5G邊緣計算視訊體驗增強解決方案

李立平，王金東，方琰崴，陳亞權

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

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

據Omdia 預測，到2023 年，5G 視頻創新應用市場將每年高達230 億美元。基于5G 的視頻廣告、娛樂視頻、AR 將迎來爆發，5G VR 和5G 云游戲開始興起，視頻業務將迎來蓬勃發展的新時期。從2019 年到現在，全球使用最頻繁的移動APP 基本上都是跟視頻相關的，參考圖1，最典型的就是風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 全球最流行應用及COVID-19疫情前后變化

1 視訊業務體驗給移動通信網絡帶來的挑戰

從用戶角度看視頻，主要分為點播和直播。點播是指被請求視頻已存在于源服務器，用戶向視頻服務器發送視頻訪問請求，直播指在內容產生的同時用戶對內容進行觀看。在傳統視頻系統中，內容源上傳內容到Web服務器，由Web 服務器響應用戶視頻請求。在這種方式下，內容基于TCP 和HTTP 進行下載，或是以流的形式傳遞用戶。但TCP 并不能快速適應無線網絡變化，如信道環境改變、終端登錄和注銷等都會導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。

另外，對于內容源，當下業界普遍采用CDN（Content Delivery Network）分發機制，按區域設置CDN，將內容預先分發到各區域CDN 節點，再由各區域CDN 節點響應本區域用戶請求。CDN 分發機制在一定程度上改進了時延問題，但這種改進對于直播這種高并發，并且對實時性和流暢性要求很高的場景來說仍然力不從心。并且現有網絡架構中，業務平臺通常部署在核心網之后，這不僅不利于超清視頻、虛擬現實（VR,Virtual Reality）等高帶寬應用的快速發展，而且也無法滿足車聯網、增強現實（AR,Augmented Reality）等低時延需求。

這些影響用戶體驗的問題，備受用戶關注，如何提升最終用戶的視訊體驗，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3D 等）以及快速響應終端的互動點擊（場景切換、渲染等）。本文將聚焦于通過5G 移動網絡邊緣技術，針對上述提到的TCP 網絡連接不足、原有CDN 部署問題等問題，給出解決方案。

2 5G邊緣計算視訊體驗增強解決方案

為了保證用戶視訊體驗，針對TCP 質量，通過運營商掌握的通信網絡信息提供更好的TCP 優化（TCPO,TCP Optimization）是一種比較好的解決方案。而針對內容分發，則重點引入5G 移動邊緣計算MEC（Multi-access Edge Computing）[3]，通過在無線網絡邊緣配置服務器，將云計算資源、內容服務節點（CDN）下沉至無線接入網邊緣，越來越靠近無線終端設備UE，以縮短時延，節省傳輸帶寬，以直播場景為例，網絡架構如圖2 所示：

圖2 5G邊緣部署及CDN下沉

通過MEC，內容源可以直接上傳內容到部署于網絡邊緣的MEC 服務器上的CDN，再由該邊緣CDN 響應用戶視頻請求，極大地降低用戶觀看視頻時延。同時，基于MEC 本身的計算能力增強技術，比如高性能處理器、GPU/ 智能網卡等硬件加速等，可以實時感知無線鏈路狀態并根據鏈路狀態對視頻進行在線轉碼，從而保障視頻流暢性，實現視頻智能加速[4]。

3 5G邊緣計算視訊體驗增強的關鍵技術

3.1 TCP邊緣優化

運營商的無線網絡，包括正在建設的5G 網絡，或多或少存在著諸如信號覆蓋不足、信號干擾、小區擁塞等問題，正是這些問題導致了空口基于TCP的數據傳輸出現高時延、丟包、亂序、吞吐下降等缺陷。這些缺陷直接影響用戶體驗，如視頻觀看卡頓、文件下載速率不均、網頁瀏覽速度慢等，如果只通過無線網絡優化方式解決這些問題，相對而言成本比較高，周期也比較長，可以考慮在無線網絡邊緣部署TCP優化設備，盡量解決一部分問題，優化用戶體驗。

運營商數據管道分為兩段，第一段是從終端到核心網，比如4G PGW、5G UPF，第二段是從核心網到ISP（Internet Service Provider，Internet 或者本地/專網業務平臺），TCP優化設備通常部署在第二段。隨著5G 網絡部署，將UPF 等用戶面設備部署在MEC 平臺下沉至無線網絡邊緣，TCP 優化設備也可以部署于MEC 平臺就近對空口TCP 進行優化，以提升無線網絡利用率和增強用戶業務體驗[5]，如圖3 所示：

圖3 5G邊緣部署TCP優化

TCP 優化步驟如下：

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

優化決策前提條件，通過RTT（Round Trip Time ）設置閾值：

閾值A=(N3 RTT)/(N6 RTT)，閾值B=N6 RTT，具體值需要根據業務需求定義。

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 且測量出的N6 RTT 值＜閾值B，則此媒體流需要進行優化，其他情況不需要優化，直接旁路（Bypass）。

（2）根據測量信息決策優化參數，包括：初始擁塞窗口、慢啟動門限等提升數據傳輸啟動階段的傳輸效率，使網絡帶寬利用率最大化。

當TCP 流首次被TCPO 優化時，擁塞避免閾值（Congestion Avoidance Threshold）、擁塞窗口大小（Congestion Window Size）等初始參數根據手動預定義的初始表設置，初始表包含以下內容，如圖4 所示：

圖4 TCP初始化參數產生依據

（3）通過TCP 擁塞控制算法適用不同業務場景需求，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 優化算法得到明顯的優化效果如圖5 所示：

圖5 TCP優化效果

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，標準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大小與延遲的關系，標準TCP 傾向于把緩沖區填滿，但緩沖區越大，延遲就越高。當用戶的網絡接入速度很慢時，這個延遲可能超過操作系統連接建立的超時時間，導致連接建立失敗。采用合適的TCP 優化算法可避免該問題，緩沖區大小對延遲影響不大，這樣就大幅減少連接失敗概率。

3.2 內容下沉邊緣

原有CDN 網絡中內容需要從相對集中的核心數據中心調用，媒體流量需要經過骨干網絡，這對整張網的流量負荷造成非常大的壓力。隨著5G 網絡建設，MEC 部署在業界已達成廣泛共識，通過基于MEC 的部署CDN主要可以給運營商帶來4 個明顯的優勢：

（1）將CDN 下沉至邊緣就近服務，內容更靠近用戶可以減少傳輸距離，降低延遲，提高體驗并有效降低對骨干網絡負荷，比如當戶均流量達50 M 和100 M 時，CDN 下沉將節省骨干網絡回源帶寬達150 G 和300 G。

（2）應對熱點沖擊，熱點事件往往引發爆發式的視頻觀看需求，這種需求持續時間短，沖擊力大，但按峰值建網成本又非常高，CDN 下沉接入機房，可快速把熱點視頻下發，紓緩突發流量。

（3）增加新的業務場景，如全場景直播、景區AR 等。

（4）運營商可以通過提供邊緣下沉CDN 進入OTT市場。

基于MEC 部署CDN 涉及如下技術改進：

（1）網絡架構

根據需要實現動態自組網Mesh CDN，Mesh CDN組網架構可有效降低CDN 傳統樹型架構內容上傳和回源路徑長、響應速度慢的問題。

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

通過Mesh CDN 網絡架構可以快速整合或者索引內容，充分利用每個CDN 節點直接處理和分發本地內容，以實現多點注入和多點服務，為此，Mesh CDN 架構需要增強CDN 單節點處理能力和進行CDN 網絡統一調度。CDN 單節點處理能力可以依賴于增強MEC 本身的硬件設備能力，如圖形圖像處理采用GPU，流量處理采用FPGA 智能網卡或網絡處理器，并與MEC 節點協同工作[7]。同時Mesh CDN 方案還引入人工智能技術，自學習并不斷優化整個網絡調度策略完成Mesh CDN 網絡統一調度。

（2）傳輸優化

大規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MEC 反饋的網絡狀況，由CDN 聯合PCF、SDN 等網元以及CDN 自身業務能力切片技術實現視頻傳輸的擁塞控制和帶寬均衡。

傳統視頻提供商的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，無法保障網絡傳輸過程中帶寬的質量，在高峰期會導致卡頓等現象。傳統視頻提供商也想解決這方面的問題，但網絡本身是由運營商管理，只能依賴于運營商才能實現傳輸優化。如果由運營商提供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，這樣就可以將應用與網絡傳輸相結合，即能保障了用戶的端到端傳輸，優先調度傳輸資源，又能基于統一的端到端管理具備向4K、8K 視頻業務演進能力。

（3）業務連續性

包括固移網絡間切換、多MEC DC 切換時的業務無縫遷移。MEC 層面的無縫遷移有多種解決方案，但視頻業務層面目前業界還沒有完善的解決方案，更沒有形成標準，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行彌補，但存在一定幾率造成卡頓影響體驗，尤其是直播場景。為此設計了相對完善的源MEC 通知方案和目標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務的連續性。

1）源MEC 通知方案：

源MEC 主動檢測到用戶位置切換后即發起切換通知到源MEC 上的CDN；

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

2）目標MEC 通知方案：

目標MEC 檢測到用戶進入其區域后向源MEC 發起切換請求；

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

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

為了保證切換過程中不存在服務中斷問題，以上這兩種方案都需要源和目標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切換過程中視頻的連續性。

這兩種方案還無法解決用戶離開MEC 區域及MEC CDN 服務異常時的業務連續性。用戶訪問當前MEC 下的CDN 邊緣節點，如果用戶離開當前MEC 區域后未能檢測到新的MEC CDN 節點可以提供服務，此時業務無法連續。MEC 動調整負載，降低CDN 優先級導致UE 需要重新請求其它CDN 節點服務，這個過程中如果MEC上CDN 應用出現異常，MEC 在檢測到異常后會停止分流，由于CDN 應用已異常無法通知UE 重新請求其它CDN節點的服務，此時業務無法連續。

（4）內容分發優化

1）廣播組播應用

除傳統的OTT 碼率自適應、協議優化等技術，還重點考慮OTT 組播、FeMBMS 廣播組播技術的應用。

2）分發算法優化

因部署于MEC 的CDN 覆蓋區域有限，面向的用戶規模相對較少，傳統的內容分發算法需要進一步優化，可以充分利用MEC 側提供的有效信息，摒棄僅根據訪問熱度進行內容分發的策略，充分考慮用戶身份、軌跡、逗留時間、偏好等因素構建基于用戶行為的內容分發預測模型，顯著提升MEC-CDN 的命中率，有效降低回源帶寬消耗。

通過在移動網絡邊緣MEC 部署CDN，使資源更加便捷快速地從邊緣DC 調用，降低了主干網絡流量，直接節省主干網絡建設成本超過50%。運營商除了可以建設CDN 來降低網絡部署成本，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 服務的美國Akamai（阿卡邁）公司合作，將所有數據業務部署在Akamai 的CDN 當中，再由Akamai 來向運營商支付網絡使用費，運營商在其中只是充當管道。現在運營商可以憑借自己網絡邊緣站點數量多的優勢來部署CDN，直接為客戶提供CDN 與網絡傳輸服務，且可以結合接入網絡狀況提供更高可靠性。

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

4 結束語

本文針對將5G 網絡中視訊資源下沉到無線網絡邊緣所需要解決的應用場景、實現方式及優化手段等進行深入分析，給出基于5G 邊緣進行TCP 優化和CDN 邊緣部署的解決方案以增強終端用戶視訊體驗，這些方案并非相互獨立的，相對于純粹的內容提供商，運營商有非常明顯的信息優勢，可以利用掌握的網絡狀況、內容源信息、用戶行為信息等將這些方案進行組合，對不同客戶提供不同級別服務，隨著5G 及邊緣計算的發展，還可以結合5G eMBB，uRLLC 和mMTC 切片[8-9]提供遠程智慧醫療、自動駕駛、自動化工業控制、智能盤點等面向工業、行業專網[10]的最高級別保障。視頻優化的手段還有很多，比如從視頻源開始進行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、內容編輯、環境渲染等，后續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。