LTE架构下的多媒体资源分发方案研究

查敦林 王维 孙知信

中图分类号：TN915.1文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 04-0044-04

摘要：为了提高3G以及未来的移动通信系统中多媒体数据的传输率，文章提出了结合点对点(P2P)和增强型多媒体组播和广播业务(E-MBMS)技术的LTE环境下的多媒体资源分发(CPEMRD)方案。该方案结合了P2P的扩展能力和E-MBMS的可靠性、可管理性，构建了可管理的、能够承载电信级内容应用的多媒体资源分发平台。该方案缓解了终端接入数量受限以及带宽窄、通信不稳定的问题，实现了用户间点对点互动功能。

关键词：多媒体广播组播业务；LTE；增强型多媒体组播和广播业务；点对点

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

随着移动通信和互联网技术的飞速发展，人们对数据业务的需求，尤其是对多媒体数据业务的需求变得越来越强烈。在传统互联网领域，多媒体业务可以通过内容分发网络（CDN）来开展[1]，CDN能提高宽带资源的利用率，增加流媒体在互联网上的应用普及，大大促进Internet应用和服务的发展。但是，CDN网络都只是针对传统互联网的网络结构、内容传送和业务开展方式建设起来的，还存在一些不足，如对视频编码格式支持不足、时延太大、无法提供广播级的视频服务、难以应用于移动终端、系统结构过于简单、投资金额比较大等。

为了多媒体业务更好地存储、分发、传送，并更加适应当前3G以及未来移动通信系统的发展，第三代合作伙伴计划(3GPP)提出多媒体组播和广播业务(MBMS)以及增强型的MBMS(E-MBMS)[2]。MBMS是3GPP R6版本中定义的，它可以在节省系统资源的同时，为用户提供广播或组播的分组数据业务。

为了更加满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求，3GPP对原有MBMS的逻辑结构、业务模式、传输方式和信道结构等多方面进行改进，提出了在系统架构演进(SAE)/长期演进(LTE)架构下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用户同时下载多媒体数据时的资源共享问题，其网络结构如图1所示。在该网络结构中，广播组播业务中心(BM-SC)相当于业务资源提供中心，直接向Anchor分发多媒体数据，每一个Anchor会控制相关的一组E-NodeB，并将多媒体数据通过各个相关的E-NodeB传输到终端用户。当用户数量持续猛增时，就需要增加Anchor以及E-NodeB的投入。

另外有可能当一个Anchor或E-NodeB负荷很重时，而周围的Anchor或E-NodeB却处于空闲状态，这就使得设备资源得不到充分合理的利用，也会降低超负荷E-NodeB下的用户终端的数据传输效率。E-MBMS整体架构始终是集中式的分发架构，为克服这些不足之处，文中提出LTE架构下结合点对点(P2P)和E-MBMS技术的多媒体资源分发(CPEMRD)方案。

1 P2P概述

P2P业务可以简单地描述为：网络中的两台计算机通过直接互联网来共享彼此资源和服务。P2P网络是一种分布式网络，位于网络中的成千上万的计算机都处于逻辑对等的地位，每台计算机既是资源（服务和内容）的提供者又是资源的获取者[3-4]。

基于P2P的资源获取模式和基于C/S的资源获取模式有明显的区别。在P2P网络中，每个节点的地位都是相等的，它们在作为服务器向其他节点提供资源时，也可以作为客户端从其他节点处获取资源；而在集中控制的C/S模式网络中，客户端与服务器是分离的，是两个完全不同的概念，资源都保存在服务器上，客户端只能从相应的服务器上获取所需的资源。

P2P网络架构主要存在3种不同的形式：纯P2P结构、带核心服务器的混合P2P结构和带超级节点的P2P结构。其中纯P2P结构不依赖于任何中心服务器，它能动态发现网络中的其他对等方并与之交互信息；混合P2P结构中存在一个只具有服务功能的核心服务器来维护所有对等点的共享目录，并进行查询，但文件的共享交换过程是直接在对等方之间进行；带超级节点的P2P结构类似于混合P2P结构，但超级节点的数目不只一个，节点可以向其中的一个发送资源更新信息及查询要求，超级节点之间是对等的．

然而，P2P系统也存在明显的缺点，就是可用性问题。尽管从整个系统而言，P2P是可靠的，但是对于单个内容或者单个任务而言，P2P是不稳定的，每个节点可以随时终止服务，甚至退出系统，即交换的内容随时可能被删除或者被终止共享。

2 结合P2P和E-MBMS的

多媒体资源分发

2.1 CPEMRD方案的提出

E-MBMS和P2P被用于不同的领域，E-MBMS主要用于未来移动通信系统流媒体内容分发，而P2P则主要用于内容交换。两种技术各有其优缺点。

P2P采用一种与E-MBMS不同的内容传递方式，它通过“非中心化”的设计和多点传输机制，不依赖服务器就能快速交换文件。

E-MBMS和P2P技术的优缺点在应用上具有一定的互补性。如果能够结合P2P的扩展能力和E-MBMS的可靠性、可管理性，就可以构建一个可管理的、能够承载电信级内容应用的多媒体资源分发平台。结合了P2P的E-MBMS体系结构可以使多媒体业务的广播和转播等门槛得到降低，可以让更多用户参与并提供自制的多媒体内容得到基于全球覆盖的共享和分发，同时还可以节约电信运营商之间的对接流量，减少网络的建设成本。

如果将E-MBMS的管理机制和服务能力引入P2P网络，可以形成以E-MBMS为可靠的内容核心，以P2P为服务边缘的架构。通过这种架构，可以在不增加E-MBMS成本的同时有效提升E-MBMS服务能力，也有效地避免了P2P应用的诸多弊端。

2.2 CPEMRD系统架构设计

文章所设计的多媒体资源分发系统架构是在E-MBMS网络结构的基础上，融合了P2P结构而组成的，整个架构层次分3层。中心多媒体资源服务器或服务器组只有1个，位于BM-SC服务中心处；与服务中心连接的是Anchor，包含有边缘服务器；移动终端通过E-NodeB接入到整个网络中。CPEMRD具体的系统架构如图2所示。

在该系统架构中，BM-SC服务中心处的“资源存储”服务器提供原始的多媒体资源；“P2P控制”实体用于维护所有P2P节点信息以及所有客户信息（节点号，地址等）；每个Anchor处的边缘服务器是对等的，代理从BM-SC服务中心的资源存储服务器分发的多媒体资源。移动终端通过E-NodeB接入到网络中，首先从离自己最近的边缘服务器（所在小区所属的Anchor处的服务器）请求下载多媒体资源，P2P控制实体中维护了每个边缘服务器（也即P2P节点）的状态信息和客户信息，当P2P控制实体发现某个边缘服务器利用率过高负载过大时，可协调移动终端从其他相对空闲的边缘服务器下载多媒体资源，也可同时从其他多个边缘服务器同时下载某个多媒体资源，从而实现多条链路的负载均衡。

由于流媒体具有松耦合、高扩展性的特点，从多媒体资源分发系统的体系结构的垂直控制功能上来看，一个典型的多媒体资源分发系统架构应采用分层模式，这使得平台系统上的应用开发能够根据不断变化的业务应用需求而快速扩展。CPEMRD系统从功能结构和软件层次上看，在LTE环境下可以通过设置4层体系结构来支持多媒体应用：网络通信层，媒体控制层、门户网站业务层以及系统支撑层，如图3所示。

?网络通信层：采用IP网络作为多媒体业务的承载网络，从而实现无线设备、中继和服务器等之间的低层通信。

?媒体控制层：负责对多媒体数据进行调度缓存，并且把流数据发送到门户网站业务层和其他请求服务的终端设备或P2P节点（也即边缘服务器）。

?门户网站业务层：以网站的形式面向用户提供各种应用和服务，负责多媒体数据的播放和界面显示。如视频点播、视频直播、视频会议、可视聊天等。可采用Web模式，客户端只要使用浏览器即可实现视频点播及其他视频互动活动，无需安装其他任何软件，无需做任何设置，做到了客户端的免维护。

?系统支撑层：系统支撑层是多媒体业务运营的综合管理及运营支撑系统，包括用户管理、认证计费、数字版权保护、系统实时监控、网络配置管理等多个子系统。

2.3 CPEMRD业务流程分析

CPEMRD多媒体业务的会话流程如图4所示[5]。会话开始和会话结束都由BM-SC发起，为多媒体数据传送建立或释放相应网络资源。

结合CPEMRD系统架构图，CPEMRD会话流程图可详细描述如下：当BM-SC中加入新资源时，BM-SC会通过P2P控制实体找到各个P2P节点即Anchor边缘服务区的位置，并向各个P2P节点发送消息，从而将资源下发到Anchor边缘服务器处；此时Anchor也会通过各个基站E-Node向基站服务区内的所有终端用户发送新业务相关的消息，如果用户启动该业务，其用户信息就会被加入到P2P控制实体中，并开始会话，并通过距离最近的基站从Anchor边缘服务器上获取所需的资源数据；P2P控制实体如果发现这个边缘服务器利用率过高、负载过大时，可协调终端用户从其他相对空闲的边缘服务器下载资源，也可同时从其他多个边缘服务器同时下载资源；当所有资源传输完毕服务结束时，用户消息从P2P控制实体中清除掉，会话完毕，用户中止业务。

相对于广播模式，组播模式增加了3个相关的过程:订阅、用户的加入和退出。有关的订阅信息存储在BM-SC中,当用户加入或退出某个组播组，可通过Internet组管理协议(IGMP)协议或组播侦听发现协议(MLD)协议实现。通过已建立的用户设备(UE)与Anchor间承载通道，UE向Anchor发送IGMP/MLD 加入消息或离开消息[7-8]。

如图5所示，我们可以看到CPEMRD系统的基本业务流程：多媒体资源提供商提供多媒体内容，经过BM-SC将传输流转发给LTE核心网，并进一步转发给演进的通用陆基无线接入网(E-UTRAN)，最终通过LTE-Uu接口发送到用户终端UE。

3 结束语

在传统互联网领域，采用CDN实现多媒体资源分发，但CDN无法应用于移动多媒体业务，无法适应目前3G以及未来移动通信的要求。随后3GPP提出的MBMS、E-MBMS技术在很大程度上解决了移动多媒体业务的广播组播问题，但还是存在终端接入数量受限以及带宽窄通信不稳定的问题。文章基于Internet和无线网络，结合P2P和E-MBMS技术提出CPEMRD方案，详细设计了在LTE环境下的多媒体资源分发系统的系统架构，并从系统功能和软件层次上，将CPEMRD系统划分为网络通信层、媒体控制层、门户网站业务层以及系统支撑层，并分析了CPEMRD的会话流程和业务流程。相比E-MBMS，CPEMRD系统具有更大更多的优点：

?用户间可实现点对点信息流通。CPEMRD系统可实现用户间互动，彻底从集中控制的传统流媒体中解放出来，降低了技术应用门槛，实现了传统流媒体运营平台难以实现的互动直播和互动点播。

?负载均衡管理，有效保证运营效率。CPEMRD系统提供完善的负载均衡功能，它基于服务器CPU、内存监测与Web任务实时监控的动态任务分配，准确地将用户多媒体资源请求均衡到集群服务器中（BM-SC的服务器）的流媒体服务器端(Anchor的服务器)。

?完善的用户认证管理。CPEMRD系统具有完善的用户管理和认证机制，可以实现多级别的用户管理。

?强大的计费管理功能。CPEMRD系统可以提供多种途径进行用户认证和计费，并按用户类型定义收费标准，能够灵活定制多种计费类型、优惠政策、套餐组合。

4 参考文献

[1] 时明亮,赵玲玲.基于CDN与P2P技术的IPTV系统平台的设计与实现[J].北京城市学院学报，2007(2)：91-94.

[2] 郑侃,赵慧,王文博.3G长期演进技术与系统设计[M]. 北京:电子工业出版社,2007.

[3] Lua e k, Crowcroft J, Pias M, et al. A Survey and Comparison of Peer-to-Peer Overlay Network Schemes [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2005, 7(2): 72-93.

[4] Dream Tech Software Group. Peer to Peer Application Development: Cracking the Code [M]. New York, NY,USA: Wiley ,2001.

[5] 陈锋,彭木根,王文博.基于MBMS的手机电视技术研究[J].中国无线电，2007(1):40-43.

[6] 张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M]. 北京:电子工业出版社，2008.

[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

作者简介

查敦林，南京航空航天大学博士毕业；现就职于中兴通讯无线规划部任主任工程师，从事新一代通信网络体系结构和业务提供研究；发表论文10余篇。

王维，复旦大学硕士毕业；现任中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司集团（数据）业务部经理职务；研究方向为移动通信、计算机技术、物联网技术等领域；主持参与多项省、市级科技创新等项目。

孙知信，南京邮电大学教授、博士生导师，南京航空航天大学兼职教授、博士生导师；主要研究领域为计算机网络与安全、多媒体通信等；先后主持了国家科技部项目、国家自然基金项目、江苏省科技攻关重点项目等数10项，发表论文50余篇，其中SCI收录5篇、EI核心版收录近30篇；拥有计算机网络、多媒体通信、安全方向的专利近数10项，获江苏省教学成果二等奖一项、江苏省科技进步三等奖一项、南京市自然科学优秀论文奖8项。