WCDMA与GTM组播和广播业务技术介绍

WCDMA/GSM 组播和广播业务技术简介 组播和广播是一种从一个数据源向多个目标传送数据报文的技术。在传统移动网络中，小区广播业务 (CBS： Cell Broadcast Service)允许低比特率数据通过小区共享广播信道向所有用户发送，属于消息类业务。 现在，人们对移动通信的需求已不再满足于电话和消息业务，随着 Internet 的迅猛发展，大量多媒体业务涌现出来，其中一些应用业务要求多个用户能同时接收相同数据，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教育、互动游戏等。这些移动多媒体业务与一般的数据相比，具有数 据量大、持续时间长、时延敏感等特点。目前的IP 组播技术只适用于有线 IP 网络，不适用于移动网络，因为移动网络具有特定的网络结构、功能实体和无线接口，这些都与有线 IP 网络不同。 为了有效地利用移动网络资源， WCDMA/GSM 全球标准化组织 3GPP 提出了组播和广播业务 (MBMS： Multimedia Broadcast/Multicast Service)，在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空口接口资源。 3GPP 定义的 MBMS 不仅能实现纯 文本低速率的消息类组播和广播，而且还能实现高速多媒体业务的组播和广播，这无疑顺应了未来移动数据发展的趋势。 WCDMA/GSM 网络中组播和广播业务的实现 组播和广播业务 MBMS 基于 WCDMA/GSM 分组网，通过增加一些新的功能实体，如广播组播业务中心 BM-SC，对已有的分组域功能实体如 SGSN、 GGSN、 RNC 和 UE 等增加 MBMS 功能，并定义了新的逻辑共享信道来实现空口资源共享。 MBMS 的网络参考模型如图 1 所示，其中的虚线为可选择的接口，可根据运营商的业务需要决定是否支持。 MBMS 承载业务的边缘为 Gmb、 Gi 参考点，即广播组播业务中心 BM-SC 与 GGSN 之间的接口，Gmb 接口提供控制面功能， Gi 接口为用户面承载功能。这里唯一新增的接口是 Gmb 接口，其它都是 WCDMA/GSM 网络已经存在的接口。 图 1 WCDMA/GSM 网络中组播和广播业务网络框架 广播组播业务中心 BM-SC 为新增的移动网功能实体，它是内容提供者的入口，用于授权和在移动网中发起 MBMS 承载业务，并按照预定时间计划传送 MBMS 内容。其功能包括： 对第三方内容提供商鉴权、授权和计费 ； 提供 MBMS 传输相关参数，如 QoS、组播广播区域，发起和终止 MBMS 传输资源 ； 从外部数据源接收并传送 MBMS 内容，安排 MBMS 会话传送并告知用户，会话重传等 ； 业务声明，包括媒体描述、会话描述如组播业务标识、地址、传送时间等。 对已有的 WCDMA/GSM 分组网功能实体 GGSN、 SGSN、 RNC/BSC 和 UE，也需要增加MBMS 相关功能和过程，其中针对 MBMS 新增如下功能： UE 支持激活 /去激活 MBMS 业务 ；MBMS 安全相关功能，如对内容进行加密和一致性保护 ；接收 MBMS 业务声明、寻呼信息或支持同步业务 ；根据 MBMS 会话标识决定是否忽略 MBMS 会话。 RAN/BSC 在预定的组播或广播业务区域传送 MBMS 数据，组播模式下 RAN 根据小区中当前服务用户数目和可用无线资源选择合适的无线承载，即选择共享信道或专有信道 ；支持核心网发起和终止 MBMS 传送 ；支持 MBMS 接收者在 RNC 间的移动，这可能会引起一些数据的丢失 ；支持传输 MBMS 业务声明、寻呼信息、 MBMS 并行业务，如接收 MBMS 视频内容同时进行语音呼叫和消息业务。 SGSN 对用户进行网络控制 ；支持 MBMS 接收者在 SGSN 间的移动 ；组播业务计费，包括后付费和预付费用户 ；根据 GGSN 发送的通知建立或释放 Iu、 Gn 承载。 GGSN 作为 MBMS 数据的 IP 组播业务节点，根据 BM-SC 的通知请求为广播或组播传送建立或释放用户面承载 ；从 BM-SC 或其它数据源接收 IP 组播内容，并通过 GTP 隧道路由 ；以及消息通知、计费数据 手机、业务 (QoS)协商。 CAMEL 业务环境 CSE 与 SGSN 间的接口利用 CAMEL 为预付费用户提供 MBMS业务 ；小区广播中心 CBC 可用于向用户发布 MBMS 业务声明 ；组播广播业务中心 BM-SC 通过开放业务环境 OSA(Open Service Architecture)与第三方进行交互。 MBMS 包括组播模式和广播模式。组播模式需要用户签约相应组播组，进行业务激活，并产生相应的计费信息。由于组播和广播模式在业务需求上存在不同，导致其业务流程也不同，具体参见图 2、图 3。 图 2 MBMS 组播模式业务流程 图 3 MBMS 广播模式业务流程 MBMS 业务声明机制可使用户得到 MBMS 业务的相关信息，如地理范围、 IP 组播地址、业务开始时间等。运营商可考虑采用多种方式来实现业务声明，如通过小区广播、 MBMS广播模式、 MBMS 组播模式、 PUSH 机制 (WAP、 SMS、 MMS)、 URL(HTTP、 FTP)。用户加入或退出某个组播组，可通过 IGMP(Internet Group Management Protocol)协议或 MLD(Multicast Listener Discovery)协议来实现。 UE 和 GGSN 必须支持 IGMP(IPv4)/MLD(IPv6)协议，通过已建立的 UE 与 GGSN 间的承载通道， UE 向 GGSN 发送 IGMP/MLD 的 Join、 Leave 消息。在用户加入后， CN、 RAN 节点都将保存该用户多播业务的 MBMS 内容 (MBMS Context)。 会话的开始、结束是由广播组播业务中心 BM-SC 发起的，触发由 MBMS数据传送建立或释放相应的网络资源，包括 GTP 用户面、 Iu 接口和空中承载。该过程与用户加入或退出某个组播组过程完全独立。 MBMS 通知是指网络侧通知 UE 将传送 MBMS 数据。 MBMS 承载内容 (MBMS Bearer Context)包括所有的 MBMS 承载相关信息，在 MBMS 数据传送阶段建立，保存在 SGSN、 GGSN 和 RNC 中。 由于 MBMS 业务的数据流量较大、持续时间较长，为了节省空口资源， WCDMA 网络提出了一种新的逻辑共享信道， RNC 根据一定的规则决定 MBMS 数据通过共享信道或专有信道下发给 UE，具体采用何种规则则由运营商自行决定。例如， RNC 可根据每个小区中加入组播的用户数目大于某阀值时使用共享信道。 目前的移动网络不支持多播和广播能力，因此必须为 WCDMA/GSM 定义一系列 MBMS 业务流程： MBMS 多播业务激活流程 (MBMS Multicast Service Activation Procedure)； MBMS 会话开始流程 (MBMS Session Start Procedure)； MBMS 登记流程 (MBMS Registration Procedure)； MBMS 会话结束流程 (MBMS Session Stop Procedure)； MBMS 去登记流程 (MBMS De-Registration Procedure)； MBMS 多播业务去 激活流程 (MBMS Multicast Service De-activation Procedure)； Iu 承载释放流程 (Iu Bearer Plane Release Procedure)； RAN 资源建立 (RAN Resource Setup)； SGSN 间 RA 更新过程流程 (Inter SGSN Routing Area Update Procedure)； SGSN 间 SRNA 迁移流程 (Inter SGSN Serving RNS Relocation Procedure)； MBMS 广播业务激活 (MBMS Broadcast Service Activation)； MBMS 广播业务去激活 (MBMS Broadcast Service De-activation)； MBMS 广播会话开始流程 (MBMS Broadcast Session Start Procedure)。 为实现上述流程，需要在 WCDMA/GSM 分组网的已有接口上，包括 SGSN 与 GGSN之间的 Gn/Gp 接口， SGSN 与 RNC 之间的 Iu 接口， RNC 之间的 Iur 接口，定义 MBMS业务相关的消息和参数，同时还需要新定义 BM-SC 与 GGSN 之间的控制接口协议。 在业务质量方面，移动网络需要对 MBMS QoS 进行控制。与其它点到点数据业务不同，MBMS 仅仅支持 Background、 Streaming 两种业务类型， Background 适于消息和下载类应用， Streaming 适于流应用，同时 MBMS 还需要支持较高的 SDU 错误率。 MBMS 数据分发的路径，包括多个 RNC 和 SGSN，所有的路径均使用相同的 QoS。对于 MBMS，移动网不需要进行 QoS 协商机制，这就意味着可能会有一些 MBMS 业务路径因 QoS 需求不能满足而导致路径下的用户业务失败。从严格意义上说， MBMS 是一种网络技术，基于 MBMS 技术可实现许多应用。表 1 是一些基于 MBMS 的具体业务应用的典型数据比特率。 表 1 MBMS 应用的典型媒体类型和数据速率 MBMS 媒体的编解码和格 式，包括音频、视频、图片、文本等多种媒体类型， 3GPP将定义媒体编解码和格式的最小集合，来实现业务的互通。 MBMS 媒体编解码和格式的最小集合将与分组流业务和多媒体消息业务的媒体编解码和格式保持一致。在 MBMS 安全方面， UE 和 BM-SC 之间可对组播和广播内容进行加密和完整性保护， BM-SC 必须能对每个组播和广播内容提供者进行鉴权和授权。 MBMS 与其它业务之间存在着一定的相互作用，当用户需要将通过 MBMS 接收的内容进行存储并转发给其它用户时，需要考虑数据权限管理 (DRM： Digital Right Management)的限制和相应的计费能力。当与用户信息相互作用时， MBMS 用户业务将使用通用用户信息 GUP(Generic User Profile)机制。 目前， 3GPP 对 MBMS 的标准化工作正在进行之中，预计可在 2004 年 3 月份完成，属于 R6 业务特性。其中， MBMS 的业务需求、结构和功能描述已经完成，接入网和核心网的各个接口协议和消息流程正在制订中。 MBMS 的业务流程比较复杂，涉及到很多网络实体，包括 UE、