1. 前言

多媒體廣播多播服務(wù)（Multimedia Broadcast Multicast Services，MBMS）通過核心網(wǎng)和接入網(wǎng)對廣播和多播業(yè)務(wù)提供一種有效的傳輸模式，相對于傳統(tǒng)的移動廣播技術(shù)，MBMS可以復(fù)用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和頻譜資源。從協(xié)議角度講，MBMS并不是LTE的新特性，其最初在3GPP 3G協(xié)議版本6中被定義，也同時支持GSM模式。4G LTE模式下，又引入了MBMS演進版本eMBMS（evolved MBMS）。由于eMBMS對于LTE的商用部署來說并不是非常緊迫，因此協(xié)議定義被分步進行，物理層部分在版本8中定義，高層及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)部分在版本9中完成[1]。

2. eMBMS理論

2.1 LTE中的eMBMS

在3G模式下，對于5MHz的帶寬，MBMS可以支持6個移動電視頻道，每個頻道的數(shù)據(jù)傳輸速率為128kbit/s。而eMBMS的設(shè)計目標(biāo)可以使小區(qū)邊緣的頻譜效率達1bit/s/Hz，相當(dāng)于在5MHz帶寬范圍內(nèi)，支持20個移動電視頻道，每個頻道可實現(xiàn)256kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。通過OFDM下行編碼方式和MBMS單頻網(wǎng)（Single Frequency Network SFN）的使用，可以有效的提高頻譜效率和小區(qū)邊緣覆蓋[2]。

eMBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 eMBMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]

各個網(wǎng)元的功能如下：

廣播多播服務(wù)中心（BM-SC）：主要用于接收來自外部內(nèi)容提供商的eMBMS內(nèi)容，為移動網(wǎng)絡(luò)運營商提供應(yīng)用和多媒體服務(wù)；eMBMS業(yè)務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸；用戶組成員管理、訂閱和計費功能 [1] 。

eMBMS網(wǎng)關(guān)（GW）：屬于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的邏輯節(jié)點，作為網(wǎng)關(guān)，用于處理從服務(wù)中心到所有LTE基站（eNodeB）之前的多播IP數(shù)據(jù)流。

移動管理實體（MME）：并不是eMBMS專用的網(wǎng)元，屬于3GPP協(xié)議版本8網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中核心網(wǎng)的組成部分，用于處理與空口不相關(guān)的所有工作。終端的NAS層直接與核心網(wǎng)的MME實體進行通信。

多播協(xié)調(diào)實體（MCE）：LTE模式下eMBMS主要的網(wǎng)元，用于協(xié)調(diào)隸屬于同一個多媒體廣播單頻網(wǎng)絡(luò)（MBSFN）區(qū)域的所有小區(qū)為用戶提供相同的資源及傳輸參數(shù)。關(guān)于MBSFN詳見下節(jié)說明。

基站（eNodeB）：LTE的基站，相比于3G中的NodeB，集成了部分RNC的功能。

2.2 多媒體廣播單頻網(wǎng)MBSFN

在LTE模式下，eMBMS的一個重要特性是可以基于同步單頻網(wǎng)進行傳輸，即廣播或多播數(shù)據(jù)可以同時來源于多個不同的小區(qū)，因此在終端接收機可以觀察到由于多小區(qū)傳輸而產(chǎn)生的多個不同時延信號版本。這種廣播或多播數(shù)據(jù)作為多小區(qū)傳輸，被稱為“多媒體廣播單頻網(wǎng)（MBSFN）”[1]。

在MBMS覆蓋范圍的地理區(qū)域稱為“MBMS服務(wù)區(qū)”。在這個服務(wù)區(qū)內(nèi)，所有eNodeB同步進行傳輸?shù)膮^(qū)域稱為“MBSFN同步區(qū)”。對于向多個用戶傳輸相同內(nèi)容的無線小區(qū)，就組成了所謂的“MBSFN區(qū)”[1]。多個小區(qū)可以歸屬于同一個MBSFN區(qū)，一個小區(qū)可以同時屬于最多8個MBSFN區(qū)。在一個MBSFN同步區(qū)內(nèi)最多可以定義256個MBSFN區(qū)，每個區(qū)域有單獨標(biāo)識。一旦定義后，MBSFN區(qū)不會動態(tài)改變[2]。

為了更形象的對上面提到的各個區(qū)域概念進行闡述，請參考下圖所示。整個MBSFN同步區(qū)包含3個MBSFN區(qū)（區(qū)域標(biāo)示為#0、#1、#255）。每個MBSFN區(qū)包含多個無線小區(qū)，小區(qū)#7、#8、#9同時隸屬于多個MBSFN區(qū)。MBSFN同步區(qū)中還可以存在保留小區(qū)，如小區(qū)#4隸屬于MBSFN區(qū)#0，但不支持MBSFN傳輸。

圖2 MBSFN區(qū)域定義[2]

2.3 eMBMS新增信道

在LTE模式下，為了支持eMBMS服務(wù)，引入了新的邏輯信道（多播控制信道MCCH、多播業(yè)務(wù)信道MTCH）、傳輸信道（多播傳輸信道MCH）和物理信道（物理多播信道PMCH）[3]。

MCCH提供接收eMBMS服務(wù)的控制信息，包括子幀的分配，MCS配置信息等。MTCH主要用于承載eMBMS業(yè)務(wù)，隸屬于一個MBSFN區(qū)域的大量業(yè)務(wù)傳輸需要占用多個MTCH業(yè)務(wù)信道。由于廣播或者多播傳輸不需要終端提供上行ACK/NACK反饋，信道使用RLC 非確認(rèn)模式（UM）傳輸數(shù)據(jù)。在MAC層，一個或多個MTCH和一個MCCH復(fù)用到多播傳輸信道MCH上，再復(fù)用到物理信道PMCH上 [2] 。

2.4 eMBMS物理層

為了避免信號在傳輸過程中的符號間干擾（Inter-Symbol Interference(ISI)），可以采用在每個符號間添加保護間隔的方式。LTE模式下行采用OFDM的編碼方式，要求信號彼此正交，因此引入循環(huán)前綴（cyclic prefix CP）的概念。即將每個符號的最后一段復(fù)制到此符號之前，構(gòu)成保護間隔，同時還可以保持信號的正交性。只要信號在循環(huán)前綴時間范圍內(nèi)到達，便可以避免符號間干擾[1]。

在eMBMS中引入了單頻網(wǎng)絡(luò)MBSFN傳輸數(shù)據(jù)，終端接收機接收到由于多小區(qū)傳輸而產(chǎn)生的多個不同時延的信號。而多小區(qū)的時延比單小區(qū)要大的多，因此為了確保接收信號同步，協(xié)議定義了擴展CP，相應(yīng)的循環(huán)前綴時間從4.7μs~5.2μs增加到16.7μs。較長的CP時間有助于確保接收信號落在LTE接收機的CP內(nèi)，從而減少ISI的可能性 [2] 。

對于小區(qū)間信號傳輸時延更大的場景（10km），LTE提供了一種更長的CP選擇，是普通擴展CP長度的2倍，接近33μs。較低的載波頻率和較大的站點距離很可能會發(fā)生這種情況。在這種情況下，為了進一步避免由于CP增加導(dǎo)致的開銷，每單元帶寬子載波的數(shù)量加倍，子載波的間隔調(diào)整為7.5kHz[1]。

表1 eMBMS中循環(huán)前綴及子載波間隔[4]

對于混合eMBMS/多播模式，承載eMBMS數(shù)據(jù)的子幀分為非MBSFN區(qū)域和MBSFN區(qū)域。非MBSFN區(qū)域占用開始子幀的1個或者2個OFDM符號?？刂菩诺繮CFICH,、PDCCH和PHICH在這些區(qū)域映射。MBSFN區(qū)用于PMCH，此區(qū)域?qū)⑹褂脭U展CP為15kHz的子載波間隔，以覆蓋屬于該MBSFN區(qū)域的所有小區(qū)，如表1所示。為了在終端側(cè)使用相干解調(diào)和適當(dāng)?shù)男诺拦烙?，使用小區(qū)專有參考信號無法充分滿足，需要采用eMBMS專用參考信號。屬于MBSFN區(qū)域內(nèi)的每個小區(qū)將在指定位置發(fā)送相同的MBSFN參考信號。MBSFN參考信號的間隔比非MBSFN傳輸更緊密，從每隔6個子載波減小為每隔1個子載波。這樣配置可以改善對于較長時延擴展進行信道估計的準(zhǔn)確性。MBSFN專有參考信號間隔依賴于MBSFN標(biāo)識，由SIB13廣播[2]。

3. R&S CMWcards解決方案介紹

3.1R&S CMW500

本文介紹的eMBMS測試解決方案基于羅德與施瓦茨（R&S）公司 CMW500無線寬帶通信測試儀進行闡述。R&S公司于2007年推出的CMW500，是能夠覆蓋從終端芯片早期研發(fā)測試到生產(chǎn)測試所有階段的一站式解決方案。被業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可。針對測試的階段和內(nèi)容差異，CMW500可以提供多種測試模式，包括綜測儀和協(xié)議分析儀等，由于綜測儀還不具備eMBMS的測試能力，本文針對協(xié)議分析儀進行說明。

CMW500內(nèi)置的 DAU數(shù)據(jù)應(yīng)用單元，可以作為各種數(shù)據(jù)應(yīng)用測試的服務(wù)器來使用，其中就包括eMBMS的BM-SC廣播多播服務(wù)中心。可以通過配置文件的形式配置其廣播時間和業(yè)務(wù)，測試前需要將需要播放的文件拷貝到DAU上，并在配置文件中指明文件所在的目錄。

3.2 MLAPI測試方案介紹

CMWcards是基于R&S MLAPI方案開發(fā)的一款圖形化測試用例開發(fā)工具，底層實現(xiàn)與MLAPI完全相同。作為基本構(gòu)成要素的卡片只提供了最常用的參數(shù)配置，如果需要修改卡片界面上沒有提供的參數(shù)，可以通過后臺修改的方式進行。而這種方式與MLAPI中參數(shù)配置相同，因此這里對MLAPI做簡要說明。

MLAPI是R&S公司為客戶開發(fā)的一種用于腳本開發(fā)的C++ API編程接口，包括中間層應(yīng)用編程接口MLAPI和底層應(yīng)用編程接口LLAPI。LLAPI為用戶提供了層2和物理層的編程接口，基于LLAPI的編程接口可以直接控制網(wǎng)絡(luò)側(cè)底層協(xié)議棧（PDCP、RLC、MAC、PHY），從而在終端研發(fā)早期，甚至在芯片不具備信令測試功能的情況下對物理層和層2的協(xié)議棧功能進行驗證。MLAPI提供了高層的編程接口，測試場景利用CMW500中RRC層的服務(wù)接入點來進行信令測試。這個接入點主要進行空口端到端消息的發(fā)送和接收，在這個接入點使用RRC層配置器，不僅可以完成RRC層的配置，還可以自動完成底層協(xié)議棧配置，并且保證終端與網(wǎng)絡(luò)側(cè)之間信令交互的一致性。如果需要對終端的整個協(xié)議棧進行測試，建議使用MLAPI[6]。

API接口采用狀態(tài)機的形式實現(xiàn)，比如通用的注冊狀態(tài)機sM_LteMl_1000_Registration。作為主狀態(tài)機其包含LTE注冊的全部流程，整個流程又由多個子狀態(tài)機組成，如隨機接入狀態(tài)機sM_LteMl_RRC_ConnectionSetup；附著狀態(tài)機sM_LteMl_Attach等。在進行腳本開發(fā)過程中，可以根據(jù)需要調(diào)用不同的狀態(tài)機。

MLAPI的實現(xiàn)包含大量的xml配置文件，腳本執(zhí)行過程中，配置文件的參數(shù)可以作為入?yún)⒈徽{(diào)用。因此可以不修改腳本源代碼，直接通過修改配置文件的方式來實現(xiàn)對腳本的修改，不需要重新編譯。這些配置文件包括符合ASN.1編碼標(biāo)準(zhǔn)的高層信令，也包括R&S定義的底層消息結(jié)構(gòu)。這一過程使用R&S Message Composer工具完成。

MLAPI使用Visual Studio進行腳本的編輯及編譯。是腳本開發(fā)最核心的過程?？蛻艨梢曰诶幽_本進行修改，如果流程只需要調(diào)用不同的狀態(tài)機相對簡單。如果現(xiàn)有的狀態(tài)機無法滿足測試需求，就需要修改狀態(tài)機，對客戶C語言能力要求較高?？蛻艨梢愿鶕?jù)實際情況進行選擇。

3.3 CMWcards測試方案介紹

3.3.1 CMWcards簡介

MLAPI由于其開源，功能十分強大，幾乎可以完成任何想要的協(xié)議測試場景，由于MLAPI產(chǎn)品的使用需要用戶具備扎實的編程經(jīng)驗和協(xié)議理論作為儲備，對用戶的要求較高。R&S根據(jù)市場的需要，在基于MLAPI開發(fā)了一套圖形化協(xié)議腳本開發(fā)工具CMWcards。目前CMWcards可以支持GSM、WCDMA、LTE和WIFI四種制式及互操作測試，由于TD-SCDMA和CDMA2000的市場已經(jīng)萎縮，需求較少，因此在產(chǎn)品設(shè)計之初就沒有相應(yīng)的支持計劃。在物聯(lián)網(wǎng)方面目前已經(jīng)支持eMTC，2017年第一季度就可以支持NB-IOT協(xié)議測試。

CMWcards產(chǎn)品的設(shè)計靈感來源于撲克牌游戲，腳本的基本構(gòu)成元素是卡片，每一張卡片代表一個流程或者步驟，對應(yīng)MLAPI中狀態(tài)機的封裝。多張卡片共同組成了一個測試腳本，腳本在運行過程中遵循從上到下，從左到右順序執(zhí)行。根據(jù)卡片的功能將卡片分為以下三種類型：

通用類型卡片：這些卡片不包含信令流程，卡片底色為灰白色，只實現(xiàn)某些特定功能，比如提示終端關(guān)機，開機；定時器控制；循環(huán)控制等。

Setup/Modify卡片：這些卡片也不包含信令流程，卡片底色為淺黃色，包括所有類型的小區(qū)建立、激活、釋放；信號強度的修改；吞吐量參數(shù)配置；eMBMS服務(wù)配置等。

信令流程卡片：卡片中間圖標(biāo)彩色顯示，并遵循顏色規(guī)則，是測試用例最主要的組成部分。

CMWcards的操作界面如下圖所示，由于功能窗口較多，在一個界面中無法全部顯示，下圖中只體現(xiàn)了經(jīng)常用到的一些窗口選項。界面的布局可以根據(jù)客戶的習(xí)慣隨意修改。

單個腳本測試及功能調(diào)試可以在CMWcards界面中進行，批量用例自動化測試時，可以建立campaign輸出測試序列，并結(jié)合Automation Manager進行自動化測試。

圖 3 R&S CMWcards操作界面[7]

3.3.2 CMWcards規(guī)則

CMWcards每一張卡片中間有一個圓形的圖標(biāo)用于表示此卡片的功能，結(jié)合文字說明，圖案十分形象，易于理解。非信令流程的卡片中間的圖案是灰色的，而信令流程的卡片中間的圖案帶有顏色。每張卡片都包含輸入狀態(tài)的顏色和輸出狀態(tài)的顏色。此顏色與RRC協(xié)議狀態(tài)一致。如果協(xié)議狀態(tài)沒有發(fā)生改變，則此卡片中間圖案也沒有顏色改變。如果協(xié)議狀態(tài)發(fā)生改變，相應(yīng)的狀態(tài)顏色也會改變，如下圖所示。

圖4 CMWcards顏色規(guī)則示意圖[7]

腳本開發(fā)的過程就是使用卡片創(chuàng)建測試流程的過程。測試流程需要遵循顏色規(guī)則，即上一張卡片輸出狀態(tài)的顏色需要與下一張卡片輸入狀態(tài)的顏色保持一致（非協(xié)議流程卡片不影響協(xié)議狀態(tài)）。

測試腳本創(chuàng)建好后，CMWcards可以進行錯誤檢測，為客戶提供清晰的提示，方便客戶的使用，比如協(xié)議狀態(tài)是否符合顏色規(guī)則，參數(shù)配置是否符合協(xié)議等。

3.3.3 Hopscotch方式

在腳本的開發(fā)過程中，我們推薦基于例子腳本進行修改。如果需要插入一張信令流程卡片，可以采用三種方法。第一種是去卡片庫中搜索卡片的名稱，由于目前開發(fā)的卡片數(shù)量已經(jīng)超過200張，而且存在很多功能相似的卡片，因此需要客戶花費一些時間熟悉所有卡片。第二種是從其它例子腳本中進行拷貝。第三種是采用被稱為Hopscotch的方式。Hopscotch其實就是我們兒時玩的跳格子游戲，即從起始位置到目標(biāo)位置有很多種選擇路徑，CMWcards已經(jīng)將所有可供選擇的路徑都列出來了，可以根據(jù)需要進行選擇，這樣實現(xiàn)一方面不需要到卡片池中去查找，另一方面可以避免出錯。Hopscotch添加卡片的方式是整個CMWcards腳本開發(fā)的精髓，也決定了CMWcards的易用性。

3.3.4 參數(shù)配置

CMWcards為了易用性最大化，在卡片界面只提供了最常用的參數(shù)配置。如果需要實現(xiàn)對所有參數(shù)的配置，可以采用兩種方式：后臺參數(shù)修改方式和 CMWcards Advanced模式。后臺參數(shù)修改方式其實就是使用MLAPI的方法進行配置文件的修改。CMWcards Advanced將于2017年2月正式發(fā)布，可以在協(xié)議流程窗口實現(xiàn)對所有高層消息的修改，并支持系統(tǒng)信息導(dǎo)入功能，這一功能將使CMWcards的靈活性獲得巨大提升。

與eMBMS相關(guān)的參數(shù)配置主要在SIB2和SIB13中，而在CMWcards界面上并沒有提供參數(shù)配置接口，因此我們可以采用上述兩種方式進行。以SIB2參數(shù)配置決定MBSFN的傳輸無線幀和子幀位置。根據(jù)下圖中SIB2的參數(shù)配置，在承載eMBMS的每個無線幀中，子幀#2、#3、#7用于MBSFN傳輸，如下圖所示。

圖 5 SIB2中mbsfn-SubframeConfigList配置示例

SIB13決定MCCH的子幀位置，根據(jù)下圖SIB13的參數(shù)配置，在承載MBSFN的無線幀中，MCCH具體位置如下所示：無線幀滿足SFN mod 32=5，即無線幀rf5、rf37、rf69、rf101；子幀滿足sf_Allocinfo_r9=010000，即子幀#2。

圖 6 SIB13 中mbsfn-AreaInfoList配置示例

3.3.5 eMBMS測試用例講解及參數(shù)配置

由于CMWcards的底層實現(xiàn)是MLAPI，所以實現(xiàn)方案基本相同，唯一的差別就是CMWcards將參數(shù)配置移植到了每一張卡片中實現(xiàn)。CMWcards封裝度很高，為了保證其易用性，每張卡片只提供了最常用的參數(shù)配置。下面就以一個CMWcards的eMBMS測試用例舉例說明，如下圖所示。

圖 7 CMWcards eMBMS例子腳本示意圖[7]

Start：配置log輸出等級，激活動態(tài)調(diào)度等。

Power Off：手動測試時會彈出提示框提示終端關(guān)機。

Reference Time：參考時間設(shè)置，測試終端的系統(tǒng)時間將會被修改為2014-04-24 1500。“Broadcast SIB16”決定網(wǎng)絡(luò)側(cè)是否使用SIB16實現(xiàn)時間同步?！癗ITZ”決定是否提供網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示及時區(qū)。

Start Server：啟動HTTP/DNS服務(wù)器，根據(jù)需要可以啟動多個服務(wù)器。

UICC Setup：SIM卡參數(shù)配置。

LTE Cell Setup：小區(qū)建立，每個小區(qū)需要一張卡片。包含系統(tǒng)消息中最常用的參數(shù)配置。

LTE Security：加密和完整性保護算法設(shè)置。

eMBMS N/w：配置MBSFN區(qū)參數(shù)。

Activate LTE Cell：激活LTE小區(qū)，每個小區(qū)建立后必須激活才有信號輸出，小區(qū)激活名稱需要與小區(qū)建立名稱匹配。

Power On：手動測試時會彈出提示框提示終端開機。

Registration：注冊流程卡片。

Activate PDN：重新激活一路EPS承載用于承載業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)使用哪一路承載取決于終端設(shè)置。

eMBMS Server及Service：Server只需要配置一個，每個業(yè)務(wù)配置一個Service。主要包含多媒體文件所在路徑、類型，eMBMS播放時間等配置，一般情況下參考時間都會比播放時間提前用于客戶終端操作，做好準(zhǔn)備，根據(jù)參考時間的配置，播放時間可以配置為2014-04-24 1600。

User Prompt：手動測試時彈出提示框，提示內(nèi)容根據(jù)需要設(shè)定。

Idle Mode：RRC連接釋放流程。

流程的后半段主要驗證終端IDLE態(tài)和連接態(tài)下都可以接收eMBMS業(yè)務(wù)。

測試流程結(jié)束后會有小區(qū)釋放等結(jié)束動作。

通過上述介紹，相信對使用R&S CMWcards進行eMBMS測試有了基本了解。

4. 總結(jié)

本文首先闡述了eMBMS的理論，并提出了基于R&S CMW500協(xié)議分析儀的CMWcards測試解決方案。由于CMWcards基于MLAPI開發(fā)，且底層實現(xiàn)與MLAPI完全相同，因此對MLAPI也做了簡單介紹。MLAPI采用C++語言實現(xiàn)，通過狀態(tài)機的調(diào)用及參數(shù)配置實現(xiàn)對eMBMS的測試，使用靈活，功能強大，對客戶的編程能力有一定的要求；CMWcards是基于MLAPI開發(fā)的圖形化測試腳本開發(fā)工具，通過圖形化卡片進行腳本開發(fā)及參數(shù)配置來實現(xiàn)對eMBMS的測試，使用簡單方便，開發(fā)效率很高，對客戶編程能力沒有要求。未來推出的CMWcards Advanced模式可以在卡片實現(xiàn)對所有高層信令消息的配置，使CMWcards的靈活性獲得顯著提升。兩種方案都可以滿足eMBMS測試需求，客戶可以根據(jù)實際需要進行選擇。