基于統(tǒng)計的eMBMS容量規(guī)劃研究

黃正彬，張建國，徐恩，王加義

（1.中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

基于統(tǒng)計的eMBMS容量規(guī)劃研究

黃正彬1，張建國2，徐恩2，王加義2

（1.中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

通過介紹eMBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對eMBMS信道結(jié)構(gòu)和業(yè)務調(diào)度進行分析，提出了基于統(tǒng)計的eMBMS容量規(guī)劃的方法，即根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計邊緣RS-SINR確定PMCH的邊緣RS-SINR和PMCH速率，再根據(jù)PMCH速率和視頻的碼率確定1個子幀可以傳輸?shù)囊曨l流數(shù)。根據(jù)南寧現(xiàn)網(wǎng)的RS-SINR統(tǒng)計，1個子幀可以傳輸5路標清視頻、2路高清視頻或者1路超清視頻。

增強型多媒體廣播多播業(yè)務 容量規(guī)劃 RS-SINR 統(tǒng)計

1 引言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)和數(shù)據(jù)流量資費的降低，在線視頻業(yè)務逐步成為4G用戶的主流業(yè)務。由于采用傳統(tǒng)的“點對點”模式傳輸視頻會占用過 多的空中接口資源，導致4G網(wǎng)絡(luò)負荷急劇上升，用戶體驗變差。

eMBMS（enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service，增強型多媒體廣播多播業(yè)務）采用廣播方式傳輸，“點對多點”模式可 以提升網(wǎng)絡(luò)資源利用效率，尤其是空中接口資源的利用效率，因此能夠極大提升網(wǎng)絡(luò)的用戶承載能力，具備承載能力強、資源利用率高、配置靈活等技術(shù)特點，既可承載低速率的消息類廣播，也可承載高速率的音/視頻直播等業(yè)務。

2 eMBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

同時發(fā)送完全相同波形的1個或多個小區(qū)組成1個MBSFN（MBMS Single-Frequency Network，多播/組播單頻網(wǎng)絡(luò)）服務區(qū)。1個MBSFN服務區(qū)由多個小區(qū)組成，1個小區(qū)也可以屬于多個MBSFN服務區(qū)，但最多只可以屬于8個MBSFN服務區(qū)[1]，MBSFN服務區(qū)是靜態(tài)配置的。

eMBMS網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和UE三大部分組成。其中，核心網(wǎng)由MME、MME GW和BM-SC（Broadcast Multicast Service Center，廣播多播業(yè)務中心）組成；無線接入網(wǎng)由MCE（Multi-cell/multicast Coordination Entity，多小區(qū)/多播協(xié)調(diào)實體）和eNB（evolved Node B，演進型基站）組成。eMBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

eMBMS網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的功能[2]描述如下：

◆MME的功能：eMBMS會話管理功能，即MBMS會話的開始、終止、修改；重置功能，確保M3的初始化；錯誤指示功能，合適的錯誤報告、處理機制。

◆BM-SC的功能：成員管理功能，包括鑒權(quán)、認證、用戶的計費；會話和傳輸功能，包括會話的調(diào)度和重傳，分配TMGI（Temporary Mobile Group Identity，臨時移動組標識），配置MBMS GW參數(shù)（QoS、MBMS服務區(qū)），發(fā)起和中止MBMS承載資源，向MBMS GW發(fā)送數(shù)據(jù)，對外網(wǎng)數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、認證和接收；代理傳輸功能，包括為內(nèi)容提供者的計費。

◆MBMS GW的功能：提供接口的功能，包括SGi-mb接口、SGmb接口、M1接口、Sm接口；分配IP組播地址（IP Multicast Address）功能。MBMS GW可以與多個控制面實體（如MME和BM-SC）進行通信。

◆MCE的功能：接入控制功能，即MCE給MBSFN服務內(nèi)使用MBSFN多小區(qū)MBMS傳輸?shù)乃衑NB分配無線資源，如時間/頻率資源、調(diào)制和編碼方案等；為eNB提供MCCH（Multicast Control Channel，多播控制信道）相關(guān)信息；提供基本的無線參數(shù)配置；eNB和MCE配置更新功能。MCE也參與MBMS會話控制信令。

◆e N B的功能：實現(xiàn)小區(qū)的管理和控制；從MBMS GW接收IP組播數(shù)據(jù)并通過空中接口轉(zhuǎn)發(fā)到UE。

eMBMS網(wǎng)絡(luò)的各個接口描述如下：

◆M1：MBMS GW和eNB之間用戶面的參考點，采用IP組播方式傳送MBMS數(shù)據(jù)，該參考點基于GTP-U協(xié)議[3]。

◆M2：MCE和eNB之間的控制面參考點，參見文獻[4]。

◆M3：MME和MCE控制面之間的參考點，參見文獻[5]。

◆Sm：MME和MBMS GW控制面之間的參考點，該參考點基于GTPv2-C協(xié)議[6]。

◆SGmb：BM-SC和MBMS GW控制面之間的參考點，參見文獻[7]。

◆SGi-mb：BM-SC和MBMS GW用戶面之間的參考點，參見文獻[7]。

◆SGi：BM-SC和PDN網(wǎng)關(guān)之間的參考點，參見文獻[7]。

3 eMBMS信道結(jié)構(gòu)和業(yè)務調(diào)度

圖1 eMBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

針對MBSFN傳輸，3GPP協(xié)議定義了2種類型的邏輯信道：M T C H（Multicast Traffic Channel，多播業(yè)務信道）和MCCH（多播控制信道）。MTCH承載M B M S數(shù)據(jù)，M C C H承載每個M C H的子幀分配、調(diào)制和編碼方案等控制信息。MTCH和MCCH復用并映射到MCH（Multicast Channel，多播信道）。MCH映射到PMCH（Physical Multicast Channel，物理多播信道），PMCH在MBSFN子幀上傳輸[8]。

MBSFN子幀指的是支持MBSFN傳輸?shù)淖訋?，同一個MBSFN服務區(qū)的所有小區(qū)在MBFSN子幀上同步發(fā)送相同的無線信號。對于FDD LTE，1個無線幀的子幀1、子幀2、子幀3、子幀6、子幀7和子幀8可以配置為MBSFN子幀；對于TDD LTE，1個無線幀的子幀3、子幀4、子幀7、子幀8和子幀9可以配置為MBSFN子幀[1]。MBSFN子幀由控制區(qū)域和MBSFN區(qū)域組成。

與MBMS業(yè)務調(diào)度相關(guān)的2個參數(shù)是CSA（Common Subframe Allocation，公共子幀分配）周期和MSP（MCH Scheduling Period，MCH調(diào)度周期）[1]，具體如下：

◆CSA周期：所有屬于同一個MBSFN服務區(qū)的MCH使用1個MBSFN子幀模式，稱為公共子幀分配（CSA），該CSA是周期性的，稱為CSA周期。CSA周期可以取值40ms、80ms、160ms、320ms、640ms、1 280ms和2 560ms。

◆MCH調(diào)度周期：特定MCH的傳輸信道遵循MSA（MCH Subframe Allocation，MCH子幀分配），該MSA也是周期性的，稱為MCH調(diào)度周期（MSP）。MSP可以取值80ms、160ms、320ms、1 280ms、2 560ms、5 120ms和10 240ms。

MBMS業(yè)務調(diào)度如圖2所示。其中，CSA周期是80ms，有2個MCH：第1個MCH的MSP是80ms，對應1個CSA周期，即每80ms調(diào)度1次；第2個MCH的MSP是160ms，對應2個CSA周期，即每160ms調(diào)度1次。

4 eMBMS容量規(guī)劃

eMBMS業(yè)務的典型應用有手機視頻、手機廣告、手機音樂臺、手機證券等，由于手機視頻占用的資源最多，建議eMBMS的容量規(guī)劃以滿足手機視頻業(yè)務為準。下面以南寧市區(qū)為例進行eMBMS的容量規(guī)劃。

4.1 eMBMS容量規(guī)劃方法

圖2 MBMS業(yè)務調(diào)度示意圖

由于eMBMS采用“點對多點”方式傳輸，UE不上報PMCH質(zhì)量給eNB，eNB就無法獲知下行信道狀態(tài)，因此無法采用傳統(tǒng)的基于UE反饋信道質(zhì)量的動態(tài)調(diào)度機制，只能采用靜態(tài)調(diào)度機制，即預先設(shè)定PMCH的MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）指示。

本文提出基于統(tǒng)計的eMBMS容量規(guī)劃方法是：首先統(tǒng)計現(xiàn)網(wǎng)的RS-SINR分布情況，推導出MBSFN服務區(qū)的PMCH的邊緣RS-SINR；然后根據(jù)PMCH的邊緣RS-SINR確定PMCH的MCS指示，再根據(jù)MCS指示和系統(tǒng)帶寬確定1個無線幀（10ms周期）的1個子幀可以提供的速率；最后根據(jù)1個子幀可以提供的速率和不同清晰度視頻的碼率，確定1個子幀可以傳輸?shù)囊曨l流數(shù)。邊緣RS-SINR定義為95%以上的RS-SINR強度。

4.2 MBSFN服務區(qū)的邊緣RS-SINR

相比于常規(guī)子幀，MBSFN子幀具有以下額外的增益：

◆增加信號強度和降低干擾水平：由于在同一個MBSFN服務區(qū)內(nèi)，多個小區(qū)同步發(fā)送完全相同的無線信號，終端能利用來自多個小區(qū)的信號，因此可以顯著增加接收信號的強度和減少干擾，尤其是在小區(qū)的邊緣。針對常規(guī)子幀，在同頻組網(wǎng)的條件下，根據(jù)負荷的不同，LTE下行鏈路的干擾余量一般取3—8dB[9]；針對MBSFN子幀，LTE的下行干擾余量可以取值為0，即MBSFN子幀相比常規(guī)子幀有3—8dB的增益。

◆對抗無線信道衰落的附加增益：由于信號是從幾個地理上分開的位置收到，這通常會使得總體合成信道呈現(xiàn)出強時間分散或者強頻率選擇性[8]。MBSFN子幀相比常規(guī)子幀，頻率選擇性衰落的獨立性可以獲得額外的增益，參照WCDMA軟切換增益[10]，MBSFN子幀的分集增益可以取值為3dB。

綜上所述，MBSFN子幀相比于常規(guī)子幀，在鏈路預算上可以帶來額外的增益6—11dB，6—11dB的鏈路預算增益對應的RS-SINR增益是4—6dB。

根據(jù)路測統(tǒng)計，得出南寧市區(qū)下行RS-SINR累積概率分布如圖3所示。

從圖3可知，南寧市區(qū)RS-SINR小于0dB的區(qū)域比例是4.3%，也就是95.7%的區(qū)域下行RS-SINR大于0dB，即南寧市區(qū)下行邊緣RS-SINR（95%以上的RSSINR強度）為0—0.5dB。據(jù)此可以判斷，南寧市區(qū)PMCH信道的邊緣RS-SINR為4—6dB。

4.3 MBMSFN子幀速率

根據(jù)3GPP TS 36.213協(xié)議[11]可知，PMCH信道不使用MIMO模式，即1個TTI（Transmission Time Interval，傳輸時間間隔）內(nèi)只有1個傳輸塊，分配的RB數(shù)默認為整個系統(tǒng)帶寬，針對20MHz帶寬，在1個子幀內(nèi)分配給PMCH信道的RB數(shù)是100個。根據(jù)公式（1）可以計算1個無線幀（10ms周期）的1個子幀（1ms）在不同MCS指示下的速率為：

1個子幀的速率=TBS（傳輸塊大?。?10ms （1）

RS-SINR=有效信號/(鄰區(qū)信號+噪聲) （2）

RS-SINR的性能與無線環(huán)境、終端性能、天線模式、最大允許HARQ次數(shù)、BLER（塊差錯率）等因素有密切關(guān)系，因此不易找到MCS指示與RS-SINR的準確對應關(guān)系，3GPP也沒有進行標準化。廠家一般根據(jù)仿真獲得MCS指示和RS-SINR的對應關(guān)系并作為廠家內(nèi)部實現(xiàn)算法，各個廠家提供的MCS指示和RS-SINR對應關(guān)系并不相同。根據(jù)某個廠家提供的資料，可以得出不同MCS指示對應的RS-SINR，如表1所示。

4.4 不同清晰度視頻流的碼率

根據(jù)華為mLAB與搜狐視頻客戶端聯(lián)合實驗室發(fā)布的“2014年Q3移動視頻洞察報告”[12]，對搜狐視頻熱門視頻采樣，不同清晰度視頻對應的碼率及其占比情況如表2所示。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，目前視頻播放清晰度以標清和高清為主，2014年第二季度占比分別是21.5%和75.7%，超清占比上升較快，達到2.8%，而原畫的占比為0。因此，eMBMS容量規(guī)劃可以暫時不考慮原畫畫質(zhì)，只需考慮標清、高清、超清畫質(zhì)即可，按照最大的視頻碼率進行規(guī)劃，則1路標清視頻、1路高清視頻、1路超清視頻的碼率分別是300kbps、650kbps、1 500kbps。

4.5 eMBMS容量規(guī)劃結(jié)果

圖3 南寧市區(qū)下行RS-SINR累積概率分布

根據(jù)圖3可知，南寧市區(qū)現(xiàn)網(wǎng)的邊緣RS-SINR為0—0.5dB，由此可以推斷，PMCH信道的邊緣RS-SINR為4—6dB。根據(jù)表1可知，4—6dB對應的MCS指示可以選擇為8、9或者10，本次規(guī)劃選擇MCS指示9，則1個子幀在1個無線幀周期（10ms）內(nèi)對應的速率是1.584Mbps，因此1個子幀可以傳輸5路標清視頻、2路高清視頻或者1路超清視頻。

表1 不同MCS指示對應的TBS指示、SNR和1個子幀的速率

表2 不同清晰度視頻對應的碼率及其占比情況

5 結(jié)束語

由于PMCH信道的邊緣RS-SINR與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、用戶位置等因素有關(guān)，因此在實際eMBMS業(yè)務部署的過程中要結(jié)合路測數(shù)據(jù)、話務統(tǒng)計、用戶投訴等多種因素，合理確定PMCH信道的MCS指示和eMBMS的容量。

建議中國移動初期從行業(yè)用戶入手，可采用定制終端，復用現(xiàn)有區(qū)域連續(xù)頻點，部分區(qū)域引入eMBMS服務；隨著網(wǎng)絡(luò)、終端支持程度逐步提升，開展廣播類特色業(yè)務，復用現(xiàn)有區(qū)域連續(xù)頻點，考慮在多頻點組網(wǎng)條件下開展eMBMS特色業(yè)務。

[1] 3GPP TS 36.331. 3rd Generation Partnership Project; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specifi cation[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 23.246. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and Functional Description[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 36.445. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M1 Data Transport[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 36.443. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M2 Application Protocol (M2AP)[S]. 2010.

[5] 3GPP TS 36.444. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M3 Application Protocol (M3AP)[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 29.274. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; 3GPP Evolved Packet System (EPS); Evolved General Packet Radio Service (GPRS) Tunnelling Protocol for Control Plane (GTPv2-C); Stage 3[S]. 2010.

[7] 3GPP TS 29.061. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) Supporting Packet Based Services and Packet Data Networks (PDN)[S]. 2012.

[8] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G LTE/ LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. Academic Press, 2011.

[9] Harri Holma, Antti Toskala. LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access[M]. John Wiley & Sons Ltd, 2009.

[10] Harri Holma, Antti Toskala. WCDMA技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 陳澤強,周華,付景興,等譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

[11] 3GPP TS 36.213. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Layer Procedures[S]. 2012.

[12] 華為mLAB&搜狐視頻客戶端聯(lián)合實驗室. 移動視頻洞察報告2014Q3[EB/OL]. (2014-10-15)[2014-10-20]. http://www.c114.net/topic/images/4569/ yidongshiping_2014Q3.pdf.★

黃正彬：工程師，畢業(yè)于西安郵電學院，現(xiàn)任職于中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化工作。

張建國：高級工程師，工學碩士畢業(yè)于南京郵電學院，現(xiàn)任職于華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計工作。

徐恩：高級工程師，中國人民大學工商管理學院MBA碩士，現(xiàn)任職于華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，主要從事移動通信網(wǎng)絡(luò)咨詢、規(guī)劃、設(shè)計和優(yōu)化工作。

中國移動發(fā)布兩大物聯(lián)網(wǎng)開放平臺

2015年5月25日，中國移動在2015年亞洲消費電子展（CES Asia）上發(fā)布了面向企業(yè)用戶推出的“物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)業(yè)務管理平臺”和“OneNet設(shè)備云平臺”。

據(jù)介紹，“物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)業(yè)務管理平臺”是在中國移動物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)卡既有的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，進一步在信息獲取、運維、統(tǒng)計分析以及API接口上進行了創(chuàng)新，為企業(yè)提供了更加豐富、多元化、個性化的通信管理工具。

截至目前，中國移動物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)業(yè)務管理平臺已經(jīng)實時管理著近500萬部終端。

“OneNet設(shè)備云平臺”是介于終端和應用之間的云服務和信息處理平臺，為物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供了多種協(xié)議的接入支持，可實現(xiàn)智能設(shè)備與應用的對接。另外，還針對產(chǎn)品原型開發(fā)、商用及日常運營管理的需要提供了專業(yè)的PaaS云服務。

在行業(yè)應用展區(qū)，中國移動展示了能耗監(jiān)控平臺、智慧社區(qū)平臺和通信模組。通過無線傳感設(shè)備，能耗監(jiān)控平臺可以獲取數(shù)據(jù)來動態(tài)地調(diào)整相關(guān)設(shè)備，從而達到能源的合理配置。智慧社區(qū)平臺將小區(qū)物業(yè)、家庭安防、家政服務、LBS應用等整合在一起，通過OneNet上的應用分發(fā)，實現(xiàn)智能化生活的雛形。

在個人產(chǎn)品展區(qū)，中國移動展出了在線安防監(jiān)控產(chǎn)品——“和目”，該產(chǎn)品具有高清畫質(zhì)、語音對講、智能報警等功能；具備雙模定位功能的隨身設(shè)備“找TA智能定位電筒”，可應用于老人、小孩的安全管理。同時，在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，中國移動還展出了基于OBD的產(chǎn)品“路尚”、“車務通Pro”。（新浪科技）

Research on eMBMS Capacity Planning Based on Statistics

HUANG Zheng-bin1, ZHANG Jian-guo2, XU En2, Wang Jia-yi2
(1. China Mobile Group Guangxi Co., Ltd., Nanning Branch, Nanning 530022, China; 2. Huaxin Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

By introducing enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service (eMBMS) network structure and analyzing channel structure and service scheduling of eMBMS, a capacity planning method based on statistics was proposed in this paper. According to statistics of marginal RS-SINR in existing network, the marginal RS-SINR and PMCH rate of PMCH were determined. Furthermore, in the light of PMCH rate and video code rate, the number of video fl ows in one sub-frame could be determined. According to RS-SINR statistics in Nanning’s existing network, 5 channel standard-defi nition videos, 2 channel high-defi nition videos or 1 channel super-defi nition video can be transmitted in one sub-frame.

enhanced multimedia broadcast/multicast service (eMBMS) capacity planning RS-SINR statistics

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.002

TN929.5

A

1006-1010(2015)10-0010-06

黃正彬,張建國,徐恩,等. 基于統(tǒng)計的eMBMS容量規(guī)劃研究[J]. 移動通信, 2015,39(10): 10-15.

2015-03-17

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn