張 勍，馮 毅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 引言

隨著智能終端性能的不斷提升和中國游戲產(chǎn)業(yè)的快速崛起，中國移動游戲收入在2017年已經(jīng)突破1 000億人民幣，占據(jù)整個游戲產(chǎn)業(yè)的54.3%。移動游戲行業(yè)也從享受人口紅利過渡到提升產(chǎn)品質(zhì)量和用戶體驗，而無論是更好的畫質(zhì)、更流暢的動作響應(yīng)，都對數(shù)據(jù)的載體——移動網(wǎng)絡(luò)提出了業(yè)務(wù)加速需求。另一方面，視頻社交開始成為移動視頻業(yè)務(wù)新的亮點和發(fā)展驅(qū)動力，中國短視頻月活躍用戶已達4.6億，直播視頻用戶規(guī)模則達到了3.98億，且短視頻社交行業(yè)用戶黏性遠高于其他移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，無論是短視頻要求更快的加載速度還是直播視頻要求高分辨率下更少的卡頓次數(shù)，都要求移動網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)針對性的業(yè)務(wù)加速。本文在介紹了移動接入網(wǎng)中業(yè)務(wù)加速技術(shù)的分類后，具體給出了調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化和業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度2種面向業(yè)務(wù)加速的資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)方案，以及主要包含DNS緩存和代理ACK 2種方式的面向業(yè)務(wù)加速的信令優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)方案，最后討論了資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)和信令優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用場景和應(yīng)用方案。

1 業(yè)務(wù)加速技術(shù)的分類

無論是網(wǎng)頁內(nèi)容瀏覽、視頻內(nèi)容播放還是游戲內(nèi)容互動，用戶的基本訴求之一是內(nèi)容能夠更快地展現(xiàn)在終端上，尤其在業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)生擁塞或網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)生擁塞時，仍能夠獲得最低的延時、最少的卡頓。移動接入網(wǎng)中的業(yè)務(wù)加速技術(shù)通過深度結(jié)合接入網(wǎng)的資源和能力，融合部分信息技術(shù)，達到對不同類型業(yè)務(wù)加速的目的。移動接入網(wǎng)中的業(yè)務(wù)加速技術(shù)主要包含資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)和信令優(yōu)化技術(shù)2類。

資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)是基站根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)度優(yōu)化策略，為特定用戶的特定業(yè)務(wù)分配無線資源時，采用差異化的手段，使用戶的業(yè)務(wù)在資源調(diào)度層面獲得特殊的保障，進而直接降低業(yè)務(wù)延時，提高用戶體驗。

信令優(yōu)化技術(shù)是指基于TCP協(xié)議規(guī)則和常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程，打破基站在終端與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸過程中只扮演透明轉(zhuǎn)發(fā)的常規(guī)角色的固定方式，融合移動網(wǎng)絡(luò)的特征，優(yōu)化協(xié)議流程，加快數(shù)據(jù)包的傳送，降低業(yè)務(wù)時延。

2 面向業(yè)務(wù)加速的資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)

資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)通過直接調(diào)整為業(yè)務(wù)分配無線資源時的方案，采取優(yōu)先分配資源的方式或采取事先預(yù)留資源的方式，實現(xiàn)保障性業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加速。資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)包括調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化和業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度2種方式。

2.1 調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)

調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)是由基站在為指定用戶的指定業(yè)務(wù)分配無線網(wǎng)絡(luò)資源時，調(diào)整調(diào)度的優(yōu)先級，從而使需要保障的業(yè)務(wù)承載優(yōu)先被調(diào)度，在調(diào)度層面降低業(yè)務(wù)調(diào)度時延，使業(yè)務(wù)優(yōu)先獲得無線資源。

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，資源調(diào)度［1-6］決定了什么用戶的哪些業(yè)務(wù)可以得到何種資源，是接入網(wǎng)側(cè)決定用戶業(yè)務(wù)速率、時延的關(guān)鍵。通常資源調(diào)度考慮的要素包括基站目前可用的時域頻域資源、無線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量、UE的處理能力、用戶的QoS要求等?；驹诶米陨淼能浻布Y源處理資源調(diào)度的過程中，不可能對所有用戶的所有業(yè)務(wù)同時分配資源，而是需要按照一定的先后順序，依次完成資源的分配。資源調(diào)度的優(yōu)先級決定了資源分配的先后順序，顯而易見，被優(yōu)先調(diào)度的用戶業(yè)務(wù)，其等待獲得資源的時間更短，業(yè)務(wù)時延也會更短；此外，當網(wǎng)絡(luò)擁塞時，優(yōu)先被調(diào)度的用戶更有可能獲得更多的無線資源，即更有可能獲得更高的無線傳輸速率或業(yè)務(wù)所需的無線帶寬被保障的可能性更高，對用戶來說也就意味著更快地看到業(yè)務(wù)內(nèi)容或卡頓更少。

調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)存在2種類型的優(yōu)化策略，一種是始終提高優(yōu)先級方式，一種是事件觸發(fā)型提高優(yōu)先級方式。

始終提高優(yōu)先級，可以對指定的高優(yōu)先級用戶、指定的業(yè)務(wù)類型或指定業(yè)務(wù)源的業(yè)務(wù)、指定業(yè)務(wù)類型或指定業(yè)務(wù)源業(yè)務(wù)的指定階段始終調(diào)高優(yōu)先級。該方式的執(zhí)行，可以由MEC或能力開放服務(wù)器完成用戶、業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)階段的識別，再將提高優(yōu)先級的程度等優(yōu)化方案下發(fā)給基站實現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化；也可以僅由MEC或能力開放服務(wù)器下發(fā)基本優(yōu)化策略，如對哪些用戶提高優(yōu)先級或?qū)κ裁搭愋偷臉I(yè)務(wù)提高優(yōu)先級等，而識別和調(diào)度優(yōu)化工作都由基站完成。

事件觸發(fā)型提高優(yōu)先級，可以指定事件條件，當滿足事件條件或不滿足事件條件時，對指定的用戶或業(yè)務(wù)提高調(diào)度優(yōu)先級，最典型的是為指定類型的業(yè)務(wù)設(shè)置最低保障速率或最低保障時延，當識別發(fā)現(xiàn)該保障可能達不成時，提高該業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級；當識別發(fā)現(xiàn)保障可以順利達成時，撤銷該業(yè)務(wù)的優(yōu)先調(diào)度，恢復(fù)為原調(diào)度優(yōu)先級。該方式的執(zhí)行，通常僅由MEC或能力開放服務(wù)器下發(fā)基本策略，具體判斷是否執(zhí)行和調(diào)度優(yōu)化都由基站完成。

2.2 業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)

業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度技術(shù)是根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程和特點，針對必然發(fā)生的上行數(shù)據(jù)包進行預(yù)先上行資源預(yù)留，同時避免由于不連續(xù)接收（DRX）技術(shù)［7-9］對下行數(shù)據(jù)包的延遲接收而進行持續(xù)地預(yù)先下行資源調(diào)度。業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度技術(shù)的基礎(chǔ)是上行調(diào)度請求機制和DRX技術(shù)。

在移動通信系統(tǒng)中，當終端不傳輸上行數(shù)據(jù)時，基站不會為該終端分配上行資源，這就需要終端在傳輸上行數(shù)據(jù)前，通過上行調(diào)度請求（SR——Scheduling Request）機制［10-12］向基站上報自己的需求，以便基站決定是否給終端分配上行資源。終端待傳輸?shù)纳闲袛?shù)據(jù)觸發(fā)終端啟動SR機制，終端先利用PUCCH信道或PRACH信道向基站發(fā)送調(diào)度請求SR，基站基于該請求向終端分配少量的資源并將該授權(quán)通知給終端，終端再在授權(quán)的資源內(nèi)上報緩沖區(qū)狀態(tài)報告（BSR——Buffer Status Report），即告知基站待傳輸?shù)纳闲袛?shù)據(jù)量，基站根據(jù)調(diào)度算法決定是否為用戶的該傳輸需求分配上行資源或分配多少資源，并將授權(quán)通知給終端，終端利用分配的資源傳輸上行數(shù)據(jù)。

針對如圖1所示的常見TCP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸流程，在終端向服務(wù)器發(fā)送TCP SYN消息及服務(wù)器向終端發(fā)送TCP SYN ACK消息后，終端會完成握手機制向服務(wù)器發(fā)送上行數(shù)據(jù)包TCP ACK消息。

圖1 TCP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸流程

因此，基于該機制，當基站檢測到終端和服務(wù)器之間的握手過程時，一方面基站可以優(yōu)先為終端發(fā)送上行資源分配授權(quán)的通知，另一方面基站可以為終端將要發(fā)送的上行TCP ACK消息預(yù)留資源，如在收到調(diào)度請求后即向終端分配足夠的上行資源，使得終端在原本用于傳輸緩沖區(qū)狀態(tài)報告的時間段內(nèi)即可完成TCP ACK消息的發(fā)送，或直接在基站收到服務(wù)器向該基站發(fā)送的TCP SYN ACK消息后，間隔一段時間即直接為該終端分配上行資源用于傳輸TCP ACK消息，從而減少SR機制導(dǎo)致的資源分配延時，如圖2所示。

圖2 基于SR機制的業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸流程

由于移動通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占據(jù)業(yè)務(wù)的主導(dǎo)地位，而數(shù)據(jù)包的一個突出特性就是突發(fā)性，即在一段時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，而在更長的一段時間內(nèi)暫停數(shù)據(jù)的傳輸。DRX即不連續(xù)接收技術(shù)，就是利用這種數(shù)據(jù)突發(fā)特點，終端間隔性地監(jiān)視PDCCH信道，并在預(yù)定義的沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間段，終端關(guān)閉大部分發(fā)射與接收系統(tǒng)，從而既提高無線資源利用率，又降低終端的電池消耗［13-15］。然而，DRX技術(shù)在應(yīng)用中也存在一定的問題，以圖1為例，根據(jù)目前常用的DRX配置，服務(wù)器向終端發(fā)送的TCP SYN ACK消息和HTTP 200 OK消息很有可能因為落入DRX休眠期內(nèi)導(dǎo)致不能及時被調(diào)度。如果下行包落入第1個DRX休眠期，將平均延遲35 ms發(fā)送，如果落入第2個DRX休眠期，將平均延遲155 ms發(fā)送。因此，可以針對TCP業(yè)務(wù)的初始階段，在一段時間內(nèi)進行持續(xù)的下行調(diào)度，從而避免DRX機制導(dǎo)致的長延時。

業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度技術(shù)執(zhí)行的機制，可由MEC或能力開放服務(wù)器完成指定用戶或指定業(yè)務(wù)的識別，并下發(fā)持續(xù)調(diào)度時長等配置信息，由基站完成上行預(yù)調(diào)度和下行持續(xù)調(diào)度時機的識別和選擇；也可僅由MEC或能力開放服務(wù)器下發(fā)基本策略，具體識別、判斷和執(zhí)行都由基站完成。

3 面向業(yè)務(wù)加速的信令優(yōu)化技術(shù)

目前互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要是基于固定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)特征制定的，在移動網(wǎng)絡(luò)中往往進行直接的移植而未做調(diào)整，因此存在協(xié)議與移動通信網(wǎng)絡(luò)特征不適配的問題。信令優(yōu)化技術(shù)主要針對該問題，通過使基站、MEC或能力開放服務(wù)器在面向終端時承擔(dān)業(yè)務(wù)服務(wù)器的功能，在面向業(yè)務(wù)服務(wù)器時承擔(dān)終端的功能，提高業(yè)務(wù)、協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)的適配性，從而加速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。面向業(yè)務(wù)加速的信令優(yōu)化技術(shù)包含DNS緩存和代理ACK 2種。

DNS緩存是指由基站或MEC及能力開放服務(wù)器緩存基站或基站組服務(wù)的用戶中常用的DNS域名解析，在識別用戶發(fā)出DNS請求后，直接由基站或MEC及能力開放服務(wù)器向用戶反饋，從而節(jié)省了基站向DNS服務(wù)器索取DNS域名解析的過程帶來的時延。該過程中，需要基站或MEC及能力開放服務(wù)器完成請求識別、請求統(tǒng)計、域名的存儲、域名更新4個方面的工作。具體來說，先對終端發(fā)起的DNS查詢請求進行識別，即先完成請求消息的識別，再識別請求消息中查詢的域名內(nèi)容；接著基站或MEC及能力開放服務(wù)器需要對所有服務(wù)的終端的所有DNS查詢請求進行統(tǒng)計分析，以確定請求率較高的域名，從而使得DNS域名存儲空間有限時優(yōu)先存儲請求率高的域名信息；之后基站或MEC及能力開放服務(wù)器根據(jù)識別的首次發(fā)起的DNS查詢請求代替終端執(zhí)行向DNS服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器的請求操作，獲取CNAME或IP地址后將信息反饋給終端的同時完成域名信息存儲，之后再收到終端請求的DNS查詢時可直接反饋；最后，為存儲的域名設(shè)置更新周期，在更新周期到期后主動獲取一次域名對應(yīng)的CNAME或IP地址，以保持存儲域名信息的有效性。

代理ACK是指在終端與服務(wù)器交互TCP數(shù)據(jù)包的過程中，基于終端和基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是保障完成的且通常為順序傳輸，因此基站不用等待收到終端發(fā)出的ACK消息后再轉(zhuǎn)發(fā)給業(yè)務(wù)服務(wù)器，而是在向終端轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)后、，尚未收到終端向業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)出的ACK消息之前，就代替終端發(fā)出ACK消息，如圖3所示，從而業(yè)務(wù)服務(wù)器相對提前地向基站發(fā)出下一組計劃發(fā)給終端數(shù)據(jù)，這樣一方面節(jié)省基站和終端之間的消息傳輸時延，另一方面可以在TCP慢啟動階段加快窗口的放大過程?？紤]到終端對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的接收與處理存在一定的不確定性，當數(shù)據(jù)包較大時這一不確定性加劇，如可能因為終端內(nèi)存分配或APP應(yīng)用層處理等問題，導(dǎo)致終端不一定會對接收到的數(shù)據(jù)都發(fā)出ACK，因此，代理ACK一般只應(yīng)用于TCP慢啟動小數(shù)據(jù)包傳輸階段。

4 移動接入網(wǎng)業(yè)務(wù)加速技術(shù)應(yīng)用方案

資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)通過優(yōu)化傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方案，深度綁定業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募铀佟Ｆ渲?，調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)在無線資源有限時為部分業(yè)務(wù)加速，適用于無線資源利用率較高的熱點場景；業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)則更適用于無線資源利用率不高的場景。2種技術(shù)均不限制加速業(yè)務(wù)的類型。具體來說，調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)可以廣泛地為業(yè)務(wù)提高速率，但往往在網(wǎng)絡(luò)擁塞時提升性能較為明顯。根據(jù)優(yōu)化策略的不同，調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)可以限定在特殊場景中指定高優(yōu)先級用戶，并對高優(yōu)先級用戶執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度，如在園區(qū)場景中，為用于安?；驗?zāi)害預(yù)警的終端或模組配置更高的優(yōu)先級；也可以限定在特殊場景中指定高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，并對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度，如在校園教室場景中為來源于學(xué)校本地的電子課堂視頻、文件業(yè)務(wù)配置更高的優(yōu)先級；同時，還可以對指定類型業(yè)務(wù)的某個階段執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度，如對于視頻點播業(yè)務(wù)的初始緩沖階段進行識別并執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度，從而使得用戶能夠更快地看到第1個視頻片段。調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化技術(shù)也可以為指定用戶的業(yè)務(wù)或指定業(yè)務(wù)類型設(shè)置最低保障時延或最低保障速率，當該時延或速率不能被滿足時，執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度。業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度技術(shù)對于有頻繁包交互的業(yè)務(wù)能夠帶來明顯的性能提升，如交互類游戲業(yè)務(wù)，以及常規(guī)HTTP業(yè)務(wù)的連接建立初始階段等。需要注意的是，業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度技術(shù)由于預(yù)調(diào)度會過度占用網(wǎng)絡(luò)資源，并且下行持續(xù)調(diào)度影響了DRX技術(shù)進而影響了終端的節(jié)電，因此也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞時系統(tǒng)容量下降和終端耗電增加的問題。

圖3 代理ACK數(shù)據(jù)傳輸流程

信令優(yōu)化技術(shù)通過深入Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合移動網(wǎng)絡(luò)特性，優(yōu)化移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)訪問流程，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募铀?。其中，DNS緩存技術(shù)通過緩存DNS與CNAME或IP地址信息對的方式，直接減少終端獲取CNAME或IP地址信息的消息交互次數(shù)，從而達到快速響應(yīng)終端請求的目的，因此，一方面，DNS緩存技術(shù)更適于域名與IP地址對應(yīng)關(guān)系相對穩(wěn)定的業(yè)務(wù)，雖然DNS緩存技術(shù)可以通過域名更新機制適應(yīng)域名信息的變化，且該更新機制由基站或MEC及能力開放服務(wù)器發(fā)起，不增加終端的請求延時，但若域名信息更新較快，仍有可能造成緩存的域名信息更新不及時而使得用戶獲取業(yè)務(wù)地址錯誤的問題；另一方面，DNS緩存技術(shù)適于業(yè)務(wù)訪問請求有一定集中度的場景，因為基站或MEC及能力開放服務(wù)器的緩存能力有限，且只有當請求具有一定集中度時，才能提高緩存的域名信息命中用戶請求的概率，從而充分降低用戶DNS請求響應(yīng)的時延。代理ACK技術(shù)由基站充當終端角色，向服務(wù)器發(fā)出ACK消息，從而達到縮短ACK消息傳輸時延的目的，因此，一方面代理ACK技術(shù)只適用于TCP業(yè)務(wù)；另一方面，該技術(shù)不適合擁塞場景和頻繁切換場景，因為在擁塞場景中，終端未必能夠及時、完整地收到基站轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)器發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，使用該技術(shù)基站由于提前反饋了ACK消息將會過早地收到服務(wù)器下發(fā)的新的需要轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的數(shù)據(jù)，此時若上一次基站轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的數(shù)據(jù)尚未完成傳輸，就需要基站緩存新下發(fā)的數(shù)據(jù)，依此發(fā)展將可能導(dǎo)致基站需要緩存過多的數(shù)據(jù)，對于頻繁切換場景，則可能出現(xiàn)基站代替終端向服務(wù)器發(fā)出的ACK消息與終端實際發(fā)出的ACK消息在切換過程中不能完全適應(yīng)與匹配的問題，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟包或重復(fù)收包的問題。

5 結(jié)束語

本文從移動游戲和視頻社交的高速發(fā)展對移動網(wǎng)絡(luò)提出了業(yè)務(wù)加速需求出發(fā)，介紹了移動接入網(wǎng)中業(yè)務(wù)加速技術(shù)的分類，提出了面向業(yè)務(wù)加速的資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)方案，包括調(diào)度優(yōu)先級優(yōu)化和業(yè)務(wù)預(yù)調(diào)度2種實現(xiàn)方式，并提出了面向業(yè)務(wù)加速的信令優(yōu)化技術(shù)方案，包括DNS緩存和代理ACK 2種實現(xiàn)方式，最后分析了資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)和信令優(yōu)化技術(shù)的典型業(yè)務(wù)加速應(yīng)用場景和應(yīng)用方案。