TD-MBMS業(yè)務(wù)及其實現(xiàn)

1、 TD-MBMS的概念

我國自主創(chuàng)新的TD-SCDMA技術(shù)已經(jīng)邁入了HSDPA時代，而在向TD-LTE演進(jìn)的道路上，TD-SCDMA多媒體廣播也是其中重要的里程碑之一。TD-SCDMA多媒體廣播正漸行漸近。

隨著社會的演變和科技的進(jìn)步，手機除了滿足基本通信的需要外，其多功能化和多媒體化的趨勢越來越明顯。從通話到短信，從上網(wǎng)到音樂，各類數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)層出不窮，如今3G+時代的帶來也讓我們“掌”握電視成為了現(xiàn)實。但是，目前國內(nèi)提供的手機電視是點對點單播模式的多媒體業(yè)務(wù)，這種方式的資源利用率低、成本高、資費昂貴，不利于業(yè)務(wù)的推廣；而如小區(qū)廣播這樣點對多點的廣播業(yè)務(wù)目前只能開展文本格式的短消息服務(wù)，不能滿足音視頻和數(shù)據(jù)等多樣化服務(wù)的需求。

因此，全球第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP在R6版本中引入了多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)功能——MBMS，其目的是為了支持廣播業(yè)務(wù)，在同一時間為了多用戶提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了更有效的TD-SCDMA上開展多媒體廣播業(yè)務(wù)(以下簡稱TD-MBMS)，在物理層引入了創(chuàng)新的增強技術(shù)，寫入3GPP R7及其演進(jìn)版本中。那么，TD-MBMS究竟能為移動用戶提供那些服務(wù)呢？

2 、TD-MBMS的應(yīng)用場景

TD-MBMS是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的增強特性，它不僅能開展典型的手機電視業(yè)務(wù)，還可以提供其它豐富多彩的應(yīng)用�？傮w上，TD-MBMS業(yè)務(wù)可以分為兩類，一類是音頻和視頻內(nèi)容的廣播；另一類是數(shù)據(jù)或文件內(nèi)容的廣播。具體而言，TD-MBMS還存在如下的應(yīng)用場景。

(1)無線電臺：通過手機收聽無線電臺廣播；

(2)多媒體雜志：含圖片、海量音樂、體育報道的多媒體雜志下發(fā)；

(3)在線交互：觀眾可通過手機實時投票、參與評論，也可通過相關(guān)鏈接進(jìn)行信息查詢或手機購物；

(4)實時路況信息：實時廣播路況信息，并且可附圖片或視頻等詳細(xì)信息；

(5)區(qū)域信息廣播：可基于特定區(qū)域下發(fā)商場促銷、旅游景點等信息。

3、 實現(xiàn)TD-MBMS的應(yīng)用

TD-MBMS的應(yīng)用各異，但這些應(yīng)用的實現(xiàn)可以歸納分為承載平面和業(yè)務(wù)平面。TD-MBMS承載平面基于3G分組網(wǎng)絡(luò)提供廣播業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)承載能力，其實現(xiàn)和終端(UE)、無線接入網(wǎng)(RAN)以及核心網(wǎng)(CN)相關(guān)；業(yè)務(wù)平面提供的是上層的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，由UE應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺(廣播業(yè)務(wù)中心，BM-SC)端到端配合實現(xiàn)。TD-MBMS網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖 1所示。內(nèi)容提供商提供內(nèi)容，經(jīng)過BM-SC將多媒體內(nèi)容傳輸給3G核心網(wǎng)，通過SGSN的Iu接口轉(zhuǎn)發(fā)給接入網(wǎng)絡(luò)，最后通過NodeB(基站)的Uu空中接口發(fā)送給UE，完成手機電視等多媒體內(nèi)容的廣播和展現(xiàn)。

相對于原有網(wǎng)絡(luò)，TD-MBMS系統(tǒng)新的功能實體——BM-SC，對已有的分組域功能實體如SGSN、GGSN、RNC和UE等增加TD-MBMS功能，并定義了新的邏輯信道(MTCH/MCCH等)來實現(xiàn)空口資源的共享。

其中，SGSN提供對用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制、支持TD-MBMS接收者在SGSN間的移動以及根據(jù)GGSN發(fā)送的通知建立或釋放Iu、Gn承載等承載功能；GGSN作為TD-MBMS數(shù)據(jù)的IP組播業(yè)務(wù)節(jié)點，根據(jù)BM-SC的通知請求為廣播建立或釋放用戶面承載；從BM-SC或其它數(shù)據(jù)源接收IP組播內(nèi)容，并通過GTP隧道路由；以及消息通知、計費數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)QoS協(xié)商。

作為新增的網(wǎng)元，BM-SC的功能主要包括內(nèi)容分發(fā)和業(yè)務(wù)管理兩個方面。其中內(nèi)容提供商通過互聯(lián)網(wǎng)向BM-SC遞交編碼并加擾后的節(jié)目內(nèi)容，在BM-SC進(jìn)行存儲和內(nèi)容審核后通過核心網(wǎng)分組域節(jié)點GGSN以流媒體(音視頻廣播業(yè)務(wù))或文件(數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù))的方式進(jìn)行廣播。業(yè)務(wù)管理的主要功能如下。

(1)用戶認(rèn)證；

(2)業(yè)務(wù)和內(nèi)容保護(hù)；

(3)密鑰管理；

(4)業(yè)務(wù)指南管理；

(5)業(yè)務(wù)訂購；

(6)業(yè)務(wù)計費。

另外，TD-MBMS的業(yè)務(wù)保護(hù)基于分層密鑰體系(共享密鑰、用戶密鑰、業(yè)務(wù)密鑰和節(jié)目流密鑰)，有效實現(xiàn)用戶認(rèn)證、業(yè)務(wù)定購和內(nèi)容加密，有效保障了系統(tǒng)和業(yè)務(wù)運營的安全性。

4 、TD-MBMS的關(guān)鍵技術(shù)

相比于其它制式的多媒體廣播，TD-MBMS采用一些獨特的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括如下。

4.1 宏分集技術(shù)

在TD-MBMS系統(tǒng)中支持兩種宏分集方案。方案1是對于內(nèi)容相同的MBMS業(yè)務(wù)，采用同頻點、同時隙、同碼道、同步發(fā)送相同內(nèi)容，而且使用相同的Midamble碼和擾碼；方案2是對于內(nèi)容相同的MBMS業(yè)務(wù)，采用同頻點、同時隙、同碼道、同步發(fā)送相同內(nèi)容，但是采用各小區(qū)原有的擾碼和Midamble碼。

4.1.1 UTN宏分集

在傳輸廣播業(yè)務(wù)的時隙采用單頻網(wǎng)配置的情況下，多個相鄰的小區(qū)采用統(tǒng)一的擾碼(包括Midamble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(dāng)成多徑處理，可以非常簡單地實現(xiàn)UTN宏分集。

在這種情況下，當(dāng)在多個小區(qū)中傳輸廣播業(yè)務(wù)時，RNC為多個小區(qū)統(tǒng)一分配廣播業(yè)務(wù)資源，并指定該廣播業(yè)務(wù)使用的擾碼和Midamble碼，通過信令告知各Node B和UE；各小區(qū)使用這些特定碼來形成廣播業(yè)務(wù)突發(fā)，并在相同的時頻資源上進(jìn)行傳輸；UE在相應(yīng)資源位置接收到多個小區(qū)同時傳輸?shù)南嗤�突發(fā)，之后采用指定的Midamble碼進(jìn)行聯(lián)合信道估計，以及指定的擾碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，就可解調(diào)出所要的廣播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

4.1.2 聯(lián)合檢測的宏分集

在傳輸廣播業(yè)務(wù)的時隙采用現(xiàn)有的同頻網(wǎng)配置的情況下，而擾碼和Midamble碼的配置仍舊基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)配置。TD-MBMS系統(tǒng)根據(jù)廣播業(yè)務(wù)的特點：各小區(qū)發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，而不是像其它干擾一樣完全無用。聯(lián)合檢測的宏分集技術(shù)充分利用這一特點，通過RNC統(tǒng)一控制，保證相鄰基站在相同的時間通過相同傳輸資源發(fā)送相同的廣播數(shù)據(jù)，終端在接收信號的時候，可以采用宏分集的聯(lián)合檢測算法，將鄰小區(qū)信號作為有用信號而不是干擾，通過物理層合并的方式，大大改善了接收可靠性。

宏分集的聯(lián)合檢測算法根據(jù)對各同頻相鄰小區(qū)的測量，選取進(jìn)行宏分集合并的相鄰小區(qū)；獲取本小區(qū)及選取的相鄰小區(qū)的廣播/組播信號，并對其進(jìn)行多小區(qū)聯(lián)合信道估計，得到本小區(qū)及所述相鄰小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)結(jié)果；根據(jù)各小區(qū)的信道響應(yīng)結(jié)果分別計算各小區(qū)的傳輸矩陣并合并，利用合并后傳輸矩陣進(jìn)行聯(lián)合檢測，獲得檢測數(shù)據(jù)�；蛘呦葘τ嬎愫蟮玫降母餍�區(qū)的傳輸矩陣分別進(jìn)行聯(lián)合檢測，然后對檢測的結(jié)果進(jìn)行分集合并，獲得檢測數(shù)據(jù)。利用這種算法，可以大大提高同頻廣播業(yè)務(wù)的接收性能。

4.2 隨機相位偏轉(zhuǎn)

由于現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中，UE從多個小區(qū)接收的信號進(jìn)行疊加后可能產(chǎn)生深衰落現(xiàn)象，會使得功率疊加增益降低。

因此，為了提高小區(qū)的MBMS業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，考慮對多個小區(qū)的發(fā)送端分別引入不同的隨機相位旋轉(zhuǎn)，改善信道特性，使得產(chǎn)生深衰落的地理位置隨機變化，避免了某些地理位置上的用戶始終處于深衰落狀態(tài)。

由于人為改變信道特性僅僅是針對基站設(shè)備的軟件實現(xiàn)的更改，對終端設(shè)備無任何影響。

4.3 支持靈活的配置

4.3.1 支持靈活的廣播區(qū)域配置

可以針對時隙配置不同大小的廣播區(qū)域，比如足球賽開戰(zhàn)之前在足球賽場及周邊區(qū)域廣播本次比賽雙方隊員的介紹、歷史戰(zhàn)績等，運營商可以在這片區(qū)域內(nèi)選取某個頻點上的某個時隙組成一個UTN網(wǎng)絡(luò)，來傳輸這個業(yè)務(wù)。

4.3.2 支持靈活的資源配置

系統(tǒng)支持靈活的資源分配，針對比較固定的業(yè)務(wù)如電視頻道，可以采用靜態(tài)的資源分配方式，在小區(qū)建立時配置好相應(yīng)資源；對于隨機性的業(yè)務(wù)可以在業(yè)務(wù)發(fā)起前分配資源，業(yè)務(wù)結(jié)束后進(jìn)行釋放，這樣可以充分利用系統(tǒng)資源。

4.4 Iub口傳輸共享

傳統(tǒng)的TD基站中的不同小區(qū)，即使傳送相同的MBMS業(yè)務(wù)也需要建立和使用不同的傳輸承載，這對TD基站和基站控制器(RNC)之間的Iub接口資源造成很大的浪費。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的Iub接口進(jìn)行升級，在同一個NodeB下的多個小區(qū)同時傳輸相同MBMS業(yè)務(wù)的情況下，可以實現(xiàn)FACH信道承載共享，這樣可以大大節(jié)省Iub接口的傳輸資源。

采用以上關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合TD-SCDMA原有特點，使得TD-MBMS具備如下技術(shù)特點。

(1)作為同步系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)SFN宏分集；

(2)通過時分方式傳輸業(yè)務(wù)，更利于終端省電；

(3)采用簡化的傳輸過程，降低了系統(tǒng)和終端的處理復(fù)雜性；

(4)靈活的資源配置能有效利用無線資源；

(5)支持Iub接口承載共享提高了傳輸效率。

5 、TD-MBMS頻譜效率分析

眾所周知，無線頻譜資源和水電煤氣等基礎(chǔ)能源等一樣都是稀缺的公用資源。單位頻譜資源(每赫茲)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率(比特率)，或者簡稱為頻譜效率通常被認(rèn)為是判斷手機電視技術(shù)體制競爭力的關(guān)鍵指標(biāo)。

縱觀全球所有廣播制式的手機電視標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，業(yè)界公認(rèn)頻譜效率較高的是高通設(shè)計的MediaFLO。MediaFLO基于OFDM傳輸體制，并為手機電視業(yè)務(wù)量身定做的技術(shù)。在美國Verizon Wireless預(yù)商用的MediaFLO系統(tǒng)中，利用6M帶寬運營20套電視節(jié)目，每個頻道的速率約320kbit/s，其理論的頻譜效率為1~1.2bit/s/Hz；歐洲主流的DVB-H在不同的信噪比環(huán)境下，采用16QAM調(diào)制下理論頻譜效率可達(dá)0.8~2bit/s/Hz，更高階的64QAM調(diào)制下可達(dá)1.5～3bit/s/Hz。

但是，實際上64QAM的調(diào)制方式對于多數(shù)手機電視系統(tǒng)來說是可望而不可及的。這不光是終端處理能力有限的問題，最關(guān)鍵的是受制于SFN單頻網(wǎng)大區(qū)廣播的各種信噪比(SNR)等級的瓶頸。因為在大區(qū)廣播下，只有很少區(qū)域下的信噪比環(huán)境可以支持64QAM調(diào)制，更多的區(qū)域只能支持16QAM或QPSK調(diào)制。為了兼顧SNR等級和頻譜效率業(yè)界提出了分層調(diào)制的技術(shù)，但是目前商用的MediaFLO和DVB-H僅僅是針對16QAM調(diào)制采用了分層調(diào)制技術(shù)，實際應(yīng)用下對于64QAM的分層調(diào)制幾乎是不可能的，用戶的體驗會非常差；日韓采用的T-DMB沒有采用分層技術(shù)，因此頻譜效率都低于1bit/s/Hz。相對而言，如果采用功率受限的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，理想的調(diào)制方式是最常見的QPSK調(diào)制，在頻譜效率上存在明顯的短板。

大區(qū)制式的手機電視系統(tǒng)只有在大范圍覆蓋的中間地帶才具有進(jìn)行高階調(diào)制(16QAM及以上)的信噪比環(huán)境，而基于移動通信的MBMS 無論采用UTN(同時隙網(wǎng))或SFN(專用載波)，即便在小區(qū)邊緣都可以進(jìn)行16QAM。而16QAM正是HSDPA的基礎(chǔ)技術(shù)，目前從終端到網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)全面實現(xiàn)。經(jīng)理論計算和仿真驗證，TD-MBMS UTN的頻譜效率達(dá)到1.2bit/s/Hz，而TD-MBMS SFN體制下可以達(dá)到1.7bit/s/Hz。

6、 TD-MBMS的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

2007年3月，中國公司聯(lián)名在愛沙尼亞3GPP RAN35次全會上，提交了LCR TDD MBMS物理層增強的工作項目(WI)立項申請，立項通過；隨后在馬耳他RAN1＃48bis會議上和RAN1～RAN4小組日本會議上，中國公司一共提交了40多篇文稿，并全部通過；5月在韓國3GPP RAN36次全會上完成LCR MBMS增強WI項目并正式發(fā)布。至此，在TD-SCDMA國際標(biāo)準(zhǔn)的R7版本中，在混合載波和單獨載波MBMS中正式引入了SFN宏分集、聯(lián)合檢測、相位偏轉(zhuǎn)、接收分集和高階調(diào)制等物理層增強技術(shù)，為LCR TDD MBMS的長期演進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。

2007年2月，我國信息產(chǎn)業(yè)部召開TD-SCDMA手機電視啟動會議，并成立TD-SCDMA多媒體廣播業(yè)務(wù)方案起草組。4月在CCSA TC5第12次全會WG9會議上，遞交了“2GHz TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)多媒體廣播系統(tǒng)(TD-MBMS)總體技術(shù)要求(第一階段)”制修訂通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項目建議書。8月在TC5 WG9 15次會議上通過了TD-MBMS總體技術(shù)要求的送審稿。2008年2月，CCSA正式對外公示了兩項TD-MBMS行標(biāo)報批稿：“2GHz TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)多媒體廣播系統(tǒng)(TD-MBMS)總體技術(shù)要求(第一階段)”和“2GHz TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)多媒體廣播系統(tǒng)(TD-MBMS) 無線接入子系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求(第一階段)”。這為TD多媒體廣播業(yè)務(wù)后續(xù)試驗和推廣奠定了規(guī)范基礎(chǔ)。

在后續(xù)的3GPP RAN35次全會上，中國公司聯(lián)合提交了LCR TDD MBMS物理層增強的work item立項申請，主要是引入了SFN的傳輸方式、并提出專用載波的概念，同時推出了聯(lián)合檢測的應(yīng)用場景。另外，為滿足系統(tǒng)傳輸效率和大區(qū)覆蓋的需求，提出采用專門的載波用于承載MBMS業(yè)務(wù)，終端使用雙接收機進(jìn)行接收，該專用載波采用全下行發(fā)射，并且對時隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了傳輸效率，并且可以支持大區(qū)覆蓋。

在標(biāo)準(zhǔn)化切實推進(jìn)的同時，TD-MBMS的產(chǎn)業(yè)化工作也正在緊鑼密鼓的推進(jìn)當(dāng)中。從2007年上半年開始，四大TD設(shè)備廠商(大唐、中興、鼎橋、普天)相繼投入了TD設(shè)備的開發(fā)，大唐、展訊、聯(lián)想、中興等終端和芯片廠商也同步開發(fā)TD-MBMS終端。2007年10月，在北京國際通信展上首次演示了TD-MBMS手機電視業(yè)務(wù)。

2008年年初，隨著TD-MBMS行標(biāo)的頒布，由信息產(chǎn)業(yè)部組織的TD-MBMS實驗室測試工作也已經(jīng)在深入開展，幾乎所有的TD主流廠商都參與到了此次測試中。根據(jù)政府產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的要求，后續(xù)還將在中國移動的TD-SCDMA外場開展真實網(wǎng)絡(luò)的測試，以驗證TD-MBMS商用化能力。衷心期待我國自主創(chuàng)造和自主制造的TD-MBMS能早日走進(jìn)我們的生活。