基于TD-SCDMA的MBMS技術的研究

0引言

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

　　手持電視技術主要分為3類：分別源于地面數字廣播技術、衛(wèi)星傳輸技術和移動網絡技術。第一類技術以歐洲的DVB-H、韓國的T-DMB、日本的ISDB-T、美國的MediaFlo和中國的CMMB為代表，實現上以地面廣播網絡為基礎，與移動網絡松耦合或相對獨立組網；第二類技術以韓國、日本以及歐洲一些國家采用的S-DMB為代表，實現上以衛(wèi)星傳送為基礎，輔以地面廣播網絡，與移動網絡結合或相對獨立組網；第三類技術以3GPP的MBMS和3GPP2的BCMCS為代表，實現上以移動網絡為基礎，不能相對于移動網絡獨立組網。

　　手機電視業(yè)務的高帶寬、突發(fā)多用戶的需求，與移動網本身帶寬和容量資源嚴重不足形成難以解決的矛盾。因此，點對點方式提供手機電視的大規(guī)模商用服務并不可行，而采用廣播方式的手機電視技術將是該業(yè)務發(fā)展的必然趨勢。 1基于TD-SCDMA的MBMS技術的介紹

1.1 MBMS總體架構

　　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不僅能實現純文本低速率的消息類組播和廣播，而且還能實現高速多媒體業(yè)務的組播和廣播。

　　組播和廣播業(yè)務MBMS基于WCDMA／GSM分組網，通過增加一些新的功能實體，如廣播組播業(yè)務中心BM-SC，對已有的分組域功能實體如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現空口資源共享。如圖1所示，對原有網絡主要改動是：增加BM-SC網元，對現有分組域相關網元進行功能升級，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)務流程(如訂閱)，這里唯一新增的接口是Gmb接口。

1.2 MBMS的技術優(yōu)勢

　　3GPP在R6版本中定義的MBMS是指無線網絡中一個數據源向多個用戶發(fā)送數據的點到多點(p-t-m)業(yè)務，在不改變網絡結構的基礎上實現網絡資源共享。除了移動核心網和接入網資源，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)勢在于不僅能實現純文本低速率的消患類組播和廣播，還能實現高速率多媒體數據業(yè)務的組播和廣播，從而彌補IP組播技術不能使多個移動用戶共享移動司絡資源的不足。

　　在終端方面，MBMS仍然最大限度地繼承了已有的3GPP標準，在終端耗電、存儲、多媒體處理、顯示等技術得到改善的同時，僅僅是原有基帶處理功能的增強。因此，承載寬帶多媒體業(yè)務的MBMS終端與現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的速率進行下載和流媒體的傳送。在互動方面，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行業(yè)務訂閱、業(yè)務加入等業(yè)務控制流程，同時利用上行業(yè)務信道實現與下行廣播／組播配合的一些交互類業(yè)務。

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

2 基于TD-SCDMA的MBMS技術在物理層上的最主要發(fā)展

2.1單頻網(SFN)技術

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

　　在傳輸廣播業(yè)務的時隙采用單頻網配置的情況下，多個相鄰的小區(qū)采用統(tǒng)一的擾碼(包括Mid-amble碼)，就可以保證各個小區(qū)發(fā)射的信號完全相同，UE只需將多個小區(qū)發(fā)射的信號當成多徑處理，可以非常簡單地實現UTN宏分集。但在一定程度上，單頻網要求接收機能夠容忍更長的時延擴展。單頻網中，相鄰基站在同時同頻，發(fā)送相同的信號。這些信號是由相同的業(yè)務數據經過相同的信道編碼、信道映射、擴頻、打孔、交織、調制等過程的處理，最終形成。

　　單頻網應用中最重要的技術，就是要求各個發(fā)射機所廣播的信號在頻率和時間上都保持同步。頻率同步即要求每個單頻網發(fā)射機的工作頻率都相同；對于多載波調制而言，還要求每個子載波的頻率相等。頻率同步可以通過與同一個參考頻率(一般使用來自GPS衛(wèi)星的10 MHz參考頻率)鎖相同步來實現。

　　如圖2所示，此時對手機接收機而言，來自于不同基站的信號可等價為多徑信號。因接收機無須區(qū)分信號是否來自于不同基站，復雜度大大降低。原本基站之間存在著同頻干擾，而手機需要進行復雜計算消除干擾；但SFN中，由于多徑信號豐富，反而使接收性能大大提高，進而提高了頻譜利用率。

2.2單頻網(SFN)技術在物理層實現上的改進

2.2.1一種動態(tài)單頻網組網方法

　　在標準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)務的用戶進行合理的分配。這是一種靜態(tài)的MBSFN方法。靜態(tài)的MBSFN方法應用簡單，雖然能夠顯著的降低MBSFN的復雜性，但是靜態(tài)SFN方法的缺點卻是顯而易見的：

　　(1)O&M方式的SFN區(qū)域為了覆蓋到那些難以覆蓋到的用戶位置需要把整個區(qū)域設置的非常大。所以這種方案會不可避免的會造成無線資源和傳輸資源的浪費，因為某些沒有MBMS業(yè)務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，就會造成越多的無線資源和傳輸資源的浪費。但是在MBSFN區(qū)域中用戶配給方案并沒有得到及時的改進。這種矛盾就可以通過動態(tài)SFN方案來解決。

　　動態(tài)SFN方法是先配置一個初始小區(qū)，當處于邊緣地帶的申請MBMS接入業(yè)務的移動終端，當終端處于SFN保護區(qū)域時，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。

　　動態(tài)SFN方法是對原來的靜態(tài)SFN方法的一種進步，因為原來的靜態(tài)SFN是將提供MBMS業(yè)務區(qū)域范同內的所有小區(qū)固定為SFN區(qū)域，雖然方法簡單但是對于緊張的無線網絡資源來說是一個很大的弊端。動態(tài)SFN先以當前時刻提供MBMS業(yè)務的小區(qū)以及與他們相鄰近的小區(qū)定為初始小區(qū)，然后根據用戶終端移動過程的需求來向上級發(fā)出請求，動態(tài)的改變SFN區(qū)域范圍，雖然流程更加復雜，但是空閑出來的那些小區(qū)的無線網絡就被閑置出來，可以用于其他業(yè)務，這是非?？扇〉姆椒?。在動態(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，而現在出于提高網絡資源利用率的目的，根據網絡拓撲結構和MCE的能力和可靠性，又有一種動態(tài)SFN的改進方法，就是只將與兩個有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(SFN)技術的發(fā)展和改進

　　單頻網的優(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)務是下行廣播，顯然在TD-SCDMA中用一個單獨頻點組一個單頻網并不合適，會面臨頻譜資源和基站成本的問題；可能造成MBMS頻點的時隙(下行)和非MBMS頻點的相同時隙(上行)間的較強干擾。另外，單獨頻點也不利于與N頻點系統(tǒng)進行資源規(guī)劃和共用接收機。因此，在TD-MBMS中引入了基于SFN的同時隙網(union time-slot net-work，UTN)技術，UTN網絡提高了對手機接收機所容忍多徑延遲的要求。

　　TD-SCDMA是3G標準越來越重要的組成部分。目前TD系統(tǒng)采用N頻點組網方式，一個小區(qū)有1個主頻點和(N-1)個輔頻點資源。通常N=3，即5 MHz同頻組網，見圖3。

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

圖4給出了N頻點和UTN聯合組網示意圖。下行時隙可被配置為UTN或N頻點時隙；小區(qū)中不同頻點問UTN占用時隙可以相同或不同；但相鄰小區(qū)相同頻點的UTN時隙分配是相同的。UTN時隙用來發(fā)送MBMS廣播業(yè)務，在該時隙上，參與廣播的多個基站發(fā)送相同的信號，因此，UTN實際上是一種SFN網絡。

　　UTN時隙使用公共的Midamble碼、擾碼，亦即本小區(qū)和鄰小區(qū)的這些參數是相同的；在鄰區(qū)之間，該時隙所發(fā)射的數據也是由相同數據經過相同的處理而形成。而其他的N頻點時隙，則采用本小區(qū)特定的Midamble碼和擾碼。TS6(時隙6)通常不用作UTN時隙，否則，當手機在輔頻點接收MBMS業(yè)務時，由于射頻器件的限制，可能沒有足夠的時間切換到主頻點的TS0。

　　事實上，可將UTN時隙視為一個與N頻點網絡時分復用的獨立的SFN無線網絡。UTN可以進行區(qū)域化組網。相同的UTN時隙在不同的地域可以組成不同的UTN網絡，但不同UTN網絡之間應該是地域隔離的。典型的場景是不同城市使用不同的UTN網絡播放各自的電視頻道。可以對N頻點系統(tǒng)的UTN頻點和時隙資源進行靈活的配置，例如將更多的下行時隙分配給UTN；各頻點上的UTN時隙數目不同，以適應不同速率的業(yè)務等。

3結論

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