通过对LTE网络下eMBMS业务部署关键技术进行分析，并结合某运营商eMBMS业务试点，研究了基于现有LTE网络的eMBMS业务部署的网络架构，以支撑未来eMBMS业务的正式商用部署。
增强型多媒体广播多播业务 长期演进 MPEG-DASH HEVC
Research on eMBMS Business Deployment
Key techniques of enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS) deployment in LTE network were analyzed. According to service pilot of a certain operator’s eMBMS business， network architecture of eMBMS business deployment in existing LTE network was researched to support the formally commercial deployment of eMBMS business in the future.
enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS) LTE MPEG-DASH HEVC
1 引言
据“CISCO VMI Mobile，2015”预测，2019年全球移动月总流量将达到24.3ExaBytes，其中71.6%的流量为移动视频流量;2014年到2019年移动流量的年复合增长率将为57%，而移动视频流量的年复合增长率达到了66%。
移动视频迅猛发展，而LTE网络大带宽、高速率可以满足移动高清视频的需求。但从运营商角度来看，移动用户使用单播方式进行大量视频业务与下载业务，网络流量激增，将导致无线网络空口下行速率大幅下降，空口负荷过重，从而导致无线扩容成本大幅增加。另外，还会出现：一方面用户与流量飞速增长，另一方面由于流量单价下降，流量增长与利润收入的剪刀差加剧的情况。从移动用户角度来看，观看移动视频将消耗大量的流量，这又遏制了移动视频业务的快速发展。
eMBMS(enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services，增强型多媒体广播多播业务)业务能够在LTE网络且不占用额外频谱资源的前提下，建立一点到多点的无线传输，所有观看同一内容的用户共用同一份空口资源，承载网也只需传输一份数据，在业务系统与用户终端之间多用户共享一份带宽资源，大幅节省了无线空口与网络传输资源。同时，采用先进的流媒体传输技术和视频压缩技术，可大幅提升用户视频业务体验，从而提升网络整体效益[1]。
2 移动视频技术发展演进
移动视频技术的发展主要经历3个阶段：广播多播业务阶段、MBMS业务阶段以及eMBMS业务阶段。
广播多播业务采用基于消息的模式，点到点的多次发送，为全单播模式，不能承载多媒体内容;在没有用户的情况下，数据也在所有的小区广播，速率很低。
MBMS业务是3GPP组织在R6版本中引入的基于3G网络的多媒体广播多播业务，支持广播和多播2种模式，广播模式下将视频消息直接向所有用户广播，多播模式下仅向一组特定的用户广播。MBMS业务在3G网络未能获得大规模的商用，主要是因为MBMS技术标准定制不够成熟、完善;视频节目内容不丰富，与传统广播电视的内容无异;视频业务播放编排不符合用户时间碎片化的特点;产业链发展不健全，未有足够的支持MBMS业务的终端面世。但最根本的原因还是由于3G网络只能提供2Mb/s的传输速率，很大程度上限制了高质量视频流的传输[2-3]。
3GPP组织在R8版本上提出了LTE，并在后续版本进行了进一步的研究与规范化。LTE在20MHz的频谱宽带下，能提供下行100Mbps和上行50Mbps的峰值速率，除了提供3G网络所能提供的移动视频业务外，LTE网络还能够支持高清视频会议、实时视频监控、视频调度等高带宽、实时性业务。eMBMS业务能够在LTE网络且不占用额外频谱资源的前提下，建立一点到多点的无线传输，更加高效地为用户同步播放视频流，从而提升网络整体效益。随着LTE网络部署的逐步完善以及智能终端的普及，手机终端上的eMBMS业务将迅速发展。
3 eMBMS业务实现
关键点
LTE eMBMS业务实现是一个复杂的系统工程，涉及LTE eMBMS网络(包括无线网、核心网)、承载网、终端设备及视频编码技术等。
3.1 网络技术
LTE网络及承载网需支撑广播服务及组播组的集成和规划，应综合考虑广播服务区域内的无线规划、覆盖及无线资源利用率。
(1)eMBMS网络架构及网元功能
eMBMS是LTE网络下的点对多点服务，传输相同的数据给多个接收者以便网络资源得到共享。
如图1所示，eMBMS网络由三大部分组成，即核心网、无线接入网和UE。其中，核心网由MME、MBMS GW和BM-SC(Broadcast Multicast Service Center，广播多播业务中心)组成;接入网由MCE(Multi-cell/Multicast Coordination Entity，多小区/多播协调实体)和eNodeB组成[4]。
为了实现eMBMS业务，网络中部署的逻辑网元功能[5]如下： ◆eNodeB：根据eMBMS的无线调度信息，完成eMBMS的发送以及无线承载的控制。
◆MCE：负责给eMBMS传输分配时频资源，完成空口的调度;eMBMS会话管理和无线配置(时频资源、调制编码方式等);如果无线资源不足以支持新业务，则MCE不会为新的eMBMS业务建立无线承载。
◆MME：传递eMBMS承载的会话控制信令给eNodeB，包括会话开始、会话结束等;MME支持与MBMS GW的接口，从MBMS GW接收eMBMS业务控制消息和IP多播地址。
◆MBMS GW：将MBMS数据使用IP多播的方式发送给每个eNodeB;为要加入并接收eMBMS数据的eNodeB分配一个IP多播地址;通过MME将eMBMS会话控制信令发送给eNodeB，进行eMBMS会话管理。
◆BM-SC：负责eMBMS用户业务的提供和传递;负责向请求加入eMBMS业务的用户授权，并在移动网络中发起eMBMS承载业务。
(2)MBSFN技术
MBSFN(MBMS Single Frequency Network，多播/组播单频网络)技术要求多个小区同步发送完全相同的无线信号，使终端接收机能将多个MBSFN小区视为一个大的小区[7]。MBSFN区由一个或多个小区组成，在同一个MBSFN服务区内，多个小区同步发送完全相同的无线信号，终端能利用来自多个小区的信号，可以显著增加接收信号的强度，小区的边缘区域能够减少干扰。在采用G-RAKE接收技术的情况下还能解决多径传播的时间差，消除小区内干扰。因此，使用MBSFN传输技术可以节约频率资源，提高频谱利用率;另外，这种多小区同频传输所带来的分集效果可以增强接收的可靠性，提高网络覆盖率[8]。在eMBMS网络架构中，引入了MCE来实现MBSFN技术。
(3)IP组播技术
IP组播技术是主机之间采用“一对一组”的通讯模式，需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，同一个组内的所有主机都可以接收到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器配置组播协议，根据接收者的需要对数据流进行复制转发。
由于eMBMS在空口侧采用广播模式，这不仅要求网络具备时间同步能力，还要求承载网具备组播能力，以便高效地将相同内容的信息复制到所有的基站。3GPP标准也明确要求回传网络支持IGMPv3和三层IP组播，用于M1接口的承载[9]。LTE网络部署eMBMS业务时根据3GPP规范的规定，采用三层PIM-SSM组播协议部署。
部署eMBMS业务，承载网端到端的组播能力实现机制为：MBMS GW分配一个用于组播的IP组播地址，同时将自己的IP地址(源IP地址)一并发送给eNodeB，承载网中形成(S，G)的组播通道;eNodeB加入该组播组时，使用IGMP join消息加入组播通道(S，G)，完成组播数据的接收。
3.2 eMBMS终端
eMBMS终端相应的需要完成如下功能：多媒体广播业务流数据接收;多媒体广播业务文件接收;多媒体广播业务发现、订阅、取消;多媒体广播业务安全功能，包括密钥的获取和更新、数据流的解密;多媒体广播业务播放。
eMBMS终端系统架构如图2所示。硬件平台由LTE Modem和芯片组成，软件平台由操作系统、eMBMS中间件和应用层(APP)组成。
eMBMS业务对现有LTE的终端提出了新的要求，根据对市场上eMBMS终端的评估分析，可得到以下信息：
(1)对于LTE Modem和芯片：高通Modem配合自有中间件已经达到了试商用水平，其他厂家芯片方案采用的是与Expway中间件对接的方式，即将具备商用能力。
(2)对于操作系统，当前中间件仅支持安卓操作系统，iOS操作系统暂无计划。
(3)对于eMBMS中间件：需与Modem适配，实现对DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，动态自适应HTTP流)/FTP over FLUTE(File Delivery over Unidirectional Transport，单向文件传输)功能的支持;需支持通过单播方式进行文件推送的File Repair和FEC(Forward Error Correction，前向纠错)功能;能上报QoE(Quality of Experience，用户体验质量)的相关指标信息。
(4)应用层(APP)：需提供用户界面与节目菜单;能完成用户鉴权和推送文件管理;需完成DASH数据处理、播放控制等。
3.3 媒体传输技术及视频压缩技术
除了网络以及终端能力的支持，eMBMS业务实现中，先进的媒体传输技术和视频压缩技术也是至关重要。
(1)媒体传输技术
eMBMS业务采用MPEG-DASH技术使高质量传输流媒体成为可能，此项技术是MPEG-LA和ISO这2个标准组织共同创立的HTTP Streaming标准化解决方法，采用统一的数字版权保护系统以便将来支持更多设备，是可适应码流的传输技术，为各种建立在端到端系统上的OTT应用提供可能。基于MPEG-DASH协议的流媒体传输系统架构如图3所示。
MPEG-DASH技术实现机制[10]如下：
◆节目内容切片存储在MPEG-DASH前端HTTP服务器上，采用HTTP协议进行传输。同时，在HTTP服务器上存储有MPD(Media Presentation Description，媒体文件展示描述)文件，包括节目的时间信息、节目的可用性、节目类型、清晰度、最大与最小带宽，以及几种不同编码码率的节目流、DRM信息、节目位置和与内容相关的其他信息。 ◆MPEG-DASH客户端从前端HTTP服务器上获取MPD文件，通过解析MPD文件，MPEG-DASH客户端可以了解媒体流的相关信息，从而选择合适码率进行播放。
◆在节目内容开始传输并开始缓冲时，MPEG-DASH客户端继续从HTTP服务器端获取节目片段，并检测网络带宽变化。通过对网络带宽的检测，客户端选择可以接受码率的节目。
未来eMBMS业务应用者将会在大量形态各异的设备上产生巨大的视频需求，将碎片化且互不兼容的HTTP自适应码流格式统一为一个通用标准――MPEG-DASH，会简化系统复杂度，提升传输效率，可以降低运营商和服务提供商的投资。
(2)视频压缩技术
现阶段，移动视频高额的资费成本是限制大量用户享受高清视频服务的一个主要障碍。以视频网站为例，运营最大的成本就是宽带成本。目前国内移动视频采用H.264压缩标准，以国内4G资费单价0.03～0.07元/M来估算，在不同视频码率场景下，每小时大概消耗的流量和1小时视频的成本如表1所示：
表1 不同视频码率下的流量消耗及成本费用
视频码率 1小时消耗流量 1小时视频
成本/元
350kbps 350×3600/8/1024≈150MB 4.6～10.8
2Mbps(720p) 2×3600/8=900MB 27～63
5Mbps(1 080p) 5×3600/8/1024≈2.2GB 67.5～157.5
HEVC(High Efficiency Video Coding，高效视频编码)压缩方案可以使1 080P视频内容的压缩效率提高50%左右，这意味着视频内容的质量上升许多的同时可以节省下大量的网络带宽，对于消费者而言，可以享受到更高质量的4K视频、3D蓝光、高清电视节目内容。AVC(Advanced Video Coding，高级视频编码)和HEVC编码标准对照数据如表2所示：
表2 AVC和HEVC编码标准对照
编码标准 AVC(H.264) HEVC(H.265)
带宽/Mbps SD：1.5～2.5
HD：6.0～9.0
4K：12～18 SD：0.8～1.5
HD：3.0～4.5
4K：6.0～9.0
好的用户体验/
同样的带宽 标清 超清
更多的频道/
同样的带宽 10频道 20频道
因此，在eMBMS网络视频业务中采用新型视频压缩标准，视频的带宽成本将大幅降低，视频经HEVC视频压缩服务后，终端用户观看在线视频不仅流量耗费大大减少，且下载速度会更快，画质基本不会受到影响，即使在线观看也会更流畅，不会老是卡机。
4 eMBMS业务网络试点部署
4G牌照发放后，各大运营商均已全网部署LTE网络。某省运营商现网已在省中心集中部署了爱立信厂家的EPC核心网设备，部署了华为、上海贝尔、中兴等厂家的eNodeB设备，拟在现网上进行eMBMS业务的试点，需在现有LTE网络上进行相应的升级改造。
根据实际网络部署情况，为了进行eMBMS业务试点测试，主要从以下方面对网络进行部署：
(1)根据现网厂家设备情况，BM-SC节点可根据其逻辑功能(内容发布功能及管理功能)分2个物理点建设，分别为BMC、BDC，试点采用新建方案。
(2)为避免对现网规模在用的SAE GW造成影响，在试点阶段采用新建简单硬件的方式实现对MBMS GW支持;后续可通过在SAE GW上新增软硬件实现MBMS GW功能，或者视业务规模采用新建独立MBMS GW的方式。软件功能仅需部署对MBMS GW 和LTE Broadcast功能的支持。
(3)现网MME硬件能力已支持eMBMS业务的需求，仅需增加LTE广播可选功能许可证即可。
(4)对于eNodeB/MCE，根据对现网无线设备厂家的评估，仅上海贝尔基站需新增硬件板卡，其他厂家只需新增软件许可即可支持包括更优视频内容业务质量的LTE广播。
由于eMBMS终端产业链成熟度受限于eMBMS的芯片及中间件专利费用，目前支持eMBMS业务的终端只有少数几款。本次试点拟采用华为C8817和三星Note3 Lite来进行相应的测试。具体网络部署架构如图4所示。
5 结束语
综上所述，eMBMS业务实现是需要LTE网络、承载网、终端以及媒体传输和视频压缩技术的支持，而且缺一不可。现阶段网络条件已基本具备，但是终端的成熟还需要等待一些时日。希望通过本次试点，可以发现网络部署中的问题，特别是跨厂家设备之间互通的问题，并总结出经验，以支撑未来eMBMS业务的正式商用部署。
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