TD-MBMS

多媒體廣播組播業務（MBMS：Multimedia Broadcast Multicast Service）是3GPP R6版本中引入的一項重大功能，TDD MBMS技術相關後續版本仍在持續制定當中。

TD-MBMS由3GPP在R6版本中引入。作為一種依託於3G無線網路的視頻廣播技術，在保證移動運營商完全控制業務的基礎上，TD-MBMS在物理層引入了創新的技術，大大降低了視頻數據的無線傳輸成本，並體現在R7及其演進版本中。

R7 MBMS在設計理念上與R6有幾個主要的不同之處：採用SFN來提高系統的效率和性能；省略或簡化多播業務的信令互動流程。在R7中，成功地在混合載波和單獨載波TD-MBMS中引入SFN宏分集、聯合檢測、相位偏轉、接收分集和高階調製等物理層增強技術。而後在TD-LTE中，還引入了E-MBMS（增強的MBMS）功能。

基本介紹

• 中文名：TD-MBMS
• 外文名：TD-MBMS
• 套用學科：通信

摘要

本論文針對基於TD-SCDMA系統中TD-MBMS的技術特點，參考系統架構，MAC層結構進行了介紹，對基於HSDPA技術的TD-MBMS改進和LTE中E-MBMS的技術演進進行了初步研究。

概述

3GPP中定義的MBMS技術分為FDD（適用於WCDMA系統）和TDD（適用於TD-SCDMA系統）兩種方式。在3GPP R6版本中，TDD MBMS和FDD MBMS的高層協定以及相關業務流程完全一致，只在物理層上稍有區別<SUP>[1]</SUP>。FDD MBMS技術在3GPP R6版本中已經基本完成標準化工作，TDD MBMS技術在3GPP R7版本繼續研究。TD-MBMS採用現TD-SCDMA系統幀結構，信道的復接、編碼，調製、交織和打孔都遵循現有信號流程規範，目前TD-MBMS採用公共信道的方式來實現的，空中接口的無線資源套用基於公共信道的技術方式。

TD-MBMS引技術特點

3.1 宏分集技術

TDD系統中，基站要求完全同步，這恰恰是MBMS點對多技術的優勢，多個小區傳送完全相同的業務是多媒體廣播業務的主要特點之一，如果能夠保證多個小區同時傳送，並且終端能夠將這些無線信號都作為有用信號進行合併，則可以降低基站的發射功率，相對於FDD系統來說，由於基站之間是異步的，為了保證多小區信號能夠合併，在基站控制器中需要定義小區組（cell group），保證小區組內基站之間的時延在一定範圍之內，從而終端能夠進行有用信號合併。然而在TDD系統中，只要保證所有站點在相同的載頻、相同的時隙上承載相同業務，則終端就可以在同一時刻接收到多個相鄰小區的同一業務信號，進行宏分集，從而提高接收性能，以降低基站發射功率。在TD-MBMS系統中支持兩種宏分集方案<SUP>[2]</SUP>。一是對於內容相同的MBMS業務，採用同頻點、同時隙、同步傳送相同內容，而且使用相同的Midamble碼和擾碼；二是對於內容相同的MBMS業務，採用同頻點、同時隙、同步傳送相同內容，但是採用各小區原有的擾碼和Midamble碼。在傳輸廣播業務的時隙採用現有的同頻網配置的情況下，即擾碼和Midamble碼的配置仍舊基於現有的網路配置。

3.2 信號干擾消除

在TD-SCDMA系統中，對於MBMS業務而言，將採用全向天線在小區內進行全向覆蓋，而相對於一般的R4業務通過智慧型天線進行波束賦形來為特定的用戶提供業務，消除其它用戶的信號干擾，在非MBMS業務小區內的用戶，將會受到相鄰提供MBMS業務的小區的干擾（這是因為在MBMS小區中MBMS業務時隙上無法進行波束成形，信號全向發射）。因此，在非MBMS小區和MBMS小區之間需要一定的空間隔離，以減小或消除干擾。

3.3 基站採用隨機相位偏轉技術

由於現實網路中，UE從多個小區接收的信號進行疊加後，可能產生主波信號深衰落現象，會使得功率疊加增益降低。因此，為了提高小區的業務服務質量，為了提高小區的MBMS業務服務質量，考慮對多個小區的傳送端引入不同的隨機相位旋轉，改善信道特性，使得功率疊加增益提升，且可獲得分集及交織增益。

1.4　靈活的廣播區域配置和資源配置

在TD-MBMS系統中，支持靈活的廣播區域配置，運營商可以針對時隙配置不同大小的廣播區域，選取某個頻點上的某個時隙組成一個網路，來傳輸MBMS業務。另外，TDD系統支持靈活的資源分配，針對比較固定的業務如電視頻道，可以採用靜態的資源分配方式，在小區建立時配置好相應資源；對於隨機性的業務可以在業務發起前分配資源，業務結束後進行釋放，這樣可以充分利用系統資源。

MBMS總體架構方案

在TD-SCDMA系統中，MBMS基於是3GPP基於以GSM/GPRS核心網演進TD-SCDMA分組網，增加了新的功能實體，MBMS網路總體架構<SUP>[3]</SUP>見圖1。為了支持MBMS服務，原UMTS網路中的網路節點，包括Gateway GPRS Support Node（GGSN）、Serving GPRS Support Node（SGSN）、Radio Network Controller （RNC）和User Equipment（UE）做了更新。內容提供商提供內容，經過廣播業務中心BM-SC將傳輸流轉發給3G核心網，通過Iu轉發給UTRAN，通過Uu空中接口傳送給UE。

GGSN是MBMS服務進入UMTS核心網路的進入點，GGSN將MBMS內容傳送到需要的MBMS服務的SGSN。SGSN執行相關MBMS承載（MBMS Bearer Service）控制功能。它負責正確地傳送封包到使用者所在網路，並且支持SGSN的移動性能管理，使RNC有效地利用了無線電資源將其傳送給終端，並支持RNC移動性管理。BM-SC廣播群播服務中心（Broadcast Multicast-Service Center；BM-SC）為新增網路節點，作為群播服務的內容提供者（Content Provider），作為外界MBMS數據來源的網路進入點<SUP>[3]</SUP>。

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圖1　TD-MBMS系統網路架構示意圖

MAC層的增加的MBMS功能模組介紹

為實現MBMS，3GPP增加了一個功能實體MAC-m，用以實現MBMS的用戶平面和控制平面的傳輸<SUP>[4]</SUP>。圖2說明了UTRAN在原有的MAC-c/sh基礎上增加了MAC-m的MAC-c/sh/m的架構和功能模組。從圖可以看出，為實現MBMS功能，增強的MAC-c/sh/m中包含下面的模組。

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圖2　UTRAN側MAC-c/sh/m的架構和功能模組

調度/緩衝/優先權處理：用於根據高層的需求，管理MBMS和non-MBMS的公共傳輸資源；TCTF MUX：在MAC頭中插入TCTF域，處理邏輯信道和傳輸信道之間的映射；附加MBMS-ID：對P-t-m類型的邏輯信道，在MAC頭中加入MBMS-ID域以區分不同的MBMS業務；TFC選擇：為公共傳輸信道（FACH）選擇傳輸格式組合（TFC）。

而UE側，針對UTRAN的結構做相對修改，做相應的增加。圖3是UE側MAC層相對應的功能結構。

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圖3　UE側的MAC-c/sh/m架構功能模組

TCTF DEMUX：檢測和刪除MAC頭中的TCTF域，處理邏輯信道和傳輸信道之間的映射；MBMS-ID讀取：識別特定的MBMS服務。

對於MBMS套用，UTRAN側通知指示信道（MICH），針對每個MBMS的UE傳送廣播尋呼指示，通知UE接收UTRAN傳送的MBMS數據。根據這些信息，UE就可以從SCCPCH中獲取MTCH承載的MBMS信息。BCCH的SIB5/Sbis中會加入邏輯信道（MCCH）的配置信息，UE可以通過讀取該配置信息，獲取MBMS的相關信息；MSCH用於傳送MTCH的調度信息；MCCH和MSCH映射到FACH和SCCPCH中；MTCH用於傳送MBMS信息，MAC頭加入MBMS-ID可以區分不同的MBMS並映射到特定的FACH中，FACH再映射到SCCPCH上中傳送到空中接口<SUP>[5]</SUP>。

"HSDPA+TD-MBMS”技術演進

目前，在TD-MBMS是採用公共信道的方式來實現的，空中接口的無線資源套用還是基於傳統公共信道的技術方式，資源利用率低。根據TD-SCDMA系統的演進及R6/R7的MBMS改進，可以考慮基於HSDPA/MC-HSDPA/HSPA+的MBMS技術。由於HSDPA技術採用快速調度、高階調製、快速鏈路自適應編碼和快速混合自動重傳請求，系統容量幾乎是通常採用DCH和DPCH承載的數據業務的兩倍，極大地提高了無線資源的利用率，用它來承載MBMS，可以使MBMS所需的碼道資源降低，大大提高了空中接口的利用率。

3GPP中，UTRAN和終端側支持MBMS和HSDPA的部分MAC層部分中，MAC-hs實體用於完成HSDPA的功能，HS-PDSCH和HS-DSCH被定義用於承載用戶數據，由MAC-c/sh對MAC-hs進行配置。在小區建立以後，NBAP信令物理共享鏈路重配置，HSDPA資源配置完成後，UE就可以使用HSDPA業務。在實現HSDPA的基礎上，可以分別在UTRAN側和UE側，修改MAC-m和MAC-hs之間的接口<SUP>[4]</SUP>，用於傳送MBMS的配置信息、控制信息和數據信息，把MBMS的配置通知MAC-hs；MSCH和MTCH中的內容通過MAC-m和MAC-hs之間的接口傳送到MAC-hs中，並在MAC-hs中增加MSCH和MTCH的處理功能的模組，完成MAC-hs採用HSDPA的調度方式實現對MBMS業務的控制平面的配置和用戶平面的承載<SUP>[6]</SUP>。根據這個結構，可以分別對UTRAN和UE修改MAC架構就可以實現基於HSDPA承載的MBMS的功能支持。MAC-hs中，HS-SCCH用於MBMS的業務信息和MTCH相關的時間定義等信息傳送，MBMS的業務數據則由HS-PDSCH負責，信道的改進映射關係如下圖4，詳細的功能模組改進和信息調度及傳送過程本文不再給出。

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圖4　基於HSDPA的MBMS信道映射關係

向LTE演進的E-MBMS

TD-MBMS系統最大程度上沿用了3GPP的標準技術，為向LTE系統中MBMS的演進打下了良好的基礎。LTE（Long Term Evolvement）是3GPP制定3G網路的演進標準，在LTE中MBMS被稱為增強型MBMS（E-MBMS），E-MBMS是實現從Release 6的低成本演進，支持增強型的廣播多播業務。在單獨的下行載波部署移動電視（Mobile TV）系統，支持增強的IMS（IP多媒體子系統）和核心網。E-MBMS能夠支持更高速率的多媒體數據的傳輸提供更好的服務質量，由於LTE大大提高了物理層的傳輸能力，同時為了降低系統的複雜度，所以E-MBMS技術在現有的廣播多播技術的基礎上進行了一些改進。其體系結構如圖5所示。

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圖5　E-MBMS的體系結構

E-UTRAN捨棄了UTRAN的RNC-Node B結構，RNC節點被取消，取而代之的是被稱為Anchor的節點，在Anchor節點中取消了RLC子層，RLC子層的重傳功能被放入MAC子層，該功能被稱為Oute-ARQ以區別HARQ。其次，E-MBMS技術取消了SGSN和GGSN節點，Gmb、Gi接口終止於E-Node B，BM-SC直接與Anchor進行互動<SUP>[7]</SUP>。

廣播多播（MBMS）系統可以和單播系統復用在一起，也可以部署在單獨載波，分為單小區MBMS和多小區MBMS兩種部署情況，多小區合併需要小區間同步和公共參考信號，單小區MBMS需要小區專用參考信號，專門對MBMS參數最佳化，由於MBMS小區半徑遠大於普通小區，且需要多小區合併，因此需要加大CP長度，因此可以將子載波寬度減小，避免頻譜效率降低。同時，由於MBMS主要用於低速移動，可以採用較小子載波間隔，MBMS子載波間隔為7.5kHz，同時CP長度增大到33.33us。

由於在LTE中，與UTRAN相比，E-UTRAN在信道結構上做了很大的簡化，傳輸信道將從原來的9個減為5個，邏輯信道從原來的10個減為7個。E-MBMS中，MCH只給多小區廣播/多播業務提供數據承載，而單小區的廣播/多播業務數據則在SCH信道上承載。MBMS通過次公共控制物理信道或專用物理下行信道傳送MBMS業務，而E-MBMS通過高速物理下行共享信道來傳送MBMS業務，由於高速物理下行共享信道支持全小區的廣播功能，因此在E-MBMS中不存在PTP的無線承載方式。同時在E-MBMS中採用了分層調製的技術，即對MBMS業務的不同部分採用不同的調製方式。

TD-MBMS原理

8.1網路架構

TD-MBMS技術基於3GPPTD-SCDMA分組網，通過增加新的功能實體（UTRAN和UE側的MAC-c/sh/m），如廣播多播業務中心（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，並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。

圖1TD-MBMS網路模型

TD-MBMS承載業務的邊緣為Gmb、Gi參考點，即廣播多播業務中心（BM-SC）與GGSN之間的接口。Gmb接口提供控制面功能，Gi接口為用戶面承載功能。

8.2信道和協定

TD-MBMS採用現有TD-SCDMA系統幀結構，信道的復接、編碼、調製、交織和打孔等都遵循YD/C1371-2006中的信號流程規範。MBMS時隙採用QPSK調製、Turbo編碼，MBMS時隙的物理層速率可以達到128kbit/s。但為了實現下行廣播多播數據的承載，TD-MBMS新增了3個邏輯信道和1個物理信道。

（1）邏輯信道。增加的邏輯信道包括MCCH（MBMSpointtomultipointControlCHannel，MBMS點對多點控制信道）、MTCH（MBMSpointtomultipointTrafficCHannel，MBMS點對多點業務信道）、MSCH（MBMSpointtomultipointSchedulingCHannel，MBMS點對多點調度信道）。其中，MCCH信道用於在網路和UE之間傳送P-T-M（PointToMultipoint，點對多點）下行的控制面信息，MTCH在RRC連線或空閒模式下，用來在網路和UE之間傳輸用戶面P-T-M的下行信息，MSCH在接收業務的過程中通過接收調度信息，從而確定MTCH並接收數據。

以上3個邏輯信道均承載在FACH傳輸信道上，最終映射到物理信道S-CCPCH上，以用來支持P-T-M的下發模式，而P-T-P（PointToPoint，點對點）的模式仍然使用已有的DCH（專用業務信道）和DCCH（數字控制信道）專用邏輯信道，它們都被映射到DCH上。

（2）物理信道。增加的物理信道即MICH（MBMSIndicatorCHannel，MBMS指示信道），用來傳送TD-MBMS系統的通知指示。點對多點的視頻數據流仍然由傳統的S-CCPCH承載。

TD-MBMS協定層則涉及了用戶面和控制面的協定。圖2描述了TD-MBMS中用戶面協定棧使用P-T-M傳輸協定終止的情況。

圖2MTCH協定架構

如果CRNC配置了PDCP，則PDCP子層為MBMS業務進行頭壓縮/解壓。採用P-T-M方式傳輸一個MBMS業務時，在UTRAN側屬於同一個RNS內的多個小區共享一個PDCP、RLC實體。在UE側存在一個MAC-m實體，每個UE的每項MBMS業務有一個PDCP和RLC實體。圖3描述了在控制面協定棧中利用P-T-M控制信道傳輸的MCCH。

圖3MCCH協定架構

TD-MBMS關鍵技術

9.1宏分集技術

在TD-MBMS中，系統支持兩種宏分集方案。

（1）UTN宏分集。UTN（UniformTimeslotNetwork，同時隙網）宏分集對於內容相同的MBMS業務，採用同頻點、同時隙，同步傳送相同內容，而且使用相同的Midamble碼和擾碼。在傳輸廣播業務的時隙採用單頻點網路配置情況下，多個相鄰的小區採用統一的擾碼（包括Midamble碼），就可以保證各個小區發射的信號完全相同，UE只需將多個小區發射的信號當成多徑處理，就可以非常簡單地實現UTN宏分集。

（2）聯合檢測的宏分集。聯合檢測的宏分集對於內容相同的MBMS業務，採用同頻點、同時隙，同步傳送相同內容，但是採用各小區原有的擾碼和Midamble碼。聯合檢測的宏分集技術充分利用這一特點，通過RNC統一控制，保證相鄰基站在相同的時間傳送相同的廣播數據，終端在接收信號的時候，可以採用宏分集的聯合檢測算法，將鄰小區信號作為有用信號而不是干擾，通過物理層合併的方式，改善接收可靠性。

9.2信號干擾消除

在TD-SCDMA系統中，對於MBMS業務而言，可以採用全向天線在小區內進行全向覆蓋，而相對於一般的R4業務通過智慧型天線進行波束賦形來為特定的用戶提供業務，消除其他用戶的信號干擾，在非MBMS業務小區內的用戶，將會受到相鄰提供MBMS業務的小區的干擾（這是因為在MBMS小區中MBMS業務時隙上無法進行波束成形，信號全向發射）。因此，在非MBMS小區和MBMS小區之間需要一定的空間隔離，以減小或消除干擾。

9.3隨機相位偏轉技術

由於現實網路中UE從多個小區接收的信號進行疊加後可能產生深衰落現象，會使得功率疊加增益降低。為了提高小區的MBMS業務服務質量，系統對多個小區的傳送端分別引入不同的隨機相位旋轉，改善信道特性，使得產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於深衰落狀態，如圖4所示。

圖4微小區同步及改變信道特性後的信號接收效果

人為改變信道特性僅僅是針對基站設備的更改，對UE無任何影響。

9.4廣播域和資源的靈活配置

靈活的廣播區域配置，適用於時隙配置不同的廣播區域，比如足球賽開戰之前在足球賽場及周邊區域廣播本次比賽雙方隊員的介紹、歷史戰績等。運營商可以在這片區域內選取某個頻點上的某個時隙組成一個UTN網路，來傳輸這個業務。

靈活的資源配置可以使系統靈活地分配資源，適用於比較固定的業務如電視頻道。此時，採用靜態的資源分配方式，在小區建立時配置好相應資源；對於隨機性的業務，可以在業務發起前分配資源，業務結束後進行釋放，這樣可以充分利用系統資源。

9.5Iub口傳輸共享

以前，同一個NodeB中的不同小區，即使傳輸相同的MBMS業務也需要建立和使用不同的傳輸承載，對Iub的資源造成很大的浪費。Iub口傳輸共享通過對現有系統的Iub接口進行升級，在同一個NodeB下的多個小區同時傳輸相同MBMS業務的情況下，可以實現FACH信道承載共享，可大大節省Iub接口的傳輸資源。

E-MBMS

TD-MBMS在R6、R7版本中已經獲得了完整的實現，但是仍然無法滿足日益增長的業務需求。R8規範的制定，一方面為了進一步提高MBMS的業務性能，另一方面也是需要適應新的系統架構（LTE/SAE），於是便出現了E-MBMS（EnhancedMultimediaBroadcast/MulticastService，增強的MBMS），即TD-MBMS的演進版本。E-MBMS在邏輯架構、業務模式、傳輸方式和信道結構等方面進行了重大改進。

10.1邏輯架構的演進

在R6/R7中，TD-MBMS功能只是3G網路架構的一種功能擴展，而E-MBMS則提供了完整的邏輯架構，包括在核心網中定義的MBMS邏輯實體和在接入網中定義的動態管理功能實體，以及相關的控制面、用戶面接口，如圖5所示。

圖5E-MBMS邏輯結構

其中，eBM-SC是演進版的BM-SC，它不但具有BM-SC的功能，還能夠在使用MBMS承載（通過SGmb、SGimb接口）或者使用單播承載（通過SGi接口）之間進行選擇，這樣使得eBM-SC有能力針對業務特性和用戶數量來選擇合理的承載類型。

10.2承載類型的演進

TD-MBMS提供廣播和多播兩種承載類型，而E-MBMS則定義了增強廣播承載類型，這種承載類型介於廣播和多播之間，吸收了廣播中流程簡單和多播中資源最佳化的優點。與前者不同的是，增強廣播的加入和離開過程實現於套用層，承載網路對此是不可感知的，無需在承載網路層進行信令互動和信息存儲。在接入網增強廣播也不會向那些沒有接收用戶的小區傳送數據。

10.3傳輸方式的演進

E-MBMS在接入網中引入了MBSFN（MulticastBroadcastSingleFrequencyNetwork，多播單頻網）傳輸方式，就是在同一時間以相同頻率在多個小區進行同步傳輸。使用這種傳輸方式可以節約頻率資源，提高頻譜利用率。同時這種多小區同頻傳輸所帶來的分集效果可以解決盲區覆蓋等問題，增強接收的可靠性，提高覆蓋率。

10.4信道結構的演進

MBMS可以使用兩種模式進行業務下發：P-T-P或者P-T-M，分別定義了MTCH、MCCH、MSCH和MICH信道。而在E-MBMS中只定義了兩個邏輯信道來支持P-T-M下發：MCCH和MTCH。這是由於E-MBMS中MBMS業務的調度信息和控制信息都能夠通過MCCH信道下發，因此不需要再使用專門的MSCH和MICH信道。

為了實現對MBSFN傳輸方式的支持，E-MBMS定義了新的傳輸信道MCH（多播信道），這種信道不僅能夠實現對整個小區的廣播覆蓋，還支持在多個小區之間進行MBMS同步傳輸。

在E-UTRAN中傳輸MBMS業務，既可以使用MBMS專用頻率資源，也可以使用非MBMS專用的、共享的頻率資源，兩種情況下都可以使用MBSFN傳輸方式。

對於那些使用MBMS專用頻率資源的小區（MBMS專用小區），MTCH和MCCH可以映射到MCH上進行P-T-M傳輸。這種小區不提供上行鏈路，沒有計數機制，不支持單播傳輸。小區中的UE不需要從其他小區接收任何信息，就可以接收MBMS業務，並且在能力允許的情況下，還能同時接收鄰小區的單播業務。對於那些沒有使用MBMS專用頻率資源的小區（混合小區），MTCH和MCCH可以使用MCH或DL-DCH信道進行P-T-M傳輸，小區中的單播和MBMS傳輸可以協調並行。