LTE架構下的多媒體資源分發方案研究

查敦林 王維 孫知信

中圖分類號：TN915.1文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 04-0044-04

摘要：為了提高3G以及未來的移動通信系統中多媒體數據的傳輸率，文章提出了結合點對點(P2P)和增強型多媒體組播和廣播業務(E-MBMS)技術的LTE環境下的多媒體資源分發(CPEMRD)方案。該方案結合了P2P的擴展能力和E-MBMS的可靠性、可管理性，構建了可管理的、能夠承載電信級內容應用的多媒體資源分發平臺。該方案緩解了終端接入數量受限以及帶寬窄、通信不穩定的問題，實現了用戶間點對點互動功能。

關鍵詞：多媒體廣播組播業務；LTE；增強型多媒體組播和廣播業務；點對點

Abstract: To increase multimedia data transmission in 3G and LTE networks, multimedia resource distribution (CPEMRD), which is the combination of peer-to-peer (P2P) and enhanced multimedia broadcast and multicast service (E-MBMS) is presented in this paper. In this solution, the scalability of peer-to-peer (P2P) can be achieved with the reliability and manageability of E-MBMS. The multimedia resource distribution platform is manageable and capable of carrying telecommunication-level content. This solution also allows P2P interaction between users and alleviates the problems of limited access capacity, narrow bandwidth, and unstable communications.

Key words: MBMS; LTE; E-MBMS; P2P

隨著移動通信和互聯網技術的飛速發展，人們對數據業務的需求，尤其是對多媒體數據業務的需求變得越來越強烈。在傳統互聯網領域，多媒體業務可以通過內容分發網絡（CDN）來開展[1]，CDN能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯網上的應用普及，大大促進Internet應用和服務的發展。但是，CDN網絡都只是針對傳統互聯網的網絡結構、內容傳送和業務開展方式建設起來的，還存在一些不足，如對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務、難以應用于移動終端、系統結構過于簡單、投資金額比較大等。

為了多媒體業務更好地存儲、分發、傳送，并更加適應當前3G以及未來移動通信系統的發展，第三代合作伙伴計劃(3GPP)提出多媒體組播和廣播業務(MBMS)以及增強型的MBMS(E-MBMS)[2]。MBMS是3GPP R6版本中定義的，它可以在節省系統資源的同時，為用戶提供廣播或組播的分組數據業務。

為了更加滿足日益增長的業務需求，尤其是用戶和運營商對手機電視業務的強烈需求，3GPP對原有MBMS的邏輯結構、業務模式、傳輸方式和信道結構等多方面進行改進，提出了在系統架構演進(SAE)/長期演進(LTE)架構下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時下載多媒體數據時的資源共享問題，其網絡結構如圖1所示。在該網絡結構中，廣播組播業務中心(BM-SC)相當于業務資源提供中心，直接向Anchor分發多媒體數據，每一個Anchor會控制相關的一組E-NodeB，并將多媒體數據通過各個相關的E-NodeB傳輸到終端用戶。當用戶數量持續猛增時，就需要增加Anchor以及E-NodeB的投入。

另外有可能當一個Anchor或E-NodeB負荷很重時，而周圍的Anchor或E-NodeB卻處于空閑狀態，這就使得設備資源得不到充分合理的利用，也會降低超負荷E-NodeB下的用戶終端的數據傳輸效率。E-MBMS整體架構始終是集中式的分發架構，為克服這些不足之處，文中提出LTE架構下結合點對點(P2P)和E-MBMS技術的多媒體資源分發(CPEMRD)方案。

1 P2P概述

P2P業務可以簡單地描述為：網絡中的兩臺計算機通過直接互聯網來共享彼此資源和服務。P2P網絡是一種分布式網絡，位于網絡中的成千上萬的計算機都處于邏輯對等的地位，每臺計算機既是資源（服務和內容）的提供者又是資源的獲取者[3-4]。

基于P2P的資源獲取模式和基于C/S的資源獲取模式有明顯的區別。在P2P網絡中，每個節點的地位都是相等的，它們在作為服務器向其他節點提供資源時，也可以作為客戶端從其他節點處獲取資源；而在集中控制的C/S模式網絡中，客戶端與服務器是分離的，是兩個完全不同的概念，資源都保存在服務器上，客戶端只能從相應的服務器上獲取所需的資源。

P2P網絡架構主要存在3種不同的形式：純P2P結構、帶核心服務器的混合P2P結構和帶超級節點的P2P結構。其中純P2P結構不依賴于任何中心服務器，它能動態發現網絡中的其他對等方并與之交互信息；混合P2P結構中存在一個只具有服務功能的核心服務器來維護所有對等點的共享目錄，并進行查詢，但文件的共享交換過程是直接在對等方之間進行；帶超級節點的P2P結構類似于混合P2P結構，但超級節點的數目不只一個，節點可以向其中的一個發送資源更新信息及查詢要求，超級節點之間是對等的．

然而，P2P系統也存在明顯的缺點，就是可用性問題。盡管從整個系統而言，P2P是可靠的，但是對于單個內容或者單個任務而言，P2P是不穩定的，每個節點可以隨時終止服務，甚至退出系統，即交換的內容隨時可能被刪除或者被終止共享。

2 結合P2P和E-MBMS的

多媒體資源分發

2.1 CPEMRD方案的提出

E-MBMS和P2P被用于不同的領域，E-MBMS主要用于未來移動通信系統流媒體內容分發，而P2P則主要用于內容交換。兩種技術各有其優缺點。

P2P采用一種與E-MBMS不同的內容傳遞方式，它通過“非中心化”的設計和多點傳輸機制，不依賴服務器就能快速交換文件。

E-MBMS和P2P技術的優缺點在應用上具有一定的互補性。如果能夠結合P2P的擴展能力和E-MBMS的可靠性、可管理性，就可以構建一個可管理的、能夠承載電信級內容應用的多媒體資源分發平臺。結合了P2P的E-MBMS體系結構可以使多媒體業務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內容得到基于全球覆蓋的共享和分發，同時還可以節約電信運營商之間的對接流量，減少網絡的建設成本。

如果將E-MBMS的管理機制和服務能力引入P2P網絡，可以形成以E-MBMS為可靠的內容核心，以P2P為服務邊緣的架構。通過這種架構，可以在不增加E-MBMS成本的同時有效提升E-MBMS服務能力，也有效地避免了P2P應用的諸多弊端。

2.2 CPEMRD系統架構設計

文章所設計的多媒體資源分發系統架構是在E-MBMS網絡結構的基礎上，融合了P2P結構而組成的，整個架構層次分3層。中心多媒體資源服務器或服務器組只有1個，位于BM-SC服務中心處；與服務中心連接的是Anchor，包含有邊緣服務器；移動終端通過E-NodeB接入到整個網絡中。CPEMRD具體的系統架構如圖2所示。

在該系統架構中，BM-SC服務中心處的“資源存儲”服務器提供原始的多媒體資源；“P2P控制”實體用于維護所有P2P節點信息以及所有客戶信息（節點號，地址等）；每個Anchor處的邊緣服務器是對等的，代理從BM-SC服務中心的資源存儲服務器分發的多媒體資源。移動終端通過E-NodeB接入到網絡中，首先從離自己最近的邊緣服務器（所在小區所屬的Anchor處的服務器）請求下載多媒體資源，P2P控制實體中維護了每個邊緣服務器（也即P2P節點）的狀態信息和客戶信息，當P2P控制實體發現某個邊緣服務器利用率過高負載過大時，可協調移動終端從其他相對空閑的邊緣服務器下載多媒體資源，也可同時從其他多個邊緣服務器同時下載某個多媒體資源，從而實現多條鏈路的負載均衡。

由于流媒體具有松耦合、高擴展性的特點，從多媒體資源分發系統的體系結構的垂直控制功能上來看，一個典型的多媒體資源分發系統架構應采用分層模式，這使得平臺系統上的應用開發能夠根據不斷變化的業務應用需求而快速擴展。CPEMRD系統從功能結構和軟件層次上看，在LTE環境下可以通過設置4層體系結構來支持多媒體應用：網絡通信層，媒體控制層、門戶網站業務層以及系統支撐層，如圖3所示。

?網絡通信層：采用IP網絡作為多媒體業務的承載網絡，從而實現無線設備、中繼和服務器等之間的低層通信。

?媒體控制層：負責對多媒體數據進行調度緩存，并且把流數據發送到門戶網站業務層和其他請求服務的終端設備或P2P節點（也即邊緣服務器）。

?門戶網站業務層：以網站的形式面向用戶提供各種應用和服務，負責多媒體數據的播放和界面顯示。如視頻點播、視頻直播、視頻會議、可視聊天等。可采用Web模式，客戶端只要使用瀏覽器即可實現視頻點播及其他視頻互動活動，無需安裝其他任何軟件，無需做任何設置，做到了客戶端的免維護。

?系統支撐層：系統支撐層是多媒體業務運營的綜合管理及運營支撐系統，包括用戶管理、認證計費、數字版權保護、系統實時監控、網絡配置管理等多個子系統。

2.3 CPEMRD業務流程分析

CPEMRD多媒體業務的會話流程如圖4所示[5]。會話開始和會話結束都由BM-SC發起，為多媒體數據傳送建立或釋放相應網絡資源。

結合CPEMRD系統架構圖，CPEMRD會話流程圖可詳細描述如下：當BM-SC中加入新資源時，BM-SC會通過P2P控制實體找到各個P2P節點即Anchor邊緣服務區的位置，并向各個P2P節點發送消息，從而將資源下發到Anchor邊緣服務器處；此時Anchor也會通過各個基站E-Node向基站服務區內的所有終端用戶發送新業務相關的消息，如果用戶啟動該業務，其用戶信息就會被加入到P2P控制實體中，并開始會話，并通過距離最近的基站從Anchor邊緣服務器上獲取所需的資源數據；P2P控制實體如果發現這個邊緣服務器利用率過高、負載過大時，可協調終端用戶從其他相對空閑的邊緣服務器下載資源，也可同時從其他多個邊緣服務器同時下載資源；當所有資源傳輸完畢服務結束時，用戶消息從P2P控制實體中清除掉，會話完畢，用戶中止業務。

相對于廣播模式，組播模式增加了3個相關的過程:訂閱、用戶的加入和退出。有關的訂閱信息存儲在BM-SC中,當用戶加入或退出某個組播組，可通過Internet組管理協議(IGMP)協議或組播偵聽發現協議(MLD)協議實現。通過已建立的用戶設備(UE)與Anchor間承載通道，UE向Anchor發送IGMP/MLD 加入消息或離開消息[7-8]。

如圖5所示，我們可以看到CPEMRD系統的基本業務流程：多媒體資源提供商提供多媒體內容，經過BM-SC將傳輸流轉發給LTE核心網，并進一步轉發給演進的通用陸基無線接入網(E-UTRAN)，最終通過LTE-Uu接口發送到用戶終端UE。

3 結束語

在傳統互聯網領域，采用CDN實現多媒體資源分發，但CDN無法應用于移動多媒體業務，無法適應目前3G以及未來移動通信的要求。隨后3GPP提出的MBMS、E-MBMS技術在很大程度上解決了移動多媒體業務的廣播組播問題，但還是存在終端接入數量受限以及帶寬窄通信不穩定的問題。文章基于Internet和無線網絡，結合P2P和E-MBMS技術提出CPEMRD方案，詳細設計了在LTE環境下的多媒體資源分發系統的系統架構，并從系統功能和軟件層次上，將CPEMRD系統劃分為網絡通信層、媒體控制層、門戶網站業務層以及系統支撐層，并分析了CPEMRD的會話流程和業務流程。相比E-MBMS，CPEMRD系統具有更大更多的優點：

?用戶間可實現點對點信息流通。CPEMRD系統可實現用戶間互動，徹底從集中控制的傳統流媒體中解放出來，降低了技術應用門檻，實現了傳統流媒體運營平臺難以實現的互動直播和互動點播。

?負載均衡管理，有效保證運營效率。CPEMRD系統提供完善的負載均衡功能，它基于服務器CPU、內存監測與Web任務實時監控的動態任務分配，準確地將用戶多媒體資源請求均衡到集群服務器中（BM-SC的服務器）的流媒體服務器端(Anchor的服務器)。

?完善的用戶認證管理。CPEMRD系統具有完善的用戶管理和認證機制，可以實現多級別的用戶管理。

?強大的計費管理功能。CPEMRD系統可以提供多種途徑進行用戶認證和計費，并按用戶類型定義收費標準，能夠靈活定制多種計費類型、優惠政策、套餐組合。

4 參考文獻

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[7] Gómez-Barquero d, Fernández-Aguilella a, Cardona N. Multicast Delivery of File Download Services in Evolved 3G Mobile Networks with HSDPA and MBMS[J].IEEE Transactions on Broadcasting, 2009,55(4)742-751.

[8] Gómez-Barquero d, Fernández-Aguilella a, Cardona N. Multicast Delivery of File Download Services in 3G Mobile Networks with MBMS[C]// Proceedings of the 2008 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB08),Mar 31-Apr 2,2008 , Las Vegas,NV, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2008:6p.

收稿日期：2012-06-27

作者簡介

查敦林，南京航空航天大學博士畢業；現就職于中興通訊無線規劃部任主任工程師，從事新一代通信網絡體系結構和業務提供研究；發表論文10余篇。

王維，復旦大學碩士畢業；現任中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司集團（數據）業務部經理職務；研究方向為移動通信、計算機技術、物聯網技術等領域；主持參與多項省、市級科技創新等項目。

孫知信，南京郵電大學教授、博士生導師，南京航空航天大學兼職教授、博士生導師；主要研究領域為計算機網絡與安全、多媒體通信等；先后主持了國家科技部項目、國家自然基金項目、江蘇省科技攻關重點項目等數10項，發表論文50余篇，其中SCI收錄5篇、EI核心版收錄近30篇；擁有計算機網絡、多媒體通信、安全方向的專利近數10項，獲江蘇省教學成果二等獎一項、江蘇省科技進步三等獎一項、南京市自然科學優秀論文獎8項。