賈慶民 李子姝 李誠成 謝人超 黃 韜

北京郵電大學網(wǎng)絡與交換技術國家重點實驗室 北京 100876

引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，移動高清視頻、AR/VR以及各種智能硬件設備已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。這些網(wǎng)絡技術和應用在豐富人們生活的同時，也產(chǎn)生了巨大的移動網(wǎng)絡流量。根據(jù)2017年的思科VNI技術報告[1]，到2021年，全球移動數(shù)據(jù)流量將達到587EB，相當于2011年全年生成的全球移動總流量的122倍；從2016年到2021年，移動視頻流量將增長8.7倍，在移動應用類別中享有最高的增長率；到2021年，移動視頻流量將占總移動數(shù)據(jù)流量的78%。

快速增長的移動網(wǎng)絡流量，特別是移動視頻流量，給移動網(wǎng)絡帶來了極大的壓力和挑戰(zhàn)。流量爆炸給當前的移動網(wǎng)絡帶來了以下影響：1)回傳網(wǎng)絡和移動核心網(wǎng)絡壓力巨大，移動網(wǎng)絡流量的快速增長，使得移動回傳網(wǎng)絡壓力增大，帶寬資源緊張，同時移動核心網(wǎng)絡負載嚴重；2)內(nèi)容重復傳輸造成網(wǎng)絡資源的極大浪費，當前移動網(wǎng)絡采用端到端的傳輸機制會造成大量流行內(nèi)容的重復傳輸，特別是移動高清視頻內(nèi)容的傳輸；3)網(wǎng)絡時延大，用戶體驗差。在當前的移動網(wǎng)絡中，用戶的內(nèi)容請求要先后經(jīng)過基站、S-GW、P-GW，然后進入Internet，路由轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容服務器。用戶到內(nèi)容服務器的空間距離使得網(wǎng)絡傳輸時延較大，再加上內(nèi)容服務器的處理時延以及傳輸鏈路發(fā)生的擁塞丟包、鏈路故障等特殊情況，都會降低用戶的體驗質(zhì)量。此外，谷歌公司研究顯示，每400ms的網(wǎng)絡時延就會導致0.59%用戶搜索請求的下降[2]；亞馬遜公司也表示，每增加100ms的網(wǎng)絡延遲，就會降低1%收益[3]。

為了應對移動網(wǎng)絡流量爆炸，改善用戶的網(wǎng)絡體驗質(zhì)量，加速內(nèi)容分發(fā)效率，緩解回程網(wǎng)絡的傳輸壓力，歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)提出了多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing，MEC)這一全新概念，旨在在移動網(wǎng)絡邊緣向內(nèi)容提供商和應用開發(fā)者提供云計算能力和IT服務環(huán)境，從而為終端用戶提供超低時延和高帶寬的服務[4-6]。

與此同時，網(wǎng)絡直播已經(jīng)成為當今的一個重要網(wǎng)絡應用。網(wǎng)絡直播是指將活動現(xiàn)場的音頻和視頻信號經(jīng)壓縮后上傳到Web服務器或者多媒體服務器，并在Internet上根據(jù)用戶請求進行分發(fā)的過程。近幾年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡直播已經(jīng)走向了實用階段，尤其是2016年至今，網(wǎng)絡直播在移動用戶中廣受歡迎，體育賽事、音樂會、遠程會議等都屬于現(xiàn)場直播業(yè)務。然而，當前的網(wǎng)絡視頻直播系統(tǒng)還存在例如移動性差、時延較大、視頻卡頓、QoS難以保證等諸多問題。

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

1 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案

基于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(Content Delivery Network，CDN)技術的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案是當前主流的視頻直播分發(fā)方案[7-8]。如圖1所示，視頻采集設備將采集錄制的視頻流推送給邊緣CDN服務器，邊緣CDN服務器負責進行直播視頻流的緩存和轉(zhuǎn)碼服務，然后通過Internet或CDN網(wǎng)絡，將視頻流分發(fā)到用戶邊緣的CDN服務器，為用戶提供視頻直播服務。該方案還存在諸多不可忽視的問題，例如，在移動性方面，由于邊緣CDN服務器部署在移動網(wǎng)絡之外，如果視頻采集設備通過移動方式接入網(wǎng)絡，則需要經(jīng)過移動接入網(wǎng)、核心網(wǎng)絡后，才能接入到Internet邊緣的CDN服務器，這會帶來一定的網(wǎng)絡時延，影響用戶體驗；而如果通過固定方式接入邊緣CDN服務器，則會限制視頻采集設備的移動性。另外，從視頻采集設備到用戶側(cè)邊緣CDN服務器的路徑過長，時延更大的同時，路徑上發(fā)生故障的可能性也更高。

2 基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案

本文在傳統(tǒng)的基于CDN的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案上進行創(chuàng)新，提出了一種新的基于MEC的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案。本節(jié)首先介紹基于MEC的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)機制，然后對其優(yōu)勢進行分析論證，最后將該方案與傳統(tǒng)的CDN方案加以對比。

2.1 基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案

如圖2所示，基于MEC的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)系統(tǒng)由視頻采集設備、基站、視頻源端的MEC服務器、傳輸網(wǎng)絡、用戶端的MEC服務器、用戶設備終端6部分組成。視頻采集設備首先將采集錄制的視頻推送至MEC服務器，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，或通過網(wǎng)絡專線分發(fā)至距離用戶最近的MEC服務器。

圖2 基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(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)絡邊緣，因此，加強分布式MEC之間的協(xié)作對于改善內(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：通過網(wǎng)絡專線連接和通過普通Internet連接。其中，MEC之間通過網(wǎng)絡專線的連接方式，具有更高網(wǎng)絡帶寬和QoS保證。在分布式部署MEC的場景下，當視頻采集設備將內(nèi)容推送至與其最近的MEC服務器之后，該MEC服務器立即與其他位置的MEC服務器進行內(nèi)容的同步，之后終端設備就可以向距離最近的MEC服務器請求內(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，當視頻采集設備采集到視頻之后，首先將視頻內(nèi)容通過無線鏈路傳遞到基站，然后基站直接將視頻內(nèi)容推送至最近的MEC服務器A(視頻源端MEC服務器)，MEC服務器A對基站推送來的視頻進行緩存和轉(zhuǎn)碼處理。如果本地用戶請求視頻內(nèi)容，MEC服務器A可以直接對用戶的請求進行響應；而對于非本地用戶，我們引入MEC服務器的協(xié)作機制，即將MEC服務器A上的視頻內(nèi)容通過網(wǎng)絡專線或Internet，與其他地方的MEC服務器進行內(nèi)容的實時同步，例如將MEC服務器A中緩存的最高比特率版本的直播視頻內(nèi)容通過專用線路推送至MEC服務器B，類似地，MEC服務器B對該視頻內(nèi)容進行緩存和轉(zhuǎn)碼，以便終端設備用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡狀況選擇對應比特率版本的視頻內(nèi)容。

2.2 基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的視頻分發(fā)方案，基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案具有以下幾個方面的優(yōu)勢。

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

2)降低傳輸時延。傳統(tǒng)方案中，視頻內(nèi)容需要先從視頻采集設備到Web服務器或CDN服務器，然后再被分發(fā)給有需要的終端用戶，而從視頻采集設備到服務器的長距離上傳會導致時延相對較大，同時Web服務器或CDN服務器也并不像MEC服務器那樣更靠近用戶，因此傳統(tǒng)方案相比于基于MEC的方案來說，在服務器向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容的過程也會產(chǎn)生較大的時延。在基于MEC的方案中，由于MEC服務器就位于網(wǎng)絡邊緣，離直播視頻采集設備和用戶距離都更近，因此時延更低。

3)鏈路感知，實現(xiàn)視頻在線轉(zhuǎn)碼。在大型網(wǎng)絡視頻直播中，一般要求高清視頻，將來會發(fā)展為4K/8K高清視頻。傳統(tǒng)方案中，從視頻采集設備到Web服務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服務器之后，再根據(jù)用戶終端的需求，轉(zhuǎn)碼成相應分辨率的視頻，這不僅對網(wǎng)站的Web服務器性能要求較高，而且還會占用大量的核心網(wǎng)絡帶寬。而在基于MEC的方案中，MEC服務器可以對用戶鏈路進行感知，當檢測到某些用戶的鏈路空閑時，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；當檢測到用戶鏈路狀況下降時，MEC服務器也可以利用自身強大的數(shù)據(jù)處理能力或計算能力，實時將高清視頻轉(zhuǎn)碼成較低碼率的視頻，以適應終端用戶的需求[9]。

2.3 與基于CDN技術的傳統(tǒng)方案對比

表1主要從節(jié)點數(shù)量、部署位置、內(nèi)容分發(fā)方式、移動性、分發(fā)路徑等方面將傳統(tǒng)的基于CDN的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案與本文提出的基于MEC的網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案加以對比。

表1 基于CDN的方案與基于MEC的方案對比

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

3 挑戰(zhàn)和未來研究方向

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

3.1 無線鏈路感知的自適應視頻流

在MEC向移動終端用戶傳輸視頻數(shù)據(jù)時，由于基站到用戶之間的無線鏈路容量有限并且易受各種干擾，無線帶寬資源通常難以保證。當分配給終端用戶的無線帶寬資源無法保證高清視頻所需要的碼率時，用戶終端設備可能會出現(xiàn)花屏、卡頓等現(xiàn)象；因此，實時感知基站到用戶設備之間的無線鏈路狀態(tài)，并根據(jù)無線鏈路狀態(tài)和無線資源分配情況實時調(diào)整視頻碼率，對于提高用戶的視頻體驗質(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，對緩存的視頻塊進行實時轉(zhuǎn)碼也是今后研究的一個重點。通過視頻轉(zhuǎn)碼技術，可以確保實時傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量與無線網(wǎng)絡狀況相匹配，從而保證視頻流暢性和用戶體驗質(zhì)量[10-11]。

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

當用戶在高速移動時，如何保證實時直播視頻的質(zhì)量，如何實現(xiàn)基站之間的高效切換是今后面臨的一個重要技術挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡都是基于隧道協(xié)議或TCP/IP技術，對移動性的支持都是建立在端到端通信的基礎之上；因此，當用戶高速移動時，視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量難以保證。與此同時，信息中心網(wǎng)絡(Information-Centric Networking，ICN)技術研究已成為當前學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的焦點[12]。由于ICN技術基于內(nèi)容名稱進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，“天然”支持移動性，因此，將 ICN技術與無線接入網(wǎng)結(jié)合以實現(xiàn)高效的移動性支持和內(nèi)容分發(fā)將是今后MEC的一個重要研究課題[13]。

3.3 結(jié)合SDN，對分布式MEC做集中式管理和調(diào)度

由于MEC服務器采用分布式部署，需要一種高效的資源管理和調(diào)度機制來對MEC的資源進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。而且MEC可以被看作是一種部署在移動網(wǎng)絡邊緣的小型的云，因此在MEC內(nèi)部可以結(jié)合SDN來進行網(wǎng)絡管控。與此同時，為了讓各個MEC服務器之間實現(xiàn)更高效的協(xié)作，在網(wǎng)絡中部署集中控制節(jié)點來進行統(tǒng)一的管理和控制就顯得十分必要[14-15]。

4 結(jié)束語

本文針對網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)這一特定場景，設計了一種基于MEC的移動網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)方案。相對于傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)方案，該方案的特點是從內(nèi)容產(chǎn)生源(或者說內(nèi)容產(chǎn)生源附近的MEC服務器)就開始向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容，而非先向內(nèi)容提供商的Web服務器傳輸，再向用戶分發(fā)視頻內(nèi)容，因此具有降低時延、提高視頻分發(fā)效率、提升用戶體驗質(zhì)量等優(yōu)勢。同時總結(jié)出了當前網(wǎng)絡直播視頻分發(fā)的技術挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向提出了展望。