WCDMA/GSM网络中的组播和广播业务

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一、概述

    组播和广播是一种从一个数据源向多个目标传送数据报文的技术。在传统移动网络中，小区广播业务（CBS：Cell Broadcast Service）允许低比特率数据通过小区共享广播信道向所有用户发送，属于消息类业务。

    现在，人们对移动通信的需求已不再满足于电话和消息业务，随着Internet的迅猛发展，大量多媒体业务涌现出来，其中一些应用业务要求多个用户能同时接收相同数据，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教育、互动游戏等。这些移动多媒体业务与一般的数据相比，具有数据量大、持续时间长、时延敏感等特点。目前的IP组播技术只适用于有线IP网络，不适用于移动网络，因为移动网络具有特定的网络结构、功能实体和无线接口，这些都与有线IP网络不同。

    为了有效地利用移动网络资源，WCDMA/GSM全球标准化组织3GPP提出了组播和广播业务（MBMS：Multimedia Broadcast/Multicast Service），在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空口接口资源。3GPP定义的MBMS不仅能实现纯文本低速率的消息类组播和广播，而且还能实现高速多媒体业务的组播和广播，这无疑顺应了未来移动数据发展的趋势。

    二、WCDMA/GSM网络中组播和广播业务的实现

    1、组播和广播业务的网络框架

    组播和广播业务MBMS基于WCDMA/GSM分组网，通过增加一些新的功能实体，如广播组播业务中心BM-SC，对已有的分组域功能实体如SGSN、GGSN、RNC和UE等增加MBMS功能，并定义了新的逻辑共享信道来实现空口资源共享。

    MBMS的网络参考模型如图1所示，其中的虚线为可选择的接口，可根据运营商的业务需要决定是否支撑。MBMS承载业务的边缘为Gmb、Gi参考点，即广播组播业务中心BM-SC与GGSN之间的接口，Gmb接口提供控制面功能，Gi接口为用户面承载功能。这里唯一新增的接口是Gmb接口，其它都是WCDMA/GSM网络已经存在的接口。





图1  WCDMA/GSM网络中组播和广播业务网络框架

    广播组播业务中心BM-SC为新增的移动网功能实体，它是内容提供者的入口，用于授权和在移动网中发起MBMS承载业务，并按照预定时间计划传送MBMS内容。其功能包括：

    ※  对第三方内容提供商鉴权、授权和计费；

    ※  提供MBMS传输相关参数，如QoS、组播广播区域，发起和终止MBMS传输资源；

    ※  从外部数据源接收并传送MBMS内容，安排MBMS会话传送并告知用户，会话重传等；

    ※  业务声明，包括媒体描述、会话描述如组播业务标识、地址、传送时间等。

    对已有的WCDMA/GSM分组网功能实体GGSN、SGSN、RNC/BSC和UE，也需要增加MBMS相关功能和过程，其中针对MBMS新增如下功能：

    ※  UE支撑激活/去激活MBMS业务；MBMS安全相关功能，如对内容进行加密和一致性保护；接收MBMS业务声明、寻呼信息或支撑同步业务；根据MBMS会话标识决定是否忽略MBMS会话。

    ※  RAN/BSC在预定的组播或广播业务区域传送MBMS数据，组播模式下RAN根据小区中当前服务用户数目和可用无线资源选择合适的无线承载，即选择共享信道或专有信道；支撑核心网发起和终止MBMS传送；支撑MBMS接收者在RNC间的移动，这可能会引起一些数据的丢失；支撑传输MBMS业务声明、寻呼信息、MBMS并行业务，如接收MBMS视频内容同时进行语音呼叫和消息业务。

    ※  SGSN对用户进行网络控制；支撑MBMS接收者在SGSN间的移动；组播业务计费，包括后付费和预付费用户；根据GGSN发送的通知建立或释放Iu、Gn承载。

    ※  GGSN作为MBMS数据的IP组播业务节点，根据BM-SC的通知请求为广播或组播传送建立或释放用户面承载；从BM-SC或其它数据源接收IP组播内容，并通过GTP隧道路由；以及消息通知、计费数据手机、业务（QoS）协商。

    ※  CAMEL业务环境CSE与SGSN间的接口利用CAMEL为预付费用户提供MBMS业务；小区广播中心CBC可用于向用户发布MBMS业务声明；组播广播业务中心BM-SC通过开放业务环境OSA（Open Service Architecture）与第三方进行交互。

    2、组播和广播的业务流程

    MBMS包括组播模式和广播模式。组播模式需要用户签约相应组播组，进行业务激活，并产生相应的计费信息。由于组播和广播模式在业务需求上存在不同，导致其业务流程也不同，具体参见图2、图3。



图2  MBMS组播模式业务流程



图3  MBMS广播模式业务流程

    MBMS业务声明机制可使用户得到MBMS业务的相关信息，如地理范围、IP组播地址、业务开始时间等。运营商可考虑采用多种方式来实现业务声明，如通过小区广播、MBMS广播模式、MBMS组播模式、PUSH机制（WAP、SMS、MMS）、URL（HTTP、FTP）。

    用户加入或退出某个组播组，可通过IGMP（Internet Group Management Protocol）协议或MLD（Multicast Listener Discovery）协议来实现。UE和GGSN必须支撑IGMP（IPv4）/MLD（IPv6）协议，通过已建立的UE与GGSN间的承载通道，UE向GGSN发送IGMP/MLD的Join、Leave消息。在用户加入后，CN、RAN节点都将保存该用户多播业务的MBMS内容（MBMS Context）。

    会话的开始、结束是由广播组播业务中心BM-SC发起的，触发由MBMS数据传送建立或释放相应的网络资源，包括GTP用户面、Iu接口和空中承载。该过程与用户加入或退出某个组播组过程完全独立。MBMS通知是指网络侧通知UE将传送MBMS数据。MBMS承载内容（MBMS Bearer Context）包括所有的MBMS承载相关信息，在MBMS数据传送阶段建立，保存在SGSN、GGSN和RNC中。

    3、组播和广播业务的实现

    由于MBMS业务的数据流量较大、持续时间较长，为了节省空口资源，WCDMA网络提出了一种新的逻辑共享信道，RNC根据一定的规则决定MBMS数据通过共享信道或专有信道下发给UE，具体采用何种规则则由运营商自行决定。例如，RNC可根据每个小区中加入组播的用户数目大于某阀值时使用共享信道。

    目前的移动网络不支撑多播和广播能力，因此必须为WCDMA/GSM定义一系列MBMS业务流程：

    ※  MBMS多播业务激活流程（MBMS Multicast Service Activation Procedure）；

    ※  MBMS会话开始流程（MBMS Session Start Procedure）；

    ※  MBMS登记流程（MBMS Registration Procedure）；

    ※  MBMS会话结束流程（MBMS Session Stop Procedure）；

    ※  MBMS去登记流程（MBMS De-Registration Procedure）；

    ※  MBMS多播业务去激活流程（MBMS Multicast Service De-activation Procedure）；

    ※  Iu承载释放流程（Iu Bearer Plane Release Procedure）；

    ※  RAN资源建立（RAN Resource Setup）；

    ※  SGSN间RA更新过程流程 （Inter SGSN Routing Area Update Procedure）；

    ※  SGSN间SRNA迁移流程（Inter SGSN Serving RNS Relocation Procedure）；

    ※  MBMS广播业务激活（MBMS Broadcast Service Activation）；

    ※  MBMS广播业务去激活（MBMS Broadcast Service De-activation）；

    ※  MBMS广播会话开始流程（MBMS Broadcast Session Start Procedure）。

    为实现上述流程，需要在WCDMA/GSM分组网的已有接口上，包括SGSN与GGSN之间的Gn/Gp接口，SGSN与RNC之间的Iu接口，RNC之间的Iur接口，定义MBMS业务相关的消息和参数，同时还需要新定义BM-SC与GGSN之间的控制接口协议。

    4、组播和广播业务的其它方面

    在业务质量方面，移动网络需要对MBMS QoS进行控制。与其它点到点数据业务不同，MBMS仅仅支撑Background、Streaming两种业务类型，Background适于消息和下载类应用，Streaming适于流应用，同时MBMS还需要支撑较高的SDU错误率。

    MBMS数据分发的路径，包括多个RNC和SGSN，所有的路径均使用相同的QoS。对于MBMS，移动网不需要进行QoS协商机制，这就意味着可能会有一些MBMS业务路径因QoS需求不能满足而导致路径下的用户业务失败。

    从严格意义上说，MBMS是一种网络技术，基于MBMS技术可实现许多应用。表1是一些基于MBMS的具体业务应用的典型数据比特率。



表1  MBMS应用的典型媒体类型和数据速率

    MBMS媒体的编解码和格式，包括音频、视频、图片、文本等多种媒体类型，3GPP将定义媒体编解码和格式的最小集合，来实现业务的互通。MBMS媒体编解码和格式的最小集合将与分组流业务和多媒体消息业务的媒体编解码和格式保持一致。

    在MBMS安全方面，UE和BM-SC之间可对组播和广播内容进行加密和完整性保护，BM-SC必须能对每个组播和广播内容提供者进行鉴权和授权。

    MBMS与其它业务之间存在着一定的相互作用，当用户需要将通过MBMS接收的内容进行存储并转发给其它用户时，需要考虑数据权限管理（DRM：Digital Right Management）的限制和相应的计费能力。当与用户信息相互作用时，MBMS用户业务将使用通用用户信息GUP（Generic User Profile）机制。

    三、组播和广播业务规范的进展和业务前景

    目前，3GPP对MBMS的标准化工作正在进行之中，预计可在2004年3月份完成，属于R6业务特性。其中，MBMS的业务需求、结构和功能描述已经完成，接入网和核心网的各个接口协议和消息流程正在制订中。MBMS的业务流程比较复杂，涉及到很多网络实体，包括UE、RNC、SGSN、GGSN和BM-SC，这些实体都必须支撑MBMS的相关功能流程。

    随着大屏幕多功能手机的普及，移动数据业务的应用越来越广泛，人们已不再满足于简单的手机上网浏览业务，各种高带宽多媒体业务如视频会议、电视广播、视频点播、广告等将不断出现，一方面满足移动用户不断上升的业务需求，同时也为移动运营商带来新的业务增长点。MBMS技术通过提高网络资源利用率，尤其是宝贵的空口资源，可实现多种丰富的视频音频和多媒体业务，为3G的发展提供更好的业务前景。

    参考文献：

    [1] 3GPP TS 23.246 Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description (Release 6)

    [2]3GPP TS 22.146Multimedia Broadcast/Multicast Service; Stage 1(Release 6)

    [3]3GPP TS 22.246MBMS User Services; Stage 1(Release 6