基于统计的eMBMS容量规划研究

黄正彬，张建国，徐恩，王加义

（1.中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司，广西 南宁 530022；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

基于统计的eMBMS容量规划研究

黄正彬1，张建国2，徐恩2，王加义2

（1.中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司，广西 南宁 530022；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

通过介绍eMBMS网络结构，并对eMBMS信道结构和业务调度进行分析，提出了基于统计的eMBMS容量规划的方法，即根据现网统计边缘RS-SINR确定PMCH的边缘RS-SINR和PMCH速率，再根据PMCH速率和视频的码率确定1个子帧可以传输的视频流数。根据南宁现网的RS-SINR统计，1个子帧可以传输5路标清视频、2路高清视频或者1路超清视频。

增强型多媒体广播多播业务 容量规划 RS-SINR 统计

1 引言

随着4G网络的大规模建设和数据流量资费的降低，在线视频业务逐步成为4G用户的主流业务。由于采用传统的“点对点”模式传输视频会占用过 多的空中接口资源，导致4G网络负荷急剧上升，用户体验变差。

eMBMS（enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service，增强型多媒体广播多播业务）采用广播方式传输，“点对多点”模式可 以提升网络资源利用效率，尤其是空中接口资源的利用效率，因此能够极大提升网络的用户承载能力，具备承载能力强、资源利用率高、配置灵活等技术特点，既可承载低速率的消息类广播，也可承载高速率的音/视频直播等业务。

2 eMBMS网络结构

同时发送完全相同波形的1个或多个小区组成1个MBSFN（MBMS Single-Frequency Network，多播/组播单频网络）服务区。1个MBSFN服务区由多个小区组成，1个小区也可以属于多个MBSFN服务区，但最多只可以属于8个MBSFN服务区[1]，MBSFN服务区是静态配置的。

eMBMS网络由核心网、无线接入网和UE三大部分组成。其中，核心网由MME、MME GW和BM-SC（Broadcast Multicast Service Center，广播多播业务中心）组成；无线接入网由MCE（Multi-cell/multicast Coordination Entity，多小区/多播协调实体）和eNB（evolved Node B，演进型基站）组成。eMBMS网络结构如图1所示。

eMBMS网络各个节点的功能[2]描述如下：

◆MME的功能：eMBMS会话管理功能，即MBMS会话的开始、终止、修改；重置功能，确保M3的初始化；错误指示功能，合适的错误报告、处理机制。

◆BM-SC的功能：成员管理功能，包括鉴权、认证、用户的计费；会话和传输功能，包括会话的调度和重传，分配TMGI（Temporary Mobile Group Identity，临时移动组标识），配置MBMS GW参数（QoS、MBMS服务区），发起和中止MBMS承载资源，向MBMS GW发送数据，对外网数据的鉴权、认证和接收；代理传输功能，包括为内容提供者的计费。

◆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组播地址（IP Multicast Address）功能。MBMS GW可以与多个控制面实体（如MME和BM-SC）进行通信。

◆MCE的功能：接入控制功能，即MCE给MBSFN服务内使用MBSFN多小区MBMS传输的所有eNB分配无线资源，如时间/频率资源、调制和编码方案等；为eNB提供MCCH（Multicast Control Channel，多播控制信道）相关信息；提供基本的无线参数配置；eNB和MCE配置更新功能。MCE也参与MBMS会话控制信令。

◆e N B的功能：实现小区的管理和控制；从MBMS GW接收IP组播数据并通过空中接口转发到UE。

eMBMS网络的各个接口描述如下：

◆M1：MBMS GW和eNB之间用户面的参考点，采用IP组播方式传送MBMS数据，该参考点基于GTP-U协议[3]。

◆M2：MCE和eNB之间的控制面参考点，参见文献[4]。

◆M3：MME和MCE控制面之间的参考点，参见文献[5]。

◆Sm：MME和MBMS GW控制面之间的参考点，该参考点基于GTPv2-C协议[6]。

◆SGmb：BM-SC和MBMS GW控制面之间的参考点，参见文献[7]。

◆SGi-mb：BM-SC和MBMS GW用户面之间的参考点，参见文献[7]。

◆SGi：BM-SC和PDN网关之间的参考点，参见文献[7]。

3 eMBMS信道结构和业务调度

图1 eMBMS网络结构示意图

针对MBSFN传输，3GPP协议定义了2种类型的逻辑信道：M T C H（Multicast Traffic Channel，多播业务信道）和MCCH（多播控制信道）。MTCH承载M B M S数据，M C C H承载每个M C H的子帧分配、调制和编码方案等控制信息。MTCH和MCCH复用并映射到MCH（Multicast Channel，多播信道）。MCH映射到PMCH（Physical Multicast Channel，物理多播信道），PMCH在MBSFN子帧上传输[8]。

MBSFN子帧指的是支持MBSFN传输的子帧，同一个MBSFN服务区的所有小区在MBFSN子帧上同步发送相同的无线信号。对于FDD LTE，1个无线帧的子帧1、子帧2、子帧3、子帧6、子帧7和子帧8可以配置为MBSFN子帧；对于TDD LTE，1个无线帧的子帧3、子帧4、子帧7、子帧8和子帧9可以配置为MBSFN子帧[1]。MBSFN子帧由控制区域和MBSFN区域组成。

与MBMS业务调度相关的2个参数是CSA（Common Subframe Allocation，公共子帧分配）周期和MSP（MCH Scheduling Period，MCH调度周期）[1]，具体如下：

◆CSA周期：所有属于同一个MBSFN服务区的MCH使用1个MBSFN子帧模式，称为公共子帧分配（CSA），该CSA是周期性的，称为CSA周期。CSA周期可以取值40ms、80ms、160ms、320ms、640ms、1 280ms和2 560ms。

◆MCH调度周期：特定MCH的传输信道遵循MSA（MCH Subframe Allocation，MCH子帧分配），该MSA也是周期性的，称为MCH调度周期（MSP）。MSP可以取值80ms、160ms、320ms、1 280ms、2 560ms、5 120ms和10 240ms。

MBMS业务调度如图2所示。其中，CSA周期是80ms，有2个MCH：第1个MCH的MSP是80ms，对应1个CSA周期，即每80ms调度1次；第2个MCH的MSP是160ms，对应2个CSA周期，即每160ms调度1次。

4 eMBMS容量规划

eMBMS业务的典型应用有手机视频、手机广告、手机音乐台、手机证券等，由于手机视频占用的资源最多，建议eMBMS的容量规划以满足手机视频业务为准。下面以南宁市区为例进行eMBMS的容量规划。

4.1 eMBMS容量规划方法

图2 MBMS业务调度示意图

由于eMBMS采用“点对多点”方式传输，UE不上报PMCH质量给eNB，eNB就无法获知下行信道状态，因此无法采用传统的基于UE反馈信道质量的动态调度机制，只能采用静态调度机制，即预先设定PMCH的MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）指示。

本文提出基于统计的eMBMS容量规划方法是：首先统计现网的RS-SINR分布情况，推导出MBSFN服务区的PMCH的边缘RS-SINR；然后根据PMCH的边缘RS-SINR确定PMCH的MCS指示，再根据MCS指示和系统带宽确定1个无线帧（10ms周期）的1个子帧可以提供的速率；最后根据1个子帧可以提供的速率和不同清晰度视频的码率，确定1个子帧可以传输的视频流数。边缘RS-SINR定义为95%以上的RS-SINR强度。

4.2 MBSFN服务区的边缘RS-SINR

相比于常规子帧，MBSFN子帧具有以下额外的增益：

◆增加信号强度和降低干扰水平：由于在同一个MBSFN服务区内，多个小区同步发送完全相同的无线信号，终端能利用来自多个小区的信号，因此可以显著增加接收信号的强度和减少干扰，尤其是在小区的边缘。针对常规子帧，在同频组网的条件下，根据负荷的不同，LTE下行链路的干扰余量一般取3—8dB[9]；针对MBSFN子帧，LTE的下行干扰余量可以取值为0，即MBSFN子帧相比常规子帧有3—8dB的增益。

◆对抗无线信道衰落的附加增益：由于信号是从几个地理上分开的位置收到，这通常会使得总体合成信道呈现出强时间分散或者强频率选择性[8]。MBSFN子帧相比常规子帧，频率选择性衰落的独立性可以获得额外的增益，参照WCDMA软切换增益[10]，MBSFN子帧的分集增益可以取值为3dB。

综上所述，MBSFN子帧相比于常规子帧，在链路预算上可以带来额外的增益6—11dB，6—11dB的链路预算增益对应的RS-SINR增益是4—6dB。

根据路测统计，得出南宁市区下行RS-SINR累积概率分布如图3所示。

从图3可知，南宁市区RS-SINR小于0dB的区域比例是4.3%，也就是95.7%的区域下行RS-SINR大于0dB，即南宁市区下行边缘RS-SINR（95%以上的RSSINR强度）为0—0.5dB。据此可以判断，南宁市区PMCH信道的边缘RS-SINR为4—6dB。

4.3 MBMSFN子帧速率

根据3GPP TS 36.213协议[11]可知，PMCH信道不使用MIMO模式，即1个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）内只有1个传输块，分配的RB数默认为整个系统带宽，针对20MHz带宽，在1个子帧内分配给PMCH信道的RB数是100个。根据公式（1）可以计算1个无线帧（10ms周期）的1个子帧（1ms）在不同MCS指示下的速率为：

1个子帧的速率=TBS（传输块大小）/10ms （1）

RS-SINR=有效信号/(邻区信号+噪声) （2）

RS-SINR的性能与无线环境、终端性能、天线模式、最大允许HARQ次数、BLER（块差错率）等因素有密切关系，因此不易找到MCS指示与RS-SINR的准确对应关系，3GPP也没有进行标准化。厂家一般根据仿真获得MCS指示和RS-SINR的对应关系并作为厂家内部实现算法，各个厂家提供的MCS指示和RS-SINR对应关系并不相同。根据某个厂家提供的资料，可以得出不同MCS指示对应的RS-SINR，如表1所示。

4.4 不同清晰度视频流的码率

根据华为mLAB与搜狐视频客户端联合实验室发布的“2014年Q3移动视频洞察报告”[12]，对搜狐视频热门视频采样，不同清晰度视频对应的码率及其占比情况如表2所示。

通过表2可以发现，目前视频播放清晰度以标清和高清为主，2014年第二季度占比分别是21.5%和75.7%，超清占比上升较快，达到2.8%，而原画的占比为0。因此，eMBMS容量规划可以暂时不考虑原画画质，只需考虑标清、高清、超清画质即可，按照最大的视频码率进行规划，则1路标清视频、1路高清视频、1路超清视频的码率分别是300kbps、650kbps、1 500kbps。

4.5 eMBMS容量规划结果

图3 南宁市区下行RS-SINR累积概率分布

根据图3可知，南宁市区现网的边缘RS-SINR为0—0.5dB，由此可以推断，PMCH信道的边缘RS-SINR为4—6dB。根据表1可知，4—6dB对应的MCS指示可以选择为8、9或者10，本次规划选择MCS指示9，则1个子帧在1个无线帧周期（10ms）内对应的速率是1.584Mbps，因此1个子帧可以传输5路标清视频、2路高清视频或者1路超清视频。

表1 不同MCS指示对应的TBS指示、SNR和1个子帧的速率

表2 不同清晰度视频对应的码率及其占比情况

5 结束语

由于PMCH信道的边缘RS-SINR与网络结构、用户位置等因素有关，因此在实际eMBMS业务部署的过程中要结合路测数据、话务统计、用户投诉等多种因素，合理确定PMCH信道的MCS指示和eMBMS的容量。

建议中国移动初期从行业用户入手，可采用定制终端，复用现有区域连续频点，部分区域引入eMBMS服务；随着网络、终端支持程度逐步提升，开展广播类特色业务，复用现有区域连续频点，考虑在多频点组网条件下开展eMBMS特色业务。

[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技术与系统设计[M]. 陈泽强,周华,付景兴,等译. 北京: 机械工业出版社, 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] 华为mLAB&搜狐视频客户端联合实验室. 移动视频洞察报告2014Q3[EB/OL]. (2014-10-15)[2014-10-20]. http://www.c114.net/topic/images/4569/ yidongshiping_2014Q3.pdf.★

黄正彬：工程师，毕业于西安邮电学院，现任职于中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司，主要从事无线网络的规划和优化工作。

张建国：高级工程师，工学硕士毕业于南京邮电学院，现任职于华信咨询设计研究院有限公司，主要从事无线网络的规划和设计工作。

徐恩：高级工程师，中国人民大学工商管理学院MBA硕士，现任职于华信咨询设计研究院有限公司，主要从事移动通信网络咨询、规划、设计和优化工作。

中国移动发布两大物联网开放平台

2015年5月25日，中国移动在2015年亚洲消费电子展（CES Asia）上发布了面向企业用户推出的“物联网专网业务管理平台”和“OneNet设备云平台”。

据介绍，“物联网专网业务管理平台”是在中国移动物联网专网卡既有的优势基础上，进一步在信息获取、运维、统计分析以及API接口上进行了创新，为企业提供了更加丰富、多元化、个性化的通信管理工具。

截至目前，中国移动物联网专网业务管理平台已经实时管理着近500万部终端。

“OneNet设备云平台”是介于终端和应用之间的云服务和信息处理平台，为物联网企业提供了多种协议的接入支持，可实现智能设备与应用的对接。另外，还针对产品原型开发、商用及日常运营管理的需要提供了专业的PaaS云服务。

在行业应用展区，中国移动展示了能耗监控平台、智慧社区平台和通信模组。通过无线传感设备，能耗监控平台可以获取数据来动态地调整相关设备，从而达到能源的合理配置。智慧社区平台将小区物业、家庭安防、家政服务、LBS应用等整合在一起，通过OneNet上的应用分发，实现智能化生活的雏形。

在个人产品展区，中国移动展出了在线安防监控产品——“和目”，该产品具有高清画质、语音对讲、智能报警等功能；具备双模定位功能的随身设备“找TA智能定位电筒”，可应用于老人、小孩的安全管理。同时，在车联网领域，中国移动还展出了基于OBD的产品“路尚”、“车务通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

黄正彬,张建国,徐恩,等. 基于统计的eMBMS容量规划研究[J]. 移动通信, 2015,39(10): 10-15.

2015-03-17

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn