隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，尤其是對多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的需求變得越來越強烈。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領域，多媒體業(yè)務可以通過內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）來開展[1]，CDN 能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應用普及，大大促進Internet 應用和服務的發(fā)展。但是，CDN 網(wǎng)絡都只是針對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、內(nèi)容傳送和業(yè)務開展方式建設起來的，還存在一些不足，如對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務、難以應用于移動終端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于簡單、投資金額比較大等。
為了多媒體業(yè)務更好地存儲、分發(fā)、傳送，并更加適應當前3G 以及未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，第三代合作伙伴計劃(3GPP) 提出多媒體組播和廣播業(yè)務(MBMS) 以及增強型的MBMS(E-MBMS) [2]。MBMS 是3GPP R6版本中定義的，它可以在節(jié)省系統(tǒng)資源的同時，為用戶提供廣播或組播的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。
為了更加滿足日益增長的業(yè)務需求，尤其是用戶和運營商對手機電視業(yè)務的強烈需求，3GPP 對原有MBMS 的邏輯結(jié)構(gòu)、業(yè)務模式、傳輸方式和信道結(jié)構(gòu)等多方面進行改進，提出了在系統(tǒng)架構(gòu)演進(SAE)/長期演進(LTE) 架構(gòu)下的E-MBMS。E-MBMS很大程度上提高了多用戶同時下載多媒體數(shù)據(jù)時的資源共享問題，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，廣播組播業(yè)務中心(BM-SC) 相當于業(yè)務資源提供中心，直接向Anchor分發(fā)多媒體數(shù)據(jù)，每一個Anchor 會控制相關的一組E-NodeB，并將多媒體數(shù)據(jù)通過各個相關的E-NodeB 傳輸?shù)浇K端用戶。當用戶數(shù)量持續(xù)猛增時，就需要增加Anchor 以及E-NodeB的投入。
另外有可能當一個Anchor 或E-NodeB 負荷很重時，而周圍的Anchor 或E-NodeB 卻處于空閑狀態(tài)，這就使得設備資源得不到充分合理的利用，也會降低超負荷E-NodeB 下的用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸效率。E-MBMS 整體架構(gòu)始終是集中式的分發(fā)架構(gòu)，為克服這些不足之處，文中提出LTE 架構(gòu)下結(jié)合點對點(P2P)和E-MBMS 技術的多媒體資源分發(fā)(CPEMRD)方案。
1 P2P 概述
P2P 業(yè)務可以簡單地描述為：網(wǎng)絡中的兩臺計算機通過直接互聯(lián)網(wǎng)來共享彼此資源和服務。P2P 網(wǎng)絡是一種分布式網(wǎng)絡，位于網(wǎng)絡中的成千上萬的計算機都處于邏輯對等的地位，每臺計算機既是資源（服務和內(nèi)容）的提供者又是資源的獲取者[3-4]。
基于P2P 的資源獲取模式和基于C/S 的資源獲取模式有明顯的區(qū)別。在P2P 網(wǎng)絡中，每個節(jié)點的地位都是相等的，它們在作為服務器向其他節(jié)點提供資源時，也可以作為客戶端從其他節(jié)點處獲取資源；而在集中控制的C/S 模式網(wǎng)絡中，客戶端與服務器是分離的，是兩個完全不同的概念，資源都保存在服務器上，客戶端只能從相應的服務器上獲取所需的資源。
P2P 網(wǎng)絡架構(gòu)主要存在3 種不同的形式：純P2P 結(jié)構(gòu)、帶核心服務器的混合P2P 結(jié)構(gòu)和帶超級節(jié)點的P2P結(jié)構(gòu)。其中純P2P 結(jié)構(gòu)不依賴于任何中心服務器，它能動態(tài)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的其他對等方并與之交互信息；混合P2P 結(jié)構(gòu)中存在一個只具有服務功能的核心服務器來維護所有對等點的共享目錄，并進行查詢，但文件的共享交換過程是直接在對等方之間進行；帶超級節(jié)點的P2P 結(jié)構(gòu)類似于混合P2P 結(jié)構(gòu)，但超級節(jié)點的數(shù)目不只一個，節(jié)點可以向其中的一個發(fā)送資源更新信息及查詢要求，超級節(jié)點之間是對等的．然而，P2P 系統(tǒng)也存在明顯的缺點，就是可用性問題。盡管從整個系統(tǒng)而言，P2P 是可靠的，但是對于單個內(nèi)容或者單個任務而言，P2P 是不穩(wěn)定的，每個節(jié)點可以隨時終止服務，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時可能被刪除或者被終止共享。
2 結(jié)合P2P 和E-MBMS 的多媒體資源分發(fā)
2.1 CPEMRD 方案的提出
E-MBMS 和P2P 被用于不同的領域，E-MBMS 主要用于未來移動通信系統(tǒng)流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P 則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術各有其優(yōu)缺點。
P2P 采用一種與E-MBMS 不同的內(nèi)容傳遞方式，它通過“非中心化”的設計和多點傳輸機制，不依賴服務器就能快速交換文件。E-MBMS 和P2P 技術的優(yōu)缺點在應用上具有一定的互補性。如果能夠結(jié)合P2P 的擴展能力和E-MBMS 的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個可管理的、能夠承載電信級內(nèi)容應用的多媒體資源分發(fā)平臺。結(jié)合了P2P的E-MBMS 體系結(jié)構(gòu)可以使多媒體業(yè)務的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡的建設成本。
如果將E-MBMS 的管理機制和服務能力引入P2P 網(wǎng)絡，可以形成以E-MBMS 為可靠的內(nèi)容核心，以P2P為服務邊緣的架構(gòu)。通過這種架構(gòu)，可以在不增加E-MBMS 成本的同時有效提升E-MBMS 服務能力，也有效地避免了P2P 應用的諸多弊端。
2.2 CPEMRD 系統(tǒng)架構(gòu)設計
文章所設計的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)是在E-MBMS 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的基礎上，融合了P2P 結(jié)構(gòu)而組成的，整個架構(gòu)層次分3 層。中心多媒體資源服務器或服務器組只有1 個，位于BM-SC 服務中心處；與服務中心連接的是Anchor，包含有邊緣服務器；移動終端通過E-NodeB 接入到整個網(wǎng)絡中。CPEMRD 具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。
在該系統(tǒng)架構(gòu)中，BM-SC 服務中心處的“ 資源存儲”服務器提供原始的多媒體資源；“P2P 控制”實體用于維護所有P2P 節(jié)點信息以及所有客戶信息（ 節(jié)點號，地址等）；每個Anchor 處的邊緣服務器是對等的，代理從BM-SC 服務中心的資源存儲服務器分發(fā)的多媒體資源。移動終端通過E-NodeB 接入到網(wǎng)絡中，首先從離自己最近的邊緣服務器（所在小區(qū)所屬的Anchor 處的服務器）請求下載多媒體資源，P2P 控制實體中維護了每個邊緣服務器（也即P2P 節(jié)點）的狀態(tài)信息和客戶信息，當P2P 控制實體發(fā)現(xiàn)某個邊緣服務器利用率過高負載過大時，可協(xié)調(diào)移動終端從其他相對空閑的邊緣服務器下載多媒體資源，也可同時從其他多個邊緣服務器同時下載某個多媒體資源，從而實現(xiàn)多條鏈路的負載均衡。
由于流媒體具有松耦合、高擴展性的特點，從多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的垂直控制功能上來看，一個典型的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)應采用分層模式，這使得平臺系統(tǒng)上的應用開發(fā)能夠根據(jù)不斷變化的業(yè)務應用需求而快速擴展。CPEMRD系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)和軟件層次上看，在LTE 環(huán)境下可以通過設置4 層體系結(jié)構(gòu)來支持多媒體應用：網(wǎng)絡通信層，媒體控制層、門戶網(wǎng)站業(yè)務層以及系統(tǒng)支撐層，如圖3 所示。
•網(wǎng)絡通信層：采用IP 網(wǎng)絡作為多媒體業(yè)務的承載網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)無線設備、中繼和服務器等之間的低層通信。
•媒體控制層：負責對多媒體數(shù)據(jù)進行調(diào)度緩存，并且把流數(shù)據(jù)發(fā)送到門戶網(wǎng)站業(yè)務層和其他請求服務的終端設備或P2P 節(jié)點（也即邊緣服務器）。
•門戶網(wǎng)站業(yè)務層：以網(wǎng)站的形式面向用戶提供各種應用和服務，負責多媒體數(shù)據(jù)的播放和界面顯示。如視頻點播、視頻直播、視頻會議、可視聊天等�？刹捎肳eb 模式，客戶端只要使用瀏覽器即可實現(xiàn)視頻點播及其他視頻互動活動，無需安裝其他任何軟件，無需做任何設置，做到了
客戶端的免維護。
•系統(tǒng)支撐層：系統(tǒng)支撐層是多媒體業(yè)務運營的綜合管理及運營支撐系統(tǒng)，包括用戶管理、認證計費、數(shù)字版權保護、系統(tǒng)實時監(jiān)控、網(wǎng)絡配置管理等多個子系統(tǒng)。
2.3 CPEMRD 業(yè)務流程分析
CPEMRD 多媒體業(yè)務的會話流程如圖4 所示[5]。會話開始和會話結(jié)束都由BM-SC 發(fā)起，為多媒體數(shù)據(jù)傳送建立或釋放相應網(wǎng)絡資源。
結(jié)合CPEMRD 系統(tǒng)架構(gòu)圖，CPEMRD 會話流程圖可詳細描述如下：當BM-SC 中加入新資源時，BM-SC 會通過P2P 控制實體找到各個P2P 節(jié)點即Anchor 邊緣服務區(qū)的位置，并向各個P2P 節(jié)點發(fā)送消息，從而將資源下發(fā)到Anchor 邊緣服務器處；此時Anchor 也會通過各個基站E-Node 向基站服務區(qū)內(nèi)的所有終端用戶發(fā)送新業(yè)務相關的消息，如果用戶啟動該業(yè)務，其用戶信息就會被加入到P2P 控制實體中，并開始會話，并通過距離最近的基站從Anchor 邊緣服務器上獲取所需的資源數(shù)據(jù)；P2P 控制實體如果發(fā)現(xiàn)這個邊緣服務器利用率過高、負載過大時，可協(xié)調(diào)終端用戶從其他相對空閑的邊緣服務器下載資源，也可同時從其他多個邊緣服務器同時下載資源；當所有資源傳輸完畢服務結(jié)束時，用戶消息從P2P 控制實體中清除掉，會話完畢，用戶中止業(yè)務。
相對于廣播模式，組播模式增加了3 個相關的過程:訂閱、用戶的加入和退出。有關的訂閱信息存儲在BM-SC 中,當用戶加入或退出某個組播組，可通過Internet 組管理協(xié)議(IGMP) 協(xié)議或組播偵聽發(fā)現(xiàn)協(xié)議(MLD)協(xié)議實現(xiàn)。通過已建立的用戶設備(UE)與Anchor 間承載通道，UE 向Anchor 發(fā)送IGMP/MLD 加入消息或離開消息[7-8]。
如圖5 所示，我們可以看到CPEMRD 系統(tǒng)的基本業(yè)務流程：多媒體資源提供商提供多媒體內(nèi)容，經(jīng)過M-SC 將傳輸流轉(zhuǎn)發(fā)給LTE 核心網(wǎng)，并進一步轉(zhuǎn)發(fā)給演進的通用陸基無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)，最終通過LTE-Uu 接口發(fā)送到用戶終端UE。
3 結(jié)束語
在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領域，采用CDN 實現(xiàn)多媒體資源分發(fā)，但CDN 無法應用于移動多媒體業(yè)務，無法適應目前3G 以及未來移動通信的要求。隨后3GPP 提出的MBMS、E-MBMS 技術在很大程度上解決了移動多媒體業(yè)務的廣播組播問題，但還是存在終端接入數(shù)量受限以及帶寬窄通信不穩(wěn)定的問題。文章基于Internet 和無線網(wǎng)絡，結(jié)合P2P 和E-MBMS 技術提出CPEMRD 方案，詳細設計了在LTE 環(huán)境下的多媒體資源分發(fā)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，并從系統(tǒng)功能和軟件層次上，將CPEMRD 系統(tǒng)劃分為網(wǎng)絡通信層、媒體控制層、門戶網(wǎng)站業(yè)務層以及系統(tǒng)支撐層，并分析了CPEMRD 的會話流程和業(yè)務流程。相比E-MBMS，CPEMRD 系統(tǒng)具有更大更多的優(yōu)點：
•用戶間可實現(xiàn)點對點信息流通。CPEMRD 系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶間互動，徹底從集中控制的傳統(tǒng)流媒體中解放出來，降低了技術應用門檻，實現(xiàn)了傳統(tǒng)流媒體運營平臺難以實現(xiàn)的互動直播和互動點播。
•負載均衡管理，有效保證運營效率。CPEMRD 系統(tǒng)提供完善的負載均衡功能，它基于服務器CPU、內(nèi)存監(jiān)測與Web 任務實時監(jiān)控的動態(tài)任務分配，準確地將用戶多媒體資源請求均衡到集群服務器中（BM-SC 的服務器）的流媒體服務器端(Anchor 的服務器)。
• 完善的用戶認證管理。CPEMRD 系統(tǒng)具有完善的用戶管理和認證機制，可以實現(xiàn)多級別的用戶管理。
• 強大的計費管理功能。CPEMRD 系統(tǒng)可以提供多種途徑進行用戶認證和計費，并按用戶類型定義收費標準，能夠靈活定制多種計費類型、優(yōu)惠政策、套餐組合。
4 參考文獻
[1] 時明亮,趙玲玲.基于CDN 與P2P 技術的IPTV系統(tǒng)平臺的設計與實現(xiàn)[J].北京城市學院學報，2007(2)：91-94.
[2] 鄭侃,趙慧,王文博.3G 長期演進技術與系統(tǒng)設計[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.
[3] Lua e k, Crowcroft J, Pias M, et al. A Survey and Comparison of Peer-to-Peer Overlay Network Schemes [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2005, 7(2): 72-93.
[4] Dream Tech Software Group. Peer to Peer Application Development: Cracking the Code
[M]. New York, NY,USA: Wiley ,2001.
[5] 陳鋒,彭木根,王文博.基于MBMS 的手機電視技術研究[J].中國無線電，2007(1):40-43.
[6] 張克平.LTE-B3G/4G 移動通信系統(tǒng)無線技術
[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2008.
[7] Gómez-Barquero d, Fernández-Aguilella a,Cardona N. Multicast Delivery of File Download Services in Evolved 3G Mobile Networks with HSDPA and MBMS[J].IEEE Transactions on Broadcasting, 2009,55(4)742-751.
[8] Gómez-Barquero d, Fernández-Aguilella a,Cardona N. Multicast Delivery of File Download Services in 3G Mobile Networks with MBMS[C]// Proceedings of the 2008 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB’08),Mar 31-Apr 2,2008 , Las Vegas, NV, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2008:6p.
