Технология MBMS: широковещательное HD-видео для всех

Одним из потенциальных источников повышения дохода является трансляция высококачественного HD-видео с помощью технологии Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS). Речь идет о выделении определенного зарезервированного объема радиоресурсов для трансляции видеоконтента в режиме многоадресной передачи (multicast), то есть один и тот же контент транслируется всем потребителям в соте, где активирована MBMS.

Подобная трансляция поверх сотовой сети имеет следующие особенности. Во-первых, отдельный пользователь не может выбрать произвольное видео «для себя». Во-вторых, никому не предоставляется отдельный радиоресурс — все пользователи принимают один и тот же общий видеопоток, так что просматривать видео может практически бесконечное число абонентов в соте. В-третьих, MBMS подразумевает выделение канала для каждого видеопотока, чем гарантируется определенное качество видео без деградации качества (при условии достаточного уровня сигнал/шум в точке приема).

ПРЕДПОСЫЛКИ ВНЕДРЕНИЯ MBMS

Операторы мобильной связи уже доставляют огромные объемы видео своим абонентам: этот контент востребован, и на него уже приходится основная доля мобильного трафика (в основном с сайта YouTube). За последние годы с внедрением HSDPA/HSDPA+ и развертыванием сетей 4G/4G+ пользователи привыкли к высоким скоростям передачи данных, и просмотр видео на смартфонах уже не является экзотикой. Наоборот, по мере все большего расширения аудитории возрастает потребление мобильного видеоконтента. В результате операторы связи получают возможность удерживать имеющихся пользователей и привлекать новых путем предоставления такой услуги/сервиса, как трансляция высококачественного видео, которая наверняка заинтересует потребителей.

Бизнес-драйверами для внедрения MBMS являются, таким образом, необходимость удовлетворения растущего спроса на видеоконтент в условиях ограниченного спектра и заинтересованность в новых источниках дохода, которые становятся доступны с появлением технологии MBMS.

Предоставление сервиса MBMS группе абонентов, заинтересованных в одном и том же видеоконтенте, позволяет не только значительно улучшить качество видео, предназначенного для этой группы, но и в некоторых случаях повысить скорость и качество мобильного Интернета для других пользователей, так как все потребители «тяжелого» видеоконтента будут переведены на радиоресурс MBMS, освободив «обычные» LTE-радиоресурсы конкретной соты для остальных абонентов.

В 3GPP Rel.12 определен режим MBMS по требованию (MBMS Operation On Demand, MOOD), что позволяет динамически включать/выключать MBMS в зависимости от установленных порогов срабатывания. Иначе говоря, MBMS можно будет активировать только после превышения некоего порога Х для числа заинтересованных в MBMS пользователей и отключать после сокращения количества активных MBMS-пользователей ниже установленного порога Y, высвобождая ресурсы под «обычный LTE».

ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ MBMS

В обычной мобильной сети, если один и тот же видеоконтент просматривается, допустим, пятью пользователями в соте, для него необходимо выделить пропорциональный объем радиоресурса, то есть в пять раз больше, чем при единичном просмотре. Ситуация ухудшается в Х раз, если один и тот же видеоконтент просматривают Х пользователей.

MBMS, с другой стороны, обеспечивает гарантированное и высококачественное видео для любого количества абонентов в соте без наращивания объема выделенных радиоресурсов в случае увеличения числа пользователей, так как трансляция ведется в режиме «точка — множество точек». Иначе говоря, многоадресная передача MBMS активируется на уровне соты, что дает определенную свободу в выделении и назначении ресурсов для MBMS-видео в зависимости от предпочтения абонентов в той или иной зоне, а поддержка нескольких видеоканалов MBMS на каждой соте позволяет предлагать разные варианты видеоконтента.

Технология MBMS подразумевает выделение спектра для видеовещания внутри имеющейся несущей LTE. С одной стороны, это плюс, так как MBMS может быть развернута на существующих сетях без добавления частот, но с другой — минус, поскольку емкость соты (несущей) снижается на величину, выделенную для MBMS. Технология MBMS может быть реализована в сетях как FDD, так и TDD LTE, она не привязана к спектру и может быть развернута на любых частотах LTE, доступных оператору. Внутри несущей LTE под MBMS может быть выделено от 0,3 до 60% ширины, причем ширина выделенной полосы является компромиссом между качеством и количеством видеоканалов, с одной стороны, и шириной спектра, который нужно оставить «обычным» абонентам LTE для доступа в Интернет, с другой стороны.

Технология MBMS подразумевает предоставление одного и того же видеоконтента на выделенном кластере, состоящем из нескольких базовых станций, вещание осуществляется синхронно во всех секторах в одни и те же выделенные моменты времени. Как следствие, для MBMS нужна точная (фазовая) синхронизация GPS. Высокое качество видео достигается за счет двух основных аспектов этой технологии: во-первых, это гарантированный выделенный объем радиоресурса, который ни при каких обстоятельствах не может быть ни уменьшен, ни занят абонентами LTE, и во-вторых — синхронная трансляция одного и того же видеоконтента во всех секторах и на всех БС в кластере, благодаря чему в любой точке приема сигналы от соседних секторов (или соседних БС) являются не помехой, а, наоборот, представляют собой полезный сигнал. Сигналы от соседних сот складываются, в результате увеличивается отношение сигнал/шум в точке приема и, по сравнению с «обычным» целенаправленным вещанием, «картинка» улучшается.

По своей сути MBMS подразумевает синхронную передачу видеоконтента для массовой аудитории и не предполагает никакой обратной связи по восходящему каналу (channel feedback). Как следствие, модуляция в радиоинтерфейсе для канала MBMS фиксируется — она одинакова для всех пользователей в соте и кластере без возможности динамического изменения схемы кодирования для отдельного абонента. При реализации MBMS из трех основных типов модуляции физического уровня QPSK/16QAM/64QAM, как правило, устанавливается одна «средняя» модуляция 16QAM.

Для LTE FDD на ширине несущей 20 МГц максимальная пиковая скорость передачи данных при использовании 64QAM и MIMO2x2 составляет около 150 Мбит/с, при выделении под MBMS половины несущей получаем скорость около 75 Мбит/с, однако в MBMS не используется MIMO, что автоматически приводит к снижению пиковой скорости в два раза. Иначе говоря, на несущей 20 МГц при выделении 50% спектра под MBMS пиковая скорость передачи данных при модуляции 64QAM равна приблизительно 37 Мбит/с. Однако для обеспечения нормального покрытия соты уместно использовать менее скоростную и лучше защищенную от помех схему модуляции 16QAM, что приводит к снижению пиковой скорости еще примерно на треть. Таким образом, реалистичная скорость, которой можно достичь при несущей 20 МГц и выделении под MBMS половины несущей, составляет около 20–25 Мбит/с. При несущей 10 МГц скорость снижается до 10 Мбит/с.

Для доставки HD-видео на смартфон или планшет, в зависимости от видеокодека, необходима скорость передачи данных около 2 Мбит/c на один видеопоток. Таким образом, на несущей 20 МГц при выделении под MBMS половины несущей мы получаем 10–12 видеоканалов с качеством HD, а на несущей 10 МГц при выделении под MBMS половины несущей — около 5 HD-видеоканалов. При выделении 30% несущей под MBMS для несущей 20 МГц будет около 7–8 HD-видеоканалов, а в случае 10 МГц при тех же условиях получаем 3–4 HD-видеоканала. При использовании низкоскоростных кодеков появляется возможность двукратного снижения скорости видеопотока при сохранении приемлемого качества картинки, что позволяет вдвое увеличить количество видеоканалов.

Кроме радиоподсистемы, для реализации MBMS необходимо внедрить два дополнительных сетевых элемента: BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) и MBMS-GW (MBMS Gateway). Первый является входной точкой для подачи видеопотока (-ов) и управления им (ими) контент-провайдером, а второй доставляет видеопоток до базовой станции и управляет сигнальными сообщениями сеанса MBMS.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ MBMS

В России наибольшее распространение получили сети FDD LTE ‹band 7› в диапазоне 2600 МГц, в котором у каждого из четырех национальных операторов имеется полоса шириной 10 МГц. При выделении под MBMS трети полосы спектра можно транслировать 3–4 HD-видеоканала со скоростью видеопотока около 2 Мбит/с каждый. Важно понимать, что при выделении под MBMS, например, 30% несущей, мы, соответственно, на 30% снижаем полосу частот, доступную «обычным» LTE-абонентам, что приводит к пропорциональному уменьшению емкости соты и максимальной скорости передачи Интернета в соте. Таким образом, включение MBMS — это достаточно «дорогое удовольствие», при котором предоставление всего лишь 3–4 видеоканалов в качестве HD снижает на 30% максимальную скорость Интернета для всех абонентов.

Схема включения MBMS

MBMS поддерживается только самыми современными и дорогими смартфонами, а из этого незначительного количества обладателей совместимых терминалов далеко не все заинтересованы в MBMS. В среднем доля заинтересованных пользователей, у которых есть техническая возможность использования MBMS (поддерживается терминалом абонента), составляет единицы процентов. Вместе с тем при выделении под MBMS, допустим, 30% спектра несущей, мы снижаем и емкость соты, и максимальную скорость передачи для абсолютно всех абонентов. Очевидно, что ограничивать емкость соты и скорость Интернета ради удовлетворения столь небольшого спроса невыгодно с экономической точки зрения. Соответственно, включение MBMS на всей сети вряд ли когда-либо произойдет.

Однако уже известны частные случаи применения MBMS, когда ее включение на определенном кластере и в определенных условиях может быть экономически выгодно. Напомним, что по качеству видео MBMS имеет значительные преимущества перед «обычным» LTE, когда один и тот же видеоконтент смотрят много пользователей, поскольку каждому из них не выделяется отдельный радиоресурс, но все принимают один общий канал, вещающий в выделенной гарантированной полосе.

Данным условиям соответствуют такие события, как массовые мероприятия, когда в ходе видеотрансляции те или иные эпизоды просматриваются с разных ракурсов множеством абонентов. В качестве примеров можно назвать хоккейные и футбольные матчи с их повторами голевых ситуаций, а также автогонки, где зрителям интересно видеть не только близко расположенный участок трассы, но и удаленные участки.

Проведенные опросы показывают, что успешный запуск MBMS возможен в следующих областях:

• эксклюзивное видео в местах значительной концентрации абонентов, пришедших на массовое мероприятие (концерт, шоу, спортивное мероприятие);
• трансляция общественно значимых событий, а также мероприятий, интересующих большинство абонентов (футбольных/хоккейных матчей сборной России по всей стране, матчей команды «А» для региона «А» или команды «Б» для региона «Б»);
• мобильное HD-ТВ.

Кроме перечисленных, можно назвать еще несколько частных случаев, когда имеет смысл использовать MBMS: временное выделение канала MBMS для закачки в смартфоны «тяжелых» и одинаковых для всех обновлений программного обеспечения (например, обновление версий iOS или Android в течение нескольких дней после выхода новой версии ОС); выделение канала для обновления ПО крупными организациями с разветвленной распределенной инфраструктурой (датчики, M2M); передача видеоинструкций экстренными службами (например, в случае стихийных бедствий).

Наиболее реалистичным случаем коммерческого применения MBMS является трансляция HD-видео спортивного мероприятия с разных ракурсов для болельщиков, пришедших на стадион. Наличие нескольких видеоканалов позволяет дифференцировать видеоконтент для разных пользователей, в то время как общие экраны на стадионе не позволяют это делать. В таком случае под MBMS можно выделить максимально широкую полосу. При этом наличие 5–10 HD-каналов позволит зрителям наслаждаться просмотром игры с разных ракурсов и разных точек и выбирать наиболее интересные дополнительные ракурсы просмотра.

В случае вещания MBMS для группы посетителей какого-либо мероприятия затраты оператора связи на запуск MBMS могут быть «упакованы» в стоимость входного билета, так что пользователям не потребуется дополнительно оплачивать сервис MBMS. Предоставление сервиса MBMS для определенной группы пользователей может позиционироваться как «премиальная» услуга с эксклюзивным видеоконтентом, недоступным другим абонентам.

Возможными препятствиями на пути внедрения MBMS могут стать недостаток абонентских терминалов с поддержкой MBMS и отсутствие экономически привлекательного бизнес-кейса.

АБОНЕНТСКИЕ УСТРОЙСТВА С ПОДДЕРЖКОЙ MBMS

Недостаточная поддержка технологии MBMS на терминалах абонентов является одним из ключевых факторов, сдерживающих коммерческое применение данной технологии. В настоящий момент на российском рынке лишь малая часть терминалов оснащена такой опцией. Вместе с тем MBMS поддерживается большинством современных микросхем премиального уровня и некоторыми чипами среднего ценового диапазона. Поскольку стоимость микросхем снижается, можно ожидать, что в ближайшие годы почти все новые смартфоны

будут выпускаться со встроенной поддержкой MBMS. Как показывают опросы, для коммерчески успешного запуска услуг на базе MBMS доля таких смартфонов должна составлять не менее 30%. Обновление этих устройств происходит в среднем один раз в полтора-два года. Поэтому можно ожидать, что в течение нескольких лет количество смартфонов с поддержкой MBMS достигнет «критической массы», при которой запуск услуг на основе MBMS станет экономически целесообразным.

Александр Шелупинин, менеджер по техническим решениям, Nokia