主頁(yè)（http://www.130131.com）：LTE架構(gòu)下的多媒體資源分發(fā)方案研究

隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，尤其是對(duì)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，多媒體業(yè)務(wù)可以通過(guò)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）來(lái)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(duì)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(lái)的，還存在一些不足，如對(duì)視頻編碼格式支持不足、時(shí)延太大、無(wú)法提供廣播級(jí)的視頻服務(wù)、難以應(yīng)用于移動(dòng)終端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、投資金額比較大等。

為了多媒體業(yè)務(wù)更好地存儲(chǔ)、分發(fā)、傳送，并更加適應(yīng)當(dāng)前3G 以及未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP) 提出多媒體組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS) 以及增強(qiáng)型的MBMS(E-MBMS) [2]。MBMS 是3GPP R6版本中定義的，它可以在節(jié)省系統(tǒng)資源的同時(shí)，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(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，尤其是用戶和運(yùn)營(yíng)商對(duì)手機(jī)電視業(yè)務(wù)的強(qiáng)烈需求，3GPP 對(duì)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(zhǎng)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(shí)下載多媒體數(shù)據(jù)時(shí)的資源共享問(wèn)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(gè)Anchor 會(huì)控制相關(guān)的一組E-NodeB，并將多媒體數(shù)據(jù)通過(guò)各個(gè)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(shí)，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。

另外有可能當(dāng)一個(gè)Anchor 或E-NodeB 負(fù)荷很重時(shí)，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(huì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)和E-MBMS 技術(shù)的多媒體資源分發(fā)(CPEMRD)方案。

1 P2P 概述

P2P 業(yè)務(wù)可以簡(jiǎn)單地描述為：網(wǎng)絡(luò)中的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)直接互聯(lián)網(wǎng)來(lái)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(wàn)的計(jì)算機(jī)都處于邏輯對(duì)等的地位，每臺(tái)計(jì)算機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是相等的，它們?cè)谧鳛榉��?wù)器向其他節(jié)點(diǎn)提供資源時(shí)，也可以作為客戶端從其他節(jié)點(diǎn)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(gè)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)、帶核心服務(wù)器的混合P2P 結(jié)構(gòu)和帶超級(jí)節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他對(duì)等方并與之交互信息；混合P2P 結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)只具有服務(wù)功能的核心服務(wù)器來(lái)維護(hù)所有對(duì)等點(diǎn)的共享目錄，并進(jìn)行查詢，但文件的共享交換過(guò)程是直接在對(duì)等方之間進(jìn)行；帶超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P 結(jié)構(gòu)類似于混合P2P 結(jié)構(gòu)，但超級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不只一個(gè)，節(jié)點(diǎn)可以向其中的一個(gè)發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的．然而，P2P 系統(tǒng)也存在明顯的缺點(diǎn)，就是可用性問(wèn)題。盡管從整個(gè)系統(tǒng)而言，P2P 是可靠的，但是對(duì)于單個(gè)內(nèi)容或者單個(gè)任務(wù)而言，P2P 是不穩(wěn)定的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時(shí)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)

2.1 CPEMRD 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(lái)移動(dòng)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(diǎn)。

P2P 采用一種與E-MBMS 不同的內(nèi)容傳遞方式，它通過(guò)“非中心化”的設(shè)計(jì)和多點(diǎn)傳輸機(jī)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(diǎn)在應(yīng)用上具有一定的互補(bǔ)性。如果能夠結(jié)合P2P 的擴(kuò)展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個(gè)可管理的、能夠承載電信級(jí)內(nèi)容應(yīng)用的多媒體資源分發(fā)平臺(tái)。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)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時(shí)還可以節(jié)約電信運(yùn)營(yíng)商之間的對(duì)接流量，減少網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

如果將E-MBMS 的管理機(jī)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)容核心，以P2P為服務(wù)邊緣的架構(gòu)。通過(guò)這種架構(gòu)，可以在不增加E-MBMS 成本的同時(shí)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。

2.2 CPEMRD 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

文章所設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)，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(dòng)終端通過(guò)E-NodeB 接入到整個(gè)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(chǔ)”服務(wù)器提供原始的多媒體資源；“P2P 控制”實(shí)體用于維護(hù)所有P2P 節(jié)點(diǎn)信息以及所有客戶信息（ 節(jié)點(diǎn)號(hào)，地址等）；每個(gè)Anchor 處的邊緣服務(wù)器是對(duì)等的，代理從BM-SC 服務(wù)中心的資源存儲(chǔ)服務(wù)器分發(fā)的多媒體資源。移動(dòng)終端通過(guò)E-NodeB 接入到網(wǎng)絡(luò)中，首先從離自己最近的邊緣服務(wù)器（所在小區(qū)所屬的Anchor 處的服務(wù)器）請(qǐng)求下載多媒體資源，P2P 控制實(shí)體中維護(hù)了每個(gè)邊緣服務(wù)器（也即P2P 節(jié)點(diǎn)）的狀態(tài)信息和客戶信息，當(dāng)P2P 控制實(shí)體發(fā)現(xiàn)某個(gè)邊緣服務(wù)器利用率過(guò)高負(fù)載過(guò)大時(shí)，可協(xié)調(diào)移動(dòng)終端從其他相對(duì)空閑的邊緣服務(wù)器下載多媒體資源，也可同時(shí)從其他多個(gè)邊緣服務(wù)器同時(shí)下載某個(gè)多媒體資源，從而實(shí)現(xiàn)多條鏈路的負(fù)載均衡。

由于流媒體具有松耦合、高擴(kuò)展性的特點(diǎn)，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(lái)看，一個(gè)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(tái)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(kuò)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(guò)設(shè)置4 層體系結(jié)構(gòu)來(lái)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)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(qǐng)求服務(wù)的終端設(shè)備或P2P 節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)播、視頻直播、視頻會(huì)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(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播及其他視頻互動(dòng)活動(dòng)，無(wú)需安裝其他任何軟件，無(wú)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(yùn)營(yíng)的綜合管理及運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)，包括用戶管理、認(rèn)證計(jì)費(fèi)、數(shù)字版權(quán)保護(hù)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置管理等多個(gè)子系統(tǒng)。

2.3 CPEMRD 業(yè)務(wù)流程分析

CPEMRD 多媒體業(yè)務(wù)的會(huì)話流程如圖4 所示[5]。會(huì)話開始和會(huì)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(huì)話流程圖可詳細(xì)描述如下：當(dāng)BM-SC 中加入新資源時(shí)，BM-SC 會(huì)通過(guò)P2P 控制實(shí)體找到各個(gè)P2P 節(jié)點(diǎn)即Anchor 邊緣服務(wù)區(qū)的位置，并向各個(gè)P2P 節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，從而將資源下發(fā)到Anchor 邊緣服務(wù)器處；此時(shí)Anchor 也會(huì)通過(guò)各個(gè)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(dòng)該業(yè)務(wù)，其用戶信息就會(huì)被加入到P2P 控制實(shí)體中，并開始會(huì)話，并通過(guò)距離最近的基站從Anchor 邊緣服務(wù)器上獲取所需的資源數(shù)據(jù)；P2P 控制實(shí)體如果發(fā)現(xiàn)這個(gè)邊緣服務(wù)器利用率過(guò)高、負(fù)載過(guò)大時(shí)，可協(xié)調(diào)終端用戶從其他相對(duì)空閑的邊緣服務(wù)器下載資源，也可同時(shí)從其他多個(gè)邊緣服務(wù)器同時(shí)下載資源；當(dāng)所有資源傳輸完畢服務(wù)結(jié)束時(shí)，用戶消息從P2P 控制實(shí)體中清除掉，會(huì)話完畢，用戶中止業(yè)務(wù)。

相對(duì)于廣播模式，組播模式增加了3 個(gè)相關(guān)的過(guò)程:訂閱、用戶的加入和退出。有關(guān)的訂閱信息存儲(chǔ)在BM-SC 中,當(dāng)用戶加入或退出某個(gè)組播組，可通過(guò)Internet 組管理協(xié)議(IGMP) 協(xié)議或組播偵聽(tīng)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(MLD)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(guò)M-SC 將傳輸流轉(zhuǎn)發(fā)給LTE 核心網(wǎng)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)給演進(jìn)的通用陸基無(wú)線接入網(wǎng)(E-UTRAN)，最終通過(guò)LTE-Uu 接口發(fā)送到用戶終端UE。

3 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，采用CDN 實(shí)現(xiàn)多媒體資源分發(fā)，但CDN 無(wú)法應(yīng)用于移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，無(wú)法適應(yīng)目前3G 以及未來(lái)移動(dòng)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(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的廣播組播問(wèn)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(wèn)題。文章基于Internet 和無(wú)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(jì)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(huì)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(diǎn)：

•用戶間可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息流通。CPEMRD 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶間互動(dòng)，徹底從集中控制的傳統(tǒng)流媒體中解放出來(lái)，降低了技術(shù)應(yīng)用門檻，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)流媒體運(yùn)營(yíng)平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的互動(dòng)直播和互動(dòng)點(diǎn)播。

•負(fù)載均衡管理，有效保證運(yùn)營(yíng)效率。CPEMRD 系統(tǒng)提供完善的負(fù)載均衡功能，它基于服務(wù)器CPU、內(nèi)存監(jiān)測(cè)與Web 任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配，準(zhǔn)確地將用戶多媒體資源請(qǐng)求均衡到集群服務(wù)器中（BM-SC 的服務(wù)器）的流媒體服務(wù)器端(Anchor 的服務(wù)器)。

• 完善的用戶認(rèn)證管理。CPEMRD 系統(tǒng)具有完善的用戶管理和認(rèn)證機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)別的用戶管理。

• 強(qiáng)大的計(jì)費(fèi)管理功能。CPEMRD 系統(tǒng)可以提供多種途徑進(jìn)行用戶認(rèn)證和計(jì)費(fèi)，并按用戶類型定義收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，能夠靈活定制多種計(jì)費(fèi)類型、優(yōu)惠政策、套餐組合。

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