TD_LTE中MBSFN动态区域配置研究

TD-LTE中MBSFN动态区域配置研究

张

浩，师彦静，蒋

毅

(重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆400065)

摘要：TD-LTE作为2大准4G技术标准之一，相比于3G能提供更大的容量、更高的数据速率和更低的用户面TD-LTE中引入了增强的多媒体广播多播(E-MBMS)技术，时延。为了满足用户日益增长的多媒体业务需求，接入网采用单频网传输模式，也就是一簇时间严格控同步的小区在相同的时频资源上发送同一多媒体数据。在接收端，将来自

MBSFN能有效地提高接收信噪比(SINＲ)和频谱效率。介绍单频网内多个小区的信号进行合并，相比于单小区MBMS，了TD-LTE中E-MBMS的架构和其中的关键技术，详细地分析了目前的MBSFN区域配置算法，并总结了每种配置方式

的优缺点。

LTE;动态单频网;频谱效率关键词：多媒体广播多播;TD-中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1003－3114(2013)05－06－5

ＲesearchonDynamicAreaManagementofMBSFNinTD-LTE

ZHANGHao，SHIYan-jing，JIANGYi

（KeyLabofMobileCommunicationTechnology，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China）Abstract：TD-LTEasthelaststeptowardthe4thgeneration（4G）ofradiotechnologiesisdesignedtoincreasethecapacityandgrowingdemandformultimediaservices，theenhancedmultimediaspeedofmobilecommunications．Inordertomeetthecustomers’

broadcast/multicast（E-MBMS）isintroducedinTD-LTE，andMBSFN（MBMSoveraSingleFrequencyNetwork）transmissionmodeisallthetightlytime-synchronizedbasestationstransmitthesamesignalatthesameusedintheaccessnetwork．IntheSFNtechnology，

timeandoverthesamefrequencychanneltoUEs．Inthiscase，thetransmissionsreceivedfrommultiplecellswill，asseenfromtheUE，appearasasingletransmissionsubjecttoseveremulti-pathpropagation．TheMBSFNtransmissionmodebringssignificantimprovementsinspectralefficiency（SE）andSignaltoInterferenceplusNoiseＲatio（SINＲ）comparedwithsinglecellMBMStransmissionmode．InanoverviewofMBSFNarchitectureandthekeytechnologiesarepresentedfirstly，andthenthepresentDynamicMBSFNthispaper，

technologiesareinvestigated．

Keywords：MBMS；TD-LTE；dynamicMBSFN；SE

0引言

3GPPLTE项目致力于增强UTＲA和优化3GPP

LTE支持灵活可变的带宽配无线接入网架构。TD-置，可以根据上下行非对称业务量动态地调整上下

同时可以利用非对称的零散频谱，因此更行带宽比，

LTE上能有效地提高宝贵频谱效率的利用率。TD-FDMA）和正交下行分别采用单载波频分复用（SC-能提供100Mbps的下行峰频分复用（OFDM）技术，

值速率和50Mbps的上行峰值速率，其往返时延低于10ms。

基金项目：国家重大科技专项（2012ZX03004009）；重庆市教委优秀成果转化项目（Kjzh11206）。收稿日期：2013－06－18作者简介：张

浩（1989—）男，硕士研究生。主要研究方向：移动通

信。师彦静（1988—）女，硕士研究生。主要研究方向：移动通信。

此外，随着移动互联网的迅速发展，出现了大量

如视频移动数据多媒体业务和高带宽多媒体业务，

会议、电视广播和视频点播等。为了满足类似用户

3GPP在Ｒ6中引入了日益增长的多媒体业务需求，

MBMS以多个接收用户多媒体广播/多播（MBMS），

共享无线资源的方式将同一多媒体数据下发给多个

［1，2］

。TD-LTE中继续对MBMS进行增强接收用户

MBMS），引入演进多媒体广播/多播（e-在无演进，

线接入网采用多媒体广播单频网（MBSFN）技术更

MBMS相比于3G，进一步地优化其空中接口的性能，

［3］

有更大的灵活性和更高的频谱效率。在MBSFN

MBMS业务数据在一簇时间严格同步的小模式中，

区间采用同时同频的无线资源进行下发，这一簇小

［4］

区构成一个MBSFN区域。

由于在MBSFN模式下，从用户的角度来看，来

自同一个单频网区域内相邻小区的信号可视为一个

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有用信号（传统的小区间干扰），相当于一个宏小区里的一条多径信号，因此用户的接收有用信号功率得到有效提升，同时干扰功率大幅下降，尤其是小区边缘用户。MBSFN传输模式相比于UMTS中MBMS典型的点到点（PTP）和点到多点（PTM）传输

［5，6］

。模式能有效地提高频谱效率和用户接收性能

3GPP在TD-LTE系统中为E-MBMS业务传输［3］

定义了静态和动态2种工作模式。静态MBSFN又分为准静态和半静态2种，准静态MBSFN为网络

一旦有业务到达规划时就定义好业务的下发区域，

不管区域里是否有接收的用户均全网内下发，它为广播业务的基本工作方式，适合于专用载波场景。准静态MBSFN的优点是操作简单和信令开销少，缺点是容易造成空口资源和功率资源的浪费。半静态MBSFN模式在多播业务建立之初确定其业务下发的区域，在业务进行过程中不对MBSFN区域进行动态地调整，相比于准静态配置方式，它提高了无线频谱资源和基站功率资源的利用率，但是当用户移动出初始建立的MBSFN区域或者初始MBSFN区域之外的小区内有多播用户激活时，他们不能接收到此多播业务，因此用户体验较差。半静态配置方式为当前运营商配置MBSFN区域的主要方式。动态MBSFN是在半静态MBSFN基础之上更进一步的增强，它在业务初始建立和下发的过程中动态调整参与协同下发的小区，对MBSFN区域的生成进行动态地控制，有利于拉升空口效率，并节省功率资源。

它还通过MME与核心网交互MBMS会话控制信令（会话开始和会话结束）。多媒体广播多播网关在逻辑上分为控制平面和用户平面，分别定义了两个

M1为用户平面接口，不同的接口，利用IP多播协议

M3为控制平面接口，传输多播数据到基站，传输会

SC）位话开始和结束信令。广播多播服务中心（BM-MBMS架构的边缘，于E-它为广播多播数据的入

口，因此它为内容提供商和外部网络多播业务的接

［3］

入点。

图1TD-LTE中E-MBMS扁平架构

2

2．1

TD-LTE中E-MBMS关键技术

1TD-LE中E-MBMS架构

TD-LTE中E-MBMS架构如图1所示，主要由基

站、多播协调实体、多媒体广播多播网关和多媒体广

［7］

播服务中心组成。基站负责收集需要传输给接收用户的数据；多播协调实体协调MBSFN同步区域内不同小区之间的同步传输，同时在MBSFN传输模式下，它还负责整个单频网区域内所有小区的多播无线资源分配和调制编码方式的选择，根据不同的组网方式MCE可以是一个单独的实现也可以是基站里的一部分。集中式组网中多播协调实体作为集中处理单元构成一个独立的网络实体，它负责基下属的所有小区的资源分配和调制编码方式的选择；而在分布式组网中，它集成在基站中，只负责本小区的多播资源分配和选择调制编码方式。多媒体广播多播网关物理上位于基站和广播多播服务中心之间，它主要的功能是转发从广播多播服务中心接收到的数据到各个传输多播业务的基站，除此之外，

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同步

MBSFN传输方式的特征是多个小区进行同步［3］

UE合并来自不同小区的信息，传输，它首先需要

解决内容同步的问题。为确保无线帧在各小区间同

E-MBMS在M1接口上采用了同步协议步传输，

（SYNC）。E-MBMS网关在进行数据传输时会携带

SYNC信息，eNB可以根据SYNC信息来选择何时发

eNB必须具有送无线帧。另外，为了保证同步传输，

一定的缓存能力。

在MBSFN同步区域内，所有小区内的eNB的SYNC信息都保持高度统一，在进行MBSFN传输之间会由MCE为所有相关的eNB配置相同的无线链路控制/媒体接入控制/物理层（ＲLC/MAC/PHY）。

MBMS传输，MBMS网关对于特定的E-有特定的E-负责向相应的eNB发送MBMS业务数据，MBMS

GW无需知道准确的无线资源分配信息，包括精确的时间分配（如无线帧传输开始时间），而只需要在E-MBMS数据中携带SYNC信息即可。2．2计数过程

MBMS系统中对接收业务的用户进行统在E-计是激活或关闭MBSFN传输的依据。对整个

MBSFN区域内的接收用户进行统计可以使网络获知MBSFN区域内接收MBMS业务的用户总数，而对MBSFN

区域中单个小区内用户数的统计可以决

7

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［7］

定本小区是否进行MBMS单频网传输。

UE根据网络侧发起的计数过程由网络侧发起，

UE不能自动反馈。网络侧给请求进行反馈，

MBSFN服务区域内所有基站下发计数请求指令，该指令包含一系列需要UE进行反馈的多播业务临时

在本小组标识（TMGI）。基站收到此初始化指令后，

区广播该计数请求消息，处于连接状态的UE和对TMGI包含的多播业务感兴趣的用户将反馈一个ＲＲC计数响应消息，它包含一个短的MBMS服务区域识别码（每个MBMS服务区域对应于一个惟一的识别码），可选地，它还可以包含MBSFN区域识别码。UE可以在单条反馈信令上对多个MBMS业务

［3］

进行反馈。

计数过程的引入主要目的是提高无线频谱资源的利用率，

通过统计接收用户的数量分别衡量用单播承载和多播承载时的频谱利用率，从二者中选择最经济的承载方式。计数过程的开头和结束都由MCE控制，其信令流程图2MBMS计数信令流程如图2所示。

国外学者N．F．Tuban等人提出一种基于基因

［8］

遗传算法的动态MBSFN配置方式。在此算法中，每一种可能的MBSFN配置方式作为一个解方案（个体）。在某一特定解方案下，用户的分布情况作为适应度函数，在此MBSFN覆盖区域中用户的分布越高则其适应度指数就越大。利用基于竞争的选取法则，选取适应度最高的个体生成新个体。如此循环，直到选取出最优的配置方案。其算法实现流程如图3所示

。

3MBSFN动态区域配置

图3

基因遗传算法流程

随着高智能且价格适中的移动终端出现，用户呈现出大量移动数据多媒体业务和高带宽多媒体业务的需求，因此给无线接入技术带来严峻的考验，如何充分有效地利用宝贵的频谱资源成为运营商迫切

对于需要解决的问题。通过引言部分的分析知道，

TD-LTE中的E-MBMS业务，传统的静态和半静态

信令开销小，但是它非动态小区配置方式易于操作，

调整业务下发区域严重限制了频谱资料的利用率。为了进一步地提高其频谱效率，未来实际布置中将会采用动态MBSFN区域配置方式。目前国内外很多学者在MBSFN动态区域配置方面也有一些研究成果。

3．1基于基因遗传算法的动态MBSFN配置

基因遗传算法广泛应用于计算机科学和无线通

它需要同时考虑多个参数信应用中来搜寻最优解，

值。对于一个最优化问题，基因遗传算法的主要思

设置合适的效用函数想是遍历各种可能的解方案，

来选择最终的解方案。8

将遗传算法应用到MBSFN区域配置中在一定程度上提高了系统无线资源和功率资源的利用率，它以牺牲运算复杂度作为代价。在此算法中，用户的分布作为重要的适应度函数，用户分布越集中，该算法的性能越好。但是，如果整个区域内用户分布比较零散或者整个区域中心小区用户分布比较零散（有可能不存在接收多播业务的用户）而边缘小区中用户分布相对比较集中，利用遗传算法进行配置

。所谓“孔最终的MBSFN区域，就可能形成“孔洞”

洞”就是指周围一圈小区开启MBSFN发送模式，而中心用户关闭MBSFN发送模式的情形。在这种情况下，中心小区利用MBSFN多播时隙下发单播业务时，会对周围一圈单频网小区内的用户造成干扰；反过来，周围一圈单频网小区又会对中心小区造成较强的干扰。因此，就可能造成单播和多播业务的频谱效率都下降的双输结果，还浪费了由于计数过程所带来的额外上行信令开销。在MBSFN

动态区

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域配置过程中应避免出现似“孔洞”现象，避免造成系统性能的严重下降。

3．2基于小区位置的集中式MBSFN配置

鉴于遗传算法所出现的问题，国内学者李阳等人提出一种基于小区位置的集中式MBSFN配置方［9］

式。目前大部分动态MBSFN域操作方式都是基于计数机制的集中式管理。它的原理是基于UE统计回应信息，将SFN区域内的小区簇标注为α类小区（有订阅UE，必须进行MBMS业务的发送）和β类小区（可以关闭MBMS业务发射）。在传统动态MBSFN中，域操作仅仅与该小区是否有订阅UE有关，即存在订阅UE就打开MBMS发射，不存在订阅UE就关闭MBMS发射［9］。这种方法很难满足避免

“孔洞”“孤岛”和的域动态管理需求。出现

9］中基于小区位置的集中式MBSFN区文献［

域配置方式主要思想是首先在每个区域重配置周期内，由核心网发起计数过程，统计每个小区中接收同一多播业务的用户数。然后根据用户的分布情况将小区分为有接收用户的α类小区和没有接收用户的β类小区。对每个α类小区计算其相邻β类小区，其计算过程为：①记所有α类小区簇形成的小

…，区集合为α，并记α中的小区为α1，α2，αn；②遍

并求各αi的邻小区集合，记历集合α中的小区αi，

为Xi{x|x邻接于αi}；③集合α的邻接小区集合X等于所有的Xi并集减去α，即∪Xi－a，记作β。α'

n=1l

即是所求的与α类小区簇相邻的β类小区簇。此时，α的邻接小区集合α'正好包围了集合α，出于对SFN域中下行宏分集增益的考虑，与α集合邻接的α'中的小区α上的MBMS发送也不应关闭，以便为α集合边界小区上移动UE提供可靠的下行宏分集增益。优化准则是基于门限Kb值的选择。将α'中的元素αn'并入集合之中形成最终的MBMS业务发

［9］

送小区簇集合αMBMS。

基于位置的配置方式中，它将小区分为有用户分布的小区和没用户分布的小区以及有用户分布小区的邻小区。出于宏分集增益的考虑，有用户分布小区的邻小区基于优化值可选择性地开启或者关闭单频网传输模式。因此这就避免了出现上述遗传算法中可能出现的“孔洞”现象。相比于传统半静态

其性能提升是以牺牲一部分空口资源和配置方式，

基站的功率资源为代价的。基于优化准则它可能开启α类小区的邻小区（辅助小区）的单频网传输模式，因此α类小区中UE的接收功率增强。导致整个系统的平均单小区频谱利用率略低于遗传算法，但系统总的吞量高于遗传算法。

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但是该算法中控制辅助小区开启或关闭单频网传输模式的准则为该辅助小区相邻α类小区的数目，没有考虑这些α类小区中的用户数量以及用户分布情况。在相邻α类小区用户较少或者用户分布在远离此辅助小区的小区边缘时，该辅助小区对邻小区的宏分集增益几乎没有。单频网所获得的有效增益与开启此辅助小区所消耗的无线资源和基站功率资源相比是负收益的。

3.3相邻小区内用户数的动态MBSFN配置

国内学者张涛等人在前面已有的动态配置策略上更进一步地提出了基于目标小区的相邻小区内用

［7］

户数和的MBSFN配置方式。主要算法流程为：①在每个MBSFN区域重配置周期内发起计数过程，统计每个小区中接收多播业务的用户数；②根据统计到的用户数将小区划分为α类（有接收多播业务的用户必须开启单频网传输模式）和β类（没

出于宏分集的角度可选择有接收多播业务的用户，

性地开启MBSFN传输模式）；③遍历统计β=

…，{β1，β2，βk}类小区中βi相邻α类小区集合中接

记为N_βi；④依次检验收多播业务的用户数之和，

小区βi相邻α类小区中接收多播业务的用户数之和N_βi。如果N_βi≥H，则打开βi小区的MBSFN传输模式；否则关闭βi小区的MBSFN传输模式。其中H为用户数门限值，由O＆M设定，通过调整H的值来优化网络性能。

由此可知，由于MBSFN控制装置（MCE）可以根据解析出的目标小区以及邻小区中的关注UE数量等解析信息，采用上述策略进行MBSFN无线网络资源配置，从而避免盲目地对无关注UE或关注UE过少的小区进行广播而造成的无线网络资源浪费和基站功率资源浪费。它不再只单纯地考虑相邻小区个数，更具体地考虑相邻小区中用户数，因此相比于基于小区位置的集中式配置策略，整个系统的吞吐量和频谱效率有所提高，更进一步地节省了不必要的小区开启MBSFN传输模式。

但是，由于此策略仅从用户数之和的角度出发，而没有考虑用户的分布情况，辅助小区对于邻小区的贡献随着邻小区不同的用户分布而不同。因此，该策略仍然可能开启一部分对邻小区没贡献的小区的

造成无线资源和功率资源的浪费。单频网传输模式，

4结束语

随着智能终端的普及，用户呈现出多样化的业

务需求，如视频会议、电视广播、视频点播、广告、网上教育和互动游戏等，

它同时也会为运营商带来新

9

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的业务增长点。面对此类高速率业务，如何更有效地利用无线频谱资源和功率资源成为迫切需要解决

MBMS技术的引入实现了点到多点利用的问题。E-共享资源下发业务数据，从一定程度上提高了无线

MBMS频资源的利用率。为了更进一步地提升E-多基站协作、分层编码、喷泉码传输、终端协谱效率，

MBMS作传输和动态MBSFN区域配置成为未来E-技术发展的新趋势。其中动态MBSFN区域配置已

有一些初步研究成果，主要分为基于小区位置和基于用户数的配置策略。仔细分析他们各自的优缺点，提出更完善的动态MBSFN区域布置策略是目前工作的方向。例如下一步可以从用户分布的角度出发，更一步地优化配置策略，提升系统频谱和功率资源的利用率。

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