WiMAX与移动流媒体业务

摘要 本文讨论了在WiMAX网络中开展移动流媒体业务的方案，分别给出了单播和组播/广播流媒体模式下的网络模型，服务建立过程，以及移动性管理的策略。最后对技术的应用前景进行了展望。

1 引言

　　流媒体业务是从因特网上发展起来的一种多媒体应用，指使用流（Streaming）方式在网络上传输多媒体文件，包括音频、视频和动画等。移动流媒体业务是流媒体技术在移动网络和终端上的应用，将移动流媒体技术引入移动增值业务，已经成为目前全球范围内移动业务研究的热点之一。

　　WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年来出现的一种无线宽带接入技术，其全称全球微波接入互操作标准。WiMAX 采用多载波调制技术，能够提供高速的数据业务，并且具有频谱资源利用率高，覆盖范围大等特点。WiMAX的成本相对较低，可以为个人、家庭、企业提供便利、优良的移动多媒体宽带服务和高速的无线数据传输。

　　与现有的移动通信技术相比，WiMAX技术可以提供更高的数据速率，更强的数据业务能力，通过WiMAX技术承载流媒体业务是一种更为经济灵活的手段。许多运行商认为在WiMAX网络上开展移动流媒体业务，将是WiMAX技术应用的潜在市场。

　　本文首先介绍了移动流媒体业务的概念，然后分别讨论了WiMAX网络中单播和组播/广播模式下的流媒体业务网络模型、服务建立、移动性管理的问题，并对技术的演进方向进行了展望。

2 WiMAX移动流媒体业务模型

　　根据媒体数据的传输方式，实时的移动流媒体业务模型可以分为单播，和组播/广播两大类模式。单播模式，是点到点的数据服务，每个用户的数据流分别传送，单播模式适用于视频点播（VOD）业务。组播/广播模式，是点到多点的数据服务，单一的数据流被多个用户共同接收，组播/广播模式特别适合于电视节目、现场赛事转播等直播类业务。不过在用户量不大的情况下，直播类业务也可以采用单播模式进行。

　　移动流媒体业务目前主要是利用2.5G或3G的移动网络，为手机终端提供音频、视频的流媒体服务。3GPP等标准化组织很早就开展了移动流媒体的应用研究工作，并已经制定了相应的标准。目前，在3GPP体系结构中主要定义了适合于单播模式的PSS（packet switched streaming service）流媒体业务模型，以及组播/广播模式的MBMS（multicast broadcast multimedia service）模型。3GPP最早在Release 4中提出了PSS标准的单播模式流媒体业务模型。在该模型中，终端通过RTSP（real-time streaming protocol）信令建立流媒体会话，通过RTP协议承载媒体数据。3GPP Release 6开始制订组播/广播（MBMS）模式下的流媒体业务模型，现在有关组播/广播的标准仍在完善中。

　　通过WiMAX网络承载流媒体业务，可以采用与现有的移动流媒体网络模型相结合的方式。下面我们将对两种基于WiMAX的流媒体业务模型单播和组播/广播模式分别讨论。

　　2.1 单播流媒体业务

　　2.1.1网络模型

图1 WiMAX单播流媒体业务模型

　　单播流媒体业务可以采用与3GPP PSS架构类似的模型，将WiMAX网络与PSS模型的功能实体相结合的方式。如图1所示，WiMAX端到端的移动流媒体系统主要包括：流媒体终端、WiMAX移动接入网、IP核心网络、内容缓冲服务器、流媒体内容服务器，以及提供辅助功能的用户信息服务器（管理用户特定的服务信息，终端设备能力等）、门户网站服务器、DRM（Digital Right Management数字版权管理）服务器等。WiMAX接入网包括BS（Base Station）和AGW（Access Gateway）等网络实体。IP核心网络还包括移动IP中家乡代理HA（Home Agent）网络单元，以支持AGW间的移动性管理，AGW完成移动IP中外部代理FA（Foreign Agent）的功能。

　　流媒体内容服务器、缓冲服务器是流媒体服务的核心单元，负责流媒体会话的管理和媒体的播放。内容服务器提供了流媒体业务的平台，主要完成了媒体内容的编辑、保存、格式转换等功能。缓冲服务器用于在媒体内容播放时，从内容服务器获取内容数据，并通过一定的缓存机制，来减小网络传输资源变化对业务的影响。

　　RTSP协议用来在媒体服务器和用户终端之间完成媒体会话建立、释放和会话控制等功能。RTSP是一个应用层的协议，在RTSP协议中，SDP（Session Description Protocol）字段被用来描述媒体相关的信息，如媒体类型、带宽等参数。媒体数据流承载在RTP协议上，RTCP用来反馈媒体数据的传输质量。

　　流媒体业务架构允许采用速率适应的方式，来适应网络传输资源的变化。服务器端可以根据终端提供的反馈信息，动态地调整媒体传输速率，以平滑无线质量变化和网络传输时延对业务造成的影响。从而尽可能最大程度地利用可用的资源，为用户提供一种不间断的服务，使用户获得最好的服务质量。速率适应的功能一般可以位于缓存服务器中，与缓存机制相结合，控制媒体数据的播放速率。

　　用户终端反馈的RTCP接收者报告，可以用来进行速率适应的估计。RTCP报告包含了累计的丢包数量，RTP数据包的间隔抖动等统计信息。反馈机制的有效性与RTCP的报告间隔长度有关，而RTCP的报告间隔取决于RTP媒体流的属性，分配给RTCP的带宽，RTCP包的平均尺寸，报告实体的数量等。媒体服务器可以通过RTSP信令过程来设置这些参数。3GPP通过扩展RTSP和RTCP协议，增加了一些字段（如终端的缓存大小，无线链路的质量等参数），提供了更为灵活的反馈机制，但要求终端和服务器必须支持相应的字段。合理的缓存和反馈机制，可以使服务器以较高的速率向终端发送数据，同时又能避免终端缓存溢出，减少丢包造成的损失。

　　2.1.2服务建立和释放

图 2 流媒体服务流程

　　实时的流媒体业务要求一定的服务质量保证，需要在会话建立过程中，在WiMAX网络中建立相应的承载资源。IEEE802.16d和802.16e标准定义了WiMAX空中接口的QoS机制，不同的业务承载可以通过一组服务流参数来标识，服务流是指由一组QoS参数标识的MAC层的数据流承载。对于实时的流媒体业务，适合在rtPS（real-time polling service）类型服务流上承载，rtPS适用于实时可变速率的业务，能够提供速率和时延保证。

　　WiMAX网络中无线承载的建立通常可分为终端发起和网络侧发起两种方式：终端发起的方式，通过DSA（dynamic service addition）过程发起服务流的建立，触发接入网建立相应的QoS承载；网络侧发起的方式，核心网络应用层发起QoS协商，发消息给接入网，请求建立承载资源。由于终端发起的方式需要终端应用层与MAC层之间存在接口，而网络侧发起的方式，则需要媒体服务器根据接收到的RTSP消息，触发接入网发起资源建立，但目前相应的网络侧标准还没有制订。不过由于网络侧发起的方式不需要终端提供特殊的支持，目前被多数厂家采用作为动态建立QoS承载的方式。通常IETF中定义的COPS或DIAMETER等QoS授权协议，可以被用来进行接入网和应用网络之间的QoS协商，但厂家在COPS或DIAMETER协议实现上会有些不同。

　　流媒体服务建立和释放流程如图2所示。用户首先通过网页浏览（也可以是其它方式）获取流媒体服务相关的URI（Universal Resource Identifier），URI指明了服务器地址和内容等信息。为建立实时的流媒体会话，用户终端需要获得媒体流的SDP描述文件，以配置相应的QoS参数，SDP文件包含了媒体的类型和带宽等信息。获取SDP文件的方式有多种，可以通过RTSP协议的DESCRIBE方法，或HTTP方式下载。然后，终端用户向服务器发SETUP消息建立媒体会话，服务器根据请求建立的媒体流信息分配相应的资源。用户得到SETUP的响应消息后，通过DSA过程触发接入网侧相应无线承载的建立。承载资源建立成功后，用户发RTSP PLAY消息给服务器，开始发送媒体数据。会话结束后，终端用户通过TEAR DOWN方法通知服务器，停止媒体数据的发送，释放相关的资源。同时释放WiMAX接入网的相关承载。在这个例子中，采用了终端发起无线承载建立的方式，由网络侧发起的方式，应用层（RTSP）的信令过程相同，区别在于需增加媒体服务器与接入网之间协商的过程，而这一接口过程目前还未标准化，与厂家的具体实现方式有关。

　　2.1.3 移动性管理

图 3 实时流媒体业务移动过程

　　WiMAX技术支持移动性，允许用户在移动过程中进行流媒体业务。用户在移动过程中，会引起接入点BS的切换。用户的移动可以分为AGW内（Intra-AGW）和AGW间（Inter-AGW）的切换两类。Inter-AGW的切换，需要通过移动IP协议，将HA到原AGW的用户面隧道切换到新的AGW。为减少切换对业务时延和丢包的影响，减少复杂的信令交换，在实时流媒体业务进行过程中，应只进行Intra-AGW的切换，而避免Inter-AGW的切换对业务造成的影响。只在实时业务结束后，移动终端才切换到新的AGW上。用户移动到新的BS，空口的无线资源需要重新建立。

　　在切换过程中，终端用户的无线连接有一个短暂的中断。在简单移动的场景下（移动速率大于60公里/小时，小于120公里/小时），对于BS间的切换，无线连接中断的时间大约在110~160毫秒之间。为减少切换过程的丢包，终端用户可以在切换开始执行前，通过信令通知媒体服务器降低发送速率，在切换完成后，再通知媒体服务器增加发送速率。

　　实时流媒体业务的移动过程管理如图3所示，移动终端在业务进行过程中，从BS1移动到BS3，始终处于AGW1的控制下，在业务结束后，移动到BS4，切换到AGW2。

　　2.2 组播/广播流媒体业务

　　2.2.1网络模型

　　在WiMAX中，组播/广播业务通常被称为MBS（multicast broadcast service）。 MBS条件下的流媒体服务与单播方式不同，不需要为每个用户建立专门的承载资源，各用户通过公共的承载接入服务。业务的建立方式也不同，不需要单播模式下的端到端的应用层信令（RTSP）。

图4 MBS区示意图

　　在WiMAX接入网中，通过公共的无线连接来承载MBS业务。 802.16e定义了两种MBS接入方式：单BS接入和多BS接入。单BS方式，组播/广播在每个BS内独立进行，承载MBS数据的无线连接CID（Connection Identifier），以及与该连接对应的安全关联参数SA（Security Association）在BS内对所有的用户相同。 多BS方式，一组BS组成一个MBS区（MBS Zone），在同一MBS区内，各个BS同步发送组播/广播数据，用同样的CID和SA承载MBS数据。用户终端从BS的广播信息中，获取MBS区的信息。一个BS可以同时属于多个MBS区，BS和MBS区的关系如图4所示。

　　多BS方式下，为提高接收性能，可以采用宏分集的方式。该方式要求在相同的时刻，同一MBS区的BS采用相同的频率、符号、子信道、调制方式同步发送相同的数据，这使得用户终端可以从多个BS同时接收MBS数据，因此提高了接收可靠性和接收质量。BS间实现宏分集发送需要一个MBS服务器集中调度，规范没有给出实现这一服务器的位置，留给厂家根据具体的实现来决定。

　　为支持MBS业务，WiMAX接入网需要提供组播/广播代理的功能，该代理功能可以位于AGW内，AGW维护每个组播/广播组内的用户列表，并负责向用户转发组播/广播数据。MBS网络模型如图5所示，组播/广播服务网络应该包含组播/广播服务器、内容服务器、服务发布管理、用户管理等功能实体。MBS的媒体流首先经HA和AGW之间的下行隧道到达接入网，然后通过AGW的组播/广播代理功能将媒体数据转发给MBS区内相关的BS。

图5 MBS网络模型

　　2.2.2服务建立与释放

　　对于组播/广播业务，用户可以通过HTTP、小区广播等方式，获取媒体类型和带宽、服务开始时间、以及组播地址等与服务相关的信息。此外，WiMAX接入网与组播/广播服务器之间需要一定的信令交换过程，来控制媒体的播放过程。但目前标准还没有定义接入网与服务器之间的这一接口。

　　对于组播/广播业务，允许用户在服务开始后的任何时候加入。对于组播业务，可以采用如下的过程建立服务承载：当用户准备开始接收组播业务时，首先通知网络侧，请求加入由组播地址标识的特定组播业务。用户可以通过IGMP信令通知AGW，AGW根据用户请求的组播地址，通知BS建立与请求的业务相对应的组播服务流。BS通过DSA过程，将承载组播服务的无线连接标识、安全参数、MBS区的标识（针对多BS模式），以及QoS参数通知给用户。DSA过程结束后，用户终端可以通过监听广播信道，从MBS-MAP广播消息中获取组播数据开始的时间等信息，并在对应的时刻在组播承载上接收数据。会话结束，用户仍然通过IGMP信令通知AGW，要求退出组播服务。AGW负责更新相关的MBS上下文。对于广播业务，WiMAX接入网可以在组播/广播服务开始的时候，建立相应的无线承载。用户则在需要的时候通过DSA过程，获取广播服务相关的服务流信息。同样地，用户终端根据MBS-MAP消息指定的时刻在相应的广播承载上接收数据。

　　2.2.3 移动性管理

　　MBS业务也支持用户的移动性。对于多BS方式，MS在同一MBS区内移动时，切换到新的BS，不需要重新建立MBS服务流，即在同一MBS区移动的过程，对用户和网络是透明的。仅当用户移动到新的MBS区时，才需要重新建立MBS服务流，以获取新MBS区使用的CID和SA。同时，需要通知网络侧用户MBS区的改变，以更新网络侧该用户的MBS上下文。移动用户可以从BS的广播信息中获得MBS区的标识。

3 结束语

　　WiMAX可以为流媒体业务提供足够高的带宽，开展流媒体业务会成为推广WiMAX技术的有效手段。单播模式，对现有的网络架构影响最小。MBS模式需要MBS区内的BS采用相同的频率资源同步传输，对网络资源规划提出较高的要求，在实现上有一定的难度。在WiMAX网络运营的初期，用户量不大的条件下，采用单播的方式，基本上就能满足对流媒体业务的运营需求。但从长期角度看，用户量增加后，采用MBS的方式更能节省网络资源，提高系统的容量，但需要进一步完善现有的网络架构和标准，以适应MBS业务的需要。

　　WiMAX技术提供了灵活的QoS机制，通过与现有网络技术的有效结合，能够方便地开展多种IP多媒体业务。目前WiMAX的网络标准仍然不够完善，对互联互通造成了一定的困难，WiMAX标准组织正致力于这方面的研究。随着标准的不断完善，WiMAX应用技术一定会受到用户的青睐，得到广泛的应用。