基于MEC的移動網絡直播視頻分發機制研究

賈慶民 李子姝 李誠成 謝人超 黃 韜

北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室 北京 100876

引言

隨著移動互聯網、物聯網技術的發展，移動高清視頻、AR/VR以及各種智能硬件設備已經成為人們生活中不可缺少的一部分。這些網絡技術和應用在豐富人們生活的同時，也產生了巨大的移動網絡流量。根據2017年的思科VNI技術報告[1]，到2021年，全球移動數據流量將達到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據流量的78%。

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

為了應對移動網絡流量爆炸，改善用戶的網絡體驗質量，加速內容分發效率，緩解回程網絡的傳輸壓力，歐洲電信標準化協會(ETSI)提出了多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing，MEC)這一全新概念，旨在在移動網絡邊緣向內容提供商和應用開發者提供云計算能力和IT服務環境，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，網絡直播已經成為當今的一個重要網絡應用。網絡直播是指將活動現場的音頻和視頻信號經壓縮后上傳到Web服務器或者多媒體服務器，并在Internet上根據用戶請求進行分發的過程。近幾年來，隨著互聯網的飛速發展，網絡直播已經走向了實用階段，尤其是2016年至今，網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場直播業務。然而，當前的網絡視頻直播系統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的視頻分發方案已成為改善網絡直播質量的重要方法。

1 傳統的網絡直播視頻分發方案

基于內容分發網絡(Content Delivery Network，CDN)技術的網絡直播視頻分發方案是當前主流的視頻直播分發方案[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碼服務，然后通過Internet或CDN網絡，將視頻流分發到用戶邊緣的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絡之外，如果視頻采集設備通過移動方式接入網絡，則需要經過移動接入網、核心網絡后，才能接入到Internet邊緣的CDN服務器，這會帶來一定的網絡時延，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邊緣CDN服務器的路徑過長，時延更大的同時，路徑上發生故障的可能性也更高。

2 基于MEC的移動網絡直播視頻分發方案

本文在傳統的基于CDN的網絡直播視頻分發方案上進行創新，提出了一種新的基于MEC的網絡直播視頻分發方案。本節首先介紹基于MEC的網絡直播視頻分發機制，然后對其優勢進行分析論證，最后將該方案與傳統的CDN方案加以對比。

2.1 基于MEC的移動網絡直播視頻分發方案

如圖2所示，基于MEC的網絡直播視頻分發系統由視頻采集設備、基站、視頻源端的MEC服務器、傳輸網絡、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，或通過網絡專線分發至距離用戶最近的MEC服務器。

圖2 基于MEC的移動網絡直播視頻分發方案

由于MEC一般是以分布式方式部署在靠近用戶的網絡邊緣，因此，加強分布式MEC之間的協作對于改善內容分發效率具有重大意義。在分布式部署MEC的協作分發方案中，MEC之間有兩種連接方式：通過網絡專線連接和通過普通Internet連接。其中，MEC之間通過網絡專線的連接方式，具有更高網絡帶寬和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服務器請求內容了。

為了更直觀地描述本文提出的基于MEC的網絡直播視頻分發方案，我們描述具體的分發流程如下。如圖2所示，當視頻采集設備采集到視頻之后，首先將視頻內容通過無線鏈路傳遞到基站，然后基站直接將視頻內容推送至最近的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碼處理。如果本地用戶請求視頻內容，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服務器的協作機制，即將MEC服務器A上的視頻內容通過網絡專線或Internet，與其他地方的MEC服務器進行內容的實時同步，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對該視頻內容進行緩存和轉碼，以便終端設備用戶可以根據網絡狀況選擇對應比特率版本的視頻內容。

2.2 基于MEC的移動網絡直播視頻分發方案的優勢

相比于傳統的視頻分發方案，基于MEC的移動網絡直播視頻分發方案具有以下幾個方面的優勢。

1)保證視頻質量。傳統方案中，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生鏈路擁塞、網絡節點故障等網絡不確定因素的概率大，這些網絡不確定因素會影響Web服務器接收的視頻內容的質量。而在基于MEC的直播方案中，視頻采集設備直接將視頻內容推送給部署在網絡邊緣的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。傳統方案中，視頻內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，因此傳統方案相比于基于MEC的方案來說，在服務器向用戶分發視頻內容的過程也會產生較大的時延。在基于MEC的方案中，由于MEC服務器就位于網絡邊緣，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，實現視頻在線轉碼。在大型網絡視頻直播中，一般要求高清視頻，將來會發展為4K/8K高清視頻。傳統方案中，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，然后到了內容提供商的Web服務器之后，再根據用戶終端的需求，轉碼成相應分辨率的視頻，這不僅對網站的Web服務器性能要求較高，而且還會占用大量的核心網絡帶寬。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據處理能力或計算能力，實時將高清視頻轉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技術的傳統方案對比

表1主要從節點數量、部署位置、內容分發方式、移動性、分發路徑等方面將傳統的基于CDN的網絡直播視頻分發方案與本文提出的基于MEC的網絡直播視頻分發方案加以對比。

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絡直播視頻分發的性能，特別是在降低網絡傳輸時延方面優勢明顯。但是由于基于MEC的方案需要部署大量的邊緣節點，因此建設和運維的成本也相對較高。

3 挑戰和未來研究方向

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

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據時，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花屏、卡頓等現象；因此，實時感知基站到用戶設備之間的無線鏈路狀態，并根據無線鏈路狀態和無線資源分配情況實時調整視頻碼率，對于提高用戶的視頻體驗質量具有重要意義，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碼也是今后研究的一個重點。通過視頻轉碼技術，可以確保實時傳輸的視頻質量與無線網絡狀況相匹配，從而保證視頻流暢性和用戶體驗質量[10-11]。

3.2 結合ICN技術以高效支持移動性和內容分發

當用戶在高速移動時，如何保證實時直播視頻的質量，如何實現基站之間的高效切換是今后面臨的一個重要技術挑戰。傳統的移動網絡都是基于隧道協議或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，視頻傳輸的質量難以保證。與此同時，信息中心網絡(Information-Centric Networking，ICN)技術研究已成為當前學術界和產業界關注的焦點[12]。由于ICN技術基于內容名稱進行路由轉發，“天然”支持移動性，因此，將 ICN技術與無線接入網結合以實現高效的移動性支持和內容分發將是今后MEC的一個重要研究課題[13]。

3.3 結合SDN，對分布式MEC做集中式管理和調度

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度機制來對MEC的資源進行統一管理和調度。而且MEC可以被看作是一種部署在移動網絡邊緣的小型的云，因此在MEC內部可以結合SDN來進行網絡管控。與此同時，為了讓各個MEC服務器之間實現更高效的協作，在網絡中部署集中控制節點來進行統一的管理和控制就顯得十分必要[14-15]。

4 結束語

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