基于E-MBMS的大范围动态交通信息发布方法研究*

娄 路

（重庆交通大学信息科学与工程学院 重庆400074）

1 引言

交通拥堵是现代城市面临的共同问题。尽管各国政府大力投资公路道路建设，公路总量持续增长，但公路道路建设始终滞后于汽车市场的发展，我国主要城市的交通拥堵问题已日趋严重，大多数城市的平均行车速度已降至20 km/h以下，有些路段甚至只有7～8 km/h[1]。由于车辆速度过慢，交通拥堵造成了巨大的时间浪费和行程延误，同时尾气排放量增加，使得城市的空气质量进一步恶化，加重了环境污染，造成巨大的经济损失。动态交通信息服务是智能交通系统的重要组成部分，可以将道路网中的临时交通管制、交通拥堵、突发事故、公共紧急信息等相关交通因素实时动态地广播出来，使出行者及时获得整个交通道路状况并调整出行计划、行车路线。动态交通信息服务正在成为解决交通瓶颈的途径之一，其重要性正被越来越多的人所认可。

交通信息服务系统主要完成地理和交通信息的采集、分析、融合及发布，协助出行者从出发点顺利到达目的地，使出行更加安全、高效、舒适。典型的交通信息服务系统一般包括路径引导及路径规划、车辆动态导航、交通诱导、停车信息、天气及路面状况预报、公告紧急广播等。动态交通信息发布技术是交通信息服务系统中的关键环节，其作用是将采集的动态交通信息用广播的方式实时发布到移动车辆或出行者的信息接收终端上，及时广播交通安全与导航信息，提高行车安全，减少交通事故，改善交通及驾驶环境。

针对国内目前常用的动态交通信息发布技术存在实时性差、覆盖面窄、服务成本高、商业模式不佳等缺点，本文提出一种新的解决方案。基于移动通信网络的增强型多媒体广播和多播服务（E-MBMS），对城市动态交通信息进行纠错编码封装，通过高速的下行无线通道大范围实时推送至移动用户手机或者嵌入手机模块的车载导航终端上。该方案充分利用了E-MBMS架构的技术优势，针对接收端丢失数据分组恢复的关键问题，提出了对应的解决措施。

2 动态交通信息服务的发展现状和不足

动态交通信息服务是智能交通领域的研究热点，为解决大城市交通困境，日、美、欧等发达国家和地区的政府和企业投入了大量资源进行研究与应用，已取得了许多研究经验，并从中获得了显著的社会经济效益。

日本的道路交通情报通信系统（VICS）和欧洲的广播数据系统——交通报文频道（RDS-TMC）系统是世界上著名的动态交通信息应用服务系统。

VICS是动态交通信息采集管理发布应用系统，通过收集、处理道路交通信息，并把这些信息通过各种通信媒体（FM多工数据广播、微波信标、光信标等）发布到VICS车载设备上，截至2006年3月，日本国内已经有1 800万辆汽车使用了VICS[2]。 通常驾驶员可以得到3种形式的信息：文字、简易图形和地图显示。这些信息可以使驾驶员明确掌握各种情况，帮助减少迷路次数，选择最短路线或顺利找到目的地、泊车位；同时能够使驾驶员情绪得以稳定，降低交通安全事故发生次数，缓解和解除交通堵塞。与没有配置VICS设备的车辆相比，配置VICS的车辆可以缩短大约15%的驾驶时间。经过近年来不断的发展和完善，VICS的覆盖范围遍及日本全国，所提供的多种出行信息（包括实时路况和旅行时间预测、停车场信息、交通事件和天气状况等）的实时发布服务，在改善交通安全、道路通畅和环境保护方面做出了很大贡献。

RDS-TMC是目前欧洲唯一的使用范围最广、应用最成功的交通信息解决方案[2]。RDS是1984年由欧洲广播联盟(EBU)制定的数据广播系统规范，其主要特点是利用现有的FM资源完成城市交通信息广播。RDS接收机的调频波段为87.5～108.0 MHz，相邻电台波段间隔至少100 kHz，在57 kHz上加载副载波数据。数据内容包括电台类型、节目类型、交通公告、广告信息、标准时间、天气预报等。随着DAB（数字音频广播）在欧洲的逐步普及，基于DAB方式的TMC（即DAB-TMC）开始崭露头角，与RDS-TMC相比，其具有传输速度快、更新周期短、传输效率相对较高的特点，将成为欧洲未来的动态交通信息发布技术。

随着我国城市智能交通的大力建设，动态交通信息服务系统的研究和应用得到了快速发展。比如2004年10月，为了展示TMC应用技术，开展大范围、廉价的动态交通信息服务供技术准备和示范，在欧盟亚洲信息与通信合作研究计划（Asia IT&C）框架支持下，北京市动态交通信息服务示范平台项目开始建设。该项目旨在运用智能交通技术，完成交通信息的实时采集、编辑处理、动态发布和车载导航，建立一个基于交通信息广播频道的动态交通信息发布及车载导航示范系统。2007年10月，北京移动呼叫中心开通的12580提供实时路况查询服务。2008年1月，北京首款支持动态交通信息导航（北京地区）的产品正式推出。在2008年8月北京奥运会举办期间，北京市已经可以通过导航仪、手机、动态交通信息板、交通广播、地面移动电视广播和互联网等媒体，向公众实时提供城市动态交通信息[3]。经过多年的发展，我国许多城市进行的智能交通基础建设为动态交通信息的采集、处理奠定了基础，而电子、通信、网络和汽车领域技术的快速发展则为交通信息的发布、导航、基于位置的服务等应用提供了技术和产品支撑。目前我国动态交通信息服务市场的产业链已经基本成型，具有广阔的市场前景。图1是动态交通信息服务系统框架。整个产业链基本上由基础交通信息采集、多数据融合处理和匹配、实时发布和信息接收4个环节构成，服务领域面向政府、企业和个人用户。

目前国内许多城市的道路动态信息发布形式以道路信息诱导屏、交通台电台广播、手机短信、互联网网站等为主，存在技术不成熟、信息处理复杂、接收方式不统一、实时性和系统性较差、覆盖范围窄等问题，无法满足大规模动态交通信息发布的需求。能够进行大规模信息发布的可选广播技术有FM调频副载波、DAB、TMMB（地面移动多媒体广播）和CMMB（中国移动多媒体广播）。国内利用FM调频副载波或DAB广播技术的城市极少，加之FM调频副载波信号带宽小，DAB接收终端非常昂贵，因此前景不甚明朗；而TMMB虽然赢得手机电视国标的竞争，但目前的市场推广情况远落后于CMMB；CMMB是国家广播电影电视总局力推的移动电视广播标准，截至2008年6月，全国已经有37个城市开通CMMB网络，集成了CMMB信号接收功能的手机、PDA、导航终端等设备已经愈加普及，但仍然存在接收终端类型单一、单向信道、信号覆盖深度不够（遮挡或者室内盲区）和收费模式不明等问题。

国内市场目前急需投资较少、见效较快、平台化、大容量的交通信息服务解决方案，研究一种先进的适合我国市场的动态交通信息发布方案越发显得重要而急迫，因此本文提出一种基于3G LTE E-MBMS的交通信息发布方案。

3 基于E-MBMS的交通信息发布方案设计

3.1 E-MBMS概况

3GPP长 期 演 进 技 术 （long term evolution，LTE）为3GPP标准，是GSM超越3G与HSDPA阶段迈向4G的进阶版本，曾经也被俗称为3.9G，2010年12月6日，国际电信联盟把LTE正式选择为4G标准之一[4]。MBMS是3GPP提出的多播和广播业务标准，在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，不仅能实现纯文本、低速率的消息类多播和广播，而且还能实现高速多媒体业务的多播和广播。在LTE中，MBMS被称为E-MBMS（增强型MBMS），支持增强型的多播和广播业务，是从R6/R7中的低成本MBMS演进而来。LTE使用正交频分复用（OFDM）的射频接收技术以及MIMO的分集天线技术，大大提高了物理层的传输能力，与3G相比，LTE具有高数据速率、可分组传送、低时延、广域覆盖和向下兼容等技术优势。E-MBMS为了降低系统的复杂度，在现有MBMS的基础上进行了一些改进，能够支持更高速率的多媒体数据发布，提供更好的服务质量。E-MBMS的体系结构如图2所示[4,5]。

在E-MBMS中，包括MBMS逻辑实体和MBMS协调管理功能实体（MCE）以及相关的控制面、用户面接口。E-MBMS这种完整、独立的逻辑架构，使得E-MBMS各部分功能可以灵活部署，便于资源优化和性能提升[6,7]。MBMS提供两种模式进行业务下发：PTP（point-to-point）和PTM（point-to-multipoint）。使用PTM模式可以让定制同类MBMS业务的用户通过同一个传输信道FACH（前向接入信道）接收同一份数据，因此能够提高无线信道的使用效率。然而使用FACH信道时的发射功率要大于专用传输信道（DCH），当接收该MBMS业务的用户数量较少时，使用FACH信道会造成功率浪费。因此在MBMS中，综合考虑到发送功率限制和无线信道使用效率等相关因素，MBMS提供两种模式下发业务，使用FACH作为PTM模式的传输信道，使用DCH作为PTP模式的传输信道，而两种模式的选择取决于接收该MBMS业务的用户数量[4]。

与MBMS通过次公共控制物理信道或专用物理下行信道发送MBMS业务不同，E-MBMS通过高速物理下行共享信道发送MBMS业务，由于高速物理下行共享信道支持全小区的广播功能，因此在E-MBMS中只有PTM模式，降低了系统复杂度。

3.2 基于E-MBMS实现大规模的动态交通信息发布

E-MBMS提供了一个可扩展的机制，既能支持流媒体发送，也能支持文件下载，图3是典型的利用移动运营商的E-MBMS发布交通信息的结构示意。由于基于MBMS的广播和多播采用单向下行传输技术，因此用来传输文件时，不能使用著名的传输层控制协议（TCP）。为此，因特网工程任务组（IETF）提出了单向传输的文件传送（FLUTE）架构，FLUTE采用用户数据报协议（UDP）作为底层传输协议，由于UDP不能保证传输可靠性，因而FLUTE使用了差错编码和前向纠错（forward error correction，FEC）技术对源数据进行封装预保护，在接收端对丢失或出错的数据分组进行最大程度上的恢复[7]。

传统的数据文件传输协议在编码时简单地把数据文件分成若干个数据分组，进行重复传输直到每个数据分组都被无差错地收到，同时采用反馈信道告知哪些丢失的数据分组需要重新传送。而E-MBMS中的FLUTE在应用层采用数字喷泉码（DF Raptor）对源数据进行前向纠错预编码，再通过E-MBMS传输信道传送至多个接收端。与传统数据文件传输协议不同的是，FLUTE不需要反馈信道回传给发送端任何反馈信息，发送端在不知道哪些数据分组会被接收端接收的情况下发送数据分组，接收端接收到任意N（N只需稍微比K大一点）个数据分组后，就能通过解码算法恢复整个数据文件，因此非常适合大规模的动态交通信息发布和接收。

数字喷泉码FEC技术凭借低带宽开销、接收设备的低要求以及对3G无线通道丢失数据分组的有效保护，被选为MBMS标准的基础。数字喷泉码FEC是一种数据差错纠正技术，能够纠正遗漏或丢失的数据分组，恢复丢失的数据分组（而不需要发送方重新发送数据），能有效地保证数据网络的可靠性。与常规的伴随源数据或遗失保护数量增加、编码和解码计算使加速率上升的FEC不同，数字喷泉码FEC只随着源数据的数量呈线性增加，因此在接收端用应用层软件方案就能完成解码工作，适用于各类多媒体流及数据传输应用。数字喷泉码编码性能可以用式（1）表达[8]：

其中，p为接收端解码失败概率，k为源符号数（k>200），m为接收到的符号数目。根据式(1)可以得到喷泉码的接收端分组数据丢失概率与符号编码开销之间的关系，如图4所示。对于一个理想的喷泉码，当m=k时，解码失败概率应该为0，但是实际上仍然有85%的概率。从图4可以看出，解码失败概率随着接收端接收到的符号数目的增加呈指数下降，比如只要接收到的符号数多于12个，解码失败概率就降低到0.1%；多于24个，失败概率便接近于0（0.00001%）。因此喷泉码显示出极好的纠错编码性能，非常适用于基于数据分组传输的移动多媒体广播信道，特别是要求无误码的数据下载与传输业务。

3.3 接收端丢失数据的恢复技术

单向传输的广播技术普遍存在一个问题：发送端无法确知接收端是否完整无误地接收到所有数据。通过E-MBMS发布流媒体电视类节目，少量的分组丢失率并不影响客户端的正常收看。对于利用E-MBMS进行大范围的动态交通信息发布服务，则必须保证各类交通信息，特别是公共交通信息（包括动态的交通流信息和静态的交通设施、电子地图等）的每一个数据分组能够被每个接收端正确无误地接收。喷泉码编码具备极好的纠错能力，在满足基本要求的情况下几乎能准确无误地恢复所有丢失的数据分组。但为了保证文件100%无差错传送，FLUTE架构中又定义了一个点对点的文件修复方法，即在广播数据传送完成后，如果发现文件有错，接收端可以通过其他双向信道用HTTP连接到修复服务器上，提出对出错的数据分组的重传请求，这样E-MBMS便可以保证文件传送的可靠性[9,10]。

这个点对点文件修复方法虽然可以彻底解决数据分组丢失问题，但是必须借助额外的双向信道资源（如无线移动互联网），即占用系统资源，对服务端和接收端也存在复杂度高、需建立鉴权接入等相关问题，因此只适用于少量接收端出现传输信道分组丢失严重的极端情况。为此，本文提出数据重播方法来解决大范围的交通信息接收端丢失数据的恢复问题：发送端周期性重播相同的内容，接收端在发生数据分组差错无法恢复时，不需要反馈信息，只需等待下一次重播数据接收时再进行恢复。

按照E-MBMS FLUTE，待传输的文件被划分为一个或多个源数据块，每一个源数据块又被分割为固定大小的源符号；为每个编码源符号分配唯一编码符号标志（encoded symbol ID，ESI），然后源数据块即可单独传输，也可封装映射到FLUTE负载分组中传输，如图5所示。

考虑到周期性重播将降低无线通信资源的利用率，因而必须对交通信息的重播次数进行限制，同时又要保证接收端能够利用有限的重播数据完成数据恢复工作。为了评估E-MBMS FLUTE中喷泉码FEC算法的性能、重播次数与丢失数据分组恢复的关系，本文利用仿真软件对FLUTE进行了模拟测试，设置不同的分组丢失率和编码冗余度，获得了大量的测试数据，见表1。实验结果显示，FLUTE采用的喷泉码FEC算法具有很好的数据纠错性能，只需很少的重播次数就可实现丢失数据分组的恢复，能够降低对无线信道的占用率。如在分组丢失率为10%、FEC编码冗余度为10%的预设参数下的测试结果表明：E-MBMS只需要重播2次，移动接收端即可恢复出完整无误的源数据信息。考虑到LTE E-MBMS具备高速率的下行带宽，因此采用重播方法能够解决接收端丢失数据分组的恢复难题，实现动态交通信息大范围广播发布和接收端可靠接收，在技术上是可行且高效的。

表1 E-MBMS FLUTE数据重播仿真结果

4 优势分析

采用E-MBMS发布动态交通信息，接收端设备比较统一，仅需要移动客户利用手机或具备手机数据接收模块的便携终端开通E-MBMS业务，便可方便地接收和解码交通信息。结合国内目前各种数据广播发布技术的发展情况，从信号覆盖率、交互式双向通信、计费模式灵活性、产业链配合等多方面综合考虑，E-MBMS作为动态交通信息的发布平台是一个很理想的方案，其优势主要体现在以下几方面。

·以现有无线移动通信网络为基础，可与现有移动网络无缝融合，最大程度地方便移动运营商的业务运营。与其他数字广播技术（如DAB、CMMB、TMMB）相比，它提供了一套由移动运营商管理维护的宽带数字广播、数据下载、用户鉴权、计费等相关技术手段，成熟度高，实施便利。

·最小覆盖单元是蜂窝网小区,因此可以与基于位置业务（LBS）良好融合,为不同位置的用户提供丰富的业务。因此可以选择在网络的不同区域广播不同的交通信息内容，比CMMB、TMMB的大区数据广播更具备优势。

·可以利用蜂窝网已有的双向信道实现交互，通过交互信道实现灵活的计费。除了广播业务，E-MBMS还可以提供更丰富的多播业务和其他客户定制业务，非常有利于整个产业链的协调合作。

·接收终端统一，设备成本和服务成本相对较低。手机设备端只需开通E-MBMS功能，下载安装相应的动态交通信息接收客户端解码软件，即可享受交通信息服务。

需要指出的是，本文所提方案仅考虑了动态交通信息以文件数据模式发布的情况，并没有涉及E-MBMS所支持的另一种流媒体模式发布的情况。此外，对大量不同类别的交通信息的数据融合处理、动态交通信息节目表的设计、带宽的合理分配等问题也没有进一步分析，仍需在将来的工作中继续研究。

5 结束语

本文提出一种以3G LTE E-MBMS为基础的动态交通信息发布技术方案，移动车辆和出行者借助运行E-MBMS应用客户端软件的便携智能终端，就能够及时接收动态的交通流信息和静态的交通设施、电子地图、多媒体信息等。该方案具备统一平台架构、传输纠错编码算法高效、无线带宽利用率高、接收端设备成本低等优势。通过移动运营商提供的基于E-MBMS的信息发布和管理平台，能够有效带动整个交通信息服务产业链各环节的协调配合，最终实现大范围、低成本、高效率的实时动态交通信息的发布和接收，对改善城市交通堵塞、提高交通安全、保护环境具有积极的促进作用。

1 中国ITS智能交通系统的发展对策.http://www.tranbbs.com/Techarticle/ITS/Techarticle_95730.shtml

2 潘宏.RDS-TMC技术简介及其在欧洲的应用.http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=1890,2012

3 郭继孚，温慧敏，高永.北京市动态交通信息服务系统建设及制约因素.城市交通,2008,6(2)

4 3GPP TS 23.246 V8.2.0.Multimedia Broadcast/Multicast Service(MBMS):Architecture and Functional Description,2008

5 3GPP TS 26.346 V8.1.0.Multimedia Broadcast/Multicast Service(MBMS):Protocols and Codecs,2008

6 3GPP TS36.300 V8.7.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN),2008

7 3GPP TS 22.071.Location Services(LCS),Service Description;Stage 1,2008

8 Luby M Watson,Gasiba M,Stockhammer T,et al.Raptor codes for reliable download delivering wireless broadcast systems.3rd IEEE Consumer Communications and Networking Conference,2006:192～197

9 Thorsten U Lohmar.Scalable push files delivery with MBMS.Ericsson Review,2009(1):12～16

10 娄路，谈耀.基于TPEG协议的移动位置信息服务探究.电信科学，2008(8)

11 ETSI TS 101 759 V1.2.1.Digital Audio Broadcasting.Data Broadcasting Transparent Data Channel,2005

12 Vriendt J de,Gmez Vinagre I,Van A Ewijk.Multimedia broadcast and multicast services in 3G mobile networks.Alcatel Telecommunications Review,2004(1)

13 Shin J,Park A.Design of MBMS client functions in the mobile.Proceedings of World Academy of Science,Engineering and Technology,2006(18)

14 ITU联盟宣布WiMax/HSPA+/LTE入选4G标准.http://3.zol.com.cn/209/2097174.html,2012