李立平，王金东，方琰崴，陈亚权

（1.中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）

0 引言

据爱立信移动市场报告预测，到2025 年，移动网络视频流量将以每年约30% 的速度增长[1]，视频类将占移动数据流量的近四分之三。移动视频流量的增长主要由两方面推动，一是许多在线应用嵌入视频、视频点播（VoD）服务用户数和每用户观看时长的增长，二是智能设备上更高清晰度视觉效果需求，随着智能手机和网络的不断完善，高清（720p）、全高清（1 080p）、超高清（4K、8K）变得越来越普遍，依托5G 网络所能提供的良好用户体验，更多身临其境的媒体格式和应用成为推动移动数据流量增长的重要因素[2]。

据Omdia 预测，到2023 年，5G 视频创新应用市场将每年高达230 亿美元。基于5G 的视频广告、娱乐视频、AR 将迎来爆发，5G VR 和5G 云游戏开始兴起，视频业务将迎来蓬勃发展的新时期。从2019 年到现在，全球使用最频繁的移动APP 基本上都是跟视频相关的，参考图1，最典型的就是风靡全球的抖音短视频。特别值得注意的是，2020 年，由于新冠疫情对社会的巨大影响，居家办公和隔离办公成为趋势，以ZOOM、微软Teams 为代表的视频会议APP 迅速崛起。

图1 全球最流行应用及COVID-19疫情前后变化

1 视讯业务体验给移动通信网络带来的挑战

从用户角度看视频，主要分为点播和直播。点播是指被请求视频已存在于源服务器，用户向视频服务器发送视频访问请求，直播指在内容产生的同时用户对内容进行观看。在传统视频系统中，内容源上传内容到Web服务器，由Web 服务器响应用户视频请求。在这种方式下，内容基于TCP 和HTTP 进行下载，或是以流的形式传递用户。但TCP 并不能快速适应无线网络变化，如信道环境改变、终端登录和注销等都会导致无线链路容量变化，并且这种长距离的视频传输也增大了链路故障率，造成很高的时延，无法保证用户体验。

另外，对于内容源，当下业界普遍采用CDN（Content Delivery Network）分发机制，按区域设置CDN，将内容预先分发到各区域CDN 节点，再由各区域CDN 节点响应本区域用户请求。CDN 分发机制在一定程度上改进了时延问题，但这种改进对于直播这种高并发，并且对实时性和流畅性要求很高的场景来说仍然力不从心。并且现有网络架构中，业务平台通常部署在核心网之后，这不仅不利于超清视频、虚拟现实（VR,Virtual Reality）等高带宽应用的快速发展，而且也无法满足车联网、增强现实（AR,Augmented Reality）等低时延需求。

这些影响用户体验的问题，备受用户关注，如何提升最终用户的视讯体验，涉及面非常的广，包括源端的信息采集（单摄像到多摄像到深景和全景摄像）、中间的加工（背景、美妆、换颜、2D 转3D 等）以及快速响应终端的互动点击（场景切换、渲染等）。本文将聚焦于通过5G 移动网络边缘技术，针对上述提到的TCP 网络连接不足、原有CDN 部署问题等问题，给出解决方案。

2 5G边缘计算视讯体验增强解决方案

为了保证用户视讯体验，针对TCP 质量，通过运营商掌握的通信网络信息提供更好的TCP 优化（TCPO,TCP Optimization）是一种比较好的解决方案。而针对内容分发，则重点引入5G 移动边缘计算MEC（Multi-access Edge Computing）[3]，通过在无线网络边缘配置服务器，将云计算资源、内容服务节点（CDN）下沉至无线接入网边缘，越来越靠近无线终端设备UE，以缩短时延，节省传输带宽，以直播场景为例，网络架构如图2 所示：

图2 5G边缘部署及CDN下沉

通过MEC，内容源可以直接上传内容到部署于网络边缘的MEC 服务器上的CDN，再由该边缘CDN 响应用户视频请求，极大地降低用户观看视频时延。同时，基于MEC 本身的计算能力增强技术，比如高性能处理器、GPU/ 智能网卡等硬件加速等，可以实时感知无线链路状态并根据链路状态对视频进行在线转码，从而保障视频流畅性，实现视频智能加速[4]。

3 5G边缘计算视讯体验增强的关键技术

3.1 TCP边缘优化

运营商的无线网络，包括正在建设的5G 网络，或多或少存在着诸如信号覆盖不足、信号干扰、小区拥塞等问题，正是这些问题导致了空口基于TCP的数据传输出现高时延、丢包、乱序、吞吐下降等缺陷。这些缺陷直接影响用户体验，如视频观看卡顿、文件下载速率不均、网页浏览速度慢等，如果只通过无线网络优化方式解决这些问题，相对而言成本比较高，周期也比较长，可以考虑在无线网络边缘部署TCP优化设备，尽量解决一部分问题，优化用户体验。

运营商数据管道分为两段，第一段是从终端到核心网，比如4G PGW、5G UPF，第二段是从核心网到ISP（Internet Service Provider，Internet 或者本地/专网业务平台），TCP优化设备通常部署在第二段。随着5G 网络部署，将UPF 等用户面设备部署在MEC 平台下沉至无线网络边缘，TCP 优化设备也可以部署于MEC 平台就近对空口TCP 进行优化，以提升无线网络利用率和增强用户业务体验[5]，如图3 所示：

图3 5G边缘部署TCP优化

TCP 优化步骤如下：

（1）动态测量用户面如Gn、Gi、N3 和N6 接口媒的体流状况如时延，决定哪些流需要进行TCP 优化，哪些流不需要进行TCP 优化，不需要进行TCP 优化的直接旁路（Bypass）。

优化决策前提条件，通过RTT（Round Trip Time ）设置阈值：

阈值A=(N3 RTT)/(N6 RTT)，阈值B=N6 RTT，具体值需要根据业务需求定义。

在媒体流建立TCP 连接过程中，如果测量出的最大(N3 RTT)/(N6 RTT)＞阈值A 且测量出的N6 RTT 值＜阈值B，则此媒体流需要进行优化，其他情况不需要优化，直接旁路（Bypass）。

（2）根据测量信息决策优化参数，包括：初始拥塞窗口、慢启动门限等提升数据传输启动阶段的传输效率，使网络带宽利用率最大化。

当TCP 流首次被TCPO 优化时，拥塞避免阈值（Congestion Avoidance Threshold）、拥塞窗口大小（Congestion Window Size）等初始参数根据手动预定义的初始表设置，初始表包含以下内容，如图4 所示：

图4 TCP初始化参数产生依据

（3）通过TCP 拥塞控制算法适用不同业务场景需求，比如采用：基于丢包的拥塞控制算法New Reno、High-Speed、CUBIC 等；基于带宽估计的拥塞控制算法Westwood、时延& 带宽混合型拥塞控制算法FAST 等，通过TCP 优化算法得到明显的优化效果如图5 所示：

图5 TCP优化效果

图5 上图显示的是基于100 Mbit/s、100 ms 下的丢包率和有效带宽，只要有万分之一的丢包率，标准TCP的带宽就只剩30%；千分之一丢包率时只剩10%；有百分之一的丢包率时几乎就卡住了。而采用TCP 优化算法在丢包率5% 以下几乎没有带宽损失，在丢包率15% 的时候仍有75% 带宽。

图5 下图显示的是缓冲区大小与延迟的关系，标准TCP 倾向于把缓冲区填满，但缓冲区越大，延迟就越高。当用户的网络接入速度很慢时，这个延迟可能超过操作系统连接建立的超时时间，导致连接建立失败。采用合适的TCP 优化算法可避免该问题，缓冲区大小对延迟影响不大，这样就大幅减少连接失败概率。

3.2 内容下沉边缘

原有CDN 网络中内容需要从相对集中的核心数据中心调用，媒体流量需要经过骨干网络，这对整张网的流量负荷造成非常大的压力。随着5G 网络建设，MEC 部署在业界已达成广泛共识，通过基于MEC 的部署CDN主要可以给运营商带来4 个明显的优势：

（1）将CDN 下沉至边缘就近服务，内容更靠近用户可以减少传输距离，降低延迟，提高体验并有效降低对骨干网络负荷，比如当户均流量达50 M 和100 M 时，CDN 下沉将节省骨干网络回源带宽达150 G 和300 G。

（2）应对热点冲击，热点事件往往引发爆发式的视频观看需求，这种需求持续时间短，冲击力大，但按峰值建网成本又非常高，CDN 下沉接入机房，可快速把热点视频下发，纾缓突发流量。

（3）增加新的业务场景，如全场景直播、景区AR 等。

（4）运营商可以通过提供边缘下沉CDN 进入OTT市场。

基于MEC 部署CDN 涉及如下技术改进：

（1）网络架构

根据需要实现动态自组网Mesh CDN，Mesh CDN组网架构可有效降低CDN 传统树型架构内容上传和回源路径长、响应速度慢的问题。

随着5G 网络部署加速，自媒体盛行，不同形式的内容可以随时在任何地方生成，且在利用5G 边缘MEC 部署CDN，内容去中心化趋势下，离散的内容将分布在网络的各个角落。传统的CDN 解决方案是垂直烟囱式的，本地内容生成后将首先发送回中心CDN，中心CDN 处理并打包后再经由CDN 网络传送给最终用户，传送效率低，端到端时延高，带宽占用大[6]。

通过Mesh CDN 网络架构可以快速整合或者索引内容，充分利用每个CDN 节点直接处理和分发本地内容，以实现多点注入和多点服务，为此，Mesh CDN 架构需要增强CDN 单节点处理能力和进行CDN 网络统一调度。CDN 单节点处理能力可以依赖于增强MEC 本身的硬件设备能力，如图形图像处理采用GPU，流量处理采用FPGA 智能网卡或网络处理器，并与MEC 节点协同工作[7]。同时Mesh CDN 方案还引入人工智能技术，自学习并不断优化整个网络调度策略完成Mesh CDN 网络统一调度。

（2）传输优化

大规模用户同时访问的情况下，视频传输QoS 的保障尤为重要。根据MEC 反馈的网络状况，由CDN 联合PCF、SDN 等网元以及CDN 自身业务能力切片技术实现视频传输的拥塞控制和带宽均衡。

传统视频提供商的CDN，存在着无差别传输问题，不管什么用户，其传输管道皆相同，无法保障网络传输过程中带宽的质量，在高峰期会导致卡顿等现象。传统视频提供商也想解决这方面的问题，但网络本身是由运营商管理，只能依赖于运营商才能实现传输优化。如果由运营商提供CDN，比如中国移动的咪咕就是基于中国移动自己的视频平台与CDN，这样就可以将应用与网络传输相结合，即能保障了用户的端到端传输，优先调度传输资源，又能基于统一的端到端管理具备向4K、8K 视频业务演进能力。

（3）业务连续性

包括固移网络间切换、多MEC DC 切换时的业务无缝迁移。MEC 层面的无缝迁移有多种解决方案，但视频业务层面目前业界还没有完善的解决方案，更没有形成标准，比较容易想到的是采用超时链接重建的方式利用终端缓存进行弥补，但存在一定几率造成卡顿影响体验，尤其是直播场景。为此设计了相对完善的源MEC 通知方案和目标MEC 通知方案，使用户在跨MEC 的多CDN 之间移动时尽量保持视频业务的连续性。

1）源MEC 通知方案：

源MEC 主动检测到用户位置切换后即发起切换通知到源MEC 上的CDN；

源MEC 上CDN 携带目标MEC 位置信息通知用户访问新的CDN（切换目标MEC 上）服务。

2）目标MEC 通知方案：

目标MEC 检测到用户进入其区域后向源MEC 发起切换请求；

源MEC 收到目标MEC 用户位置切换请求后即发起切换通知到源MEC 上的CDN；

源MEC 上CDN 携带目标MEC 位置信息通知用户访问新的CDN（切换目标MEC 上）服务。

为了保证切换过程中不存在服务中断问题，以上这两种方案都需要源和目标MEC 之间路由互通，客户端则需要配合如本地缓存等来尽量维护切换过程中视频的连续性。

这两种方案还无法解决用户离开MEC 区域及MEC CDN 服务异常时的业务连续性。用户访问当前MEC 下的CDN 边缘节点，如果用户离开当前MEC 区域后未能检测到新的MEC CDN 节点可以提供服务，此时业务无法连续。MEC 动调整负载，降低CDN 优先级导致UE 需要重新请求其它CDN 节点服务，这个过程中如果MEC上CDN 应用出现异常，MEC 在检测到异常后会停止分流，由于CDN 应用已异常无法通知UE 重新请求其它CDN节点的服务，此时业务无法连续。

（4）内容分发优化

1）广播组播应用

除传统的OTT 码率自适应、协议优化等技术，还重点考虑OTT 组播、FeMBMS 广播组播技术的应用。

2）分发算法优化

因部署于MEC 的CDN 覆盖区域有限，面向的用户规模相对较少，传统的内容分发算法需要进一步优化，可以充分利用MEC 侧提供的有效信息，摒弃仅根据访问热度进行内容分发的策略，充分考虑用户身份、轨迹、逗留时间、偏好等因素构建基于用户行为的内容分发预测模型，显著提升MEC-CDN 的命中率，有效降低回源带宽消耗。

通过在移动网络边缘MEC 部署CDN，使资源更加便捷快速地从边缘DC 调用，降低了主干网络流量，直接节省主干网络建设成本超过50%。运营商除了可以建设CDN 来降低网络部署成本，也可以将CDN 能力租用给其他第三方厂家来提高公司营收能力。以英国电信为例：在过去，BBC 新闻与专门提供CDN 服务的美国Akamai（阿卡迈）公司合作，将所有数据业务部署在Akamai 的CDN 当中，再由Akamai 来向运营商支付网络使用费，运营商在其中只是充当管道。现在运营商可以凭借自己网络边缘站点数量多的优势来部署CDN，直接为客户提供CDN 与网络传输服务，且可以结合接入网络状况提供更高可靠性。

由此可见，运营商在未来的发展过程中，可以脱离只提供管道的单一角色，独立或者以合作的方式直接提供服务，不仅可以为运营商带来业务，也可以推出视频会员等增值业务从而满足不同客户的需求，提高用户忠诚度。运营商也从之前的单一网络管道提供者成为了业务使能者，营收也随之提高。

4 结束语

本文针对将5G 网络中视讯资源下沉到无线网络边缘所需要解决的应用场景、实现方式及优化手段等进行深入分析，给出基于5G 边缘进行TCP 优化和CDN 边缘部署的解决方案以增强终端用户视讯体验，这些方案并非相互独立的，相对于纯粹的内容提供商，运营商有非常明显的信息优势，可以利用掌握的网络状况、内容源信息、用户行为信息等将这些方案进行组合，对不同客户提供不同级别服务，随着5G 及边缘计算的发展，还可以结合5G eMBB，uRLLC 和mMTC 切片[8-9]提供远程智慧医疗、自动驾驶、自动化工业控制、智能盘点等面向工业、行业专网[10]的最高级别保障。视频优化的手段还有很多，比如从视频源开始进行360 度拍摄、透视视角（红外、X 光、温感仪等）、视频首帧加速等，传输过程中的无损压缩、内容编辑、环境渲染等，后续再逐步分析和探讨解决方案，以期能更好满足大视频时代多样的需求。