eMBMS知識點匯總(概念/應用場景/工作原理/標準進程/發(fā)展現(xiàn)狀)

針對國內(nèi)外視頻編解碼標準體系，前文系列分別講解了全球標準組織和聯(lián)盟陣營、歷史、標準關系；從縱向、橫向分析對比視頻編解碼的特性；梳理了5G標準現(xiàn)狀，講解了與視頻相關的3GPP標準分析。本文講述一個視頻播放的特殊場景和技術，eMBMS（增強多媒體廣播多播業(yè)務）。

一、什么是eMBMS

eMBMS是Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services的縮寫，中文官方叫增強多媒體廣播多播業(yè)務。本質(zhì)上，就是利用移動通信的廣播信道發(fā)送數(shù)據(jù)，尤其是發(fā)送視頻等大帶寬需求的數(shù)據(jù)。

本質(zhì)上看，它是視頻通信的一種方式，尤其是在人流密集區(qū)域。一種情況，例如演唱會、體育比賽場、賽車場等，當需求將現(xiàn)場視頻同步到所有場內(nèi)用戶終端上的時候。試想幾萬人同時看一個視頻，并且不能看著卡，貌似很壯觀。目前的4G無線通信采用單播技術，網(wǎng)絡基本承載不了，而eMBMS恰巧在此時可用上。

另外一種情況，在體育場館現(xiàn)場觀看比賽，由于位置等因素，觀眾可能希望從多個視角進行觀看比賽，比如，上帝視角、飲水機視角等。在4G時代，基站下行帶寬有限，雖然單用戶峰值速率為100-150Mbps，但是在不擁擠場景下，大家實際使用的速率也就是1M左右，基于手機看視頻基本都有這個感受。在密集人群中，基本是無法觀看視頻，那怕是720P（高清）的視頻。密集人群場所，如體育場館，觀眾若同時在線看現(xiàn)場的比賽視頻，無法通過手機進行流暢的觀看視頻。比如咪咕每年直播多場演唱會、CBA籃球賽、排超、足球賽事，直播現(xiàn)場的多視角在線觀看或回看，帶來了以上場景下的體驗訴求。

5G時代來臨，用戶下行帶寬達到1G多，體育場館內(nèi)的觀眾是否可以隨意進行多少角觀看？回答是，不能，密集人群的下行帶寬依然存在瓶頸。目前部署的5G基站和手機能力看，小區(qū)下行平均吞吐量900Mbps（峰值速率5.1G，但是由于用戶的分布，小區(qū)平均吞吐量才是真正可參考指標），小區(qū)業(yè)務并發(fā)用戶數(shù)400。假定為1080P（超高清）的視頻，比特率為3M，因此單個小區(qū)也就是能支持300個用戶。因此在5G下，場館密集人群通過多視角觀看視頻時，無線帶寬依然存在瓶頸。

如何解決這種密集人群觀看視頻的場景？廣播eMBMS業(yè)務承載技術，它采用廣播方式在同一時間向多個用戶提供相同內(nèi)容，能夠大大節(jié)省無線空口和網(wǎng)絡資源。

二、eMBMS應用場景有哪些

第一類場景，eMBMS最適合的場景為場館直播，如體育賽事直播、演唱會直播等。場館內(nèi)現(xiàn)場觀眾同時觀看不同視角的視頻，通過eMBMS廣播技術節(jié)約無線下行帶寬，保證播放質(zhì)量。以場館籃球賽事為例，場館內(nèi)觀眾密集，位置不同的現(xiàn)場觀眾可能想從多個視角了解賽事，如從替補球員視角、采訪時視角等，也可能需要實時回放精彩比賽片段等。此時內(nèi)容提供方（咪咕）從多個視角進行現(xiàn)場拍攝視頻，并上傳到網(wǎng)絡上，一個視角對應著一路流。內(nèi)容提供方把多個視角的視頻流廣播到場館（每個視角一路流），場館的觀眾按需點擊不同視角進行觀看。

以提供8個視角的視頻為例，8*3（每路流都是1080P視頻，每路帶寬3Mbps）=24Mbps，現(xiàn)場觀看共同需要的帶寬僅為24Mbps，現(xiàn)有無線速率完全可以滿足。廣播只與推送的視頻路數(shù)有關，與觀看的用戶數(shù)量無關，觀看的用戶可以是觀眾基于手機觀看，可以是場館方基于電視進行播放。

第二類場景，另一個可能的應用場景VR直播，由于VR視頻碼率大，一個無線小區(qū)同時有多個用戶同時觀看直播，無線下行速率可能就是瓶頸，此時在無線小區(qū)內(nèi)廣播（eMBMS）就可以保證用戶流暢觀看。VR體驗層級分為：初級沉浸（20M）、部分沉浸（100M）、深度沉浸（1G）、完全沉浸（4G）。隨著VR體驗層級的提升，無線帶寬越來越是瓶頸，無線小區(qū)的下行速率無法同時保證大量用戶的VR視頻單播，此時廣播是一個較好的選擇方案。

第三類場景，公共服務也是將來eMBMS的一個應用場景。公共服務目前主要是通過電視，如實時推送一些疫情信息、災難信息等。隨著智能機的發(fā)展，大家也可以通過APP進行電視的觀看。注意，通過APP觀看的電視，目前是基于單播流媒體的技術。隨著5G的廣播技術的發(fā)展，eMBMS廣播的覆蓋范圍增大，支持的終端移動速率提升，通過APP觀看電視也可以基于廣播的技術。如遇到突發(fā)事件，廣播可以讓特定位置的大量用戶在手機上能夠同時接收到警告或通知。目前FuTURE（未來移動通訊）論壇正在討論該場景，制定規(guī)范。

第四類場景，廣播還有一些其他的應用，如物聯(lián)網(wǎng)軟件升級。物聯(lián)網(wǎng)設備分布密集，同時升級需要大量的帶寬。通過廣播技術，可以把升級軟件提前廣播到設備商，設備在閑時進行軟件本地升級。

三、eMBMS原理

廣播網(wǎng)絡有幾個顯著的特點：第一，很大的覆蓋范圍；第二，在覆蓋范圍內(nèi)的用戶在同一時間收到的是相同的內(nèi)容；第三，無線接入網(wǎng)絡不會跟蹤用戶的移動，即不關心用戶在哪里接收廣播內(nèi)容；第四，用戶接收內(nèi)容時無需也不會通知網(wǎng)絡。

在MBMS中，位于某個特定區(qū)域的多個UE將收到相同的內(nèi)容，這個特定區(qū)域被稱作MBMS服務區(qū)（MBMS service area），并通常由多個小區(qū)組成。每個加入發(fā)送該MBMS服務的小區(qū)，都會配置一個點到多點的無線資源，并且注冊了該MBMS服務的所有用戶都可以同時接收到相同的傳輸信號。將MBSFN傳輸用于多小區(qū)廣播/多播要求小區(qū)間緊密的同步和來自不同小區(qū)的信號的時間對齊。

MBMS在設計過程中考慮了2個非常重要的方面，提高覆蓋范圍、降低終端功耗。

多播/廣播業(yè)務是為多用戶服務的，無法提供用戶特定的自適應參數(shù)配置，即無法針對單個用戶提供鏈路自適應傳輸，因此MBMS可提供的覆蓋，或者說可提供的數(shù)據(jù)傳輸速率，取決于鏈路質(zhì)量最差的用戶。

多小區(qū)廣播意味著多個小區(qū)會傳輸相同的信息，UE可以利用這點來有效地使用來自多個小區(qū)的信號功率，從而大幅提高覆蓋。通過在多個小區(qū)傳輸相同的信號（相同的內(nèi)容、相同的編碼和調(diào)制），并且同步小區(qū)間的傳輸時間，UE接收到的信號就像是從一個單一小區(qū)接收到的，并且經(jīng)歷了多徑傳輸。由于OFDM本身對于多徑傳輸?shù)慕研裕@種多小區(qū)傳輸，在3GPP中被稱為MBSFN（Multicast/Broadcast Single-Frequency Network）傳輸，不僅提高了接收信號的強度，同時消除了小區(qū)間干擾（inter-cell interference）。

一個所有eNodeB能被同步并進行MBSFN傳輸?shù)木W(wǎng)絡區(qū)域被稱為MBSFN同步區(qū)域（MBSFN Synchronization Area）。一個MBSFN同步區(qū)域支持一個或多個MBSFN區(qū)域（MBSFN Area）。在一個給定的頻率層上，一個eNodeB只能屬于一個MBSFN同步區(qū)域。MBSFN同步區(qū)域與MBMS服務區(qū)的定義無關。

MBSFN區(qū)域（MBSFN Area）由一個MBSFN同步區(qū)域內(nèi)的一組小區(qū)組成，這些小區(qū)被一起協(xié)調(diào)以實現(xiàn)MBSFN傳輸。除MBSFN區(qū)域保留小區(qū)外，MBSFN區(qū)域內(nèi)的所有小區(qū)都有益于MBSFN傳輸。UE可能只需要關注所配置的MBSFN區(qū)域的子集，例如：當UE知道其感興趣的MBMS服務在哪個MBSFN區(qū)域內(nèi)傳輸時，它只需要關注對應的MBSFN區(qū)域即可。

一個MBSFN區(qū)域內(nèi)，不用于該區(qū)域的MBSFN傳輸?shù)男^(qū)被稱為MBSFN區(qū)域保留小區(qū)（MBSFN Area Reserved Cell）。該小區(qū)可被用于傳輸其它服務，但在分配給MBSFN傳輸?shù)馁Y源（子幀）上，要限制其發(fā)射功率。

低終端功耗是通過使用短時、高速率突發(fā)數(shù)據(jù)（short high-data-rate burst）而不是長時、低速率突發(fā)數(shù)據(jù)（long low-data-rate burst）來發(fā)送多播/廣播數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。這使得UE可以使用長周期的DRX，并偶爾醒來接收數(shù)據(jù)。在LTE中，這是通過時分復用單播和廣播傳輸，并調(diào)度不同的MBMS服務來實現(xiàn)的。

eMBMS（Evolved MBMS）是3GPP R9提出的應用在LTE網(wǎng)絡上的增強型廣播多播技術，支持更大的帶寬，能提供更多的頻道和更流暢的多媒體內(nèi)容，用戶體驗也更好。eMBMS能夠顯著地降低運營商在LTE網(wǎng)絡上同時向多個用戶提供諸如視頻、音頻等高帶寬內(nèi)容的成本。

三、eMBMS標準進程

eMBMS在3GPP全球通信標準組織中一直在演進。最早在2014年的R6版本中提出，R6提出的MBMS，目的是通過蜂窩網(wǎng)絡為UMTS網(wǎng)絡提供廣播服務。從那時起，MBMS的標準化工作就一直在演進。是基于3G的三層架構設計，由于3G帶寬的約束，并沒有引起關注。

2007年在3GPP R7中，引入了MBSFN以解決MBMS在小區(qū)邊界的信號傳輸問題。

2009年的R9提出eMBMS，應用在LTE網(wǎng)絡上的增強型廣播多播技術，支持更大的帶寬，能提供更多的頻道和更流暢的多媒體內(nèi)容，用戶體驗也更好。eMBMS能夠顯著地降低運營商在LTE網(wǎng)絡上同時向多個用戶提供諸如視頻、音頻等高帶寬內(nèi)容的成本。eMBMS已經(jīng)是基于LTE扁平化的架構，并且?guī)捰幸欢ǖ谋ＷC，單小區(qū)下行150M，初期行業(yè)推起了一個熱潮，但是由于沒有合適的業(yè)務，所以，盡管技術比較優(yōu)良，廣播行業(yè)沒有發(fā)展起來。

2010年的R10中，eMBMS新增了計數(shù)（counting）功能和接納控制（admission control）功能。計數(shù)功能可以統(tǒng)計MBSFN區(qū)域內(nèi)對某MBMS業(yè)務感興趣的UE數(shù)量。接納控制功能則是根據(jù)當前無線資源情況、eMBMS業(yè)務之間的優(yōu)先級、計數(shù)的結果等因素，由MCE決定是否建立新的eMBMS業(yè)務，或搶占現(xiàn)有的eMBMS業(yè)務的資源。

2011年的R11中，考慮到LTE網(wǎng)絡中的多個小區(qū)可使用不同的頻帶，R11版本對eMBMS業(yè)務的連續(xù)性進行了改進，以保證UE在MBSFN區(qū)域間移動時能繼續(xù)接收eMBMS業(yè)務，并且能在多個LTE頻帶中找到自己所需的eMBMS業(yè)務。此外，其它技術標準的改進也對eMBMS技術起到了推動作用。例如Rel-11中的視頻音頻編解碼器非常先進，能提供同時兼顧帶寬和質(zhì)量的最佳方案，提高了eMBMS業(yè)務的質(zhì)量。

2017年的R14提出enTV，就是enhanced TV，也稱為FeMBMS（Further eMBMS）。那一年，3GPP組織在R14中引入了基于LTE的EnTV （Enhanced TV）技術。單頻網(wǎng)循環(huán)前綴（SFN CP）的長度進一步擴大到200μs，以便支持更大范圍單頻網(wǎng)的覆蓋。EnTV提供了不依靠sim卡的單收模式（Receive-Only Mode），支持高清、超高清業(yè)務的傳輸，自帶系統(tǒng)信息和同步信號，同時引入了多種傳統(tǒng)的地面數(shù)字電視廣播技術，使得EnTV的頻率使用效率得到了更進一步的提升，從而能夠更好得滿足MBMS業(yè)務的應用需求。

業(yè)界將2018年3GPP R15版本及之后的版本認為是5G技術，可見，目前“5G廣播”泛指的是從3GPP R9一路演進至今的4G LTE廣播技術。

2020年7月凍結的R16版本，對EnTV進行了優(yōu)化，重點是對地面廣播進行支持。支持多模式全功能的大塔（廣電的發(fā)射塔）廣播，包括無卡接收、高速移動、大覆蓋。高速移動支持120-250Km/s；大覆蓋支持站間距為100Km，移動公司的基站站間距一般為300-500m左右。

明年的R17版本，演進NR下的廣播，重點為基站的廣播演進，基于移動通信基站（也稱小塔）的方式將在標準中細化。

四、eMBMS生態(tài)現(xiàn)狀

為什么標準化十多年，一直沒有應用起來？回答是：

第一，沒有場景，技術比較復雜。在2018年以前，需求不強烈。場館觀看比賽沒有得到重視，最近幾年才提出智慧場館的概念，充分考慮場館內(nèi)觀眾多視角觀看比賽的訴求。通過APP觀看電視內(nèi)容，也不是一個主流場景，電視內(nèi)容更多是通過有線接入，在電視機上進行觀看。

第二，成本比較高。就技術而言，eMBMS技術絕對是一個優(yōu)秀的技術，但是，從實施上方面，運營商為了支持eMBMS，成本增加。運營商需要添加：BM-SC（Broadcast Multicast Service Center）、MBMS GW（MBMS gate way），在無線側，需要單獨提供廣播信道。

第三，技術約束。2017年以前，eMBMS支持的基站覆蓋范圍、移動速率并不能很好的適合廣電的訴求。

第四，應用要求高。5G之前的eMBMS，需要內(nèi)容提供商、終端側、網(wǎng)絡側都需要配合，應用起來比較麻煩。

場景需求不強烈，網(wǎng)絡部署成本高，應用不方便等都制約了eMBMS的發(fā)展。需求不強烈，應用少，而網(wǎng)絡成本高，運營商沒有意愿部署廣播能力；網(wǎng)絡能力不具備、應用要求高，導致廣播業(yè)務創(chuàng)新無法進行。這成了一個循環(huán)，所以eMBMS的廣播現(xiàn)狀就是技術叫好，業(yè)務發(fā)展不起來。

為什么現(xiàn)在大家又開始關注eMBMS？核心是：

第一，場景需求逐步呈現(xiàn)。智慧場館、VR觀看、手機觀看電視等需求場景越來越引起關注，這些場景對廣播都有訴求。

第二，技術演進。R14、R16（5G）已經(jīng)考慮了地面廣播，R17正在支持基站的廣播演進。無線空口正在優(yōu)化，組播共用單播流程，無需組播專用信道。

第三，應用要求減低。FuTURE論壇正在考慮如何優(yōu)化廣播的流程，以降低對內(nèi)容提供商和應用側的影響；標準正在研究：新的規(guī)范不存在對多播業(yè)務的限定，由網(wǎng)絡決定是否使用組播，用戶觀看組播業(yè)務更為方便。

第四，國內(nèi)廣電對5G拍照的獲得，廣播是廣電領域擅長的領域，也有現(xiàn)有設施的基礎，如何利用已有技術和資源和團隊，開始發(fā)力廣播模式下的移動通信數(shù)據(jù)傳遞納入到當前的討論。

簡單看下當前支持eMBMS的產(chǎn)業(yè)鏈情況。

運營商層面，包括韓國的KT、美國的AT&T和verizon、澳大利亞的Telstra、菲律賓的globe、印度的reliance。美國、韓國、澳大利亞已經(jīng)商用。

設備商層面，五大移動通信核心網(wǎng)和基站設備商都支持。

終端層面，三星手機支持度比較高，Galaxy Note3、S5、S6、S8、S8+、S9、S9+都已經(jīng)支持eMBMS。

芯片層面，高通的芯片基本都支持廣播，高通也是廣播的領導者和倡導者。

五、eMBMS研究與數(shù)據(jù)

雖然eMBMS產(chǎn)業(yè)還不成熟，但是我們作為視頻業(yè)務的提供公司之一，要跟進廣播技術的演進，進行廣播在視頻領域的研究，探索更多的廣播場景，為我們長期發(fā)展做技術積累。

我們在5MII（5G多媒體創(chuàng)新聯(lián)盟）內(nèi)與高校和業(yè)內(nèi)公司合作，對廣播技術進行了研究，完成了H.264超高清視頻的廣播演示；完成了AVS2超高清視頻的廣播演示。其中AVS2超高清視頻廣播在手機進行接收播放，我們是最早驗證這個業(yè)務的公司之一。

距離上圖右邊是移動網(wǎng)絡的基礎架構：其中BM-SC、MBMS GW都是為支持eMBMS新增網(wǎng)元。

BM-SC（Broadcast Multicast Service Center）：負責MBMS業(yè)務的管理。對內(nèi)容提供商，BM-SC是MBMS業(yè)務內(nèi)容分發(fā)入口；對承載網(wǎng)絡，BM-SC負責授權、發(fā)起廣播/組播業(yè)務、調(diào)度、傳輸內(nèi)容等功能。

MBMS GW（MBMS網(wǎng)關）：負責處理MBMS業(yè)務分發(fā)和控制。它由控制面和用戶面功能組成?？刂泼婀δ埽篗BMS GW通過MME（Mobility Management Entity，移動性管理實體）把MBMS會話控制信令（Session start/stop）傳給基站。數(shù)據(jù)面功能：MBMS GW通過廣播消息把內(nèi)容發(fā)送到基站。

一個MBSFN區(qū)域是由一個或多個傳輸相同內(nèi)容的小區(qū)組成的區(qū)域，加入同一MBSFN區(qū)域的小區(qū)不僅在時間上同步，而且使用相同的無線資源。

在直播的架構中，項目在網(wǎng)絡側開發(fā)了CP代理（內(nèi)容提供代理，用于完成配置廣播信息到網(wǎng)絡、轉發(fā)廣播視頻到網(wǎng)絡）、廣播業(yè)務平臺（管理員配置廣播信息service、session等，同時與終端進行交互，提供廣播信息），在終端側我們提供了接收廣播流，解碼AVS和H.264的功能。

由于現(xiàn)網(wǎng)現(xiàn)在沒有使能eMBMS功能，我們基于srsLTE仿真軟件做的這個技術研究。srsLTE（Software Radio System LTE）是基于免費開源LTE SDR平臺，由C語言實現(xiàn)。包含，srsUE 、srsENB、srsEPC。支持 LTE Release 10提供的功能，支持演進的多媒體廣播和多播服務（eMBMS）。

從5G+eMBMS實驗驗證數(shù)據(jù)分析。模擬場館內(nèi)業(yè)務并發(fā)用戶數(shù)500，每個用戶假定為1080P（超高清）的視頻，比特率為3M。

第一，從視頻質(zhì)量看效果。單播用戶接入時，視頻卡頓、有馬賽克，這個是由于帶寬擁塞導致丟包造成的。廣播用戶接入時，我們發(fā)現(xiàn)視頻與一個用戶接入一樣流程、清晰。

第二，從基站占用帶寬上看效果。單播用戶接入時，當500個用戶接入時，每個占用3M，帶寬基本均分。從每個UE上也可以看到，每個UE的占用帶寬也是3M。那么500個用戶所需帶寬是1500M。廣播用戶接入時，單用戶接入時，占用帶寬為3M；500個接入用戶時，還是3M。從每個UE上也可以看到，每個UE的占用帶寬也是3M。這也就是說，對UE而言，廣播與單播需要帶寬是一樣的，但是對基站而言，廣播僅使用一個單播的帶寬，無論接入多少用戶。

一句話說明，單播場景下，基站帶寬與用戶數(shù)成正比，為用戶數(shù) X 視頻帶寬；而廣播則沒有這個問題，廣播帶寬與用戶數(shù)無關，僅為視頻帶寬。從驗證效果上，廣播在帶寬受限情況下，具有特別優(yōu)勢。

以上分析了這么多，最關心的是eMBMS啥時能用，給誰用，怎么用。。。。這些問題將伴隨5G、視頻傳輸?shù)募夹g發(fā)展而促進技術穩(wěn)定和高性能，將隨著3GPP和更多標準化的進程促進產(chǎn)品的成熟，將隨著更多的智慧場館、多視角觀看、VR視頻觀看等應用的拓展帶動產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。希望早日體驗到這些eMBMS場景中終端觀看，全場景的沉浸式音視頻體驗。
責任編輯:tzh