5G邊緣計(jì)算視訊體驗(yàn)增強(qiáng)解決方案

李立平，王金東，方琰崴，陳亞權(quán)

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

0 引言

據(jù)愛立信移動市場報(bào)告預(yù)測，到2025 年，移動網(wǎng)絡(luò)視頻流量將以每年約30% 的速度增長[1]，視頻類將占移動數(shù)據(jù)流量的近四分之三。移動視頻流量的增長主要由兩方面推動，一是許多在線應(yīng)用嵌入視頻、視頻點(diǎn)播（VoD）服務(wù)用戶數(shù)和每用戶觀看時長的增長，二是智能設(shè)備上更高清晰度視覺效果需求，隨著智能手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，高清（720p）、全高清（1 080p）、超高清（4K、8K）變得越來越普遍，依托5G 網(wǎng)絡(luò)所能提供的良好用戶體驗(yàn)，更多身臨其境的媒體格式和應(yīng)用成為推動移動數(shù)據(jù)流量增長的重要因素[2]。

據(jù)Omdia 預(yù)測，到2023 年，5G 視頻創(chuàng)新應(yīng)用市場將每年高達(dá)230 億美元?；?G 的視頻廣告、娛樂視頻、AR 將迎來爆發(fā)，5G VR 和5G 云游戲開始興起，視頻業(yè)務(wù)將迎來蓬勃發(fā)展的新時期。從2019 年到現(xiàn)在，全球使用最頻繁的移動APP 基本上都是跟視頻相關(guān)的，參考圖1，最典型的就是風(fēng)靡全球的抖音短視頻。特別值得注意的是，2020 年，由于新冠疫情對社會的巨大影響，居家辦公和隔離辦公成為趨勢，以ZOOM、微軟Teams 為代表的視頻會議APP 迅速崛起。

圖1 全球最流行應(yīng)用及COVID-19疫情前后變化

1 視訊業(yè)務(wù)體驗(yàn)給移動通信網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)

從用戶角度看視頻，主要分為點(diǎn)播和直播。點(diǎn)播是指被請求視頻已存在于源服務(wù)器，用戶向視頻服務(wù)器發(fā)送視頻訪問請求，直播指在內(nèi)容產(chǎn)生的同時用戶對內(nèi)容進(jìn)行觀看。在傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)中，內(nèi)容源上傳內(nèi)容到Web服務(wù)器，由Web 服務(wù)器響應(yīng)用戶視頻請求。在這種方式下，內(nèi)容基于TCP 和HTTP 進(jìn)行下載，或是以流的形式傳遞用戶。但TCP 并不能快速適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)變化，如信道環(huán)境改變、終端登錄和注銷等都會導(dǎo)致無線鏈路容量變化，并且這種長距離的視頻傳輸也增大了鏈路故障率，造成很高的時延，無法保證用戶體驗(yàn)。

另外，對于內(nèi)容源，當(dāng)下業(yè)界普遍采用CDN（Content Delivery Network）分發(fā)機(jī)制，按區(qū)域設(shè)置CDN，將內(nèi)容預(yù)先分發(fā)到各區(qū)域CDN 節(jié)點(diǎn)，再由各區(qū)域CDN 節(jié)點(diǎn)響應(yīng)本區(qū)域用戶請求。CDN 分發(fā)機(jī)制在一定程度上改進(jìn)了時延問題，但這種改進(jìn)對于直播這種高并發(fā)，并且對實(shí)時性和流暢性要求很高的場景來說仍然力不從心。并且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，業(yè)務(wù)平臺通常部署在核心網(wǎng)之后，這不僅不利于超清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR,Virtual Reality）等高帶寬應(yīng)用的快速發(fā)展，而且也無法滿足車聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR,Augmented Reality）等低時延需求。

這些影響用戶體驗(yàn)的問題，備受用戶關(guān)注，如何提升最終用戶的視訊體驗(yàn)，涉及面非常的廣，包括源端的信息采集（單攝像到多攝像到深景和全景攝像）、中間的加工（背景、美妝、換顏、2D 轉(zhuǎn)3D 等）以及快速響應(yīng)終端的互動點(diǎn)擊（場景切換、渲染等）。本文將聚焦于通過5G 移動網(wǎng)絡(luò)邊緣技術(shù)，針對上述提到的TCP 網(wǎng)絡(luò)連接不足、原有CDN 部署問題等問題，給出解決方案。

2 5G邊緣計(jì)算視訊體驗(yàn)增強(qiáng)解決方案

為了保證用戶視訊體驗(yàn)，針對TCP 質(zhì)量，通過運(yùn)營商掌握的通信網(wǎng)絡(luò)信息提供更好的TCP 優(yōu)化（TCPO,TCP Optimization）是一種比較好的解決方案。而針對內(nèi)容分發(fā)，則重點(diǎn)引入5G 移動邊緣計(jì)算MEC（Multi-access Edge Computing）[3]，通過在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣配置服務(wù)器，將云計(jì)算資源、內(nèi)容服務(wù)節(jié)點(diǎn)（CDN）下沉至無線接入網(wǎng)邊緣，越來越靠近無線終端設(shè)備UE，以縮短時延，節(jié)省傳輸帶寬，以直播場景為例，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 5G邊緣部署及CDN下沉

通過MEC，內(nèi)容源可以直接上傳內(nèi)容到部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC 服務(wù)器上的CDN，再由該邊緣CDN 響應(yīng)用戶視頻請求，極大地降低用戶觀看視頻時延。同時，基于MEC 本身的計(jì)算能力增強(qiáng)技術(shù)，比如高性能處理器、GPU/ 智能網(wǎng)卡等硬件加速等，可以實(shí)時感知無線鏈路狀態(tài)并根據(jù)鏈路狀態(tài)對視頻進(jìn)行在線轉(zhuǎn)碼，從而保障視頻流暢性，實(shí)現(xiàn)視頻智能加速[4]。

3 5G邊緣計(jì)算視訊體驗(yàn)增強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 TCP邊緣優(yōu)化

運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)，包括正在建設(shè)的5G 網(wǎng)絡(luò)，或多或少存在著諸如信號覆蓋不足、信號干擾、小區(qū)擁塞等問題，正是這些問題導(dǎo)致了空口基于TCP的數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)高時延、丟包、亂序、吞吐下降等缺陷。這些缺陷直接影響用戶體驗(yàn)，如視頻觀看卡頓、文件下載速率不均、網(wǎng)頁瀏覽速度慢等，如果只通過無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方式解決這些問題，相對而言成本比較高，周期也比較長，可以考慮在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣部署TCP優(yōu)化設(shè)備，盡量解決一部分問題，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

運(yùn)營商數(shù)據(jù)管道分為兩段，第一段是從終端到核心網(wǎng)，比如4G PGW、5G UPF，第二段是從核心網(wǎng)到ISP（Internet Service Provider，Internet 或者本地/專網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺），TCP優(yōu)化設(shè)備通常部署在第二段。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)部署，將UPF 等用戶面設(shè)備部署在MEC 平臺下沉至無線網(wǎng)絡(luò)邊緣，TCP 優(yōu)化設(shè)備也可以部署于MEC 平臺就近對空口TCP 進(jìn)行優(yōu)化，以提升無線網(wǎng)絡(luò)利用率和增強(qiáng)用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)[5]，如圖3 所示：

圖3 5G邊緣部署TCP優(yōu)化

TCP 優(yōu)化步驟如下：

（1）動態(tài)測量用戶面如Gn、Gi、N3 和N6 接口媒的體流狀況如時延，決定哪些流需要進(jìn)行TCP 優(yōu)化，哪些流不需要進(jìn)行TCP 優(yōu)化，不需要進(jìn)行TCP 優(yōu)化的直接旁路（Bypass）。

優(yōu)化決策前提條件，通過RTT（Round Trip Time ）設(shè)置閾值：

閾值A(chǔ)=(N3 RTT)/(N6 RTT)，閾值B=N6 RTT，具體值需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求定義。

在媒體流建立TCP 連接過程中，如果測量出的最大(N3 RTT)/(N6 RTT)＞閾值A(chǔ) 且測量出的N6 RTT 值＜閾值B，則此媒體流需要進(jìn)行優(yōu)化，其他情況不需要優(yōu)化，直接旁路（Bypass）。

（2）根據(jù)測量信息決策優(yōu)化參數(shù)，包括：初始擁塞窗口、慢啟動門限等提升數(shù)據(jù)傳輸啟動階段的傳輸效率，使網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率最大化。

當(dāng)TCP 流首次被TCPO 優(yōu)化時，擁塞避免閾值（Congestion Avoidance Threshold）、擁塞窗口大?。–ongestion Window Size）等初始參數(shù)根據(jù)手動預(yù)定義的初始表設(shè)置，初始表包含以下內(nèi)容，如圖4 所示：

圖4 TCP初始化參數(shù)產(chǎn)生依據(jù)

（3）通過TCP 擁塞控制算法適用不同業(yè)務(wù)場景需求，比如采用：基于丟包的擁塞控制算法New Reno、High-Speed、CUBIC 等；基于帶寬估計(jì)的擁塞控制算法Westwood、時延& 帶寬混合型擁塞控制算法FAST 等，通過TCP 優(yōu)化算法得到明顯的優(yōu)化效果如圖5 所示：

圖5 TCP優(yōu)化效果

圖5 上圖顯示的是基于100 Mbit/s、100 ms 下的丟包率和有效帶寬，只要有萬分之一的丟包率，標(biāo)準(zhǔn)TCP的帶寬就只剩30%；千分之一丟包率時只剩10%；有百分之一的丟包率時幾乎就卡住了。而采用TCP 優(yōu)化算法在丟包率5% 以下幾乎沒有帶寬損失，在丟包率15% 的時候仍有75% 帶寬。

圖5 下圖顯示的是緩沖區(qū)大小與延遲的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)TCP 傾向于把緩沖區(qū)填滿，但緩沖區(qū)越大，延遲就越高。當(dāng)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入速度很慢時，這個延遲可能超過操作系統(tǒng)連接建立的超時時間，導(dǎo)致連接建立失敗。采用合適的TCP 優(yōu)化算法可避免該問題，緩沖區(qū)大小對延遲影響不大，這樣就大幅減少連接失敗概率。

3.2 內(nèi)容下沉邊緣

原有CDN 網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容需要從相對集中的核心數(shù)據(jù)中心調(diào)用，媒體流量需要經(jīng)過骨干網(wǎng)絡(luò)，這對整張網(wǎng)的流量負(fù)荷造成非常大的壓力。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，MEC 部署在業(yè)界已達(dá)成廣泛共識，通過基于MEC 的部署CDN主要可以給運(yùn)營商帶來4 個明顯的優(yōu)勢：

（1）將CDN 下沉至邊緣就近服務(wù)，內(nèi)容更靠近用戶可以減少傳輸距離，降低延遲，提高體驗(yàn)并有效降低對骨干網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，比如當(dāng)戶均流量達(dá)50 M 和100 M 時，CDN 下沉將節(jié)省骨干網(wǎng)絡(luò)回源帶寬達(dá)150 G 和300 G。

（2）應(yīng)對熱點(diǎn)沖擊，熱點(diǎn)事件往往引發(fā)爆發(fā)式的視頻觀看需求，這種需求持續(xù)時間短，沖擊力大，但按峰值建網(wǎng)成本又非常高，CDN 下沉接入機(jī)房，可快速把熱點(diǎn)視頻下發(fā)，紓緩?fù)话l(fā)流量。

（3）增加新的業(yè)務(wù)場景，如全場景直播、景區(qū)AR 等。

（4）運(yùn)營商可以通過提供邊緣下沉CDN 進(jìn)入OTT市場。

基于MEC 部署CDN 涉及如下技術(shù)改進(jìn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)動態(tài)自組網(wǎng)Mesh CDN，Mesh CDN組網(wǎng)架構(gòu)可有效降低CDN 傳統(tǒng)樹型架構(gòu)內(nèi)容上傳和回源路徑長、響應(yīng)速度慢的問題。

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)部署加速，自媒體盛行，不同形式的內(nèi)容可以隨時在任何地方生成，且在利用5G 邊緣MEC 部署CDN，內(nèi)容去中心化趨勢下，離散的內(nèi)容將分布在網(wǎng)絡(luò)的各個角落。傳統(tǒng)的CDN 解決方案是垂直煙囪式的，本地內(nèi)容生成后將首先發(fā)送回中心CDN，中心CDN 處理并打包后再經(jīng)由CDN 網(wǎng)絡(luò)傳送給最終用戶，傳送效率低，端到端時延高，帶寬占用大[6]。

通過Mesh CDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以快速整合或者索引內(nèi)容，充分利用每個CDN 節(jié)點(diǎn)直接處理和分發(fā)本地內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)注入和多點(diǎn)服務(wù)，為此，Mesh CDN 架構(gòu)需要增強(qiáng)CDN 單節(jié)點(diǎn)處理能力和進(jìn)行CDN 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度。CDN 單節(jié)點(diǎn)處理能力可以依賴于增強(qiáng)MEC 本身的硬件設(shè)備能力，如圖形圖像處理采用GPU，流量處理采用FPGA 智能網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)處理器，并與MEC 節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作[7]。同時Mesh CDN 方案還引入人工智能技術(shù)，自學(xué)習(xí)并不斷優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略完成Mesh CDN 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度。

（2）傳輸優(yōu)化

大規(guī)模用戶同時訪問的情況下，視頻傳輸QoS 的保障尤為重要。根據(jù)MEC 反饋的網(wǎng)絡(luò)狀況，由CDN 聯(lián)合PCF、SDN 等網(wǎng)元以及CDN 自身業(yè)務(wù)能力切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻傳輸?shù)膿砣刂坪蛶捑狻?/p>

傳統(tǒng)視頻提供商的CDN，存在著無差別傳輸問題，不管什么用戶，其傳輸管道皆相同，無法保障網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中帶寬的質(zhì)量，在高峰期會導(dǎo)致卡頓等現(xiàn)象。傳統(tǒng)視頻提供商也想解決這方面的問題，但網(wǎng)絡(luò)本身是由運(yùn)營商管理，只能依賴于運(yùn)營商才能實(shí)現(xiàn)傳輸優(yōu)化。如果由運(yùn)營商提供CDN，比如中國移動的咪咕就是基于中國移動自己的視頻平臺與CDN，這樣就可以將應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)傳輸相結(jié)合，即能保障了用戶的端到端傳輸，優(yōu)先調(diào)度傳輸資源，又能基于統(tǒng)一的端到端管理具備向4K、8K 視頻業(yè)務(wù)演進(jìn)能力。

（3）業(yè)務(wù)連續(xù)性

包括固移網(wǎng)絡(luò)間切換、多MEC DC 切換時的業(yè)務(wù)無縫遷移。MEC 層面的無縫遷移有多種解決方案，但視頻業(yè)務(wù)層面目前業(yè)界還沒有完善的解決方案，更沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，比較容易想到的是采用超時鏈接重建的方式利用終端緩存進(jìn)行彌補(bǔ)，但存在一定幾率造成卡頓影響體驗(yàn)，尤其是直播場景。為此設(shè)計(jì)了相對完善的源MEC 通知方案和目標(biāo)MEC 通知方案，使用戶在跨MEC 的多CDN 之間移動時盡量保持視頻業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

1）源MEC 通知方案：

源MEC 主動檢測到用戶位置切換后即發(fā)起切換通知到源MEC 上的CDN；

源MEC 上CDN 攜帶目標(biāo)MEC 位置信息通知用戶訪問新的CDN（切換目標(biāo)MEC 上）服務(wù)。

2）目標(biāo)MEC 通知方案：

目標(biāo)MEC 檢測到用戶進(jìn)入其區(qū)域后向源MEC 發(fā)起切換請求；

源MEC 收到目標(biāo)MEC 用戶位置切換請求后即發(fā)起切換通知到源MEC 上的CDN；

源MEC 上CDN 攜帶目標(biāo)MEC 位置信息通知用戶訪問新的CDN（切換目標(biāo)MEC 上）服務(wù)。

為了保證切換過程中不存在服務(wù)中斷問題，以上這兩種方案都需要源和目標(biāo)MEC 之間路由互通，客戶端則需要配合如本地緩存等來盡量維護(hù)切換過程中視頻的連續(xù)性。

這兩種方案還無法解決用戶離開MEC 區(qū)域及MEC CDN 服務(wù)異常時的業(yè)務(wù)連續(xù)性。用戶訪問當(dāng)前MEC 下的CDN 邊緣節(jié)點(diǎn)，如果用戶離開當(dāng)前MEC 區(qū)域后未能檢測到新的MEC CDN 節(jié)點(diǎn)可以提供服務(wù)，此時業(yè)務(wù)無法連續(xù)。MEC 動調(diào)整負(fù)載，降低CDN 優(yōu)先級導(dǎo)致UE 需要重新請求其它CDN 節(jié)點(diǎn)服務(wù)，這個過程中如果MEC上CDN 應(yīng)用出現(xiàn)異常，MEC 在檢測到異常后會停止分流，由于CDN 應(yīng)用已異常無法通知UE 重新請求其它CDN節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，此時業(yè)務(wù)無法連續(xù)。

（4）內(nèi)容分發(fā)優(yōu)化

1）廣播組播應(yīng)用

除傳統(tǒng)的OTT 碼率自適應(yīng)、協(xié)議優(yōu)化等技術(shù)，還重點(diǎn)考慮OTT 組播、FeMBMS 廣播組播技術(shù)的應(yīng)用。

2）分發(fā)算法優(yōu)化

因部署于MEC 的CDN 覆蓋區(qū)域有限，面向的用戶規(guī)模相對較少，傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)算法需要進(jìn)一步優(yōu)化，可以充分利用MEC 側(cè)提供的有效信息，摒棄僅根據(jù)訪問熱度進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)的策略，充分考慮用戶身份、軌跡、逗留時間、偏好等因素構(gòu)建基于用戶行為的內(nèi)容分發(fā)預(yù)測模型，顯著提升MEC-CDN 的命中率，有效降低回源帶寬消耗。

通過在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣MEC 部署CDN，使資源更加便捷快速地從邊緣DC 調(diào)用，降低了主干網(wǎng)絡(luò)流量，直接節(jié)省主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本超過50%。運(yùn)營商除了可以建設(shè)CDN 來降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，也可以將CDN 能力租用給其他第三方廠家來提高公司營收能力。以英國電信為例：在過去，BBC 新聞與專門提供CDN 服務(wù)的美國Akamai（阿卡邁）公司合作，將所有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)部署在Akamai 的CDN 當(dāng)中，再由Akamai 來向運(yùn)營商支付網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，運(yùn)營商在其中只是充當(dāng)管道。現(xiàn)在運(yùn)營商可以憑借自己網(wǎng)絡(luò)邊緣站點(diǎn)數(shù)量多的優(yōu)勢來部署CDN，直接為客戶提供CDN 與網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，且可以結(jié)合接入網(wǎng)絡(luò)狀況提供更高可靠性。

由此可見，運(yùn)營商在未來的發(fā)展過程中，可以脫離只提供管道的單一角色，獨(dú)立或者以合作的方式直接提供服務(wù)，不僅可以為運(yùn)營商帶來業(yè)務(wù)，也可以推出視頻會員等增值業(yè)務(wù)從而滿足不同客戶的需求，提高用戶忠誠度。運(yùn)營商也從之前的單一網(wǎng)絡(luò)管道提供者成為了業(yè)務(wù)使能者，營收也隨之提高。

4 結(jié)束語

本文針對將5G 網(wǎng)絡(luò)中視訊資源下沉到無線網(wǎng)絡(luò)邊緣所需要解決的應(yīng)用場景、實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)化手段等進(jìn)行深入分析，給出基于5G 邊緣進(jìn)行TCP 優(yōu)化和CDN 邊緣部署的解決方案以增強(qiáng)終端用戶視訊體驗(yàn)，這些方案并非相互獨(dú)立的，相對于純粹的內(nèi)容提供商，運(yùn)營商有非常明顯的信息優(yōu)勢，可以利用掌握的網(wǎng)絡(luò)狀況、內(nèi)容源信息、用戶行為信息等將這些方案進(jìn)行組合，對不同客戶提供不同級別服務(wù)，隨著5G 及邊緣計(jì)算的發(fā)展，還可以結(jié)合5G eMBB，uRLLC 和mMTC 切片[8-9]提供遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療、自動駕駛、自動化工業(yè)控制、智能盤點(diǎn)等面向工業(yè)、行業(yè)專網(wǎng)[10]的最高級別保障。視頻優(yōu)化的手段還有很多，比如從視頻源開始進(jìn)行360 度拍攝、透視視角（紅外、X 光、溫感儀等）、視頻首幀加速等，傳輸過程中的無損壓縮、內(nèi)容編輯、環(huán)境渲染等，后續(xù)再逐步分析和探討解決方案，以期能更好滿足大視頻時代多樣的需求。