СИСТЕМА MBMS В СЕТЯХ СОТОВОЙ СВЯЗИ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ

MBMS SYSTEM IN THE FOURTH GENERATION OF CELLULAR NETWORK TECHNOLOGY

Введение

Взрывной рост умных устройств порождает нужду в установке подходящих и улучшенных беспроводных систем связи, способных распространить трафик среди огромного числа пользователей с соответствующим качество передачи, емкостью сети, спектральной эффективности и надежностью. Также требуется распространить информацию с максимально низкой задержкой, ограниченным потреблением энергии, и лучшим использованием радио-ресурса.

Для этого текущие разработки направлены на такие инновации, которые смогут составлять основу так называемого пятого поколения беспроводной системы связи. Трансляция и мультикастинг представляют собой ключевую возможность в 5G для массового потребления мультимедийных услуг в ближайшем будущем. Эти технологии позволяют разгрузить значительную часть этого трафика в сценариях пикового спроса, когда пользователи потребляют «параллельный контент». В данной статье будет рассматриваться технология MBMS в уже существующей сети 4-го поколения 4G.

Технология MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service) – технология, которая позволяет транслировать видео формата HD на пользовательские устройства. Технология реализуется путем выделения зарезервированного радио-ресурса для трансляции видеоконтента в режиме многоадресной передачи (Multicast Transmission) – одни и те же данные транслируются для всех пользователей, подключенных к соте, где работает режим MBMS, при этом сами пользователи не имеют контроля над тем, какой контент они принимают. Таким образом можно реализовать современный вариант телевидения.

Как было указано ранее, пользователь не может выбрать отдельные видео материалы для себя: все абоненты подключенные одной соте получают один и тот же поток видео контроля, над которым они не имеют. Также стоит заметить, что никому из пользователей не может быть предоставлен свой радио-ресурс. Следовательно, принимать видео может практически бесконечное количество пользователей, подключенных к соте. Cтандарт MBMS подразумевает выделение отдельного канала для каждого видеопотока, чем можно гарантировать определенное качество видео при условии оптимального соотношения сигнал/шум в точке приема.

 

Технические основы MBMS

В стандартной мобильной сети, просматриваемый видеоконтент, например 10 пользователями в соте, требует выделения радио-ресурса в 10 раз больше, чем при просмотре одним пользователем. То есть, в данном случае, при наличии Х пользователей, ситуация ухудшается в Х раз.

MBMS обеспечивает высококачественное видео для любого количества пользователей в соте без необходимости увеличения объема требуемых радио-ресурсов в случае нарастания числа пользователей, так как трансляция ведется в режиме «точка — множество точек». Другими словами, многоадресная передача MBMS устанавливается на уровне соты, что дает определенную свободу в выделении и назначении ресурсов для MBMS-видео в зависимости от предпочтения абонентов в той или иной зоне, а поддержка нескольких видеоканалов MBMS на каждой соте позволяет транслировать разные варианты видеоконтента.

Технология MBMS подразумевает предоставление одного и того же видеоконтента на выделенном кластере, состоящем из нескольких базовых станций, вещание осуществляется синхронно во всех секторах в одни и те же выделенные моменты времени. Как следствие, для MBMS нужна точная (фазовая) синхронизация GPS. Высокое качество видео достигается за счет двух основных аспектов этой технологии: во-первых, это гарантированный выделенный объем радио-ресурса, который ни при каких обстоятельствах не может быть ни уменьшен, ни занят абонентами, и во-вторых — синхронная трансляция одного и того же видеоконтента во всех секторах и на всех БС(базовых станциях) в кластере, благодаря чему в любой точке приема сигналы от соседних секторов (или соседних БС) являются не помехой, а, наоборот, представляют собой полезный сигнал. Сигналы от соседних сот складываются, в результате увеличивается отношение сигнал/шум в точке приема и, по сравнению с «обычным» целенаправленным вещанием, «картинка» улучшается.

По своей сути MBMS подразумевает синхронную передачу видеоконтента для массовой аудитории и не предполагает никакой обратной связи по восходящему каналу (channel feedback). Как следствие, модуляция в радио-интерфейсе для канала MBMS фиксируется — она одинакова для всех пользователей в соте и кластере без возможности динамического изменения схемы кодирования для отдельного абонента. При реализации MBMS из трех основных типов модуляции физического уровня QPSK/16QAM/64QAM, как правило, устанавливается одна «средняя» модуляция 16QAM.

Для доставки HD-видео на смартфон или планшет, в зависимости от видеокодека, необходима скорость передачи данных около 2 Мбит/c на один видеопоток. Таким образом, на несущей 20 МГц при выделении под MBMS половины несущей мы получаем 10–12 видеоканалов с качеством HD, а на несущей 10 МГц при выделении под MBMS половины несущей — около 5 HD-видеоканалов. При выделении 30% несущей под MBMS для несущей 20 МГц будет около 7–8 HD-видеоканалов, а в случае 10 МГц при тех же условиях получаем 3–4 HD-видеоканала. При использовании низкоскоростных кодеков появляется возможность двукратного снижения скорости видеопотока при сохранении приемлемого качества картинки, что позволяет вдвое увеличить количество видеоканалов.

Кроме радио-подсистемы, для реализации MBMS необходимо внедрить два дополнительных сетевых элемента: BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) и MBMS-GW (MBMS Gateway). Первый является входной точкой для подачи видеопотока (-ов) и управления им (ими) контент-провайдером, а второй доставляет видеопоток до базовой станции и управляет сигнальными сообщениями сеанса MBMS.

 

Схема работы MBMS

MBMS работает в режиме, где информация транслируется от базовой станции во все направления (точка - множество точек). В MBMS предусмотрены два режима передачи: многоадресный – информация получается не всеми абонентами и широковещательный – информация приходит всем абонентам в радиусе приема сигнала. В обоих случаях HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request – автоматическая система запроса) и CSI (CSI – Channel State Information – система, которая позволяет получать информацию о канале связи) не поддерживаются, потому что информация транслируется в режиме многоадресной передачи через обыкновенный канал связи. Суть MBMS это сохранить как можно больший объем радио и сетевых ресурсов, отправляя информацию единожды, используя обычный канал связи, не смотря на количество базовых станций и абонентов, желающих принять ее. Эта очень важная задача выполняется с помощью системы MBMS Bearer Service – служба, предоставляемая сетью, которая передает информацию конечным пользователям.

Сначала, пользователи осведомляются о присутствии данной службы при помощи стороннего механизма – MBMS Service Announcement. Пользователи получают протокол от MBMS Bearer Service, используя другой протокол со стороны получателя – MBMS User Service. Область, в которой находятся абоненты, получает MBMS сеанс от другого протокола – MBMS Service Area, который обычно состоит из всех сот, передающих один и тот же MBMS протокол. На рисунке 1 показан данный алгоритм в качестве блок схемы.

 http://meridian-journal.ru/uploads/2020/02/3856-2.PNG

Рисунок 1 – Последовательность фаз для предоставления услуг MBMS

 

Подписание – на этом этапе пользователи соглашаются принимать услуги MBMS от провайдера.

Осведомление – все пользователи, относящиеся к провайдеру, получают информацию о всех доступных услугах.

Присоединение – на этой фазе пользователи становятся членами многоадресной группы и соглашаются получать данные от конкретной MBMS услуги – носителя (Bearer Service)

Начало сессии – этот этап сигнализирует о начале многоадресной сессии

MBMS уведомление – абонент уведомляется о старте сессии.

Передача данных – на этом этапе информация передается участникам сессии.

Остановка сессии – при отсутствии данных для передачи сигнализирует о завершении сессии.

Окончание – пользователь покидает группу, в которую вошел на этапе присоединения.

Для широковещательного режима алгоритм действий идентичен, кроме этапов подписания, присоединения и покидания. Данных этапов нет в алгоритме действий для широковещательного режима из-за ненадобности.

Архитектура MBMS состоит из нескольких функциональных объектов, графически проиллюстрированных на рисунке 2

 

Рисунок 2 – Архитектура MBMS

 

Абонент подключается к eNB – базовой станции сети стандарта LTE, которая является частью UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). UTRAN в свою очередь логически подключает Абонента к основной сети для доставки услуг MBMS в нужную область.

UTRAN управляет выбором самого подходящего пользователя в зависимости от количества пользователей в области доставки услуг, управляет началом и прекращением работы услуг MBMS, методом разделения IP пакета на множественное количество получателей, а также подвижностью получателя.

Абонент управляет активацией и дезактивацией устройства MBMS, управляет безопасностью, а также служебными уведомлениями и хранит данные MBMS

eNB (базовая станция) состоит из антенны передающей физический сигнал и MCE – блок координации работы, который выполняет такие задачи как: распределение радио ресурсов среди пользователей, модуляция и кодирование сигнала, выбирает режим транслирования, приостанавливает или возобновляет трансляции.

MCE (блок координации MBMS) подключен к EPC (Evolved Packet Core) сети через блоки MME (Mobility Management Entity) и MBMS-GW (Multimedia Broadcast/Multicast Service GateWay). Первый выполняет такие задачи как обязательный функционал контроля для поддержки сервисов MBMS-GW, контроль сессии передачи, резервация и модификация списка устройств MBMS обслуживаемых при помощи MCE. Также MME соединена с MBMS-GW для управления IP адресами трансляции.

MBMS-GW предоставляет интерфейсы управления и пользовательский интерфейсы для владельцев устройств с MBMS. Эта служба также отвечает за распределение трафика среди пользователей и раздачу IPV4/IPV6 адресов.

BM-SC, находящаяся внутри EPC предоставляет многоадресную рассылку пользовательских данных, распределение многоадресных IP адресов, а также интерфейс и на пользовательском и на контрольном уровнях между UTRAN и провайдером через BM-SC, который в свою очередь является связной точкой между провайдером и MBMS-GW.

Эта служба выполняет такой функционал как подписка, активация и деактивация аккаунтов пользователей, вопросы безопасности (идентификация, аутентификация), служебные уведомления, синхронизация содержимого.

Как было сказано ранее службы MBMS транслируются на разные пользовательские устройства, распределенные внутри области обслуживания. Которая состоит из всех областей, которые транслируют MBMS. Поэтому, если среди сот, которые транслируют один и тот же сигнал появляется плотная временная синхронизация в терминале сигнал будет считаться одним целым сигналом транслируемым одной сотой, но этот сигнал способен излучаться в разные стороны, что может быть удачно компенсировано OFDM передачей. Эта время – синхронизированная передача сигнала из разных сот также называется MBSFN (или eMBMS), и она была показана в 9 ревизии LTE.

Стоит заметить, что благодаря MBSFN, что передача данных в среде множественного количества сот постоянно улучшается, т.к. мощность получаемого сигнала увеличивается, и воздействие сот друг на друга сильно уменьшается. Область, где одна или несколько сот транслируют одну и ту же информацию, называется MBSFN область, которая статически настроена и не может быть настроена удаленно и не способна меняться во времени.

Область MBMS состоит из нескольких MBSFТ областей, которые объединены в группу и предоставляют одну и ту же службу. Рисунок 3 иллюстрирует то, что было указано ранее.

Логическая архитектура MBSFN такая же как и для MBMS указанная ранее на рисунке 2. Также главные функции MCE, MBMS-GW, BM-SC и MME остаются такими же с единственным дополнением в качестве синхронизации временем для MCE и BM-SC.

 

Заключение

В данной работе был произведен обзор технологии MBMS в сети коммуникации четвертого поколения (4G). Эта система способна не только заменить обычное телевидение, но и улучшить качество и количество кадров в секунду в видеотрансляциях. Технология MBMS снижает траты радио-ресурса в ситуациях, когда одно и то же видео просматривается разными пользователями. Замена показа видео обычным способом через интернет на трансляцию (MBMS) поможет разгрузить радиоканал. Также, данная система способна передавать контент на большое количество пользовательских устройств (телевизоры, планшеты, смартфоны и т.д.).

 

Список литературы

  1. Striccoli. Multicast and Broadcast Services Over Mobile Networks: A Survey on Standardized Approaches and Scientific Outcomes. 2019. pp. 1020-1040.
  2. Reis, A. Correia, N. Souto, and M. M. da Silva. On enhanced multimedia broadcast multicast service for 4G. In Proc. 21st Int. Conf. Telecommun. (ICT). 2014. pp. 186–190.
  3. Gupta and R. K. Jha. A survey of 5G network: Architecture and emerging technologies. IEEE Access, vol. 3. 2015. pp. 1206–1232.
  4. Pande, V. Ahuja, R. Sivaraj. Video delivery challenges and opportunities in 4G networks. IEEEMultiMedia, vol. 20, no. 3. 2013. pp. 88–94.
  5. B. L. Dahlman, S. Parkvall, and J. Sköld. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband. Amsterdam. 2011.