Với sự phát triển của các ứng dụng yêu cầu băng thông cao, đặc biệt với số lƣợng lớn các thiết bị ngƣời sử dụng muốn thu cùng một nội dung dịch vụ, broadcast và multicast là phƣơng thức phân phát dữ liệu hiệu quả hơn unicast. Các phƣơng pháp này làm giảm lƣợng dữ liệu đƣợc phát trong mạng, do đó giảm chi phí đáng kể.
Công nghệ dịch vụ broadcast và multicast đa phƣơng tiện (MBMS) và công nghệ dịch vụ broadcast và multicast (BCMCS) đƣợc đặc tả bởi 3GPP và 3GPP2 tƣơng ứng. MBMS và BCMCS bổ sung các tính năng sau vào mạng di dộng :
- Tập các chức năng điều khiển dịch vụ phân phát broadcast/multicast ở
MBMS gọi là trung tâm dịch vụ broadcast/multicast (BM-SC) còn ở BCMCS là bộ điều khiển BCMCS.
- Định tuyến broadcast/multicast các luồng dữ liệu trong mạng lõi.
- Các phần mang vô tuyến (bear) hiệu quả đối với truyền dẫn vô tuyến từ
điểm – tới – đa điểm trong một tế bào.
Ngoài ra, MBMS và BCMCS cũng đặc tả các giao thức và các bộ mã hóa/giải mã đối với việc phân phát dữ liệu đa phƣơng tiện. MBMS và BCMCS hỗ trợ hai kiểu kết nối điểm–tới –đa điểm :
- Chế độ broadcast : mạng phát dữ liệu tới tất cả ngƣời sử dụng trong một
vùng quảng bá xác định.
- Chế độ multicast : mạng phát dữ liệu chỉ tới những ngƣời sử dụng yêu cầu
SVTH : Đào Minh Tiến 28 Lớp KTTT&TT–K48 2.1.3.1 Kiến trúc MBMS UE GERA N UE HLR GGSN TPF SGSN UTRAN BM-SC OSA SCS Uu Um Iu Gr Gb Gmb Gi Gn/Gp PDN Vd : Internet Nguồn cung cấp nội dung/ multicast/ broadcast Nguồn cung cấp nội dung/ multicast/ broadcast Hình 2.3 Kiến trúc MBMS
Hình 2.3 mô tả kiến trúc MBMS. MBMS khả dụng với cả mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE (GERAN) và mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN). Trung tâm dịch vụ broadcast/multicast (BM-SC) đƣợc bổ sung vào mạng. BM-SC thực hiện việc cung cấp và phân phát các dịch vụ quảng bá di động. BM-SC đóng vai trò làm điểm vào với các dịch vụ phân phát nội dung muốn sử dụng BM-SC. BM-SC thiết lập và điều khiển các phần mang truyền tải tới mạng lõi di động và có thể đƣợc sử dụng để định trình và phân phát các kênh truyền dẫn MBMS.
BM-SC cũng cung cấp các thông báo dịch vụ tới các thiết bị đầu cuối. Các thông báo này bao gồm tất cả các thông tin cần thiết (nhƣ mô tả dịch vụ multicast, các địa chỉ multicast IP, thời gian truyền dẫn, các mô tả media…) mà thiết bị đầu cuối cần để có thể tham gia vào một dịch vụ MBMS. BM-SC có thể đƣợc sử dụng để tạo ra các bản tin tính cƣớc đối với dữ liệu đã đƣợc phát từ nhà cung cấp nội dung và quản lý các chức năng bảo mật đƣợc đặc tả bởi 3GPP cho chế độ multicast.
SVTH : Đào Minh Tiến 29 Lớp KTTT&TT–K48
BM-SC cung cấp hai giao diện tới mạng lõi. Qua giao diện GmB, BM-SC
trao đổi thông tin điều khiển với node hỗ trợ Gateway GPRS (GGSN). Giao diện
Gi truyền tải dữ liệu nội dung tới GGSN. Các nhà cung cấp nội dung phân phát
các nội dung của mình tới BM-SC (nhà cung cấp nội dung không phát nội dung tới tất cả ngƣời sử dụng qua các kênh giành riêng mà chỉ phát nội dung tới BM- SC). BM-SC sẽ phân phát các nội dung này tới ngƣời sử dụng. Giao diện giữa BM-SC và content server có thể đƣợc đặt trong mạng di động hoặc ở ngoài mạng.
Một tính năng đặc biệt của MBMS là MBMS cho phép các nhà khai thác định nghĩa dịch vụ broadcast và multicast đối với các vùng địa lý cụ thể. Các vùng địa lý này đƣợc cấu hình qua các vùng dịch vụ MBMS. Mỗi node trong mạng lõi sử dụng danh sách các node downstream để xác định node nào nên đƣợc sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu dịch vụ MBMS. Ở mức GGSN, danh sách bao gồm mọi node serving GSN (SGSN) mà dữ liệu sẽ đƣợc chuyển tiếp. Ở mức SGSN, danh sách bao gồm mọi node bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) của mạng truy nhập vô tuyến mặt đất WCDMA hoặc trong trƣờng hợp của mạng truy nhập vô tuyến GSM sẽ bao gồm mọi bộ điều khiển trạm gốc (BSC) cần thu dữ liệu. Đối với các dịch vụ hoạt động ở chế độ multicast, mạng lõi quản lý cây phân bổ dữ liệu động bằng cách giám sát những ngƣời sử dụng đăng ký sử dụng dịch vụ. Giống nhƣ IP multicast, mỗi node mạng lõi chuyển tiếp dữ liệu MBMS tới các node downstream đang phục vụ những ngƣời sử dụng đã đăng ký sử dụng dịch vụ.
2.1.3.2 Các chế độ của MBMS
Dịch vụ MBMS cung cấp ba chế độ để phân phát dữ liệu : broadcast, broadcast tiên tiến và multicast. Sự khác nhau giữa các chế độ này là mức quản lý nhóm trong mạng lõi và mạng vô tuyến.
Ở chế độ MBMS broadcast, BM-SC xác định vùng quảng bá khi kích hoạt các phần mang phân phối. Mạng không có bất kỳ thông tin gì về các máy thu
SVTH : Đào Minh Tiến 30 Lớp KTTT&TT–K48
kích hoạt trong vùng quảng bá và không thể tối ƣu nguồn tài nguyên đƣợc sử dụng.
Chế độ MBMS broadcast tiên tiến cho phép sử dụng hiệu quả hơn việc phân phát tài nguyên so với chế độ broadcast. Ngƣời sử dụng dịch vụ chỉ thị “joining” tới mạng vô tuyến. Mạng vô tuyến có thể thực hiện thủ tục “counting” hoặc “re-counting” để xác định số lƣợng ngƣời sử dụng trong mỗi tế bào. Cơ chế này dựa trên bản tin đáp ứng “counting” MBMS đƣợc gửi bởi ngƣời sử dụng UE khi UE thu đƣợc yêu cầu “counting”. Số đếm ngƣời sử dụng này đƣợc sử dụng để xác định kiểu truyền tải đƣợc sử dụng. Nếu có ít ngƣời sử dụng yêu cầu dịch vụ MBMS trong một tế bào thì việc phân phát dữ liệu MBMS theo các kênh dành riêng điểm–tới–điểm hoặc các kênh đƣợc chia sẻ của HSDPA sẽ hiệu quả hơn, vì truyền dẫn trên các kênh này có thể đƣợc tối ƣu theo điều kiện thu vô tuyến của thiết bị đầu cuối tƣơng ứng. Phân phát dữ liệu MBMS điểm–tới–đa điểm trở nên hiệu quả hơn nếu có số lƣợng lớn ngƣời sử dụng yêu cầu dịch vụ trong cùng một tế bào.
Ở chế độ MBMS multicast, ngƣời sử dụng dịch vụ chỉ thị “joining” tới mạng lõi. Mạng giám sát trạng thái “joning” này ở các node GGSN, SGSN và ở các bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC. Khi thiết bị đầu cuối ngƣời sử dụng di chuyển từ vùng này sang vùng khác, trạng thái “joining” với tất cả các dịch vụ đã đƣợc tham gia bởi ngƣời sử dụng đƣợc chuyển tới một node phục vụ mới. Các RNC có thể sử dụng thủ tục “counting” hoặc “re-counting” để xác định số lƣợng ngƣời sử dụng yêu cầu dịch vụ MBMS multicast thực sự. Do đó mạng giám sát đƣợc ngƣời sử dụng dịch vụ và thiết lập cây phân phối đối với mặt phẳng ngƣời sử dụng MBMS rất hiệu quả.
2.1.3.3 Truy nhập tới các dịch vụ MBMS
Hình 2.4 mô tả luồng điển hình các phiên MBMS. Chế độ broadcast cho phép truyền dẫn dữ liệu đa phƣơng tiện theo một chiều từ điểm–tới-đa điểm. Chế độ broadcast không yêu cầu ngƣời sử dụng phải đăng ký trƣớc hoặc “joining”. Tất cả ngƣời sử dụng trong một vùng dịch vụ quảng bá đƣợc định nghĩa bởi nhà
SVTH : Đào Minh Tiến 31 Lớp KTTT&TT–K48
khai thác mạng đều có thể thu thập đƣợc dữ liệu. Tuy nhiên, ngƣời sử dụng không muốn thu dữ liệu này có thể cấu hình thiết bị đầu cuối UE của mình ở chế độ không thu dữ liệu. Chế độ multicast yêu cầu ngƣời sử dụng phải đăng ký để thu đƣợc các dịch vụ MBMS. Ngƣời sử dụng giám sát các bản tin thông báo dịch vụ và quyết định tham gia sử dụng một hoặc nhiều dịch vụ. Tính cƣớc đƣợc thực hiện dựa trên việc đăng ký trả trƣớc hoặc dựa trên việc mua các khóa cho phép truy nhập tới dữ liệu đã đƣợc phát.
Tham gia Thông báo dịch vụ
Bắt đầu phiên Thông báo MBMS Truyền tải dữ liệu Kết thúc phiên Rời mạng Đăng ký Broadcast Multicast Mạng Thông tin về dịch vụ được cung cấp Mở đầu phiên Phát dữ liệu Kết cuối phiên Quyết định kết thúc sử dụng dịch vụ Quyết định sử dụng một dịch vụ Đăng ký thông tin MBMS và các dịch vụ Khách hàng (Client) Hình 2.4 Luồng phiên MBMS
Khởi đầu, thông tin về một dịch vụ MBMS đặc biệt đƣợc gửi tới server cung cấp dịch vụ. Thông tin này đƣợc gọi là thông báo dịch vụ. Các thông báo dịch vụ cung cấp thông tin về dịch vụ và bằng cách nào đó các thiết bị đầu cuối có thể truy nhập tới dịch vụ đó. Có nhiều cách để phân phát các thông báo dịch vụ tới ngƣời sử dụng, nhƣ lƣu giữ các thông báo này ở web server mà từ đó chúng có thể đƣợc tải về bằng giao thức HTTP hoặc giao thức truy nhập vô tuyến WAP hoặc phân phát các thông báo dịch vụ bằng bản tin SMS hoặc MMS hoặc sử dụng một kênh thông báo dịch vụ MBMS đặc biệt.
SVTH : Đào Minh Tiến 32 Lớp KTTT&TT–K48
Nếu dịch vụ là broadcast, thiết bị đầu cuối chỉ cần điều chỉnh tới kênh có các tham số đƣợc mô tả trong thông báo dịch vụ. Nếu dịch vụ là multicast, một yêu cầu tham gia phiên (session join) phải đƣợc gửi tới mạng với các tham số đƣợc tách ra từ thông báo dịch vụ. Thiết bị đầu cuối ngƣời sử dụng trở thành một thành viên của nhóm dịch vụ MBMS tƣơng ứng và thu tất cả dữ liệu đƣợc phát bởi dịch vụ.
Trƣớc khi truyền dẫn dữ liệu bắt đầu, BM-SC phải gửi một yêu cầu khởi đầu phiên (session start) tới GGSN trong mạng lõi. GGSN xác định các nguồn tài nguyên nội bộ cần thiết và chuyển tiếp yêu cầu tới các SGSN liên quan. Các SGSN lại yêu cầu phân bố nguồn tài nguyên vô tuyến cần thiết để cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS yêu cầu. Cuối cùng các thiết bị đầu cuối của nhóm dịch vụ MBMS tƣơng ứng đƣợc thông báo rằng dịch vụ là để phân phát nội dung.
Sau đó server có thể gửi dữ liệu đa phƣơng tiện tới BM-SC. BM-SC chuyển tiếp dữ liệu tới MBMS bearer. Ở chế độ multicast, dữ liệu đƣợc mật mã hóa và đƣợc phát tới mọi thiết bị đầu cuối tham gia phiên MBMS.
Sau cùng, server gửi một thông báo kết thúc phiên (session stop) để chỉ thị rằng pha truyền dẫn dữ liệu đã kết thúc.
Ngƣời sử dụng muốn rời khỏi một dịch vụ multicast MBMS gửi một yêu cầu rời khỏi dịch vụ (service leave) tới mạng. Mạng sau đó sẽ loại bỏ ngƣời sử dụng từ nhóm MBMS liên quan.
Truy nhập vô tuyến Broadcast/Multicast G
Ở các hệ thống GSM, MBMS sử dụng các sơ đồ mã hóa và điều chế GPRS và EDGE. MBMS cũng sử dụng kênh dữ liệu gói (PDCH) GPRS và EDGE để truyền dẫn từ điểm – tới – đa điểm, và sử dụng các giao thức điều khiển liên kết vô tuyến/điều khiển truy nhập môi trƣờng (RLC/MAC). Đối với truyền dẫn điểm – tới – đa điểm, MBMS hỗ trợ chế độ đa khe thời gian. Trong
SVTH : Đào Minh Tiến 33 Lớp KTTT&TT–K48
trƣờng hợp này, mạng vô tuyến có thể sử dụng tới 4 khe thời gian trên một phiên MBMS.
Các thiết bị đầu cuối MBMS có thể dựa trên phần cứng EDGE hiện tại với nâng cấp phần mềm để hỗ trợ các thủ tục báo hiệu MBMS. Ở GSM, phần mang vô tuyến MBMS có thể đƣợc ghép kênh với các luồng dữ liệu GPRS/EDGE thậm chí trên các khe thời gian giống nhau. Một kịch bản triển khai có thể là kích hoạt MBMS trong một vùng có mật độ ngƣời sử dụng cao trong đó EDGE đã đƣợc triển khai; các vùng chƣa có EDGE, MBMS có thể cung cấp theo chế độ điểm – tới – đa điểm.
Truy nhập vô tuyến broadcast/multicast UMTS
Ở mạng UMTS, MBMS tái sử dụng các kênh vật lý và các kênh logic hiện tại. Thực tế UMTS yêu cầu ba kênh logic mới và một kênh vật lý cho MBMS, đó là:
- Kênh điều khiển điểm-tới-đa điểm MBMS (MCCH): Kênh logic truyền
tải thông tin về các phiên MBMS hiện tại và các phiên MBMS mới;
- Kênh lƣu lƣợng điểm-tới-đa điểm MBMS (MTCH): Kênh logic truyền tải
dữ liệu ứng dụng MBMS thực sự;
- Kênh định trình điểm-tới-đa điểm MBMS (MSCH): Kênh logic cung cấp
thông tin về dữ liệu đƣợc định trình trên kênh MTCH;
- Kênh chỉ thị thông báo MBMS (MICH): Kênh vật lý đƣợc sử dụng để
thông báo cho thiết bị đầu cuối về thông tin MBMS khả dụng trên kênh MCCH.
Ba kênh logic MCCH, MSCH, và MTCH tái sử dụng kênh truyền tải FACH (kênh truy nhập hƣớng đi) và kênh S-CCPCH (kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp). Lớp RLC và MAC tái sử dụng phần lớn các giá giao thức hiện tại của UMTS.
SVTH : Đào Minh Tiến 34 Lớp KTTT&TT–K48
Tốc độ dữ liệu MBMS có thể lên tới 128 kbps đối với mỗi phần mang GPRS và 256 kbps đối với UMTS. MBMS trong mạng truy nhập GERAN có thể sử dụng tới 5 khe thời gian trong đƣờng xuống cho một kênh MBMS đơn. Phụ thuộc vào sơ đồ điều chế và việc định cỡ mạng, tốc độ kênh có thể đạt đƣợc từ 32 kbps tới 128 kbps. Hai độ sâu ghép xen (TTI) đƣợc sử dụng trong MBMS cho kênh MTCH là: 40 ms và 80 ms. Sự lựa chọn độ sâu ghép xen TTI dài cung cấp tăng ích phân tập lớn trong miền thời gian, do đó cải thiện chất lƣợng tín hiệu thu và tăng tốc độ truyền dẫn. Với công nghệ UMTS MBMS, một sóng mang 5 MHz có thể hỗ trợ 16 kênh MBMS điểm-tới-đa điểm ở tốc độ bit ngƣời sử dụng 64 kbps trên mỗi kênh. Kỹ thuật phân tập thu anten, kỹ thuật thu tiên tiến nhƣ G- RAKE cải thiện đáng kể dung lƣợng kênh trên mỗi sóng mang tế bào.
Truy nhập vô tuyến broadcast/multicast CDMA2000
Giống nhƣ UMTS, CDMA2000 sử dụng các kênh vật lý hiện tại đã đƣợc định nghĩa cho IS-2000 (1x) và IS-856 (1xEV-DO). Để bù lại việc không có giao thức truyền dẫn lại ở liên kết vô tuyến trong chế độ điểm-tới-đa điểm (không có PDAN), CDMA2000 sử dụng thêm một lớp mã sửa lỗi bên trên lớp mã hiện tại, và đƣợc áp dụng trong mạng truy nhập vô tuyến, cho phép kết hợp tối ƣu hai lớp giải mã ở máy thu. Mã là một mã trận có các hàng cấu thành nên các khung hiện tại và kiểu mã là mã Turbo, một tập các mã Reed-Solomon trải dài các cột, mỗi cột có độ rộng 1 octet. Ma trận có k hàng mang thông tin, mã Reed-Solomon trải dài các cột thêm vào n-k hàng. Tất cả các hàng đƣợc mã hoá riêng lẻ bằng mã Turbo và đƣợc phát tới máy thu, máy thu sẽ kết hợp mềm các tín hiệu BCMCS từ nhiều trạm gốc. Độ phức tạp thêm vào của lớp mã mới và độ phức tạp liên quan đến việc xử lý dòng dữ liệu media có thể làm giảm tốc độ bit. Do đó, tốc độ bit ngƣời sử dụng đầu cuối BCMCS tƣơng tự nhƣ tốc độ bit MBMS ở UMTS.
SVTH : Đào Minh Tiến 35 Lớp KTTT&TT–K48
2.1.4 Kiến trúc điển hình hệ thống Mobile TV qua mạng 3G
Hình 2.5 Kiến trúc hệ thống cung cấp tín hiệu Mobile TV qua mạng 3G.
Hình 2.5 mô tả kiến trúc điển hình hệ thống truyền tín hiệu Mobile TV qua mạng 3G. Trung tâm dịch vụ broadcast/multicast (BM-SC) là một phần tử logic đƣợc định nghĩa bởi 3GPP. Trong thực tế, chức năng của BM-SC đƣợc phân chia bởi một số phần tử vật lý. TV server là điểm giao tiếp đầu tiên giữa thiết bị đầu cuối và đơn vị điều khiển trung tâm của dịch vụ truyền hình di động. Khối ESG (hƣớng dẫn dịch vụ điện tử) phiên dịch và kết hợp thông tin chƣơng trình từ các nhà cung cấp nội dung và chèn thông tin này vào ESG.
Bộ điều khiển media phân phối các dòng nội dung tới các thiết bị ngƣời sử dụng UE theo chế độ unicast và broadcast. Bộ mật mã hoá thực hiện mật mã các dòng broadcast dƣới sự giám sát của chức năng bảo vệ truy nhập dịch vụ SAP. Các dòng unicast không yêu cầu chức năng bảo vệ truy nhập này, vì các cơ