1. 前言

多媒體廣播多播服務（Multimedia Broadcast Multicast Services，MBMS）通過核心網和接入網對廣播和多播業務提供一種有效的傳輸模式，相對于傳統的移動廣播技術，MBMS可以復用現有網絡設備和頻譜資源。從協議角度講，MBMS并不是LTE的新特性，其最初在3GPP 3G協議版本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，因此協議定義被分步進行，物理層部分在版本8中定義，高層及網絡相關部分在版本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，每個頻道的數據傳輸速率為128kbit/s。而eMBMS的設計目標可以使小區邊緣的頻譜效率達1bit/s/Hz，相當于在5MHz帶寬范圍內，支持20個移動電視頻道，每個頻道可實現256kbit/s的數據傳輸速率[2]。通過OFDM下行編碼方式和MBMS單頻網（Single Frequency Network SFN）的使用，可以有效的提高頻譜效率和小區邊緣覆蓋[2]。

eMBMS網絡結構如下圖所示：

圖1 eMBMS網絡架構[2]

各個網元的功能如下：

廣播多播服務中心（BM-SC）：主要用于接收來自外部內容提供商的eMBMS內容，為移動網絡運營商提供應用和多媒體服務；eMBMS業務調度和數據傳輸；用戶組成員管理、訂閱和計費功能 [1] 。

eMBMS網關（GW）：屬于網絡結構中的邏輯節點，作為網關，用于處理從服務中心到所有LTE基站（eNodeB）之前的多播IP數據流。

移動管理實體（MME）：并不是eMBMS專用的網元，屬于3GPP協議版本8網絡架構中核心網的組成部分，用于處理與空口不相關的所有工作。終端的NAS層直接與核心網的MME實體進行通信。

多播協調實體（MCE）：LTE模式下eMBMS主要的網元，用于協調隸屬于同一個多媒體廣播單頻網絡（MBSFN）區域的所有小區為用戶提供相同的資源及傳輸參數。關于MBSFN詳見下節說明。

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MBSFN

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

在MBMS覆蓋范圍的地理區域稱為“MBMS服務區”。在這個服務區內，所有eNodeB同步進行傳輸的區域稱為“MBSFN同步區”。對于向多個用戶傳輸相同內容的無線小區，就組成了所謂的“MBSFN區”[1]。多個小區可以歸屬于同一個MBSFN區，一個小區可以同時屬于最多8個MBSFN區。在一個MBSFN同步區內最多可以定義256個MBSFN區，每個區域有單獨標識。一旦定義后，MBSFN區不會動態改變[2]。

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

圖2 MBSFN區域定義[2]

2.3 eMBMS新增信道

在LTE模式下，為了支持eMBMS服務，引入了新的邏輯信道（多播控制信道MCCH、多播業務信道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業務，隸屬于一個MBSFN區域的大量業務傳輸需要占用多個MTCH業務信道。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 非確認模式（UM）傳輸數據。在MAC層，一個或多個MTCH和一個MCCH復用到多播傳輸信道MCH上，再復用到物理信道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，因此引入循環前綴（cyclic prefix CP）的概念。即將每個符號的最后一段復制到此符號之前，構成保護間隔，同時還可以保持信號的正交性。只要信號在循環前綴時間范圍內到達，便可以避免符號間干擾[1]。

在eMBMS中引入了單頻網絡MBSFN傳輸數據，終端接收機接收到由于多小區傳輸而產生的多個不同時延的信號。而多小區的時延比單小區要大的多，因此為了確保接收信號同步，協議定義了擴展CP，相應的循環前綴時間從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，從而減少ISI的可能性 [2] 。

對于小區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生這種情況。在這種情況下，為了進一步避免由于CP增加導致的開銷，每單元帶寬子載波的數量加倍，子載波的間隔調整為7.5kHz[1]。

表1 eMBMS中循環前綴及子載波間隔[4]

對于混合eMBMS/多播模式，承載eMBMS數據的子幀分為非MBSFN區域和MBSFN區域。非MBSFN區域占用開始子幀的1個或者2個OFDM符號。控制信道PCFICH,、PDCCH和PHICH在這些區域映射。MBSFN區用于PMCH，此區域將使用擴展CP為15kHz的子載波間隔，以覆蓋屬于該MBSFN區域的所有小區，如表1所示。為了在終端側使用相干解調和適當的信道估計，使用小區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區域內的每個小區將在指定位置發送相同的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確性。MBSFN專有參考信號間隔依賴于MBSFN標識，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測試到生產測試所有階段的一站式解決方案。被業內廣泛認可。針對測試的階段和內容差異，CMW500可以提供多種測試模式，包括綜測儀和協議分析儀等，由于綜測儀還不具備eMBMS的測試能力，本文針對協議分析儀進行說明。

CMW500內置的 DAU數據應用單元，可以作為各種數據應用測試的服務器來使用，其中就包括eMBMS的BM-SC廣播多播服務中心。可以通過配置文件的形式配置其廣播時間和業務，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方案開發的一款圖形化測試用例開發工具，底層實現與MLAPI完全相同。作為基本構成要素的卡片只提供了最常用的參數配置，如果需要修改卡片界面上沒有提供的參數，可以通過后臺修改的方式進行。而這種方式與MLAPI中參數配置相同，因此這里對MLAPI做簡要說明。

MLAPI是R&S公司為客戶開發的一種用于腳本開發的C++ API編程接口，包括中間層應用編程接口MLAPI和底層應用編程接口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絡側底層協議棧（PDCP、RLC、MAC、PHY），從而在終端研發早期，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議棧配置，并且保證終端與網絡側之間信令交互的一致性。如果需要對終端的整個協議棧進行測試，建議使用MLAPI[6]。

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

MLAPI的實現包含大量的xml配置文件，腳本執行過程中，配置文件的參數可以作為入參被調用。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編碼標準的高層信令，也包括R&S定義的底層消息結構。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。是腳本開發最核心的過程。客戶可以基于例子腳本進行修改，如果流程只需要調用不同的狀態機相對簡單。如果現有的狀態機無法滿足測試需求，就需要修改狀態機，對客戶C語言能力要求較高。客戶可以根據實際情況進行選擇。

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議測試場景，由于MLAPI產品的使用需要用戶具備扎實的編程經驗和協議理論作為儲備，對用戶的要求較高。R&S根據市場的需要，在基于MLAPI開發了一套圖形化協議腳本開發工具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的市場已經萎縮，需求較少，因此在產品設計之初就沒有相應的支持計劃。在物聯網方面目前已經支持eMTC，2017年第一季度就可以支持NB-IOT協議測試。

CMWcards產品的設計靈感來源于撲克牌游戲，腳本的基本構成元素是卡片，每一張卡片代表一個流程或者步驟，對應MLAPI中狀態機的封裝。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，從左到右順序執行。根據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，只實現某些特定功能，比如提示終端關機，開機；定時器控制；循環控制等。

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建立、激活、釋放；信號強度的修改；吞吐量參數配置；eMBMS服務配置等。

信令流程卡片：卡片中間圖標彩色顯示，并遵循顏色規則，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，下圖中只體現了經常用到的一些窗口選項。界面的布局可以根據客戶的習慣隨意修改。

單個腳本測試及功能調試可以在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規則

CMWcards每一張卡片中間有一個圓形的圖標用于表示此卡片的功能，結合文字說明，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的顏色和輸出狀態的顏色。此顏色與RRC協議狀態一致。如果協議狀態沒有發生改變，則此卡片中間圖案也沒有顏色改變。如果協議狀態發生改變，相應的狀態顏色也會改變，如下圖所示。

圖4 CMWcards顏色規則示意圖[7]

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

測試腳本創建好后，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，比如協議狀態是否符合顏色規則，參數配置是否符合協議等。

3.3.3 Hopscotch方式

在腳本的開發過程中，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，由于目前開發的卡片數量已經超過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位置有很多種選擇路徑，CMWcards已經將所有可供選擇的路徑都列出來了，可以根據需要進行選擇，這樣實現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腳本開發的精髓，也決定了CMWcards的易用性。

3.3.4 參數配置

CMWcards為了易用性最大化，在卡片界面只提供了最常用的參數配置。如果需要實現對所有參數的配置，可以采用兩種方式：后臺參數修改方式和 CMWcards Advanced模式。后臺參數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月正式發布，可以在協議流程窗口實現對所有高層消息的修改，并支持系統信息導入功能，這一功能將使CMWcards的靈活性獲得巨大提升。

與eMBMS相關的參數配置主要在SIB2和SIB13中，而在CMWcards界面上并沒有提供參數配置接口，因此我們可以采用上述兩種方式進行。以SIB2參數配置決定MBSFN的傳輸無線幀和子幀位置。根據下圖中SIB2的參數配置，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，根據下圖SIB13的參數配置，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配置

由于CMWcards的底層實現是MLAPI，所以實現方案基本相同，唯一的差別就是CMWcards將參數配置移植到了每一張卡片中實現。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，激活動態調度等。

Power Off：手動測試時會彈出提示框提示終端關機。

Reference Time：參考時間設置，測試終端的系統時間將會被修改為2014-04-24 1500。“Broadcast SIB16”決定網絡側是否使用SIB16實現時間同步。“NITZ”決定是否提供網絡標示及時區。

Start Server：啟動HTTP/DNS服務器，根據需要可以啟動多個服務器。

UICC Setup：SIM卡參數配置。

LTE Cell Setup：小區建立，每個小區需要一張卡片。包含系統消息中最常用的參數配置。

LTE Security：加密和完整性保護算法設置。

eMBMS N/w：配置MBSFN區參數。

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

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承載用于承載業務，業務使用哪一路承載取決于終端設置。

eMBMS Server及Service：Server只需要配置一個，每個業務配置一個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，做好準備，根據參考時間的配置，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，提示內容根據需要設定。

Idle Mode：RRC連接釋放流程。

流程的后半段主要驗證終端IDLE態和連接態下都可以接收eMBMS業務。

測試流程結束后會有小區釋放等結束動作。

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

本文首先闡述了eMBMS的理論，并提出了基于R&S CMW500協議分析儀的CMWcards測試解決方案。由于CMWcards基于MLAPI開發，且底層實現與MLAPI完全相同，因此對MLAPI也做了簡單介紹。MLAPI采用C++語言實現，通過狀態機的調用及參數配置實現對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開發的圖形化測試腳本開發工具，通過圖形化卡片進行腳本開發及參數配置來實現對eMBMS的測試，使用簡單方便，開發效率很高，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，客戶可以根據實際需要進行選擇。