LTE架构下的多媒体资源分发方案研究

随着移动通信和互联网技术的飞速发展，人们对数据业务的需求，尤其是对多媒体数据业务的需求变得越来越强烈。在传统互联网领域，多媒体业务可以通过内容分发网络(CDN)来开展[1]，CDN 能提高宽带资源的利用率，增加流媒体在互联网上的应用普及，大大促进Internet 应用和服务的发展。但是，CDN 网络都只是针对传统互联网的网络结构、内容传送和业务开展方式建设起来的，还存在一些不足，如对视频编码格式支持不足、时延太大、无法提供广播级的视频服务、难以应用于移动终端、系统结构过于简单、投资金额比较大等。

为了多媒体业务更好地存储、分发、传送，并更加适应当前3G 以及未来移动通信系统的发展，第三代合作伙伴计划(3GPP) 提出多媒体组播和广播业务(MBMS) 以及增强型的MBMS(E-MBMS) [2]。MBMS 是3GPP R6版本中定义的，它可以在节省系统资源的同时，为用户提供广播或组播的分组数据业务。

为了更加满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求，3GPP 对原有MBMS 的逻辑结构、业务模式、传输方式和信道结构等多方面进行改进，提出了在系统架构演进(SAE)/长期演进(LTE) 架构下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用户同时下载多媒体数据时的资源共享问题，其网络结构如图1 所示。在该网络结构中，广播组播业务中心(BM-SC) 相当于业务资源提供中心，直接向Anchor分发多媒体数据，每一个Anchor 会控制相关的一组E-NodeB，并将多媒体数据通过各个相关的E-NodeB 传输到终端用户。当用户数量持续猛增时，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。

另外有可能当一个Anchor 或E-NodeB 负荷很重时，而周围的Anchor 或E-NodeB 却处于空闲状态，这就使得设备资源得不到充分合理的利用，也会降低超负荷E-NodeB 下的用户终端的数据传输效率。E-MBMS 整体架构始终是集中式的分发架构，为克服这些不足之处，文中提出LTE 架构下结合点对点(P2P)和E-MBMS 技术的多媒体资源分发(CPEMRD)方案。

1 P2P 概述

P2P 业务可以简单地描述为：网络中的两台计算机通过直接互联网来共享彼此资源和服务。P2P 网络是一种分布式网络，位于网络中的成千上万的计算机都处于逻辑对等的地位，每台计算机既是资源(服务和内容)的提供者又是资源的获取者[3-4]。

基于P2P 的资源获取模式和基于C/S 的资源获取模式有明显的区别。在P2P 网络中，每个节点的地位都是相等的，它们在作为服务器向其他节点提供资源时，也可以作为客户端从其他节点处获取资源;而在集中控制的C/S 模式网络中，客户端与服务器是分离的，是两个完全不同的概念，资源都保存在服务器上，客户端只能从相应的服务器上获取所需的资源。

P2P 网络架构主要存在3 种不同的形式：纯P2P 结构、带核心服务器的混合P2P 结构和带超级节点的P2P结构。其中纯P2P 结构不依赖于任何中心服务器，它能动态发现网络中的其他对等方并与之交互信息;混合P2P 结构中存在一个只具有服务功能的核心服务器来维护所有对等点的共享目录，并进行查询，但文件的共享交换过程是直接在对等方之间进行;带超级节点的P2P 结构类似于混合P2P 结构，但超级节点的数目不只一个，节点可以向其中的一个发送资源更新信息及查询要求，超级节点之间是对等的.然而，P2P 系统也存在明显的缺点，就是可用性问题。尽管从整个系统而言，P2P 是可靠的，但是对于单个内容或者单个任务而言，P2P 是不稳定的，每个节点可以随时终止服务，甚至退出系统，即交换的内容随时可能被删除或者被终止共享。

2 结合P2P 和E-MBMS 的多媒体资源分发

2.1 CPEMRD 方案的提出

E-MBMS 和P2P 被用于不同的领域，E-MBMS 主要用于未来移动通信系统流媒体内容分发，而P2P 则主要用于内容交换。两种技术各有其优缺点。

P2P 采用一种与E-MBMS 不同的内容传递方式，它通过“非中心化”的设计和多点传输机制，不依赖服务器就能快速交换文件。E-MBMS 和P2P 技术的优缺点在应用上具有一定的互补性。如果能够结合P2P 的扩展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以构建一个可管理的、能够承载电信级内容应用的多媒体资源分发平台。结合了P2P的E-MBMS 体系结构可以使多媒体业务的广播和转播等门槛得到降低，可以让更多用户参与并提供自制的多媒体内容得到基于全球覆盖的共享和分发，同时还可以节约电信运营商之间的对接流量，减少网络的建设成本。

如果将E-MBMS 的管理机制和服务能力引入P2P 网络，可以形成以E-MBMS 为可靠的内容核心，以P2P为服务边缘的架构。通过这种架构，可以在不增加E-MBMS 成本的同时有效提升E-MBMS 服务能力，也有效地避免了P2P 应用的诸多弊端。

2.2 CPEMRD 系统架构设计

文章所设计的多媒体资源分发系统架构是在E-MBMS 网络结构的基础上，融合了P2P 结构而组成的，整个架构层次分3 层。中心多媒体资源服务器或服务器组只有1 个，位于BM-SC 服务中心处;与服务中心连接的是Anchor，包含有边缘服务器;移动终端通过E-NodeB 接入到整个网络中。CPEMRD 具体的系统架构如图2 所示。

在该系统架构中，BM-SC 服务中心处的“ 资源存储”服务器提供原始的多媒体资源;“P2P 控制”实体用于维护所有P2P 节点信息以及所有客户信息( 节点号，地址等);每个Anchor 处的边缘服务器是对等的，代理从BM-SC 服务中心的资源存储服务器分发的多媒体资源。移动终端通过E-NodeB 接入到网络中，首先从离自己最近的边缘服务器(所在小区所属的Anchor 处的服务器)请求下载多媒体资源，P2P 控制实体中维护了每个边缘服务器(也即P2P 节点)的状态信息和客户信息，当P2P 控制实体发现某个边缘服务器利用率过高负载过大时，可协调移动终端从其他相对空闲的边缘服务器下载多媒体资源，也可同时从其他多个边缘服务器同时下载某个多媒体资源，从而实现多条链路的负载均衡。