基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)機(jī)制研究

賈慶民 李子姝 李誠(chéng)成 謝人超 黃 韜

北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876

引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)高清視頻、AR/VR以及各種智能硬件設(shè)備已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用在豐富人們生活的同時(shí)，也產(chǎn)生了巨大的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量。根據(jù)2017年的思科VNI技術(shù)報(bào)告[1]，到2021年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到587EB，相當(dāng)于2011年全年生成的全球移動(dòng)總流量的122倍；從2016年到2021年，移動(dòng)視頻流量將增長(zhǎng)8.7倍，在移動(dòng)應(yīng)用類別中享有最高的增長(zhǎng)率；到2021年，移動(dòng)視頻流量將占總移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的78%。

快速增長(zhǎng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量，特別是移動(dòng)視頻流量，給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了極大的壓力和挑戰(zhàn)。流量爆炸給當(dāng)前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了以下影響：1)回傳網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)壓力巨大，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長(zhǎng)，使得移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)壓力增大，帶寬資源緊張，同時(shí)移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載嚴(yán)重；2)內(nèi)容重復(fù)傳輸造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)，當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用端到端的傳輸機(jī)制會(huì)造成大量流行內(nèi)容的重復(fù)傳輸，特別是移動(dòng)高清視頻內(nèi)容的傳輸；3)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大，用戶體驗(yàn)差。在當(dāng)前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，用戶的內(nèi)容請(qǐng)求要先后經(jīng)過(guò)基站、S-GW、P-GW，然后進(jìn)入Internet，路由轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容服務(wù)器。用戶到內(nèi)容服務(wù)器的空間距離使得網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延較大，再加上內(nèi)容服務(wù)器的處理時(shí)延以及傳輸鏈路發(fā)生的擁塞丟包、鏈路故障等特殊情況，都會(huì)降低用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。此外，谷歌公司研究顯示，每400ms的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延就會(huì)導(dǎo)致0.59%用戶搜索請(qǐng)求的下降[2]；亞馬遜公司也表示，每增加100ms的網(wǎng)絡(luò)延遲，就會(huì)降低1%收益[3]。

為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量爆炸，改善用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)質(zhì)量，加速內(nèi)容分發(fā)效率，緩解回程網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)提出了多接入邊緣計(jì)算(Multi-Access Edge Computing，MEC)這一全新概念，旨在在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣向內(nèi)容提供商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供云計(jì)算能力和IT服務(wù)環(huán)境，從而為終端用戶提供超低時(shí)延和高帶寬的服務(wù)[4-6]。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)直播已經(jīng)成為當(dāng)今的一個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)直播是指將活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的音頻和視頻信號(hào)經(jīng)壓縮后上傳到Web服務(wù)器或者多媒體服務(wù)器，并在Internet上根據(jù)用戶請(qǐng)求進(jìn)行分發(fā)的過(guò)程。近幾年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)直播已經(jīng)走向了實(shí)用階段，尤其是2016年至今，網(wǎng)絡(luò)直播在移動(dòng)用戶中廣受歡迎，體育賽事、音樂(lè)會(huì)、遠(yuǎn)程會(huì)議等都屬于現(xiàn)場(chǎng)直播業(yè)務(wù)。然而，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)還存在例如移動(dòng)性差、時(shí)延較大、視頻卡頓、QoS難以保證等諸多問(wèn)題。

隨著MEC技術(shù)研究的不斷深入，基于MEC的視頻分發(fā)方案已成為改善網(wǎng)絡(luò)直播質(zhì)量的重要方法。

1 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案

基于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network，CDN)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案是當(dāng)前主流的視頻直播分發(fā)方案[7-8]。如圖1所示，視頻采集設(shè)備將采集錄制的視頻流推送給邊緣CDN服務(wù)器，邊緣CDN服務(wù)器負(fù)責(zé)進(jìn)行直播視頻流的緩存和轉(zhuǎn)碼服務(wù)，然后通過(guò)Internet或CDN網(wǎng)絡(luò)，將視頻流分發(fā)到用戶邊緣的CDN服務(wù)器，為用戶提供視頻直播服務(wù)。該方案還存在諸多不可忽視的問(wèn)題，例如，在移動(dòng)性方面，由于邊緣CDN服務(wù)器部署在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之外，如果視頻采集設(shè)備通過(guò)移動(dòng)方式接入網(wǎng)絡(luò)，則需要經(jīng)過(guò)移動(dòng)接入網(wǎng)、核心網(wǎng)絡(luò)后，才能接入到Internet邊緣的CDN服務(wù)器，這會(huì)帶來(lái)一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，影響用戶體驗(yàn)；而如果通過(guò)固定方式接入邊緣CDN服務(wù)器，則會(huì)限制視頻采集設(shè)備的移動(dòng)性。另外，從視頻采集設(shè)備到用戶側(cè)邊緣CDN服務(wù)器的路徑過(guò)長(zhǎng)，時(shí)延更大的同時(shí)，路徑上發(fā)生故障的可能性也更高。

2 基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案

本文在傳統(tǒng)的基于CDN的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案上進(jìn)行創(chuàng)新，提出了一種新的基于MEC的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案。本節(jié)首先介紹基于MEC的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)機(jī)制，然后對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析論證，最后將該方案與傳統(tǒng)的CDN方案加以對(duì)比。

2.1 基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案

如圖2所示，基于MEC的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)系統(tǒng)由視頻采集設(shè)備、基站、視頻源端的MEC服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、用戶端的MEC服務(wù)器、用戶設(shè)備終端6部分組成。視頻采集設(shè)備首先將采集錄制的視頻推送至MEC服務(wù)器，由于MEC具有本地流量卸載功能，因此MEC可以直接將視頻直播流推送到Internet上，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)專線分發(fā)至距離用戶最近的MEC服務(wù)器。

圖2 基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案

由于MEC一般是以分布式方式部署在靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，因此，加強(qiáng)分布式MEC之間的協(xié)作對(duì)于改善內(nèi)容分發(fā)效率具有重大意義。在分布式部署MEC的協(xié)作分發(fā)方案中，MEC之間有兩種連接方式：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)專線連接和通過(guò)普通Internet連接。其中，MEC之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)專線的連接方式，具有更高網(wǎng)絡(luò)帶寬和QoS保證。在分布式部署MEC的場(chǎng)景下，當(dāng)視頻采集設(shè)備將內(nèi)容推送至與其最近的MEC服務(wù)器之后，該MEC服務(wù)器立即與其他位置的MEC服務(wù)器進(jìn)行內(nèi)容的同步，之后終端設(shè)備就可以向距離最近的MEC服務(wù)器請(qǐng)求內(nèi)容了。

為了更直觀地描述本文提出的基于MEC的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案，我們描述具體的分發(fā)流程如下。如圖2所示，當(dāng)視頻采集設(shè)備采集到視頻之后，首先將視頻內(nèi)容通過(guò)無(wú)線鏈路傳遞到基站，然后基站直接將視頻內(nèi)容推送至最近的MEC服務(wù)器A(視頻源端MEC服務(wù)器)，MEC服務(wù)器A對(duì)基站推送來(lái)的視頻進(jìn)行緩存和轉(zhuǎn)碼處理。如果本地用戶請(qǐng)求視頻內(nèi)容，MEC服務(wù)器A可以直接對(duì)用戶的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)；而對(duì)于非本地用戶，我們引入MEC服務(wù)器的協(xié)作機(jī)制，即將MEC服務(wù)器A上的視頻內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)絡(luò)專線或Internet，與其他地方的MEC服務(wù)器進(jìn)行內(nèi)容的實(shí)時(shí)同步，例如將MEC服務(wù)器A中緩存的最高比特率版本的直播視頻內(nèi)容通過(guò)專用線路推送至MEC服務(wù)器B，類似地，MEC服務(wù)器B對(duì)該視頻內(nèi)容進(jìn)行緩存和轉(zhuǎn)碼，以便終端設(shè)備用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇對(duì)應(yīng)比特率版本的視頻內(nèi)容。

2.2 基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的視頻分發(fā)方案，基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

1)保證視頻質(zhì)量。傳統(tǒng)方案中，視頻采集設(shè)備到Web服務(wù)器或CDN服務(wù)器之間的距離較遠(yuǎn)，視頻在上傳過(guò)程中發(fā)生鏈路擁塞、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障等網(wǎng)絡(luò)不確定因素的概率大，這些網(wǎng)絡(luò)不確定因素會(huì)影響Web服務(wù)器接收的視頻內(nèi)容的質(zhì)量。而在基于MEC的直播方案中，視頻采集設(shè)備直接將視頻內(nèi)容推送給部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC服務(wù)器，可以在很大程度上緩解這一問(wèn)題。

2)降低傳輸時(shí)延。傳統(tǒng)方案中，視頻內(nèi)容需要先從視頻采集設(shè)備到Web服務(wù)器或CDN服務(wù)器，然后再被分發(fā)給有需要的終端用戶，而從視頻采集設(shè)備到服務(wù)器的長(zhǎng)距離上傳會(huì)導(dǎo)致時(shí)延相對(duì)較大，同時(shí)Web服務(wù)器或CDN服務(wù)器也并不像MEC服務(wù)器那樣更靠近用戶，因此傳統(tǒng)方案相比于基于MEC的方案來(lái)說(shuō)，在服務(wù)器向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容的過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)延。在基于MEC的方案中，由于MEC服務(wù)器就位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，離直播視頻采集設(shè)備和用戶距離都更近，因此時(shí)延更低。

3)鏈路感知，實(shí)現(xiàn)視頻在線轉(zhuǎn)碼。在大型網(wǎng)絡(luò)視頻直播中，一般要求高清視頻，將來(lái)會(huì)發(fā)展為4K/8K高清視頻。傳統(tǒng)方案中，從視頻采集設(shè)備到Web服務(wù)器一般只傳輸分辨率最高的視頻，然后到了內(nèi)容提供商的Web服務(wù)器之后，再根據(jù)用戶終端的需求，轉(zhuǎn)碼成相應(yīng)分辨率的視頻，這不僅對(duì)網(wǎng)站的Web服務(wù)器性能要求較高，而且還會(huì)占用大量的核心網(wǎng)絡(luò)帶寬。而在基于MEC的方案中，MEC服務(wù)器可以對(duì)用戶鏈路進(jìn)行感知，當(dāng)檢測(cè)到某些用戶的鏈路空閑時(shí)，可以回收鏈路資源并分配給其他用戶，為用戶傳送高質(zhì)量版本的視頻；當(dāng)檢測(cè)到用戶鏈路狀況下降時(shí)，MEC服務(wù)器也可以利用自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力或計(jì)算能力，實(shí)時(shí)將高清視頻轉(zhuǎn)碼成較低碼率的視頻，以適應(yīng)終端用戶的需求[9]。

2.3 與基于CDN技術(shù)的傳統(tǒng)方案對(duì)比

表1主要從節(jié)點(diǎn)數(shù)量、部署位置、內(nèi)容分發(fā)方式、移動(dòng)性、分發(fā)路徑等方面將傳統(tǒng)的基于CDN的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案與本文提出的基于MEC的網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案加以對(duì)比。

表1 基于CDN的方案與基于MEC的方案對(duì)比

從表1中可以看出，基于MEC的方案可以很好地改善網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)的性能，特別是在降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延方面優(yōu)勢(shì)明顯。但是由于基于MEC的方案需要部署大量的邊緣節(jié)點(diǎn)，因此建設(shè)和運(yùn)維的成本也相對(duì)較高。

3 挑戰(zhàn)和未來(lái)研究方向

基于MEC的直播視頻分發(fā)方案在為用戶帶來(lái)低時(shí)延、高帶寬的視頻體驗(yàn)和改善網(wǎng)絡(luò)效率的同時(shí)，仍面臨著一些挑戰(zhàn)，同時(shí)這些挑戰(zhàn)也是未來(lái)基于MEC的視頻分發(fā)的重要研究方向。

3.1 無(wú)線鏈路感知的自適應(yīng)視頻流

在MEC向移動(dòng)終端用戶傳輸視頻數(shù)據(jù)時(shí)，由于基站到用戶之間的無(wú)線鏈路容量有限并且易受各種干擾，無(wú)線帶寬資源通常難以保證。當(dāng)分配給終端用戶的無(wú)線帶寬資源無(wú)法保證高清視頻所需要的碼率時(shí)，用戶終端設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)花屏、卡頓等現(xiàn)象；因此，實(shí)時(shí)感知基站到用戶設(shè)備之間的無(wú)線鏈路狀態(tài)，并根據(jù)無(wú)線鏈路狀態(tài)和無(wú)線資源分配情況實(shí)時(shí)調(diào)整視頻碼率，對(duì)于提高用戶的視頻體驗(yàn)質(zhì)量具有重要意義，是研究的重要方向；尤其是在MEC部署緩存之后，為了高效利用有限的MEC緩存資源，對(duì)緩存的視頻塊進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼也是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。通過(guò)視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)，可以確保實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀況相匹配，從而保證視頻流暢性和用戶體驗(yàn)質(zhì)量[10-11]。

3.2 結(jié)合ICN技術(shù)以高效支持移動(dòng)性和內(nèi)容分發(fā)

當(dāng)用戶在高速移動(dòng)時(shí)，如何保證實(shí)時(shí)直播視頻的質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)基站之間的高效切換是今后面臨的一個(gè)重要技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都是基于隧道協(xié)議或TCP/IP技術(shù)，對(duì)移動(dòng)性的支持都是建立在端到端通信的基礎(chǔ)之上；因此，當(dāng)用戶高速移動(dòng)時(shí)，視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量難以保證。與此同時(shí)，信息中心網(wǎng)絡(luò)(Information-Centric Networking，ICN)技術(shù)研究已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[12]。由于ICN技術(shù)基于內(nèi)容名稱進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，“天然”支持移動(dòng)性，因此，將 ICN技術(shù)與無(wú)線接入網(wǎng)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高效的移動(dòng)性支持和內(nèi)容分發(fā)將是今后MEC的一個(gè)重要研究課題[13]。

3.3 結(jié)合SDN，對(duì)分布式MEC做集中式管理和調(diào)度

由于MEC服務(wù)器采用分布式部署，需要一種高效的資源管理和調(diào)度機(jī)制來(lái)對(duì)MEC的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。而且MEC可以被看作是一種部署在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的小型的云，因此在MEC內(nèi)部可以結(jié)合SDN來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管控。與此同時(shí)，為了讓各個(gè)MEC服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)更高效的協(xié)作，在網(wǎng)絡(luò)中部署集中控制節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制就顯得十分必要[14-15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)這一特定場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種基于MEC的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)方案，該方案的特點(diǎn)是從內(nèi)容產(chǎn)生源(或者說(shuō)內(nèi)容產(chǎn)生源附近的MEC服務(wù)器)就開(kāi)始向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容，而非先向內(nèi)容提供商的Web服務(wù)器傳輸，再向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容，因此具有降低時(shí)延、提高視頻分發(fā)效率、提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)總結(jié)出了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)直播視頻分發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向提出了展望。