Развитие сети LTE, основанное на улучшении клиентского опыта при просмотре мобильного видео

Обзор

Глобально, видеоконтент будет занимать 79% от мобильного трафика уже в 2022 году согласно данным отчёта Cisco VNI. В Российской Федерации мы также видим быстрорастущий тренд видеоуслуг: таким образом, по данным App Annie analytics, сейчас потребление видео на абонента в среднем по РФ достигает 5.3 ГБ (Гигабайт) данных и 37 часов просмотра за месяц. С точки зрения абонентских устройств, основываясь на IDC intelligence, мы видим, что доля поставок смартфонов в России с разрешением экрана 720p (HD) и выше (Full HD, 2K) с 2019 года превышает 90%.

Сегодня операторы встретились с серьёзными вызовами и требованиями по строительству и оптимизации сетей LTE согласно стандартам качественного мобильного видео. Эти улучшения требуются для стабильного качества передачи контента в формате HD через мобильную сеть и стимуляции роста абонентского трафика. Данная статья посвящена стандартизации построения сетей на основе клиентского опыта потребления видео.

По результатам исследования компании Хуавэй, можно заявить, что экосистема мобильного видео в России на данный момент является зрелой: контент с высоким разрешением широко доступен, видео занимает долю более 50 % мобильного трафика, на рынке присутствуют безлимитные тарифные планы для смартфонов, опции безлимитного трафика на популярных и принадлежащих операторам видеоплатформах, тарифные бандлы с подписками на видеоконтент. Наиболее популярной платформой с точки зрения объёма скачиваемых данных является YouTube, занимая более 40 % от общего количества мобильного видеотрафика. Следом идут социальные сети, такие как ВКонтакте, TikTok, Instagram, Одноклассники. В Топ-е по объёму мобильного видеотрафика, также, присутствуют Yandex и Rutube. Следовательно, качество видеоуслуг сейчас является наиболее значимым критерием оценки уровня клиентского опыта при использовании сетей LTE. При этом, менее 20 % мобильных абонентов получают контент с разрешением HD (720p) и выше. Наиболее слабым звеном может являться недостаточная пропускная способность сети ввиду таких ограничивающих факторов как нестабильное и слабое покрытие, недостаточная ёмкость сети, что в результате приводит к значительному снижению качества передачи контента между источником и абонентом.

Факторы, влияющие на клиентский опыт мобильного видео

Потребление видеоконтента делится на основные фазы:

1) процесс запуска, 2) проигрывание.

Основными факторами, оказывающими влияние на клиентский опыт при получении видеоуслуг являются: качество видеопотока, время запуска видео и доля замираний видео при просмотре.

1. Качество видеопотока: зависит от максимально возможного разрешения источника и битрейта (video definition, bitrate). Как правило, чем выше оба эти показателя, тем лучше качество изображение. Также, высокие разрешение и битрейт предъявляют большие требования к ширине канала и задержкам трансмиссии на сети.

2. Первоначальная буферизация данных, время запуска видео (initial buffering delay, VST – Video Start Time):

• Зависит от протоколов передачи видео, определяет пороговые уровни времени сквозной двусторонней задержки (E2E RTT – End-to-end RTT) и пропускной способности для первоначального скачивания данных.

• Относится ко времени ожидания начала проигрывания видео после нажатия кнопки запуска абонентом. Как показано на изображении 3, если задержка начала проигрывания видео превышает 2 секунды, абонент может отказаться от потребления услуги. Помимо этого, увеличение задержки на одну секунду увеличивает процент отказа абонента от просмотра видео примерно на 5.8 %. В случае коротких видео, абоненты отказываются от просмотра при длительной первоначальной задержке чаще, чем при просмотре видеоконтента с большой длительностью.

3. Замирания видеопотока, «заморозка» кадра (video stalling rate): когда пропускная способность загрузки данных ниже, чем требует битрейт для выбранного разрешения видеофайла, может возникнуть эффект «заморозки» кадра. Требование по минимизации замираний видеопотока является первоначальным и основным для построения сети на основе клиентского опыта потребления видеоуслуг. Требование по снижению скорости первоначальной загрузки вторично и является дополнительным. Как правило, если выполнены условия по быстрой первоначальной загрузке, то в дальнейшем и эффекты заморозки кадров маловероятны. Поэтому, далее основным образом обсуждается задержка первоначальной буферизации.

Сочетание требований по клиентскому опыту просмотра видео с сетевыми КПЭ

Уровень	Целевые показатели	Методы сопоставления
1) клиентский опыт при просмотре	Первоначальная задержка запуска видео	Сопоставление не требуется
2) сетевые возможности	Первоначальная задержка видео и пропускная способность по данным драйв-тестов	Проактивные тесты видеоуслуг на работающей сети и анализ показателей
3) условия на радиоинтерфейсе и его возможности	Пропускная способность по данным драйв-тестов и сетевая статистика по пропускной способности, ёмкости на радиоинтерфейсе (доступные ресурсы и уровень утилизации)	Сопоставление пропускной способности по данным из системы управления и по данным драйв-тестов в рамках единого временного периода

Моделирование зависимости задержки на первоначальную буферизацию от пиковой пропускной способности

Основываясь на анализе большого объёма данных и статистики, удалось смоделировать возможный уровень клиентского опыта относительно первоначальной задержки буферизации и статистических данных сети по трафику, КПЭ и пропускной способности на абонента.

Отношение пропускной способности по данным из OSS к пропускной способности первоначальной буферизации по данным драйв-тестов стремится к значению 1 на долгосрочном тренде, тем самым, пиковая пропускная способность во время первоначальной буферизации по драйв-тестам сравнима со статистической пропускной способности на абонента.

Стандарты по оценке клиентского опыта просмотра видео в мобильной беспроводной сети (базовые значения пропускной способности на стороне абонента при различных разрешениях видео и задержках первоначальной буферизации) приведены ниже:

Источник	Разрешение	Типичный битрейт (Мбит/с)	Задержка первоначальной буферизации (с)	Требуемая пропускная способность сети (Мбит/с)
YouTube	480p	1.0	3	8.5
			2	10.5
			1	15
	720p	1.4	3	14.5
			2	16.5
			1	20
	1080p	2.4	3	20
			2	24
			1	30

Требования к сети для улучшения клиентского опыта

Следующее изображение посвящено сквозной схеме взаимодействия сетевых элементов при потреблении абонентом видеотрафика, включая беспроводной интерфейс (air interface), мобильную транспортную сеть (MBH – Mobile BackHaul), пакетное ядро сети (EPC – Evolved Packet Core), и сегмент от интерфейса Gi до сервера. После установки сквозных требований к КПЭ мобильной сети вцелом, можно прибегнуть к её сегментации для определения допустимой задержки на транспортной сети и ядре сети.


Рекомендованные КПЭ для радиоинтерфейса:

1. Двусторонняя задержка (RTT): по результатам тестов в лаборатории Huawei и измерений на коммерческой сети, опытным путём установлено, что задержка на радиоинтерфейсе лежит в пределах от 11 до 20 мс, в среднем около 15 мс.

2. Утилизация ресурсных блоков LTE при передаче в сторону абонента (Downlink PRB usage, utilization) должна обязательно учитываться при определении требований пропускной способности на абонента. Основываясь на сетевых условиях можно сопоставить связь между доступной пропускной способностью к абоненту и утилизацией ресурс-блоков (DL PRB Usage).

Следующая таблица показывает рекомендуемые уровни КПЭ пакетного ядра сети: 

Успешность передачи пакетов (UL и DL)	Уровень потери пакетов на UL и DL	Односторонняя задержка передачи пакетов	RTT	Успешность DNS Resolution
>99.999%	<0.001%	<0.5 мс	<1 мс	>99.999%

Рекомендуемые уровни КПЭ для мобильного транспорта:

• Чем выше установлена планка по целевому качеству мобильного видео, тем ниже порог по допустимому уровню потери пакетов (PLR). Основываясь на лабораторных и натуральных сетевых тестах, рекомендуется, чтобы уровень потери пакетов на мобильной транспортной сети был ниже, чем 1.0e^-5.

• Требования по двусторонней задержке на мобильном транспорте могут отличаться согласно различным типам разрешений видео и задержек на первоначальную буферизацию, ниже приведены примеры:

Задержка первоначальной буферизации (с)	Видео	Рекомендации по КПЭ мобильного транспорта
	Разрешение	RTT (мс）	PLR
3	480p	<50	<1.00e-5
2	480p	<38	<1.00e-5
3	720p	<45	<1.00e-5
2	720p	<31	<1.00e-5
3	1080p	<36	<1.00e-5
2	1080p	<24	<1.00e-5

Примечание: приведённые данные основываются на результатах лабораторных тестов и типичных показателей на сетях. Оценка качества видеоуслуг в той или иной конкретной сети должна основываться на её локальных особенностях.