基于MEC的移动网络直播视频分发机制研究

贾庆民 李子姝 李诚成 谢人超 黄 韬

北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京 100876

引言

随着移动互联网、物联网技术的发展，移动高清视频、AR/VR以及各种智能硬件设备已经成为人们生活中不可缺少的一部分。这些网络技术和应用在丰富人们生活的同时，也产生了巨大的移动网络流量。根据2017年的思科VNI技术报告[1]，到2021年，全球移动数据流量将达到587EB，相当于2011年全年生成的全球移动总流量的122倍；从2016年到2021年，移动视频流量将增长8.7倍，在移动应用类别中享有最高的增长率；到2021年，移动视频流量将占总移动数据流量的78%。

快速增长的移动网络流量，特别是移动视频流量，给移动网络带来了极大的压力和挑战。流量爆炸给当前的移动网络带来了以下影响：1)回传网络和移动核心网络压力巨大，移动网络流量的快速增长，使得移动回传网络压力增大，带宽资源紧张，同时移动核心网络负载严重；2)内容重复传输造成网络资源的极大浪费，当前移动网络采用端到端的传输机制会造成大量流行内容的重复传输，特别是移动高清视频内容的传输；3)网络时延大，用户体验差。在当前的移动网络中，用户的内容请求要先后经过基站、S-GW、P-GW，然后进入Internet，路由转发至内容服务器。用户到内容服务器的空间距离使得网络传输时延较大，再加上内容服务器的处理时延以及传输链路发生的拥塞丢包、链路故障等特殊情况，都会降低用户的体验质量。此外，谷歌公司研究显示，每400ms的网络时延就会导致0.59%用户搜索请求的下降[2]；亚马逊公司也表示，每增加100ms的网络延迟，就会降低1%收益[3]。

为了应对移动网络流量爆炸，改善用户的网络体验质量，加速内容分发效率，缓解回程网络的传输压力，欧洲电信标准化协会(ETSI)提出了多接入边缘计算(Multi-Access Edge Computing，MEC)这一全新概念，旨在在移动网络边缘向内容提供商和应用开发者提供云计算能力和IT服务环境，从而为终端用户提供超低时延和高带宽的服务[4-6]。

与此同时，网络直播已经成为当今的一个重要网络应用。网络直播是指将活动现场的音频和视频信号经压缩后上传到Web服务器或者多媒体服务器，并在Internet上根据用户请求进行分发的过程。近几年来，随着互联网的飞速发展，网络直播已经走向了实用阶段，尤其是2016年至今，网络直播在移动用户中广受欢迎，体育赛事、音乐会、远程会议等都属于现场直播业务。然而，当前的网络视频直播系统还存在例如移动性差、时延较大、视频卡顿、QoS难以保证等诸多问题。

随着MEC技术研究的不断深入，基于MEC的视频分发方案已成为改善网络直播质量的重要方法。

1 传统的网络直播视频分发方案

基于内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)技术的网络直播视频分发方案是当前主流的视频直播分发方案[7-8]。如图1所示，视频采集设备将采集录制的视频流推送给边缘CDN服务器，边缘CDN服务器负责进行直播视频流的缓存和转码服务，然后通过Internet或CDN网络，将视频流分发到用户边缘的CDN服务器，为用户提供视频直播服务。该方案还存在诸多不可忽视的问题，例如，在移动性方面，由于边缘CDN服务器部署在移动网络之外，如果视频采集设备通过移动方式接入网络，则需要经过移动接入网、核心网络后，才能接入到Internet边缘的CDN服务器，这会带来一定的网络时延，影响用户体验；而如果通过固定方式接入边缘CDN服务器，则会限制视频采集设备的移动性。另外，从视频采集设备到用户侧边缘CDN服务器的路径过长，时延更大的同时，路径上发生故障的可能性也更高。

2 基于MEC的移动网络直播视频分发方案

本文在传统的基于CDN的网络直播视频分发方案上进行创新，提出了一种新的基于MEC的网络直播视频分发方案。本节首先介绍基于MEC的网络直播视频分发机制，然后对其优势进行分析论证，最后将该方案与传统的CDN方案加以对比。

2.1 基于MEC的移动网络直播视频分发方案

如图2所示，基于MEC的网络直播视频分发系统由视频采集设备、基站、视频源端的MEC服务器、传输网络、用户端的MEC服务器、用户设备终端6部分组成。视频采集设备首先将采集录制的视频推送至MEC服务器，由于MEC具有本地流量卸载功能，因此MEC可以直接将视频直播流推送到Internet上，或通过网络专线分发至距离用户最近的MEC服务器。

图2 基于MEC的移动网络直播视频分发方案

由于MEC一般是以分布式方式部署在靠近用户的网络边缘，因此，加强分布式MEC之间的协作对于改善内容分发效率具有重大意义。在分布式部署MEC的协作分发方案中，MEC之间有两种连接方式：通过网络专线连接和通过普通Internet连接。其中，MEC之间通过网络专线的连接方式，具有更高网络带宽和QoS保证。在分布式部署MEC的场景下，当视频采集设备将内容推送至与其最近的MEC服务器之后，该MEC服务器立即与其他位置的MEC服务器进行内容的同步，之后终端设备就可以向距离最近的MEC服务器请求内容了。

为了更直观地描述本文提出的基于MEC的网络直播视频分发方案，我们描述具体的分发流程如下。如图2所示，当视频采集设备采集到视频之后，首先将视频内容通过无线链路传递到基站，然后基站直接将视频内容推送至最近的MEC服务器A(视频源端MEC服务器)，MEC服务器A对基站推送来的视频进行缓存和转码处理。如果本地用户请求视频内容，MEC服务器A可以直接对用户的请求进行响应；而对于非本地用户，我们引入MEC服务器的协作机制，即将MEC服务器A上的视频内容通过网络专线或Internet，与其他地方的MEC服务器进行内容的实时同步，例如将MEC服务器A中缓存的最高比特率版本的直播视频内容通过专用线路推送至MEC服务器B，类似地，MEC服务器B对该视频内容进行缓存和转码，以便终端设备用户可以根据网络状况选择对应比特率版本的视频内容。

2.2 基于MEC的移动网络直播视频分发方案的优势

相比于传统的视频分发方案，基于MEC的移动网络直播视频分发方案具有以下几个方面的优势。

1)保证视频质量。传统方案中，视频采集设备到Web服务器或CDN服务器之间的距离较远，视频在上传过程中发生链路拥塞、网络节点故障等网络不确定因素的概率大，这些网络不确定因素会影响Web服务器接收的视频内容的质量。而在基于MEC的直播方案中，视频采集设备直接将视频内容推送给部署在网络边缘的MEC服务器，可以在很大程度上缓解这一问题。

2)降低传输时延。传统方案中，视频内容需要先从视频采集设备到Web服务器或CDN服务器，然后再被分发给有需要的终端用户，而从视频采集设备到服务器的长距离上传会导致时延相对较大，同时Web服务器或CDN服务器也并不像MEC服务器那样更靠近用户，因此传统方案相比于基于MEC的方案来说，在服务器向用户分发视频内容的过程也会产生较大的时延。在基于MEC的方案中，由于MEC服务器就位于网络边缘，离直播视频采集设备和用户距离都更近，因此时延更低。

3)链路感知，实现视频在线转码。在大型网络视频直播中，一般要求高清视频，将来会发展为4K/8K高清视频。传统方案中，从视频采集设备到Web服务器一般只传输分辨率最高的视频，然后到了内容提供商的Web服务器之后，再根据用户终端的需求，转码成相应分辨率的视频，这不仅对网站的Web服务器性能要求较高，而且还会占用大量的核心网络带宽。而在基于MEC的方案中，MEC服务器可以对用户链路进行感知，当检测到某些用户的链路空闲时，可以回收链路资源并分配给其他用户，为用户传送高质量版本的视频；当检测到用户链路状况下降时，MEC服务器也可以利用自身强大的数据处理能力或计算能力，实时将高清视频转码成较低码率的视频，以适应终端用户的需求[9]。

2.3 与基于CDN技术的传统方案对比

表1主要从节点数量、部署位置、内容分发方式、移动性、分发路径等方面将传统的基于CDN的网络直播视频分发方案与本文提出的基于MEC的网络直播视频分发方案加以对比。

表1 基于CDN的方案与基于MEC的方案对比

从表1中可以看出，基于MEC的方案可以很好地改善网络直播视频分发的性能，特别是在降低网络传输时延方面优势明显。但是由于基于MEC的方案需要部署大量的边缘节点，因此建设和运维的成本也相对较高。

3 挑战和未来研究方向

基于MEC的直播视频分发方案在为用户带来低时延、高带宽的视频体验和改善网络效率的同时，仍面临着一些挑战，同时这些挑战也是未来基于MEC的视频分发的重要研究方向。

3.1 无线链路感知的自适应视频流

在MEC向移动终端用户传输视频数据时，由于基站到用户之间的无线链路容量有限并且易受各种干扰，无线带宽资源通常难以保证。当分配给终端用户的无线带宽资源无法保证高清视频所需要的码率时，用户终端设备可能会出现花屏、卡顿等现象；因此，实时感知基站到用户设备之间的无线链路状态，并根据无线链路状态和无线资源分配情况实时调整视频码率，对于提高用户的视频体验质量具有重要意义，是研究的重要方向；尤其是在MEC部署缓存之后，为了高效利用有限的MEC缓存资源，对缓存的视频块进行实时转码也是今后研究的一个重点。通过视频转码技术，可以确保实时传输的视频质量与无线网络状况相匹配，从而保证视频流畅性和用户体验质量[10-11]。

3.2 结合ICN技术以高效支持移动性和内容分发

当用户在高速移动时，如何保证实时直播视频的质量，如何实现基站之间的高效切换是今后面临的一个重要技术挑战。传统的移动网络都是基于隧道协议或TCP/IP技术，对移动性的支持都是建立在端到端通信的基础之上；因此，当用户高速移动时，视频传输的质量难以保证。与此同时，信息中心网络(Information-Centric Networking，ICN)技术研究已成为当前学术界和产业界关注的焦点[12]。由于ICN技术基于内容名称进行路由转发，“天然”支持移动性，因此，将 ICN技术与无线接入网结合以实现高效的移动性支持和内容分发将是今后MEC的一个重要研究课题[13]。

3.3 结合SDN，对分布式MEC做集中式管理和调度

由于MEC服务器采用分布式部署，需要一种高效的资源管理和调度机制来对MEC的资源进行统一管理和调度。而且MEC可以被看作是一种部署在移动网络边缘的小型的云，因此在MEC内部可以结合SDN来进行网络管控。与此同时，为了让各个MEC服务器之间实现更高效的协作，在网络中部署集中控制节点来进行统一的管理和控制就显得十分必要[14-15]。

4 结束语

本文针对网络直播视频分发这一特定场景，设计了一种基于MEC的移动网络直播视频分发方案。相对于传统的内容分发方案，该方案的特点是从内容产生源(或者说内容产生源附近的MEC服务器)就开始向用户分发视频内容，而非先向内容提供商的Web服务器传输，再向用户分发视频内容，因此具有降低时延、提高视频分发效率、提升用户体验质量等优势。同时总结出了当前网络直播视频分发的技术挑战，并对未来发展方向提出了展望。