被配置為UTN或N頻點(diǎn)時(shí)隙；小區(qū)中不同頻點(diǎn)問UTN占用時(shí)隙可以相同或不同；但相鄰小區(qū)相同頻點(diǎn)的UTN時(shí)隙分配是相同的。UTN時(shí)隙用來發(fā)送MBMS廣播業(yè)務(wù)，在該時(shí)隙上，參與廣播的多個(gè)基站發(fā)送相同的信號(hào)，因此，UTN實(shí)際上是一種SFN網(wǎng)絡(luò)。

　　UTN時(shí)隙使用公共的Midamble碼、擾碼，亦即本小區(qū)和鄰小區(qū)的這些參數(shù)是相同的；在鄰區(qū)之間，該時(shí)隙所發(fā)射的數(shù)據(jù)也是由相同數(shù)據(jù)經(jīng)過相同的處理而形成。而其他的N頻點(diǎn)時(shí)隙，則采用本小區(qū)特定的Midamble碼和擾碼。TS6(時(shí)隙6)通常不用作UTN時(shí)隙，否則，當(dāng)手機(jī)在輔頻點(diǎn)接收MBMS業(yè)務(wù)時(shí)，由于射頻器件的限制，可能沒有足夠的時(shí)間切換到主頻點(diǎn)的TS0。

　　事實(shí)上，可將UTN時(shí)隙視為一個(gè)與N頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用的獨(dú)立的SFN無線網(wǎng)絡(luò)。UTN可以進(jìn)行區(qū)域化組網(wǎng)。相同的UTN時(shí)隙在不同的地域可以組成不同的UTN網(wǎng)絡(luò)，但不同UTN網(wǎng)絡(luò)之間應(yīng)該是地域隔離的。典型的場景是不同城市使用不同的UTN網(wǎng)絡(luò)播放各自的電視頻道?？梢詫頻點(diǎn)系統(tǒng)的UTN頻點(diǎn)和時(shí)隙資源進(jìn)行靈活的配置，例如將更多的下行時(shí)隙分配給UTN；各頻點(diǎn)上的UTN時(shí)隙數(shù)目不同，以適應(yīng)不同速率的業(yè)務(wù)等。

3結(jié)論

　　在未來移動(dòng)通信中，MBMS仍然是增加運(yùn)營收的主要應(yīng)用業(yè)務(wù)之一。LTE著重考慮的方面主要包括降低時(shí)延、提高用戶的數(shù)據(jù)率、增大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍以及降低運(yùn)營成本等。SFN和UTN組網(wǎng)相結(jié)合的方式的靈活性和高效性是顯而易見的。MBMS技術(shù)可極大地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，尤其是寶貴的空口資源，可實(shí)現(xiàn)多種豐富的視頻、音頻和多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)，為3G的發(fā)展提供更為廣闊的空間。