基于移动视频的移动承载网络要求白皮书.pdf

基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  华为 mLAB iLab 联合 发布                                                    文档简介  本篇白皮书阐述了 移动 视频业务体验 评估 指标 Mobile U-vMOS 定义，并论述了各个业务体验指标与带宽、往返 时延 (RTT， Round Trip Time)、丢包率 等 网络 指标 之间的关系， 给出了满足 典型 Mobile U-vMOS 指标 的移动 网络 端到端 （ E2E） 带宽、时延、丢包 率 基线 要求 ， 并进一步 给出了 移动承载网的带宽、时延、丢包 率 基线 建议 。   基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 3 页 , 共 9 页  1  移动视频场景华为 Mobile U-vMOS 视频体验评价标准简介  U-vMOS(User, Unified, Ubiquitous-Mean Opinion Score for Video)是华为公司针对大视频用户体验衡量的统一框架，覆盖场景从传统娱乐类视频业务（点播和直播），到视频监控和视频通话等业务 ， 从移动终端，到 PC 和 TV。  华为 根据人因工程学实验和用户调研，统计得到 影响视频体验 的三大 关键因素，分别是视频源 质量（ sQuality），播放启动时的操作体验（ sInteraction）和播放过程中视频是否有损伤（ sView）。  针对使用小屏幕观看视频点播的业务场景， mLAB 通过与牛津大学和北京大学联合对消费者进行定性研究，发现视频内容清晰度、初始缓冲时延和卡顿时长是影响移动视频 MOS 最重要的三个网络相关因素 ， 并提出了 Mobile U-vMOS 标准。 该标准指出，播放启动时的操作体验取决于 初始 缓冲 时延 （ sLoading），播放过程中的体验 取决于 卡顿（ sStalling） 。 因此， Mobile U-vMOS 是 U-vMOS 在移动小屏场景下的子集 。                                      2  从 Mobile U-vMOS 到网络规划要求的方法论  鉴于 当前移动视频的 主流 应用场景仍为 OTT 点播 ， 本白皮书聚焦于 OTT 点播场景进行讨论。 在如何基于 Mobile U-vMOS 进行网络规划这个问题上，华为 iLab 以及 mLAB 做了 大量 研究。  在 OTT 点播业务 的 Mobile U-vMOS 三大要 素 中， 通常可以将 sQuality 的典型 值（ 包括分辨率，码率等因子 ,如 1080P， 3M 码率 ） 、 sStalling=5 分 （ 播放过程 0卡顿 ） 作为 保障 视频体验的目标。通过现网评估、调研后明确要达到的 Mobile U-vMOS 目标得分后， 初始缓冲 (sLoading)因子得分便确定下来，从而确定了现网视频的 初始缓冲时延 ， 并 将其 作为计算网络关键 性能指标（ KPI） 的输入参数之一。   基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 4 页 , 共 9 页  目标M o b i l e U - vM O S = X分辨率及码率s Q ua l i t y = QY 秒加载s L o a d i n g = ?0 卡顿s S t a l l i ng = 5初始缓冲峰值速率播放速率R T T / 丢包率 容量图 1  基于 Mobile U-vMOS 进行网络规划的基本流程  OTT 视频的 初始缓冲 是一个 突 发过程，要在指定的时间内完成与平均码率成正比的数据量的下载， sLoading 所 对应的初始 缓冲时延 ， 确定 了点播动作发起时 所需 的初始缓冲 峰值 速率 （ 也即 初始缓冲 阶段 TCP 峰值 通 量 ） ， 进而可以为网络 KPI 需求（ 带宽 、 时延、丢包） 提供输入，指导基于 Mobile U-vMOS 的 MBB 承载网架构规划。  按此方法规划的 MBB 网络 KPI，能够满足 初始缓冲 峰值 速率 的要求。  速 率时 间视 频 解 析 阶 段 数 据 下 载 缓 冲 阶 段 播 放 阶 段n 个 R T T最 小 缓 冲 数 据 量所 需 的 缓 冲 时 长初 始 加 载 时 间E 2 E  R T T 越 大 ， 信 令 交互 阶 段 越 长 ， 留 给 数 据下 载 缓 冲 阶 段 的 时 间 越短 ， 对 初 始 缓 冲 峰 值 速率 的 要 求 越 高初 始 缓 冲 峰 值 速率 受 无 线 空 口 实际 能 力 制 约 ， 不可 能 无 限 制R T T 和 初 始 缓 冲 峰 值 速 率 共 同 决 定 了 初 始 加 载 时间 ， 降 低 R T T ， 可 以 降 低 初 始 缓 冲 峰 值 速 率 需 求图 2  典型 OTT 视频初始加载过程   基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 5 页 , 共 9 页  缓冲阶段完成后，进入播放阶段。在此阶段，要求每时每刻的下载速率（通量）不能低于平均码率的某个倍数，才能保证播放全过程不会出现卡顿，这个最低倍数即播放速率要求（ 持续保证通 量 ） 。 MBB 网络 必须保证忙时每个视频并发用户都达到该 播放速率要求 。通过 播放速率要求 ，可以和其他业务参数加权计算出每用户目标速率 ，指导保障视频体验的 MBB 网络容量规划。  播放速率要求 同样也需 映射 到网络 KPI 需求 ，由于 初始缓冲峰值速率要求不低 于 播放速率要求 ，故按 初始缓冲峰值速率 规划的 MBB 网络 KPI， 同时 也会满足 播放速率的要求。  3  保障 Mobile U-vMOS 的 MBB 网络 E2E KPI 本章阐述如何从目标 Mobile U-vMOS 映射到 MBB 网络 E2E KPI（带宽、时延、丢包） 。  从图 2 的过程分解可以看出，初始加载 阶段 分为 视频解析 和数据下载缓冲两个 子 阶段。 视频解析 阶段 的持续时长 和 OTT 平台、终端的设计原理有关，通常为 RTT 的某个倍数。 数据 下载缓冲阶段的持续时长与 所需 最小 初始 缓冲数据量以及初始 缓冲峰值 速率有关。  在目标 初始加载时间已经确定（如 1 秒）的前提下， E2E RTT 越大， 则 视频解析 阶段越长，留给数据下载缓冲阶段的时间 就 越短，对 初始缓冲峰值速率 的要求 也就越高。然而 ， 初始缓冲峰值速率 受到无线空口实际能力制约，不可能无限制增加。由此可见， E2E RTT 规划与 无线空口能力 强相关 ，降低 E2E RTT，可以降低无线空口带宽需求， 反之， 较大 的 E2E RTT， 则对无线空口带宽提出 挑战 。  E2E RTT 和 初始缓冲峰值速率共同决定了初始加载 时间 。  图 3  SpeedVideo 初始缓冲阶段流程示意图   基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 6 页 , 共 9 页  通过上面的分析可知，无线空口可达速率越高， 则对 E2E 时延上限要求越宽松，当空口能力不足时，就需要通过网络规划 /优化来降低 E2E 时延，以 降低对 初始缓冲峰值速率 的要求。假设目标初始缓冲时延 为 t，视频最小缓冲数据量为 Data，无线空口制约的 初始缓冲峰值速率 理论 最大值为 P，由片源码率决定的 播放速率要求 为H， 视频解析 阶段 持续时长为 x 个 RTT(如 图 3 视频解析时间 T1)， TCP 慢启动的过程需要 s 个 RTT， TCP 慢启动过程下载的数据量为 Ds， 那么 ， 留给数据下载缓冲阶段的时间是 t-x*RTT。 TCP 到达 稳 态阶段的 峰值 吞吐量（初始缓冲峰值速率） Thrp需要 满足以下关系：  t ( x s )D ata D sThrp RTT 且， Thrp P  同时， 初始缓冲峰值速率不 得 低于播放速率要求：  Thrp H  下表以 Mobile U-vMOS 4 分， 1080P 视频， 3M 码率，对应 1s 初始缓冲时延为例， mLAB 与 iLab 基于 youtube、 优酷 等最新移动视频商用客户端的分析，初始缓冲数据量按照 4s， 视频播放采用 HAS（ HTTP Adaptive Streaming） 协议 ，分析了不同 移动网络 E2E RTT 情况下 对 初始缓冲峰值速率 的 要求。  表 1 不同 E2E RTT 所 对应的初始 缓冲 峰值速率  E2E RTT 初始缓冲峰值速率  10ms 15Mbps 20ms 20Mbps 30ms 30Mbps 40ms 85Mbps 50ms >150Mbps  基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 7 页 , 共 9 页  考虑 到当前 移动业务低于 20ms 的 E2E 时延 过于 严格，而 播放 3M 码率视频要求 每个 移动 用户 85M 以上的 峰值速率（ 单 TCP 通量 ） 同样过于 严格，我们选取RTT=30ms，每 移动 用户 初始缓冲峰值速率 30M 作为 Mobile U-vMOS 4 分的基线要求。  在得到 E2E RTT 和 初始缓冲峰值速率 的基线 要求后，可通过 TCP 吞吐量公式， 计算出对应 丢包率 容忍门限 ：  *MSST RTT 2()*MSSRTT T  其中 为丢包率 （ PLR， Packet Loss Rate） ， MSS 为最小传输单元， T 为 单用户TCP 吞吐量。  在 30Mbps 峰值速率 ， 30ms RTT 的要求下，可得到网络 E2E 丢包率 要求为：  PLR1.7*10-4。  同理， 基于不同分辨率 的 典型视频码率和初始加载时间，按照 4s 缓冲数据量， HAS视频播放协议，计算出 移动网络 E2E KPI 基线如下表：  表 2 典型 Mobile U-vMOS 值 所 对应 的网络 E2E KPI 需求  具体 Mobile U-vMOS 和网络 KPI 需求计算可参考网站计算工具： mlab.huawei 或 speedvideo.huawei 4  保障 Mobile U-vMOS 的 移动承载网 KPI 移动 视频 业务 的 E2E 组网如下图 所示 ，主要包括无线、移动承载网、 EPC、以及 Gi口至服务器段。 在得到了 移动 网络 E2E KPI 要求 后， 可 采用分段分解法 分析 移动承载网的 KPI 目标建议值： 基于实验室测试和现网经验数据， 得到 无线空口和 EPC 到 基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 8 页 , 共 9 页  内容源的网络 KPI 变化范围和建议经验值 ， 进一步给出 移动承载网的 KPI 目标建议值 。  图 4  移动视频 业务 E2E 组网 示意图  基于 mLAB 2015 年 H1 全球 RTT 数据分析 ， 4G 网络 从终端到 Gi 口 的 RTT（以下统称为 Gi 口以下 RTT）平均 占 E2E RTT 67%以上 ，虽 4G Gi 口 以下 RTT 占比较3G 有所 下降 ，但 Gi 口 以下 RTT 仍然是 E2E RTT 的主要组成部分 ，下面 以 Gi 口 以下 RTT 占 E2E RTT 67%的典型值 进行 分析 。  EEGi R T TR T T 2*67.0口以下  Gi 口以下 RTT 主要包括无线空口时延、移动承载网时延、 EPC 处理时延。  EPCGi R T TR T TR T TR T T 移动承载网无线口以下  无线空口时延 ： 在 无线信号良好， 网络轻载情况下，经过 mLAB 以及 iLab 实验室测试 以及 现网测量 ， 空口时延分布在 1120ms， 平均 值约 15ms，此处按照 15ms典型值进行 分析 。  EPC 处理 时延： 根据普通报文转发处理 单向 平均时延 0.5ms， RTT 1ms 进行分析。  通过典型 Gi 口 以下时延 减去无线空口 时延和 EPC 处理时延 ，可 得到移动承载网典型时延 建议 。  分析典型 Mobile U-vMOS 值 的 E2E KPI 要求，目标 vMOS 分数越高，对 丢包率的容忍度越低，在 vMOS 分数达到 4.2 分以上时， E2E 丢包率容忍度 达到 10-5 数量级， E2E 的丢包可能包括 Gi 口至服务器 段丢包，无线接入段 丢包，移动承载网丢包等，为了保障良好视频体验，华为根据现网 经验 数据 以及实验室测试数据，建议移动承载网丢包率控制 在 1.0E-5 以下。   基于 移动 视频 的 移动承载 网络要求白皮书  第 9 页 , 共 9 页  基于不同分辨率典型视频码率和初始加载时间，按照 4s 缓冲数据量， HAS 视频播放 协议 ， 保障 Mobile U-vMOS 的 典型 移动承载网 KPI 目标建议值 如下表 ：  表 3 典型 Mobile U-vMOS 值 所 对应 的 移动 承载网 KPI 建议值  移动视频业务体验由终端至无线、移动承载网、核心网至服务器端的 网络性能 共同保障，上表的数据是基于实验室实测结果和现网典型经验值分析得出的，是对于移动承载网KPI 的目标建议值。现网的移动 视频 体验评估需要结合当地视频实际播放机制、 E2E 网络状况等具体情况进行分析。  附录 A：参考文档  1. 华为 U-VMOS 视频体验标准白皮书  V1.0  2. mLAB E2E_RTT 洞察报告 2015H1  3. iLab OTT 视频初始加载技术白皮书  注 意