WiMAX與移動流媒體業(yè)務(wù) 本文關(guān)鍵字:?　3GPP　多載波調(diào)制　VOD　多媒體　服務(wù)器　接入網(wǎng)　網(wǎng)絡(luò)　手機　流媒體　信令　視頻點播　寬帶接入　增值業(yè)務(wù)　移動通信　IEEE　2.5G　QoS　IP　　 摘要 本文討論了在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中開展移動流媒體業(yè)務(wù)的方案，分別給出了單播和組播/廣播流媒體模式下的網(wǎng)絡(luò)模型，服務(wù)建立過程，以及移動性管理的策略。 最后對技術(shù)的應(yīng)用前景進行了展望。 1 引言 　　流媒體業(yè)務(wù)是從因特網(wǎng)上發(fā)展起來的一種多媒體應(yīng)用，指使用流（Streaming）方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸多媒體文件，包括音頻、視頻和動畫等。移動流媒體業(yè)務(wù)是流媒體技術(shù)在移動網(wǎng)絡(luò)和終端上的應(yīng)用，將移動流媒體技術(shù)引入移動增值業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為目前全球范圍內(nèi)移動業(yè)務(wù)研究的熱點之一。 　　WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年來出現(xiàn)的一種無線寬帶接入技術(shù)，其全稱全球微波接入互操作標準。WiMAX 采用多載波調(diào)制技術(shù)，能夠提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且具有頻譜資源利用率高，覆蓋范圍大等特點。WiMAX的成本相對較低，可以為個人、家庭、企業(yè)提供便利、優(yōu)良的移動多媒體寬帶服務(wù)和高速的無線數(shù)據(jù)傳輸。 　　與現(xiàn)有的移動通信技術(shù)相比，WiMAX技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)速率，更強的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，通過WiMAX技術(shù)承載流媒體業(yè)務(wù)是一種更為經(jīng)濟靈活的手段。許多運行商認為在WiMAX網(wǎng)絡(luò)上開展移動流媒體業(yè)務(wù)，將是WiMAX技術(shù)應(yīng)用的潛在市場。 　　本文首先介紹了移動流媒體業(yè)務(wù)的概念，然后分別討論了WiMAX網(wǎng)絡(luò)中單播和組播/廣播模式下的流媒體業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型、服務(wù)建立、移動性管理的問題，并對技術(shù)的演進方向進行了展望。 2 WiMAX移動流媒體業(yè)務(wù)模型 　　根據(jù)媒體數(shù)據(jù)的傳輸方式，實時的移動流媒體業(yè)務(wù)模型可以分為單播，和組播/廣播兩大類模式。單播模式，是點到點的數(shù)據(jù)服務(wù)，每個用戶的數(shù)據(jù)流分別傳送，單播模式適用于視頻點播（VOD）業(yè)務(wù)。組播/廣播模式，是點到多點的數(shù)據(jù)服務(wù)，單一的數(shù)據(jù)流被多個用戶共同接收，組播/廣播模式特別適合于電視節(jié)目、現(xiàn)場賽事轉(zhuǎn)播等直播類業(yè)務(wù)。不過在用戶量不大的情況下，直播類業(yè)務(wù)也可以采用單播模式進行。 　　移動流媒體業(yè)務(wù)目前主要是利用2.5G或3G的移動網(wǎng)絡(luò)，為手機終端提供音頻、視頻的流媒體服務(wù)。3GPP等標準化組織很早就開展了移動流媒體的應(yīng)用研究工作，并已經(jīng)制定了相應(yīng)的標準。目前，在3GPP體系結(jié)構(gòu)中主要定義了適合于單播模式的PSS（packet switched streaming service）流媒體業(yè)務(wù)模型，以及組播/廣播模式的MBMS（multicast broadcast multimedia service）模型。3GPP最早在Release 4中提出了PSS標準的單播模式流媒體業(yè)務(wù)模型。在該模型中，終端通過RTSP（real-time streaming protocol）信令建立流媒體會話，通過RTP協(xié)議承載媒體數(shù)據(jù)。3GPP Release 6開始制訂組播/廣播（MBMS）模式下的流媒體業(yè)務(wù)模型，現(xiàn)在有關(guān)組播/廣播的標準仍在完善中。 　　通過WiMAX網(wǎng)絡(luò)承載流媒體業(yè)務(wù)，可以采用與現(xiàn)有的移動流媒體網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方式。下面我們將對兩種基于WiMAX的流媒體業(yè)務(wù)模型單播和組播/廣播模式分別討論。 　　2.1 單播流媒體業(yè)務(wù) 　　2.1.1網(wǎng)絡(luò)模型 圖1 WiMAX單播流媒體業(yè)務(wù)模型 　　單播流媒體業(yè)務(wù)可以采用與3GPP PSS架構(gòu)類似的模型，將WiMAX網(wǎng)絡(luò)與PSS模型的功能實體相結(jié)合的方式。如圖1所示，WiMAX端到端的移動流媒體系統(tǒng)主要包括：流媒體終端、WiMAX移動接入網(wǎng)、IP核心網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容緩沖服務(wù)器、流媒體內(nèi)容服務(wù)器，以及提供輔助功能的用戶信息服務(wù)器（管理用戶特定的服務(wù)信息，終端設(shè)備能力等）、門戶網(wǎng)站服務(wù)器、DRM（Digital Right Management數(shù)字版權(quán)管理）服務(wù)器等。WiMAX接入網(wǎng)包括BS（Base Station）和AGW（Access Gateway）等網(wǎng)絡(luò)實體。IP核心網(wǎng)絡(luò)還包括移動IP中家鄉(xiāng)代理HA（Home Agent）網(wǎng)絡(luò)單元，以支持AGW間的移動性管理，AGW完成移動IP中外部代理FA（Foreign Agent）的功能。 　　流媒體內(nèi)容服務(wù)器、緩沖服務(wù)器是流媒體服務(wù)的核心單元，負責流媒體會話的管理和媒體的播放。內(nèi)容服務(wù)器提供了流媒體業(yè)務(wù)的平臺，主要完成了媒體內(nèi)容的編輯、保存、格式轉(zhuǎn)換等功能。緩沖服務(wù)器用于在媒體內(nèi)容播放時，從內(nèi)容服務(wù)器獲取內(nèi)容數(shù)據(jù)，并通過一定的緩存機制，來減小網(wǎng)絡(luò)傳輸資源變化對業(yè)務(wù)的影響。 　　RTSP協(xié)議用來在媒體服務(wù)器和用戶終端之間完成媒體會話建立、釋放和會話控制等功能。RTSP是一個應(yīng)用層的協(xié)議，在RTSP協(xié)議中，SDP（Session Description Protocol）字段被用來描述媒體相關(guān)的信息，如媒體類型、帶寬等參數(shù)。媒體數(shù)據(jù)流承載在RTP協(xié)議上，RTCP用來反饋媒體數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。 　　流媒體業(yè)務(wù)架構(gòu)允許采用速率適應(yīng)的方式，來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸資源的變化。服務(wù)器端可以根據(jù)終端提供的反饋信息，動態(tài)地調(diào)整媒體傳輸速率，以平滑無線質(zhì)量變化和網(wǎng)絡(luò)傳輸時延對業(yè)務(wù)造成的影響。從而盡可能最大程度地利用可用的資源，為用戶提供一種不間斷的服務(wù)，使用戶獲得最好的服務(wù)質(zhì)量。速率適應(yīng)的功能一般可以位于緩存服務(wù)器中，與緩存機制相結(jié)合，控制媒體數(shù)據(jù)的播放速率。 　　用戶終端反饋的RTCP接收者報告，可以用來進行速率適應(yīng)的估計。RTCP報告包含了累計的丟包數(shù)量，RTP數(shù)據(jù)包的間隔抖動等統(tǒng)計信息。反饋機制的有效性與RTCP的報告間隔長度有關(guān)，而RTCP的報告間隔取決于RTP媒體流的屬性，分配給RTCP的帶寬，RTCP包的平均尺寸，報告實體的數(shù)量等。媒體服務(wù)器可以通過RTSP信令過程來設(shè)置這些參數(shù)。3GPP通過擴展RTSP和RTCP協(xié)議，增加了一些字段（如終端的緩存大小，無線鏈路的質(zhì)量等參數(shù)），提供了更為靈活的反饋機制，但要求終端和服務(wù)器必須支持相應(yīng)的字段。合理的緩存和反饋機制，可以使服務(wù)器以較高的速率向終端發(fā)送數(shù)據(jù)，同時又能避免終端緩存溢出，減少丟包造成的損失。 　　2.1.2服務(wù)建立和釋放 圖 2 流媒體服務(wù)流程 　　實時的流媒體業(yè)務(wù)要求一定的服務(wù)質(zhì)量保證，需要在會話建立過程中，在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中建立相應(yīng)的承載資源。IEEE802.16d和802.16e標準定義了WiMAX空中接口的QoS機制，不同的業(yè)務(wù)承載可以通過一組服務(wù)流參數(shù)來標識，服務(wù)流是指由一組QoS參數(shù)標識的MAC層的數(shù)據(jù)流承載。對于實時的流媒體業(yè)務(wù)，適合在rtPS（real-time polling service）類型服務(wù)流上承載，rtPS適用于實時可變速率的業(yè)務(wù)，能夠提供速率和時延保證。 　　WiMAX網(wǎng)絡(luò)中無線承載的建立通常可分為終端發(fā)起和網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起兩種方式：終端發(fā)起的方式，通過DSA（dynamic service addition）過程發(fā)起服務(wù)流的建立，觸發(fā)接入網(wǎng)建立相應(yīng)的QoS承載；網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的方式，核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層發(fā)起QoS協(xié)商，發(fā)消息給接入網(wǎng)，請求建立承載資源。由于終端發(fā)起的方式需要終端應(yīng)用層與MAC層之間存在接口，而網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的方式，則需要媒體服務(wù)器根據(jù)接收到的RTSP消息，觸發(fā)接入網(wǎng)發(fā)起資源建立，但目前相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)標準還沒有制訂。不過由于網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的方式不需要終端提供特殊的支持，目前被多數(shù)廠家采用作為動態(tài)建立QoS承載的方式。通常IETF中定義的COPS或DIAMETER等QoS授權(quán)協(xié)議，可以被用來進行接入網(wǎng)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)之間的QoS協(xié)商，但廠家在COPS或DIAMETER協(xié)議實現(xiàn)上會有些不同。 　　流媒體服務(wù)建立和釋放流程如圖2所示。用戶首先通過網(wǎng)頁瀏覽（也可以是其它方式）獲取流媒體服務(wù)相關(guān)的URI（Universal Resource Identifier），URI指明了服務(wù)器地址和內(nèi)容等信息。為建立實時的流媒體會話，用戶終端需要獲得媒體流的SDP描述文件，以配置相應(yīng)的QoS參數(shù)，SDP文件包含了媒體的類型和帶寬等信息。獲取SDP文件的方式有多種，可以通過RTSP協(xié)議的DESCRIBE方法，或HTTP方式下載。然后，終端用戶向服務(wù)器發(fā)SETUP消息建立媒體會話，服務(wù)器根據(jù)請求建立的媒體流信息分配相應(yīng)的資源。用戶得到SETUP的響應(yīng)消息后，通過DSA過程觸發(fā)接入網(wǎng)側(cè)相應(yīng)無線承載的建立。承載資源建立成功后，用戶發(fā)RTSP PLAY消息給服務(wù)器，開始發(fā)送媒體數(shù)據(jù)。會話結(jié)束后，終端用戶通過TEAR DOWN方法通知服務(wù)器，停止媒體數(shù)據(jù)的發(fā)送，釋放相關(guān)的資源。同時釋放WiMAX接入網(wǎng)的相關(guān)承載。在這個例子中，采用了終端發(fā)起無線承載建立的方式，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的方式，應(yīng)用層（RTSP）的信令過程相同，區(qū)別在于需增加媒體服務(wù)器與接入網(wǎng)之間協(xié)商的過程，而這一接口過程目前還未標準化，與廠家的具體實現(xiàn)方式有關(guān)。 　　2.1.3 移動性管理 圖 3 實時流媒體業(yè)務(wù)移動過程 　　WiMAX技術(shù)支持移動性，允許用戶在移動過程中進行流媒體業(yè)務(wù)。用戶在移動過程中，會引起接入點BS的切換。用戶的移動可以分為AGW內(nèi)（Intra-AGW）和AGW間（Inter-AGW）的切換兩類。Inter-AGW的切換，需要通過移動IP協(xié)議，將HA到原AGW的用戶面隧道切換到新的AGW。為減少切換對業(yè)務(wù)時延和丟包的影響，減少復(fù)雜的信令交換，在實時流媒體業(yè)務(wù)進行過程中，應(yīng)只進行Intra-AGW的切換，而避免Inter-AGW的切換對業(yè)務(wù)造成的影響。只在實時業(yè)務(wù)結(jié)束后，移動終端才切換到新的AGW上。用戶移動到新的BS，空口的無線資源需要重新建立。 　　在切換過程中，終端用戶的無線連接有一個短暫的中斷。在簡單移動的場景下（移動速率大于60公里/小時，小于120公里/小時），對于BS間的切換，無線連接中斷的時間大約在110~160毫秒之間。為減少切換過程的丟包，終端用戶可以在切換開始執(zhí)行前，通過信令通知媒體服務(wù)器降低發(fā)送速率，在切換完成后，再通知媒體服務(wù)器增加發(fā)送速率。 　　實時流媒體業(yè)務(wù)的移動過程管理如圖3所示，移動終端在業(yè)務(wù)進行過程中，從BS1移動到BS3，始終處于AGW1的控制下，在業(yè)務(wù)結(jié)束后，移動到BS4，切換到AGW2。 　　2.2 組播/廣播流媒體業(yè)務(wù) 　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)模型 　　在WiMAX中，組播/廣播業(yè)務(wù)通常被稱為MBS（multicast broadcast service）。 MBS條件下的流媒體服務(wù)與單播方式不同，不需要為每個用戶建立專門的承載資源，各用戶通過公共的承載接入服務(wù)。業(yè)務(wù)的建立方式也不同，不需要單播模式下的端到端的應(yīng)用層信令（RTSP）。 圖4 MBS區(qū)示意圖 　　在WiMAX接入網(wǎng)中，通過公共的無線連接來承載MBS業(yè)務(wù)。 802.16e定義了兩種MBS接入方式：單BS接入和多BS接入。單BS方式，組播/廣播在每個BS內(nèi)獨立進行，承載MBS數(shù)據(jù)的無線連接CID（Connection Identifier），以及與該連接對應(yīng)的安全關(guān)聯(lián)參數(shù)SA（Security Association）在BS內(nèi)對所有的用戶相同。 多BS方式，一組BS組成一個MBS區(qū)（MBS Zone），在同一MBS區(qū)內(nèi)，各個BS同步發(fā)送組播/廣播數(shù)據(jù)，用同樣的CID和SA承載MBS數(shù)據(jù)。用戶終端從BS的廣播信息中，獲取MBS區(qū)的信息。一個BS可以同時屬于多個MBS區(qū)，BS和MBS區(qū)的關(guān)系如圖4所示。 　　多BS方式下，為提高接收性能，可以采用宏分集的方式。該方式要求在相同的時刻，同一MBS區(qū)的BS采用相同的頻率、符號、子信道、調(diào)制方式同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，這使得用戶終端可以從多個BS同時接收MBS數(shù)據(jù)，因此提高了接收可靠性和接收質(zhì)量。BS間實現(xiàn)宏分集發(fā)送需要一個MBS服務(wù)器集中調(diào)度，規(guī)范沒有給出實現(xiàn)這一服務(wù)器的位置，留給廠家根據(jù)具體的實現(xiàn)來決定。 　　為支持MBS業(yè)務(wù)，WiMAX接入網(wǎng)需要提供組播/廣播代理的功能，該代理功能可以位于AGW內(nèi)，AGW維護每個組播/廣播組內(nèi)的用戶列表，并負責向用戶轉(zhuǎn)發(fā)組播/廣播數(shù)據(jù)。MBS網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，組播/廣播服務(wù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該包含組播/廣播服務(wù)器、內(nèi)容服務(wù)器、服務(wù)發(fā)布管理、用戶管理等功能實體。MBS的媒體流首先經(jīng)HA和AGW之間的下行隧道到達接入網(wǎng)，然后通過AGW的組播/廣播代理功能將媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MBS區(qū)內(nèi)相關(guān)的BS。 圖5 MBS網(wǎng)絡(luò)模型 　　2.2.2服務(wù)建立與釋放 　　對于組播/廣播業(yè)務(wù)，用戶可以通過HTTP、小區(qū)廣播等方式，獲取媒體類型和帶寬、服務(wù)開始時間、以及組播地址等與服務(wù)相關(guān)的信息。此外，WiMAX接入網(wǎng)與組播/廣播服務(wù)器之間需要一定的信令交換過程，來控制媒體的播放過程。但目前標準還沒有定義接入網(wǎng)與服務(wù)器之間的這一接口。 　　對于組播/廣播業(yè)務(wù)，允許用戶在服務(wù)開始后的任何時候加入。對于組播業(yè)務(wù)，可以采用如下的過程建立服務(wù)承載：當用戶準備開始接收組播業(yè)務(wù)時，首先通知網(wǎng)絡(luò)側(cè)，請求加入由組播地址標識的特定組播業(yè)務(wù)。用戶可以通過IGMP信令通知AGW，AGW根據(jù)用戶請求的組播地址，通知BS建立與請求的業(yè)務(wù)相對應(yīng)的組播服務(wù)流。BS通過DSA過程，將承載組播服務(wù)的無線連接標識、安全參數(shù)、MBS區(qū)的標識（針對多BS模式），以及QoS參數(shù)通知給用戶。DSA過程結(jié)束后，用戶終端可以通過監(jiān)聽廣播信道，從MBS-MAP廣播消息中獲取組播數(shù)據(jù)開始的時間等信息，并在對應(yīng)的時刻在組播承載上接收數(shù)據(jù)。會話結(jié)束，用戶仍然通過IGMP信令通知AGW，要求退出組播服務(wù)。AGW負責更新相關(guān)的MBS上下文。對于廣播業(yè)務(wù)，WiMAX接入網(wǎng)可以在組播/廣播服務(wù)開始的時候，建立相應(yīng)的無線承載。用戶則在需要的時候通過DSA過程，獲取廣播服務(wù)相關(guān)的服務(wù)流信息。同樣地，用戶終端根據(jù)MBS-MAP消息指定的時刻在相應(yīng)的廣播承載上接收數(shù)據(jù)。 　　2.2.3 移動性管理 　　MBS業(yè)務(wù)也支持用戶的移動性。對于多BS方式，MS在同一MBS區(qū)內(nèi)移動時，切換到新的BS，不需要重新建立MBS服務(wù)流，即在同一MBS區(qū)移動的過程，對用戶和網(wǎng)絡(luò)是透明的。僅當用戶移動到新的MBS區(qū)時，才需要重新建立MBS服務(wù)流，以獲取新MBS區(qū)使用的CID和SA。同時，需要通知網(wǎng)絡(luò)側(cè)用戶MBS區(qū)的改變，以更新網(wǎng)絡(luò)側(cè)該用戶的MBS上下文。移動用戶可以從BS的廣播信息中獲得MBS區(qū)的標識。 3 結(jié)束語 　　WiMAX可以為流媒體業(yè)務(wù)提供足夠高的帶寬，開展流媒體業(yè)務(wù)會成為推廣WiMAX技術(shù)的有效手段。單播模式，對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)影響最小。MBS模式需要MBS區(qū)內(nèi)的BS采用相同的頻率資源同步傳輸，對網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃提出較高的要求，在實現(xiàn)上有一定的難度。在WiMAX網(wǎng)絡(luò)運營的初期，用戶量不大的條件下，采用單播的方式，基本上就能滿足對流媒體業(yè)務(wù)的運營需求。但從長期角度看，用戶量增加后，采用MBS的方式更能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)的容量，但需要進一步完善現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和標準，以適應(yīng)MBS業(yè)務(wù)的需要。 　　WiMAX技術(shù)提供了靈活的QoS機制，通過與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有效結(jié)合，能夠方便地開展多種IP多媒體業(yè)務(wù)。目前WiMAX的網(wǎng)絡(luò)標準仍然不夠完善，對互聯(lián)互通造成了一定的困難，WiMAX標準組織正致力于這方面的研究。隨著標準的不斷完善，WiMAX應(yīng)用技術(shù)一定會受到用戶的青睞，得到廣泛的應(yīng)用。 作者：王春波　張靜　季利軍