（2019年度“嘉環(huán)杯”獲獎?wù)撐娜泉劊┗贗Pv6 TCP包的空口視頻播放體驗(yàn)優(yōu)化研究

魏 雷 石霄飛 丁 博 許舒健

中郵建技術(shù)有限公司

0 引言

當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)用戶對于高清視頻業(yè)務(wù)的需求迅猛增加，視頻類業(yè)務(wù)流量已占總流量的近50%，用戶體驗(yàn)越來越重要。目前針對視頻業(yè)務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以“增強(qiáng)型決策樹大數(shù)據(jù)建?！睘楹诵氖侄?，結(jié)合“SDK單據(jù)+軟采單據(jù)+POI數(shù)據(jù)+15分鐘OMC數(shù)據(jù)”的地理化匯聚和關(guān)聯(lián)分析，確立視頻感知和覆蓋、干擾、容量在不同場景下的關(guān)系，視頻感知對建網(wǎng)提出了更高的要求。視頻感知提升，需要聚焦視頻質(zhì)差站點(diǎn)和質(zhì)差場景，并將視頻容量受限及弱覆蓋問題點(diǎn)納入到后續(xù)的站點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)及擴(kuò)容工作中，持續(xù)開展視頻質(zhì)差站點(diǎn)常態(tài)優(yōu)化，提升視頻質(zhì)差基站工單解決率。

1 策略算法

在用戶日常的網(wǎng)頁瀏覽/視頻播放等娛樂業(yè)務(wù)中，業(yè)務(wù)建立時延和業(yè)務(wù)速率是影響用戶體驗(yàn)的重要因素。網(wǎng)頁瀏覽/視頻播放業(yè)務(wù)的建立流程中，在無線側(cè)影響業(yè)務(wù)建立時延的因素包括上行調(diào)度和下行調(diào)度。通過評估、定界、定位、優(yōu)化，拉通互聯(lián)網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、無線、終端，優(yōu)化視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量。

典型的視頻質(zhì)差單據(jù)分析，數(shù)據(jù)源主要為SDK詳單、SEQ詳單、無線話統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

（1）SDK數(shù)據(jù)：主要用來判決用戶無線信號質(zhì)量、初緩/播放速率及視頻源相關(guān)信息；

（2）話統(tǒng)數(shù)據(jù)：結(jié)合SDK詳單進(jìn)行容量、覆蓋、干擾等方面的綜合判定；

（3）信令（SEQ）數(shù)據(jù)：主要是針對要定界的無線問題進(jìn)行快速定位；

（4）覆蓋原因：建議值RSRP≤-105dBm（SDK指標(biāo)），參考范圍[-105dBm，-108dBm]；

（5）干擾原因：SINR≤3dB，RSRP＞-105dBm（SDK指標(biāo)）或者15分鐘粒度每PRB上行干擾噪聲的平均值＞-110dBm（KPI指標(biāo)）；

（6）上行PRB平均利用率高：指15分鐘粒度上行PRB平均利用率≥50%（KPI指標(biāo)）；

（7）下行PRB平均利用率高：指15分鐘粒度下行PRB平均利用率≥50%（KPI指標(biāo)）；

（8）CCE利用率高：指15分鐘粒度CCE利用率≥50%（KPI指標(biāo)）。

結(jié)合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況，通過制作初緩時延（卡頓次數(shù)）與覆蓋、干擾、PRB利用率、CCE利用率的關(guān)系圖，確定各指標(biāo)的劣化門限拐點(diǎn)。

在基礎(chǔ)的空口優(yōu)化方法下，引入基于IPv6 TCP包的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)空口加速等功能，重點(diǎn)提升中、大包的業(yè)務(wù)用戶體驗(yàn)。以下數(shù)據(jù)由某運(yùn)營商提供，數(shù)據(jù)中共包括2萬多個小區(qū)。

表1 包業(yè)務(wù)分類實(shí)例

業(yè)務(wù) 每E-RAB流量（KB） 業(yè)務(wù)細(xì)分 細(xì)分業(yè)務(wù)典型每E-RAB流量（KB）中包類業(yè)務(wù) ≥300＜1000 背景類業(yè)務(wù) 300大包類業(yè)務(wù) ≥1000流類業(yè)務(wù) 2000文件類業(yè)務(wù) 3000

從表1可以看出，目前無線網(wǎng)絡(luò)影響用戶感知的流量業(yè)務(wù)主要是網(wǎng)頁瀏覽、視頻流、實(shí)時游戲。一般實(shí)時游戲每E-RAB流量100KB，主要是小包業(yè)務(wù)；網(wǎng)頁瀏覽每E-RAB流量在100-2000KB，涉及小、中、大包；視頻流業(yè)務(wù)每E-RAB流量在1000-2000KB，主要涉及大包。

視頻播放卡頓次數(shù)：當(dāng)用戶播放視頻等多媒體文件時，若視頻下載數(shù)據(jù)量小于播放需求數(shù)據(jù)量時，認(rèn)為視頻會產(chǎn)生卡頓。

卡頓判定=緩沖剩余數(shù)據(jù)量＜播放需求數(shù)據(jù)量（緩沖剩余數(shù)據(jù)量=實(shí)際下載數(shù)據(jù)量-播放消耗數(shù)據(jù)量）

實(shí)際下載數(shù)據(jù)量= SUM（tcp_segment_data_DL_Len）為視頻get后到統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)下發(fā)量

播放需求數(shù)據(jù)量=BR*T1（T1為時間粒度）

播放消耗數(shù)據(jù)量=BR*T2（T2為視頻資源get的時間點(diǎn)到統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的時長）

目前無線優(yōu)化手段主要優(yōu)化的是無線環(huán)境、容量、質(zhì)量三個方面。在此基礎(chǔ)上，參考Qos端到端優(yōu)化思路，可以嘗試?yán)肨CP包的特性進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)優(yōu)化，即TCP包空口加速等策略。

視頻空口加速特性會在TCP建鏈階段，通過視頻業(yè)務(wù)識別，eNodeB會執(zhí)行預(yù)調(diào)度，即主動向UE發(fā)起上行調(diào)度指示，使得上下行包得到及時調(diào)度，以降低業(yè)務(wù)建立時延；另一方面，在整個業(yè)務(wù)過程中采用更高的上下行調(diào)度優(yōu)先級，降低業(yè)務(wù)建立時延，提升上下行業(yè)務(wù)速率。

圖1 TCP包數(shù)據(jù)傳輸流程示例圖

eNodeB實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)識別方式如下：（1）通過視頻業(yè)務(wù)的流量特征中的報(bào)文大小、流量、上下行報(bào)文數(shù)比例等因素來識別；（2）通過視頻應(yīng)用的服務(wù)器標(biāo)識來識別。

圖2 TCP包數(shù)據(jù)處理流程示例圖

IPV6基于用戶側(cè)應(yīng)用的一個重要作用就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加速。IPv4時代的包亂序、TCP包建鏈延遲等問題，在IPv6時代可以通過改進(jìn)包排序算法優(yōu)化亂序、TCP包建鏈加速、代理等功能加速網(wǎng)絡(luò)訪問，實(shí)現(xiàn)速度的明顯提升。

主要核心策略如下：

IPv6引入TCP主動排序定時器：當(dāng)TCP數(shù)據(jù)報(bào)文順序到達(dá)eNodeB時，eNodeB不緩存數(shù)據(jù)報(bào)文，直接發(fā)送給UE；當(dāng)TCP數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)生亂序時，則啟動TCP主動排序定時器，亂序報(bào)文到達(dá)eNodeB后，eNodeB對其亂序重排，并將亂序恢復(fù)的TCP報(bào)文發(fā)送給UE；當(dāng)超過TCP主動排序定時器門限時，亂序報(bào)文還未達(dá)到時，將已經(jīng)緩存的所有TCP數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送給UE。對于亂序場景，亂序消除之后能夠提升數(shù)據(jù)傳輸吞吐率。

IPv6 TCP建鏈加速保障功能：啟動TCP建鏈加速保障功能，加速用戶基于HTTP/HTTPS的TCP業(yè)務(wù)，打開時延減少。

預(yù)估TCP ACK數(shù)據(jù)量的包個數(shù)：用戶BSR在調(diào)度之前上報(bào)到基站，假設(shè)上報(bào)的業(yè)務(wù)量是BSR1，而實(shí)際上行調(diào)度的業(yè)務(wù)量是BSR2，因?yàn)锽SR上報(bào)和上行調(diào)度之間還有下行調(diào)度，所以產(chǎn)生更多的TCP Ack，提升實(shí)際上行調(diào)度數(shù)據(jù)量，縮短TCP Ack時延。

HTTP GET上行調(diào)度字節(jié)：在識別SYN+ACK后，對HTTP GET的預(yù)調(diào)度時間及字節(jié)大小進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省HTTP GET時延。

SRI周期自適應(yīng)增強(qiáng)優(yōu)化功能：相對于原有SR周期自適應(yīng)，可以將更多用戶分在SR短周期，降低上行業(yè)務(wù)時長。

加速用戶預(yù)調(diào)度數(shù)據(jù)量：優(yōu)化空口加速業(yè)務(wù)的預(yù)調(diào)度數(shù)據(jù)量，該參數(shù)設(shè)置得越大，上行數(shù)據(jù)傳輸時延越低，但上行干擾和UE能耗增加。

加速用戶預(yù)調(diào)度最小間隔周期：優(yōu)化加速業(yè)務(wù)的最短預(yù)調(diào)度時間間隔，該值設(shè)置得越大，上行業(yè)務(wù)時延改善的性能越差，但UE能耗和上行干擾降低。

加速用戶預(yù)調(diào)度最大持續(xù)時間：該參數(shù)表示加速業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度的最大持續(xù)時間。增加該參數(shù)的取值，加速用戶業(yè)務(wù)時延改善的性能越好，但UE能耗和上行干擾可能增加。

策略核心腳本如下：

圖3 核心策略腳本截圖

適用場景：（1）網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)空口加速功能適用于運(yùn)營商對某項(xiàng)業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)比較關(guān)注，特別是對業(yè)務(wù)建立時延需要重點(diǎn)保障的網(wǎng)絡(luò)；（2）需要保障的對象有明確的DNS或者IP地址信息的基于TCP協(xié)議的業(yè)務(wù)；（3）不同的業(yè)務(wù)可以配置不同的加速保障策略，配置差異化的預(yù)調(diào)度參數(shù)和調(diào)度優(yōu)先級；（4）在網(wǎng)絡(luò)資源受限場景（如忙時PRB利用率＞80%的比例超過10%）增益比較明顯。

增益：對于訪問特定DNS/IP地址的用戶，縮短用戶的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)建立時延，提升網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的下載速率。DRX打開時，業(yè)務(wù)建立時延（TCP SYN到第一個下行業(yè)務(wù)包的時延）最大可以改善10%。對于網(wǎng)絡(luò)空口資源受限且業(yè)務(wù)對吞吐率有較高要求的網(wǎng)絡(luò)，用戶的速率最大可以改善20%。

影響：（1）對用戶采用主動發(fā)起調(diào)度指示，會引起上行PRB利用率增加、上行IBLER降低、上行干擾增加和CCE利用率增加等指標(biāo)波動。（2）對用戶提高調(diào)度權(quán)重，當(dāng)用戶處于遠(yuǎn)點(diǎn)較多時，會引起小區(qū)吞吐率下降、用戶感知吞吐率下降、IBLER上升、PRB利用率上升等；當(dāng)用戶處于近點(diǎn)較多時，會引起小區(qū)吞吐率上升、用戶感知速率上升、IBLER下降、PRB利用率下降等。

2 效果驗(yàn)證

結(jié)合某地市試點(diǎn)共挑選了60個視頻卡頓站點(diǎn)，其中30個位于密集城區(qū)，30個位于郊區(qū)/農(nóng)村，同時開啟視頻空口加速特性驗(yàn)證，挑選原則以近1周質(zhì)差單據(jù)數(shù)多及質(zhì)差單據(jù)占比高的為優(yōu)先。

典型密集城區(qū)實(shí)驗(yàn)站周邊卡頓事件分布（連續(xù)7天）：密集城區(qū)策略實(shí)施后，驗(yàn)證站點(diǎn)的日均視頻劣化話單數(shù)約從2.45次/站下降至1.72次/站，改善幅度約30%；日均卡頓劣化話單數(shù)從0.64下降至0.41，改善幅度約37%；日均卡頓頻次從3.99次降低至2.36次，改善幅度約41%；平均下載速率從4.4Mbps提升至4.6Mbps，提升約6%。

典型郊區(qū)/農(nóng)村實(shí)驗(yàn)站周邊卡頓事件分布（連續(xù)7天）：郊區(qū)農(nóng)村策略實(shí)施后，驗(yàn)證站點(diǎn)的日均視頻劣化話單數(shù)約從2.44次/站下降至1.77次/站，改善幅度約27%；日均卡頓劣化話單數(shù)從0.90下降至0.39，改善幅度約57%；日均卡頓頻次從5.98次降低至2.75次，改善幅度約54%；平均下載速率從4.3Mbps提升至4.75Mbps，提升約10%。

3 結(jié)束語

本研究提出一種改進(jìn)的TCP包加速算法，并通過不同場景下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在密集城區(qū)和郊區(qū)農(nóng)村都能較好減少視頻卡頓、改善初緩劣化，提升下行速率。在密集城區(qū)由于受到高負(fù)荷小區(qū)多等容量限制，總體提升幅度約6%，郊區(qū)農(nóng)村提升幅度能達(dá)到約10%，效果較理想，建議在無線性能優(yōu)化的同時推廣TCP包優(yōu)化策略，提升視頻業(yè)務(wù)用戶感知。