（通信与信息系统专业论文）宽带无线多媒体系统的多播广播业务选择及调度算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 新一代无线通信网络的核心网基于p 已成为一种共识 各种网络在核心网 互融互通成为可能 同时 随着i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 2 0 等各种宽带无线接 入技术的涌现 推动了通信网 广播电视网 互联网三网融合发展的趋势 全 国信息技术标准化委员会正在起草的宽带无线多媒体标准 旨在制定一套支持 三网融合的技术方案 其支持三网融合的特点使下一代宽带无线多媒体系统业 务更加丰富 越来越多的业务也将以多播广播的方式进行传输 因此多播广播 技术的研究就显得尤为重要 本文重点研究了单频网多播广播业务选择算法 多播广播业务调度算法以及单播多播业务联合调度算法 首先 本文介绍了宽带无线多媒体系统多播广播技术 并研究了单频网多 播广播业务选择算法 以单频网方式实现多播广播是一种有效的多播广播方式 本文通过对单频网方式多播广播特点的分析 发现其性能主要受带宽与接收率 影响 然后 依据带宽和接收率进行建模 将单频网多播广播业务的选择看作 一个 背包 问题 用贪婪算法给予解决 并设计了s b s m s d b s m d b s m 三种单频网多播广播业务重新选择机制 用以满足不同的系统需求 其次 分析了宽带无线多媒体系统多播广播业务的发展趋势以及m s 电池 的能耗问题 针对用户同时接收多路多播广播业务的场景 借鉴超帧结构 提 出了基于流行度的p p m s 算法和基于相似度的s p m s 算法 与轮询算法相比 这两种算法都很好的降低了m s 能耗 并从计算复杂度以及占用带宽角度出发 分析了每一种算法的适用范围 再次 针对用户可同时接收多路多播广播业务的场景 分析了使用s s b i s 算法所存在的不足 结合我们提出的p p m s 算法 设计了一种单播多播业务联 合调度e s s b i s 算法 仿真结果表明 当用户达到一定数量 e s s b i s 算法能耗 效率明显优于s s b i s 算法 最后 进行了全文总结 并对下一步工作展望 关键词 b w m 多播广播 调度算法 能耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s tr a c t t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sb a s e do ni pc o r e n e t w o r kh a sb e c o m eac o n s e n s u s w h i c hm a k e st h ei n t e r c o m m u n i c a t i o no ft h e v a r i o u sn e t w o r k si nt h ec o r en e t w o r kp o s s i b l e w i t ht h ev a r i o u sw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e ss u c ha si e e e 8 0 2 16 e i e e e 8 0 2 2 0e m e r g i n g t h ed e v e l o p m e n tt r e n do f i n t e g r a t i o ni sp r o m o t e d b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d t h en a t i o n a li n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ys t a n d a r d i z a t i o nc o m m i t t e ep r o p o s e dt od r a f tt h es t a n d a r do f b r o a d b a n d w i r e l e s sm u l t i m e d i a b w m t h es t a n d a r do fb w mi sa i m e dt of o r m u l a t eas e to f s t a n d a r d st os u p p o r tt h r e en e t sa m a l g a m a t i o n d u et ot h ep r o p e r t yo fs u p p o r t i n g t h r e en e t sa m a l g a m a t i o n t h es e r v i c ec a t e g o r yb e c o m e sm u c hr i c h e r m o r ea n dm o r e s e r v i c e sw i l lb es e l e c t e dt ot r a n s m i ti nt h ef o r mo fm u l t i c a s t b r o a d c a s t s ot h e r e s e a r c ho nm u l t i c a s t b r o a d c a s tf o rt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t t h i st h e s i sf o c u s e so ns f nm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e ss e l e c t i o n a l g o r i t h m m u l t i c a s t b r o a d c a s t s e r v i c e s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m a s w e l la st h e i n t e g r a t e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m f i r s to fa l l w ei n t r o d u c em u l t i c a s t b r o a d c a s to fb w m s y s t e ma n ds t u d yt h e s f nm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e ss e l e c t i o na l g o r i t h m s f nm u l t i c a s t h g r o a d c a s ti sa n e f f i c i e n tm e t h o dt o p r o v i d e m u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e si nc e l l u l a rn e t w o r k s t h e r e f o r ew ea n a l y z et h ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i c a s t b r o a d c a s tu n d e r s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h eb a n d 谢d t ha n dt h et o t a lr e c e p t i o nr a t e w ed e f i n e t h ep r o b l e mo fs f nm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e ss e l e c t i o na sa k n a p s a c kp r o b l e ma n dp r e s e n tag r e e d ya l g o r i t h mt os o l v ei t t h e ns b s m s d b s ma n dd b s ma r ed e s i g n e dt or e s e l e c tt h es f nm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e s t om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n ts y s t e m s s e c o n d l y w ea n a l y z et h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm u l t i c a s t b r o a d c a s t a n dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fm s p p m sa l g o r i t h mb a s e do np o p u l a r i t ya n ds p m s a l g o r i t h mb a s e d o ns i m i l a r i t ya r e p r o p o s e d f o rm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e s s c h e d u l i n g i nt h es c e n a r i ot h a te a c hm sc a nr e c e i v em o r et h a no n e m u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c es i m u l t a n e o u s l y b o t ht h et w oa l g o r i t h m sc a nr e d u c et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 e n e r g yc o n s u m p t i o nc o m p a r e dw i t ht h er o u n dr o b i na l g o r i t h m s u b s e q u e n t l y w e a n a l y z ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o sf o re a c ha l g o r i t h m b a s e d0 1 1t h ec o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t ya n dt h ec h a n n e lo c c u p a t i o nr a t e t h i r d l y w ea n a l y z et h ep r o b l e mo ft h es s b i sa l g o r i t h mu n d e rt h es c e n a r i ot h a t e a c hm sc a nr e c e i v es e v e r a lm u l t i c a s t b r o a d c a s ts e r v i c e ss i m u l t a n e o u s l y u s i n gt h e p p m sa l g o r i t h mw e p r o p o s e d w ed e s i g nan e wi n t e g r a t e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o r t h i ss c e n a r i o t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mi sm o r ee f f i c i e n t t h a ns s b i sw h e nm sn u m b e rr e a c h e sac e r t a i nv a l u e a tl a s t t h ec o n c l u s i o ni sm a d ea n df u t u r ew o r ki sp r o p o s e d k e yw o r d s b w m m u i t i c a s ta n db r o a d c a s t s c h e d u ii n ga i g o ri t h m e n e r g y c o n s u m p t io n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影 印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密留 使用本授权书 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 一谤黼指导掷签名 肛 日期 乙冲车 日眵目 日期 2 尸 仁卜 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中作了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 1 为解决单频网内选择哪些多播广播业务以单频网方式传输 本文提出了一 种贪婪算法 同时 设计了s b s m d b s m s d b s m 三种单频网多播广 播业务重新选择机制 以满足不同的系统要求 2 针对用户同时接收多路多播广播业务的场景 借鉴超帧结构 提出了基于 流行度的p p m s 和基于相似度的s p m s 多播广播业务调度算法 利用休眠 机制 通过对单频网内的多路多播广播业务合理调度来减少终端从休眠到 清醒状态的状态转换次数 以达到降低终端能耗的目的 3 基于p p m s 算法 对s s b i s 算法进行改进 设计了一种用户同时接收多路 多播广播业务场景下的单播多播业务联合调度e s s b i s 算法 在保证m s q o s 的同时 尽可能多的提高能耗效率 学位论文作者签名 陪一挚守每 日期 r r k i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景与研究意义 1 1 1 研究背景 随着无线通信 多媒体技术的发展以及大屏幕多功能手机的日益普及 新 一代无线通信网络中的移动用户对业务的需求已经由单一的语音业务转变为更 加丰富的各种数据或多媒体业务 例如 视频会议 电视广播 视频点播 图 像传送 广告等 为了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 w c d m a g s m 全球标准化组织3 g p p 在r e l e a s e 6 中提出了多媒体 广播多播业务 m u l t i m e d i a b r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e m b m s 1 以有效的 利用移动网络资源 提高数据传输效率 实现网络资源共享 3 g p p 长期演进 项目l t e l o n g t e r me v o l u t i o n 为了提高m b m s 的业务性能和适应新的系统 架构演进 提出了演进的多媒体广播 组播业务e m b m se 2 1 为了迎合未来市场 对多媒体业务的需求 全球标准化组织3 g p p 2 标准制定了广播和多播业务 b r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e b c m c s 3 8 0 2 1 6 标准工作组提出了多播 广播业务 m u l t i c a s tb r o a d c a s ts e r v i c e m b s 4 除以上几种基于蜂窝网络来 实现多播广播外 还有一种同时使用数字地面广播网和蜂窝网来支持多播广播 的混合组网方式 其中比较典型的方案包括欧洲的d v b h d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g h a n d h e l d 技术和日本的单频段转播标准 5 v j 新一代无线通信网络的核心网络基于口已成为一种共识 各种网络在核心 网络互融互通成为可能 7 8 同时 随着各种无线接入技术的涌现 如i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 2 0 等 推动了通信网 广播电视网 互联网三网融合发展的趋 势 9 1 0 全国信息技术标准化委员会于2 0 0 5 年成立宽带无线多媒体标准工作组 开始撰写宽带无线多媒体 b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a b w m 技术标准 旨在寻求一种运行高效 成本低廉的技术途径 从空中接口 无线接入网络 核心网络 业务平台和终端等不同侧面全方位地达成 三网融合 的总体目标 考虑到传统的地面数字广播系统频谱资源丰富但m a c 简单 对用户的认 证 计费等方面存在不足 不能满足用户个性化需求 而现有的通信网络频谱 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 资源不足 但m a c 功能齐全 支持加密以及身份认证等 方案提出将广播系 统与通信系统在m a c 层融合 并设计了融合的媒体接入控制协议c o m a c c o n v e r g e dm a cp r o t o c 0 1 可以更好的支持多播广播 1 1 2 研究意义 面对日益丰富的业务 用户的需求不断增多 越来越多的业务也将以多播 广播的方式进行传输 因此多播广播技术的研究就显得十分有意义 宽带无线 多媒体b w m 网络是一种融合的新型网络 支持 三网融合 所以下一代宽 带无线多媒体系统中业务将更加丰富 这进一步促进了多播广播技术的研究 宽带无线多媒体系统支持以单频网 s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k s f n 方 式实现多播广播业务的传输 单频网方式实现多播广播优点在于 一方面 小 区边缘的用户可以通过宏分集等方式加强需要接收的广播多播服务信号 基站 在传输该服务时可以适当采用高效的编码方式 提高频谱效率 另一方面 终 端在同一个s f n 区域内的不同小区间移动时接收到的业务将保持连续 可以实 现无缝切换和低能耗 1 2 1 3 倘若对单频网内的每一路多播广播业务均以单频网 多播广播的方式进行传输 用户接收业务的连续性很好 但需要的带宽资源最 多 当单频网内某多播广播业务接收用户很少时 将造成带宽资源的浪费 同 时 带宽资源是有限的 不可能每路多播广播业务均以单频网的方式传输 在 接收用户较少的情况下 我们完全可以以单播的方式来传输此业务 或在需要 这个业务较多的小区内以多播广播的方式传输 而没必要以单频网多播广播方 式传输 因此我们有必要对单频网方式传输的多播广播业务合理选择 既要保 证单频网多播广播的性能 又可以更好的节约带宽资源 下一代宽带无线多媒体系统业务更加丰富 用户的需求越来越多 可能同 时接收两路或多路多播广播业务 多播广播业务大部分是多媒体业务 移动终 端在接收多播广播业务时会消耗更多的电量 相对于移动终端设备的耗电量 目前电池的性能相对较低 14 1 所以需要对移动终端的能耗进行有效管理 有研 究表明 移动终端能耗主要在无线网络接口 w i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c e w n i 1 1 5 1 6 于是对w n i 进行高效的能量管理显得尤为重要 b w m 系统支持i e e e 8 0 2 1 6 e 提出的休眠机制 当基站和移动终端之间没有数据传输时 移动终端便 进入休眠状态 通过关闭w n i 来减小功耗 4 移动终端能否进入休眠是由数据 传输情况决定的 而调度算法在很大程度上决定了数据传输的情况 所以有必 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要对调度算法展开研究 同时 由于多播广播业务的存在 传统的单播业务调 度算法将不再完全实用 在单播多播业务共存的情况下 既要考虑保证m s 的 服务质量 q u a l i t yo fs e r v i c e q o s 又要尽可能的通过调度来降低终端能耗 等 如何对业务进行调度 即多播广播调度算法研究 是宽带无线多媒体系统 面临的重大问题 1 2 论文主要研究内容 本论文在本人参与国家信标委宽带无线多媒体工作组 宽带无线多媒体通 信m a c 层技术标准 制定过程中完成 具体内容包括 单频网内多播广播业 务选择算法的研究 单频网内多播广播业务重新选择机制的设计 多播广播业 务调度算法的研究以及单播多播业务联合调度算法研究 1 单频网多播广播业务选择算法及重新选择机制设计 以单频网方式多播广播 处于小区边缘的用户可以通过宏分集等方式加强 需要接收的广播多播服务信号 终端也可以更好的保证接收业务的连续性 节 约能耗 以单频网方式传输多播广播业务有许多优点 但是选择哪些多播广播 业务以单频网方式传输 目前还没有相关算法 基于以上问题 本文提出了一种贪婪算法来解决单频网多播广播业务的选 择问题 为了更好的满足各种系统的需求 设计了s b s m s d b s m d b s m 三种单频网多播广播业务重新选择机制 2 多播广播业务调度算法研究 下一代宽带无线多媒体系统业务更加丰富 更多的业务也将以多播广播的 方式传输 随着业务的日益增多 用户的需求会不断增加 可能会同时接收两 路或多路多播广播业务 同时 由于多播广播业务大部分是多媒体业务 移动 终端将消耗更多的电量 b w m 系统支持休眠机制 移动终端能否进入休眠是 由数据传输情况决定的 而调度算法在很大程度上决定了数据传输的情况 因 此我们有必要通过设计相应的调度算法来降低终端能耗 基于以上问题 针对m s 同时接收多路多播广播业务的场景 借鉴多播超 帧结构 本文设计了基于相似度的p p m s 和基于流行度的s p m s 多播广播业务 调度算法 通过合理的调度多播广播业务来减少m s 的状态转换次数 进而节 约m s 能耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 单播多播业务联合调度算法研究 多播业务的存在使传统单播业务的调度算法不再完全适用 算法的研究最 终还要归结为如何设计单播多播业务联合调度算法 田霖 1 7 j 8 提出了一种基于 调度集合的单播多播业务联合调度s s b i s s c h e d u l i n gs e tb a s e di n t e g r a t e d s c h e d u l i n g 算法 既节约了终端能耗 又可以很好的保证m s 的q o s 但在用 户同时接收多路多播广播业务的场景下 此算法能耗效率会比较低 基于以上问题 本文在p p m s 多播广播业务调度算法的基础上 对s s b i s 算法进行了改进 设计了一种用户同时接收多路多播广播业务场景下的单播多 播业务联合调度算法 并对两种算法进行了仿真比较 1 3 论文结构与章节安排 本文的章节安排如下 第二章首先介绍了多播广播的概念 实现过程以及基于单频网的多播广播 然后对目前存在的各种多播广播方案进行了分析比较 最后介绍了宽带无线多 媒体网络的系统架构 针对广播与通信融合设计的c o m a c 协议栈以及按需广 播机制 第三章首先阐述了以单频网方式实现多播广播的优点 并对其进行分析 得出影响单频网多播广播性能的因素 然后进行建模 对设计的单频网多播广 播业务选择算法进行描述 随后介绍了s b s m s d b s m d b s m 三种单频网 多播广播业务重新选择机制 最后我们进行了仿真分析 第四章首先概述了宽带无线多媒体系统多播广播业务的发展趋势以及移动 终端电池能量问题 其次 对用户可以同时接收多路多播广播业务的场景进行 建模 再次 设计了基于流行度和相似度的多播广播业务调度算法 最后 我 们对两种算法进行仿真 与轮询算法作比较 并结合计算复杂度 逻辑信道占 用率等进行分析 得出各种算法的优劣 以便根据实际情况进行合理选择 第五章首先分析了用户同时接收多路多播广播业务场景下s s b i s 算法存在 的问题 然后 在此场景下进行建模 随后 详细介绍了s s b i s 算法 并对其 进行扩展 对扩展后存在的问题给出解决方案 设计了扩展后的e s s b i s 算法 最后 对两种算法进行仿真比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章宽带无线多媒体系统多播广播技术 2 1 多播广播技术 2 1 1 多播广播概念 多播和广播都属于 点到多点 数据通信业务 点到多点 是指从一个数 据源实体向多个终端传送数据 多播广播分为广播模式和多播模式 多播模式即组播模式 要求终端签约相应组播组 进行业务激活 并产生 相应的计费信息 而广播模式不同于现存小区广播服务只传送短信等低速业务 是指通过公共无线信道传输视频 音频等高速多媒体数据 多播模式与广播模 式区别在于 广播模式下终端不必注册该服务 从而可以节省能耗 2 1 2 多播广播实现流程 终端多播广播过程服务器 图2 1 多播广播的典型流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 多播广播的典型流程如图2 1 所示 其中多播模式包含签约 业务通知 用户加入 会话开始 多播广播通知 数据传输 会话结束和用户退出 广播 模式包括业务通知 会话开始 多播广播通知 数据传输 会话结束 2 0 下面 我们对各个过程做一下介绍 签约过程 用户与服务提供者之间建立关联 以便允许用户接收相关的多 播广播业务 业务通知过程 用户得到多播广播业务相关信息 如多播广播业务的地理 范围 业务开始时间 i p 组播地址等 用户可以通过多种方式来实现业务通知 如小区广播 p u s h 机制 w a p s m s 多播广播多播模式 多播广播广播模 式 u r l h t t p f t p 用户加入或退出某个多播组可以通过i g m p i n t e m e t g r o u pm a n a g e m e mp r o t o c 0 1 等协议来实现 用户加入过程 当终端接收到业务通知后 用户使用业务的方式取决于业 务的模式 如果是广播模式 则终端只需简单的接收相应信道就可以了 具体 接收哪个信道在业务通知中包含详细的参数描述 如果业务是多播模式 用户 就必须向网络发出用户加入请求 以便成为相应多播组的一员接收相应多播数 据 一 会话开始 会话结束过程 由广播多播业务中 t 二 b r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e c e n t e r b m s o 发起 建立或释放传送多播广播数据的网络资源 多播广播通知过程 告知终端要开始传送的多播广播数据 数据传输过程 服务器将多媒体数据发送给b m s c b m s c 将这些数据 转发到多播广播的承载层 通过这些过程 多媒体数据被传送到多播广播业务 组内的所有终端 用户退出过程 当会话结束时 想离开多播业务组的终端向网络发送请求 网络接收到该请求后 将此终端从多播业务组中删除 2 1 2 基于单频网的多播广播 单频网有许多优点 一是有利于频率规划 在频谱资源有限的情况下 可 以大大节约宝贵的频谱资源 二是可以通过多点同频发射的办法来解决覆盖盲 区问题 获得较好的覆盖率 三是可以降低发射机设备的成本 通过优化和调 整单频网发射网路 使用多个较小功率的发射机代替一个大功率发射机 以降 低信号辐射 减少电磁波污染 增强覆盖均匀度 也可根据需要随时改变覆盖 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 意图 研究表明 以单频网方式实现多播广播是一种有效的多播广播方式 1 2 2 1 基于单频网的多播广播是指使用一组物理上相邻的小区组成一个s f n 区域 它 们同步传输同一个多播广播服务 图2 2 单频网多播广播相关区域 单频网方式的多播广播区域主要包括四部分 如图2 2 所示 多播广播同 步区域 是一组拥有相同频带的相邻小区 这个区域内的所有小区有能力进行 同步并且使用s f n 模式传输多播广播数据 多播广播同步区域包括s f n 区域 和非s f n 区域 多播广播同步区域可以独立于多播广播服务区域来配置 可以 支持一个或多个s f n 区域 但在特定的频带 多播广播同步区域在地理位置上 是不能重叠的 s f n 区域 是指为使某个多播业务进行同步传输 而让一组地 理位置上相邻的小区使用同一频带中的相同无线资源 最大s f n 区域 指的是 一个s f n 区域所能达到的最大地理位置 受到多播广播同步区域 多播广播业 务区域以及运营商配置的限制 s f n 警戒区域 指的是s f n 区域的周边小区 为了避免干扰而限制这些小区使用s f n 区域所使用的无线资源 2 2 目前多播广播方案分析 总结起来 目前主要包含四种多播广播技术方案 下面我们将对他们各自 的优缺点进行分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 方案一 3 g p p 的m b m s 3 g p p 2 的b c m c s i e e e8 0 2 1 6 e 的m b s 在 无线蜂窝通信系统中增加支持广播多播的能力 它们除定义了空中接口外 对 多播广播业务的管理也制定了相关流程 另外还增加了b m s c 这个新的实体 此方案将点到多点的传输方式引入无线广播多播中 减少了同一份数据发送及 拷贝的次数 提高了广播多播的传输效率 但存在三个问题 1 频谱效率低 点到多点传输方式及功率取决于小区中信道质量最差的用户 因此很多情况下 均需要采用最鲁棒的编码 发射功率大 加重了小区边缘的干扰问题 2 切 换过程中业务中断 由于各小区独立地对广播多播业务进行调度 造成各小区 间传输的业务不同 终端切换到新小区可能需要重新请求业务 3 目前的机 制只能对单个通信基站上的广播或多播进行优化 对于全网广播业务的支持不 口 巴 方案二 欧洲的d v b h 技术 日本的单频段转播标准等 此方案是一种 混合组网方式 同时使用蜂窝网和广播网来提供广播业务 是一种可行方案 但只是一种过渡方案 这些技术在现有的网络架构上增加功能实体实现多模终 端 多模终端需要多个模块同时工作 耗能较大 并且网络层以上的融合切换 时延大 对实时性要求较高业务的服务质量得不到保证 同时 由于多模方案 中广播网络和通信网络是两个单独的网络 网络之问交互较少 因此无线资源 不能在广播网络和通信网络间根据业务的变化进行动态的调整 方案三 l t e 中正在定义的e m b m s 的重点m b s f n m b s f n 是指m b m s 的s f n 操作模式 此方案以同频方式进行广播 在m b s f n 中 一个m b m s 服务可以使用一组物理上相邻的小区组成一个m b s f n 区域 它们同步传输同 一个m b m s 服务 此方案既可以增强小区边缘用户的服务信号 提高频谱效率 又可以保证业务的连续性 整个s f n 区域在接收m b m s 服务的终端看来就像 是一个小区一样 可以取的较好的效果 但在这种系统中支持多播广播会受到 带宽资源的限制 全国信息技术标准化委员会宽带无线多媒体标准工作组正在起草的宽带无 线多媒体b w m 技术标准 充分考虑广播网与通信网的优缺点 在m a c 层对 广播网与通信网进行融合 提出了融合的媒体接入控制协议c o m a c 可以有 效解决以上方案的缺点 b w m 网络既支持以单频网方式实现多播广播业务的 传输 又可以避免终端的多个模块共同工作 并且延迟较小 可以更好的支持 多播广播技术 这是当前的第四种多播广播方案 本文的研究即基于此方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 宽带无线多媒体b w m 系统在支持多播广播方面具有无可比拟的优势 下 一部分我们将对宽带无线多媒体系统 针对广播与通信融合设计的c o m a c 的 协议栈以及按需广播机制做一下介绍 2 3 宽带无线多媒体系统多播广播技术 2 31 系统概述 图2 3 宽带无线多媒体网络系统架构 宽带无线多媒体b w m 网络旨在寻求一种运行高效 成本低廉的技术途 径 从空中接口 无线接入网络 核心网络 业务平台和终端等不同侧面全方 位地达成 三网融合 的总体目标 b w m 网络是一个融合广播电视网和宽带 无线接入网技术的新型网络 同时 b w m 网络又区别于宽带无线接入网络和 移动电视网络 可以配置强大的口核心网络和i m s 综合业务管理平台 并为 不同的终端业务配置了相同的运营支撑平台 口刁 在无线接入网架构上 b w m 网络支持多种组网方式 包括 单一广播基站应用模式 单一蜂窝基站应用模 式及广播基站加蜂窝基站应用模式 在覆盖热点及室内场景 支持点到点或者 点到多点的模式进行优化组网 其网络系统架构可参考图2 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 2 融合的媒体接入控制协议 7 n a s m c m ss a p 圈 习 图2 4c o m a c 协议栈模型 媒质接入控制层c o m a c 如图2 4 所示 包括媒质控制管理子层 m e d i u m c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts u b l a y e r m c m s 网络适配子层 n e t w o r k a d a p t a t i o n s u b l a y e r n a s 和安全子层 s e c u r i t ys u b l a y e r s e s 三部分 各部分包含功 能如上图所示 基站 b b s c b s1 应用层 b r o l a d c a s t b a 网络层 i p v 4 6 m a c 层 c o m a c 物理层p h y r f 无线信道 终端 应用层 b r o a d c a s tb w a 干 网络层 i p v 4 6 m a c 层c o m a c 物理层p h y r f 图2 5 基于c o m a c 的b w m 协议栈 基于c o m a c 的b w m 协议栈结构如图2 5 所示 2 3 网络层基于i p v 4 i p v 6 所 有广播和宽带无线接入 b r o a d b a n dw i r e l e s sa c e s s b w a 业务都通过p 封装 然后路由到b w m 基站 应用层包括两部分业务 第一部分为全网广播业务 第 二部分为宽带无线接入业务 全网广播业务包括移动电视 公共交通和天气信 息等 宽带无线接入业务包括因特网数据 视音频多媒体业务 本地广播和多 圈 蛩 窜 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 播业务等 c o m a c 将基于p 的数据在分配的信道上通过物理层和射频电路传送 到移动终端 根据所处的实体不同 c o m a c 分为三部分 m a cb m a cc 以及m a cm m a cb 为c o m a c 在广播基站 b b s 端的实现 m a cc 为c o m a c 在蜂窝基站 c b s 端的实现 m a cm 为c o m a c 在移动终端的实现 c o m a c 支持单一广 播基站应用模式 广播基站加蜂窝基站应用模式和单一蜂窝基站应用模式 下 面分别对这三种应用模式加以介绍 图2 6 单一广播基站应用模式 单一广播基站应用模式如图2 6 所示 用几个广播基站实现一个城市的覆 盖 主要考虑与现有的广播系统的平滑过渡 广播基站b b s 采用单频网s f n 模 式进行覆盖 同一路业务在不同的广播基站上严格同步 单一广播基站应用模 式下 终端只需启动与m a cb 对应的功能 在此种模式下 无法提供宽带无线 接入业务 图2 7 广播基站加蜂窝基站应用模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 8 广播基站加蜂窝基站模式m a cc 功能框图 广播基站加蜂窝基站应用模式如图2 7 所示 广播基站仍以单频网方式实现 全网广播 其功能与在单一广播基站应用模式下相同 蜂窝基站c b s 除具有现 在的蜂窝基站支持功能外 增添对单向全网广播提供回传路径的支持 来对用 户进行认证 授权 以支持点播业务等 m a cc 的功能框图如图2 8 所示 包 括数据平面和控制平面两部分 m a cc 在数据平面实现m a c 服务数据单元向 m a c 协议数据单元间的转换 同时实现数据的分段 打包等 m a cc 通过与移 动终端的m a cm 交互m a c 消息和其它控制信息实现m a c 层的管理功能 如入 网 功率控制等 图2 9 单一蜂窝基站应用模式 单一蜂窝基站应用模式只通过c b s 进行覆盖 如图2 9 所示 在这种应用模 式下 所有的业务均由蜂窝基站c b s 来实现 既包括广播电视网的广播业务 又包括蜂窝网的宽带无线接入业务 m a c c i 均功能有所增强 增加了对广播的 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 支持 即包含t m a cb 的功能 此时增强的m a c e 的主要功能模块如图2 8 所 示 为了在m a c c 中支持广播业务 需要对图2 8 中的数据平面 入网和多播 广播模块进行修改 m a c m 的功能与广播基站加蜂窝基站应用模式相同 既 需要接收广播数据 又需要接收宽带无线接入数据 只是在入网部分的过程有 所不同 图2 1 0m a cm 功能单元示意图 m a cm 为c o m a c 在移动终端m t 端的实体 其功能单元如图2 1 0 所示 m a cm 根据应用模式可以单独接收来自广播基站b b s 的广播业务 也可以同时 接收分别来自广播基站和蜂窝基站的不同业务和数据 因此 m a cm 的设计 考虑三种不同的应用模式 支持灵活配置 2 3 3 按需广播机制 b w m 为广播专门划分了信道b c h 可提供用于鉴权 控制的反向信道 按需广播机制 使终端可以利用反向信道主动向基站发出服务请求 蜂窝基站 通过判断决定是否对某路业务进行广播 蜂窝基站根据需要对选择的业务以广 播方式进行传输 而非广播所有的业务 这样就可以利用b c h 的剩余带宽传 输普通数据业务 基站端的各路业务均具有准备态和活动态两种状态 如果某路业务当前至 少有一个用户正在接收 则该路业务设置为活动态 基站将为每路业务保存一 个p r os t a t e 标志位 p r os t a t e a c t 表示该路业务目前为活动态 p r os t a t e p r o 表示该路业务目前为准备态 如果某路业务当前没有用户接 收 则将该路业务设置为准备态 基站只广播处于活动态的业务 基站在持续 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 一1 1 基站处理终端请求业务过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 广播业务单的同时 等待终端发送的p r or e q 业务接收消息 当基站收到业 务接收消息时 应该解析出该业务接收消息指向的是哪路业务 然后基站会根 据条件判断该路业务是准备态还是活动态 针对这两种情况采取不同的做法 并向终端发送p r or s p 作为回应 基站进入等待状态 等待终端发送给基站 的各种更新消息 基站收到这些更新消息后 通过解析这些更新消息 更新该 路业务的状态 基站处理终端请求业务过程如图2 1 1 所示 在某路业务进入活动态后 基站端需要一边广播业务 一边等待终端发送 给它的状态更新消息 每接到一条状态更新消息 就解析该消息 计算剩下的 还在接收业务的用户数量 如果已经没有终端接收该业务 释放掉当前业务所 占的带宽资源 停止该路业务的广播 如果还有用户接收 则回到继续广播的 状态 2 4 本章小结 首先阐述了多播广播技术的概念 实现流程以及基于单频网的多播广播 然后对目前各种多播广播方案总结分析 最后我们介绍了宽带无线多媒体网络 的系统架构 针对广播与通信融合设计的c o m a c 协议栈以及按需广播机制 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章单频网多播广播业务选择算法及 重新选择机制设计 3 1 概述 以单频网方式实现多播广播 单频网内的各基站同步并以相同的频率传输 同一个多播广播业务 优点在于 一方面可以通过宏分集等方式降低处于小区 边缘的干扰 带来较高的载干比 另一方面 终端在同一个s f n 区域内的不同 小区间移动时接收到的业务将保持连续 可以实现无缝切换和低能耗 在同样 的带宽条件下 选择的单频网多播广播业务的接收终端数目越多 单频网多播 广播性能会越好 可以看出 单频网方式实现多播广播的性能主要体现在频谱效率和业务连 续性上 这可以通过设计相关的多播广播业务选择机制来提高 若单频网内的 每一路多播广播业务均以单频网多播广播的方式传输 用户接收业务的连续性 很好 但需要的带宽资源最多 如传统的d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d m b d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 等广播系统 5 0 当单频网内某路多播 广播业务接收用户很少时 将造成带宽资源的浪费 同时 带宽资源是有限的 不可能每路多播广播业务均以单频网的方式传输 于是 在接收用户较少的情 形下 我们完全可以以单播的方式传输此业务 或者在需要此业务较多的小区 内以多播广播的方式进行传输 而没必要以单频网多播广播方式传输 因此 在单频网内 需要设计相应的算法来确定哪些多播广播业务以单频网的方式进 行传输 尽管目前学术界已经做了一些在单频网上实现多播广播的研究 但据调研 所知 目前还没有关于单频网多播广播业务选择算法提出 y a k u ns u n 总结出 在蜂窝拓扑结构中使用s f n 可以提高系统性能 2 1 b b a i 2 5 1 与t a e s o ok w o n 2 6 意识到在单频网中实现多播广播业务浪费宝贵的带宽资源 提出了复用广播资 源和单播资源的思想 但他们都没有考虑如何对单频网多播广播业务进行合理 选择 基于此 本文提出一种算法来解决单频网多播广播业务的选择问题 并设 计了三种单频网多播广播业务重新选择机制 以满足不同的系统要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 系统建模分析 a 超帧 超帧头j子帧1子帧x子帧x 1 子帧x 2子帧g a s f n 子帧 c t 1 二乙 占 l l v o j1 1j r 巩 7 图3