LTE架構(gòu)下的多媒體資源分發(fā)方案-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯LTE架構(gòu)下的多媒體資源分發(fā)方案-技術(shù)方案隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，尤其是對多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求變得越來越強烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，多媒體業(yè)務(wù)可以通過內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）來開展[1],CDN能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用普及，大大促進(jìn)Internet應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展。但是，CDN網(wǎng)絡(luò)都只是針對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容傳送和業(yè)務(wù)開展方式建設(shè)起來的，還存在一些不足，如對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務(wù)、難以應(yīng)用于移動終端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于簡單、投資金額比較大等。

為了多媒體業(yè)務(wù)更好地存儲、分發(fā)、傳送，并更加適應(yīng)當(dāng)前3G以及未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計劃（3GPP）提出多媒體組播和廣播業(yè)務(wù)（MBMS）以及增強型的MBMS（E-MBMS）[2].MBMS是3GPPR6版本中定義的，它可以在節(jié)省系統(tǒng)資源的同時，為用戶提供廣播或組播的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了更加滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求，尤其是用戶和運營商對手機電視業(yè)務(wù)的強烈需求，3GPP對原有MBMS的邏輯結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模式、傳輸方式和信道結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行改進(jìn)，提出了在系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（SAE）/長期演進(jìn)（LTE）架構(gòu)下的E-MBMS.E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時多媒體數(shù)據(jù)時的資源共享問題，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，廣播組播業(yè)務(wù)中心（BM-SC）相當(dāng)于業(yè)務(wù)資源提供中心，直接向Anchor分發(fā)多媒體數(shù)據(jù)，每一個Anchor會控制相關(guān)的一組E-NodeB,并將多媒體數(shù)據(jù)通過各個相關(guān)的E-NodeB傳輸?shù)浇K端用戶。當(dāng)用戶數(shù)量持續(xù)猛增時，就需要增加Anchor以及E-NodeB的投入。

另外有可能當(dāng)一個Anchor或E-NodeB負(fù)荷很重時，而周圍的Anchor或E-NodeB卻處于空閑狀態(tài)，這就使得設(shè)備資源得不到充分合理的利用，也會降低超負(fù)荷E-NodeB下的用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸效率。E-MBMS整體架構(gòu)始終是集中式的分發(fā)架構(gòu)，為克服這些不足之處，文中提出LTE架構(gòu)下結(jié)合點對點（P2P）和E-MBMS技術(shù)的多媒體資源分發(fā)（CPEMRD）方案。

1P2P概述

P2P業(yè)務(wù)可以簡單地描述為：網(wǎng)絡(luò)中的兩臺計算機通過直接互聯(lián)網(wǎng)來共享彼此資源和服務(wù)。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，位于網(wǎng)絡(luò)中的成千上萬的計算機都處于邏輯對等的地位，每臺計算機既是資源（服務(wù)和內(nèi)容）的提供者又是資源的獲取者[3-4].

基于P2P的資源獲取模式和基于C/S的資源獲取模式有明顯的區(qū)別。在P2P網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的地位都是相等的，它們在作為服務(wù)器向其他節(jié)點提供資源時，也可以作為客戶端從其他節(jié)點處獲取資源；而在集中控制的C/S模式網(wǎng)絡(luò)中，客戶端與服務(wù)器是分離的，是兩個完全不同的概念，資源都保存在服務(wù)器上，客戶端只能從相應(yīng)的服務(wù)器上獲取所需的資源。

P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要存在3種不同的形式：純P2P結(jié)構(gòu)、帶服務(wù)器的混合P2P結(jié)構(gòu)和帶超級節(jié)點的P2P結(jié)構(gòu)。其中純P2P結(jié)構(gòu)不依賴于任何中心服務(wù)器，它能動態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他對等方并與之交互信息；混合P2P結(jié)構(gòu)中存在一個只具有服務(wù)功能的服務(wù)器來維護(hù)所有對等點的共享目錄，并進(jìn)行查詢，但文件的共享交換過程是直接在對等方之間進(jìn)行；帶超級節(jié)點的P2P結(jié)構(gòu)類似于混合P2P結(jié)構(gòu)，但超級節(jié)點的數(shù)目不只一個，節(jié)點可以向其中的一個發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級節(jié)點之間是對等的。然而，P2P系統(tǒng)也存在明顯的缺點，就是可用性問題。盡管從整個系統(tǒng)而言，P2P是可靠的，但是對于單個內(nèi)容或者單個任務(wù)而言，P2P是不穩(wěn)定的，每個節(jié)點可以隨時終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時可能被刪除或者被終止共享。

2結(jié)合P2P和E-MBMS的多媒體資源分發(fā)

2.1CPEMRD方案的提出

E-MBMS和P2P被用于不同的領(lǐng)域，E-MBMS主要用于未來移動通信系統(tǒng)流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點。

P2P采用一種與E-MBMS不同的內(nèi)容傳遞方式，它通過“非中心化”的設(shè)計和多點傳輸機制，不依賴服務(wù)器就能快速交換文件。E-MBMS和P2P技術(shù)的優(yōu)缺點在應(yīng)用上具有一定的互補性。如果能夠結(jié)合P2P的擴展能力和E-MBMS的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個可管理的、能夠承載電信級內(nèi)容應(yīng)用的多媒體資源分發(fā)平臺。結(jié)合了P2P的E-MBMS體系結(jié)構(gòu)可以使多媒體業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內(nèi)容得到基于覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

如果將E-MBMS的管理機制和服務(wù)能力引入P2P網(wǎng)絡(luò)，可以形成以E-MBMS為可靠的內(nèi)容，以P2P為服務(wù)邊緣的架構(gòu)。通過這種架構(gòu)，可以在不增加E-MBMS成本的同時有效提升E-MBMS服務(wù)能力，也有效地避免了P2P應(yīng)用的諸多弊端。

2.2CPEMRD系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

文章所設(shè)計的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)是在E-MBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合了P2P結(jié)構(gòu)而組成的，整個架構(gòu)層次分3層。中心多媒體資源服務(wù)器或服務(wù)器組只有1個，位于BM-SC服務(wù)中心處；與服務(wù)中心連接的是Anchor,包含有邊緣服務(wù)器；移動終端通過E-NodeB接入到整個網(wǎng)絡(luò)中。CPEMRD具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，BM-SC服務(wù)中心處的“資源存儲”服務(wù)器提供原始的多媒體資源；“P2P控制”實體用于維護(hù)所有P2P節(jié)點信息以及所有客戶信息（節(jié)點號，地址等）；每個Anchor處的邊緣服務(wù)器是對等的，代理從BM-SC服務(wù)中心的資源存儲服務(wù)器分發(fā)的多媒體資源。移動終端通過E-NodeB接入到網(wǎng)絡(luò)中，首先從離自己近的邊緣服務(wù)器（所在小區(qū)所屬的Anchor處的服務(wù)器）請求多媒體資源，P2P控制實體中維護(hù)了每個邊緣服務(wù)器（也即P2P節(jié)點）的狀態(tài)信息和客戶信息，當(dāng)P2P控制實體發(fā)現(xiàn)某個邊緣服務(wù)器利用率過高負(fù)載過大時，可協(xié)調(diào)移動終端從其他相對空閑的邊緣服務(wù)器多媒體資源，也可同時從其他多個邊緣服務(wù)器同時某個多媒體資源，從而實現(xiàn)多條鏈路的負(fù)載均衡。

由于流媒體具有松耦合、高擴展性的特點，從多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的垂直控制功能上來看，一個典型的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)采用分層模式，這使得平臺系統(tǒng)上的應(yīng)用開發(fā)能夠根據(jù)不斷變化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求而快速擴展。CPEMRD系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)和軟件層次上看，在LTE環(huán)境下可以通過設(shè)置4層體系結(jié)構(gòu)來支持多媒體應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)通信層，媒體控制層、門戶網(wǎng)站業(yè)務(wù)層以及系統(tǒng)支撐層，如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)通信層：采用IP網(wǎng)絡(luò)作為多媒體業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)無線設(shè)備、中繼和服務(wù)器等之間的低層通信。

媒體控制層：負(fù)責(zé)對多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度緩存，并且把流數(shù)據(jù)發(fā)送到門戶網(wǎng)站業(yè)務(wù)層和其他請求服務(wù)的終端設(shè)備或P2P節(jié)點（也即邊緣服務(wù)器）。

門戶網(wǎng)站業(yè)務(wù)層：以網(wǎng)站的形式面向用戶提供各種應(yīng)用和服務(wù)，負(fù)責(zé)多媒體數(shù)據(jù)的播放和界面顯示。如視頻點播、視頻直播、視頻會議、可視聊天等?？刹捎肳eb模式，客戶端只要使用瀏覽器即可實現(xiàn)視頻點播及其他視頻互動活動，無需安裝其他任何軟件，無需做任何設(shè)置，做到了客戶端的免維護(hù)。

系統(tǒng)支撐層：系統(tǒng)支撐層是多媒體業(yè)務(wù)運營的綜合管理及運營支撐系統(tǒng)，包括用戶管理、計費、數(shù)字版權(quán)保護(hù)、系統(tǒng)實時監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置管理等多個子系統(tǒng)。

2.3CPEMRD業(yè)務(wù)流程分析

CPEMRD多媒體業(yè)務(wù)的會話流程如圖4所示[5].會話開始和會話結(jié)束都由BM-SC發(fā)起，為多媒體數(shù)據(jù)傳送建立或釋放相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源。

結(jié)合CPEMRD系統(tǒng)架構(gòu)圖，CPEMRD會話流程圖可詳細(xì)描述如下：當(dāng)BM-SC中加入新資源時，BM-SC會通過P2P控制實體找到各個P2P節(jié)點即Anchor邊緣服務(wù)區(qū)的位置，并向各個P2P節(jié)點發(fā)送消息，從而將資源下發(fā)到Anchor邊緣服務(wù)器處；此時Anchor也會通過各個基站E-Node向基站服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有終端用戶發(fā)送新業(yè)務(wù)相關(guān)的消息，如果用戶啟動該業(yè)務(wù)，其用戶信息就會被加入到P2P控制實體中，并開始會話，并通過距離近的基站從Anchor邊緣服務(wù)器上獲取所需的資源數(shù)據(jù)；P2P控制實體如果發(fā)現(xiàn)這個邊緣服務(wù)器利用率過高、負(fù)載過大時，可協(xié)調(diào)終端用戶從其他相對空閑的邊緣服務(wù)器資源，也可同時從其他多個邊緣服務(wù)器同時資源；當(dāng)所有資源傳輸完畢服務(wù)結(jié)束時，用戶消息從P2P控制實體中清除掉，會話完畢，用戶中止業(yè)務(wù)。

相對于廣播模式，組播模式增加了3個相關(guān)的過程：訂閱、用戶的加入和退出。有關(guān)的訂閱信息存儲在BM-SC中，當(dāng)用戶加入或退出某個組播組，可通過Internet組管理協(xié)議（IGMP）協(xié)議或組播偵聽發(fā)現(xiàn)協(xié)議（MLD）協(xié)議實現(xiàn)。通過已建立的用戶設(shè)備（UE）與Anchor間承載通道，UE向Anchor發(fā)送IGMP/MLD加入消息或離開消息[7-8].

如圖5所示，我們可以看到CPEMRD系統(tǒng)的基本業(yè)務(wù)流程：多媒體資源提供商提供多媒體內(nèi)容，經(jīng)過M-SC將傳輸流轉(zhuǎn)發(fā)給LTE網(wǎng)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)給演進(jìn)的通用陸基無線接入網(wǎng)（E-UTRAN），終通過LTE-Uu接口發(fā)送到用戶終端UE.

3結(jié)束語

在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，采用CDN實現(xiàn)多媒體資源分發(fā)，但CDN無法應(yīng)用于移動多媒體業(yè)務(wù)，無法適應(yīng)目前3G以及未來移動通信的要求。隨后3GPP提出的MBMS、E-MBMS技術(shù)在很大程度上解決了移動多媒體業(yè)務(wù)的廣播組播問題，但還是存在終端接入數(shù)量受限以及帶寬窄通信不穩(wěn)定的問題。文章基于Internet和無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合P2P和E-MBMS技術(shù)提出CPEMRD方案，詳細(xì)設(shè)計了在LTE環(huán)境下的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，并從系統(tǒng)功能和軟件層次上，將CPEMRD系統(tǒng)劃分為網(wǎng)絡(luò)通信層、媒體控制層、門戶網(wǎng)站業(yè)務(wù)層以及系統(tǒng)支撐層，并分析了CPEMRD的會話流程和業(yè)務(wù)流程。相比E-MBMS,CPEMRD系統(tǒng)具有更大更多的優(yōu)點：

用戶間可實現(xiàn)點對點信息流通。CPEMRD系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶間互動，徹底從集中控制的傳統(tǒng)流媒體中解放出來，降低了技術(shù)應(yīng)用門檻，實現(xiàn)了傳統(tǒng)流媒體運營平臺難以實現(xiàn)的互動直播和互動點播。

負(fù)載均衡管理，有效保證運營效率。CPEM