（2019年度“嘉環杯”獲獎論文三等獎）基于IPv6 TCP包的空口視頻播放體驗優化研究

魏 雷 石霄飛 丁 博 許舒健

中郵建技術有限公司

0 引言

當前，無線網絡用戶對于高清視頻業務的需求迅猛增加，視頻類業務流量已占總流量的近50%，用戶體驗越來越重要。目前針對視頻業務，無線網絡優化以“增強型決策樹大數據建模”為核心手段，結合“SDK單據+軟采單據+POI數據+15分鐘OMC數據”的地理化匯聚和關聯分析，確立視頻感知和覆蓋、干擾、容量在不同場景下的關系，視頻感知對建網提出了更高的要求。視頻感知提升，需要聚焦視頻質差站點和質差場景，并將視頻容量受限及弱覆蓋問題點納入到后續的站點規劃建設及擴容工作中，持續開展視頻質差站點常態優化，提升視頻質差基站工單解決率。

1 策略算法

在用戶日常的網頁瀏覽/視頻播放等娛樂業務中，業務建立時延和業務速率是影響用戶體驗的重要因素。網頁瀏覽/視頻播放業務的建立流程中，在無線側影響業務建立時延的因素包括上行調度和下行調度。通過評估、定界、定位、優化，拉通互聯網、核心網、承載網、無線、終端，優化視頻業務質量。

典型的視頻質差單據分析，數據源主要為SDK詳單、SEQ詳單、無線話統數據等。

（1）SDK數據：主要用來判決用戶無線信號質量、初緩/播放速率及視頻源相關信息；

（2）話統數據：結合SDK詳單進行容量、覆蓋、干擾等方面的綜合判定；

（3）信令（SEQ）數據：主要是針對要定界的無線問題進行快速定位；

（4）覆蓋原因：建議值RSRP≤-105dBm（SDK指標），參考范圍[-105dBm，-108dBm]；

（5）干擾原因：SINR≤3dB，RSRP＞-105dBm（SDK指標）或者15分鐘粒度每PRB上行干擾噪聲的平均值＞-110dBm（KPI指標）；

（6）上行PRB平均利用率高：指15分鐘粒度上行PRB平均利用率≥50%（KPI指標）；

（7）下行PRB平均利用率高：指15分鐘粒度下行PRB平均利用率≥50%（KPI指標）；

（8）CCE利用率高：指15分鐘粒度CCE利用率≥50%（KPI指標）。

結合實際網絡情況，通過制作初緩時延（卡頓次數）與覆蓋、干擾、PRB利用率、CCE利用率的關系圖，確定各指標的劣化門限拐點。

在基礎的空口優化方法下，引入基于IPv6 TCP包的優化策略，實現空口加速等功能，重點提升中、大包的業務用戶體驗。以下數據由某運營商提供，數據中共包括2萬多個小區。

表1 包業務分類實例

業務 每E-RAB流量（KB） 業務細分 細分業務典型每E-RAB流量（KB）中包類業務 ≥300＜1000 背景類業務 300大包類業務 ≥1000流類業務 2000文件類業務 3000

從表1可以看出，目前無線網絡影響用戶感知的流量業務主要是網頁瀏覽、視頻流、實時游戲。一般實時游戲每E-RAB流量100KB，主要是小包業務；網頁瀏覽每E-RAB流量在100-2000KB，涉及小、中、大包；視頻流業務每E-RAB流量在1000-2000KB，主要涉及大包。

視頻播放卡頓次數：當用戶播放視頻等多媒體文件時，若視頻下載數據量小于播放需求數據量時，認為視頻會產生卡頓。

卡頓判定=緩沖剩余數據量＜播放需求數據量（緩沖剩余數據量=實際下載數據量-播放消耗數據量）

實際下載數據量= SUM（tcp_segment_data_DL_Len）為視頻get后到統計點的視頻數據下發量

播放需求數據量=BR*T1（T1為時間粒度）

播放消耗數據量=BR*T2（T2為視頻資源get的時間點到統計點的時長）

目前無線優化手段主要優化的是無線環境、容量、質量三個方面。在此基礎上，參考Qos端到端優化思路，可以嘗試利用TCP包的特性進行視頻業務優化，即TCP包空口加速等策略。

視頻空口加速特性會在TCP建鏈階段，通過視頻業務識別，eNodeB會執行預調度，即主動向UE發起上行調度指示，使得上下行包得到及時調度，以降低業務建立時延；另一方面，在整個業務過程中采用更高的上下行調度優先級，降低業務建立時延，提升上下行業務速率。

圖1 TCP包數據傳輸流程示例圖

eNodeB實現視頻業務識別方式如下：（1）通過視頻業務的流量特征中的報文大小、流量、上下行報文數比例等因素來識別；（2）通過視頻應用的服務器標識來識別。

圖2 TCP包數據處理流程示例圖

IPV6基于用戶側應用的一個重要作用就是實現網絡加速。IPv4時代的包亂序、TCP包建鏈延遲等問題，在IPv6時代可以通過改進包排序算法優化亂序、TCP包建鏈加速、代理等功能加速網絡訪問，實現速度的明顯提升。

主要核心策略如下：

IPv6引入TCP主動排序定時器：當TCP數據報文順序到達eNodeB時，eNodeB不緩存數據報文，直接發送給UE；當TCP數據報文發生亂序時，則啟動TCP主動排序定時器，亂序報文到達eNodeB后，eNodeB對其亂序重排，并將亂序恢復的TCP報文發送給UE；當超過TCP主動排序定時器門限時，亂序報文還未達到時，將已經緩存的所有TCP數據報文發送給UE。對于亂序場景，亂序消除之后能夠提升數據傳輸吞吐率。

IPv6 TCP建鏈加速保障功能：啟動TCP建鏈加速保障功能，加速用戶基于HTTP/HTTPS的TCP業務，打開時延減少。

預估TCP ACK數據量的包個數：用戶BSR在調度之前上報到基站，假設上報的業務量是BSR1，而實際上行調度的業務量是BSR2，因為BSR上報和上行調度之間還有下行調度，所以產生更多的TCP Ack，提升實際上行調度數據量，縮短TCP Ack時延。

HTTP GET上行調度字節：在識別SYN+ACK后，對HTTP GET的預調度時間及字節大小進行優化，從而節省HTTP GET時延。

SRI周期自適應增強優化功能：相對于原有SR周期自適應，可以將更多用戶分在SR短周期，降低上行業務時長。

加速用戶預調度數據量：優化空口加速業務的預調度數據量，該參數設置得越大，上行數據傳輸時延越低，但上行干擾和UE能耗增加。

加速用戶預調度最小間隔周期：優化加速業務的最短預調度時間間隔，該值設置得越大，上行業務時延改善的性能越差，但UE能耗和上行干擾降低。

加速用戶預調度最大持續時間：該參數表示加速業務預調度的最大持續時間。增加該參數的取值，加速用戶業務時延改善的性能越好，但UE能耗和上行干擾可能增加。

策略核心腳本如下：

圖3 核心策略腳本截圖

適用場景：（1）網絡業務空口加速功能適用于運營商對某項業務的用戶體驗比較關注，特別是對業務建立時延需要重點保障的網絡；（2）需要保障的對象有明確的DNS或者IP地址信息的基于TCP協議的業務；（3）不同的業務可以配置不同的加速保障策略，配置差異化的預調度參數和調度優先級；（4）在網絡資源受限場景（如忙時PRB利用率＞80%的比例超過10%）增益比較明顯。

增益：對于訪問特定DNS/IP地址的用戶，縮短用戶的網絡業務建立時延，提升網絡業務的下載速率。DRX打開時，業務建立時延（TCP SYN到第一個下行業務包的時延）最大可以改善10%。對于網絡空口資源受限且業務對吞吐率有較高要求的網絡，用戶的速率最大可以改善20%。

影響：（1）對用戶采用主動發起調度指示，會引起上行PRB利用率增加、上行IBLER降低、上行干擾增加和CCE利用率增加等指標波動。（2）對用戶提高調度權重，當用戶處于遠點較多時，會引起小區吞吐率下降、用戶感知吞吐率下降、IBLER上升、PRB利用率上升等；當用戶處于近點較多時，會引起小區吞吐率上升、用戶感知速率上升、IBLER下降、PRB利用率下降等。

2 效果驗證

結合某地市試點共挑選了60個視頻卡頓站點，其中30個位于密集城區，30個位于郊區/農村，同時開啟視頻空口加速特性驗證，挑選原則以近1周質差單據數多及質差單據占比高的為優先。

典型密集城區實驗站周邊卡頓事件分布（連續7天）：密集城區策略實施后，驗證站點的日均視頻劣化話單數約從2.45次/站下降至1.72次/站，改善幅度約30%；日均卡頓劣化話單數從0.64下降至0.41，改善幅度約37%；日均卡頓頻次從3.99次降低至2.36次，改善幅度約41%；平均下載速率從4.4Mbps提升至4.6Mbps，提升約6%。

典型郊區/農村實驗站周邊卡頓事件分布（連續7天）：郊區農村策略實施后，驗證站點的日均視頻劣化話單數約從2.44次/站下降至1.77次/站，改善幅度約27%；日均卡頓劣化話單數從0.90下降至0.39，改善幅度約57%；日均卡頓頻次從5.98次降低至2.75次，改善幅度約54%；平均下載速率從4.3Mbps提升至4.75Mbps，提升約10%。

3 結束語

本研究提出一種改進的TCP包加速算法，并通過不同場景下的實驗驗證了在密集城區和郊區農村都能較好減少視頻卡頓、改善初緩劣化，提升下行速率。在密集城區由于受到高負荷小區多等容量限制，總體提升幅度約6%，郊區農村提升幅度能達到約10%，效果較理想，建議在無線性能優化的同時推廣TCP包優化策略，提升視頻業務用戶感知。