CellFusion：车辆与云端的视频交互(一)

论文题目：CellFusion: Multipath Vehicle-to-Cloud Video Streaming with Network Coding in the Wild

所属会议：SIGCOMM 2023（CCF A）

博客目的：论文阅读时的翻译总结，供同行学习参考

CellFusion:

野外网络编码的多路径车到云视频流

ABSTRACT

​ 本文介绍了 CellFusion，这是一个专为从车辆到云端的高质量实时视频流而设计的系统。它利用多路径 QUIC 传输和网络编码的创新组合。 CellFusion 超越了单个蜂窝运营商的限制，使用独特的最后一英里覆盖，将多个蜂窝网络集成到一个统一的云连接中。

​ 这种集成是通过使用车载客户端设备 (CPE) 和边缘云代理服务器来实现的。为了有效处理车辆移动时容易出现严重突发丢失和意外延迟峰值的不稳定蜂窝连接，CellFusion 引入了 XNC。这种基于网络编码的创新传输解决方案可实现高效且有弹性的多路径传输。

​ XNC 的目标是同时实现低延迟、最小流量冗余和降低计算复杂性。 CellFusion 本质上是安全和透明的，不需要对连接到它的车辆应用程序进行修改。我们在 100 辆自动驾驶车辆上对 CellFusion 进行了六个多月的测试，我们的云原生后端在 50 个 CDN PoP 上运行。

​ 通过广泛的道路测试，我们表明，与 5G 相比，XNC 在第 99 个百分位数处将视频数据包延迟降低了 71.53%。在 30Mbps 时，与最先进的多路径传输解决方案相比，CellFusion 的视频卡顿率降低了 66.11% ∼ 80.62%，流量冗余低于 10%。

1. INTRODUCTION

1.1 背景技术：

• “车轮上的智能手机”进入视野。随着这种转变的展开，在这些车辆和云之间建立可靠的连接变得越来越重要
  • 从车辆到云端的视频流解锁了许多新颖的应用程序，从车载娱乐和游戏到需要更高可靠性和性能的关键任务
  • ex:
    1. 远程操作驾驶 (ToD) [6, 7] 是一种当算法无法有效处理复杂情况时远程超越自动驾驶车辆的机制 [8]，需要将高清摄像头信号从车辆实时传输到云端。
    2. 另一个应用是**远程诊断程序 [9, 10]**，医疗保健专业人员指导护理人员远程进行紧急治疗。通过将救护车内的高清视图以及患者的生命体征传输到云端，此类手术可以成为现实。
  • 实现上述新应用的根本挑战 是如何在车辆行驶时通过高度波动的蜂窝链路持续支持高比特率低延迟视频流。然而，我们面临两种相互矛盾的情况：
    1. 脆弱蜂窝链路的码率限制和高延迟
       • 此外，当车辆行驶时，它很容易发现自己**处于细胞“死角”[13]**。 5G的出现并没有解决这个问题。由于5G信号的工作频率比4G更高，因此其波动和衰减更大，导致覆盖范围更小。<可继续挖掘>
    2. 车辆应用的 数据密集型与低延迟。
       • 就延迟和带宽而言，新兴的车辆应用可能比传统的实时应用（例如 VoIP 和视频会议 [16, 17]）要求更高，后者通常需要 300Kbps - 2Mbps 且延迟 < 300ms
• 当今部署的车辆到互联网解决方案[21-23]，例如 Verizon 联网汽车和 Tesla 高级连接，受到单一运营商覆盖范围的限制‘
  • 因此，它们经常遭受信号丢失和链路速率有限的困扰 [24, 25]。过去关于车辆连接的研究提案[2628]侧重于下载非实时负载，并且无法实时服务高吞吐量流量。

1.2 系统提出：

​ 在本文中，我们引入 CellFusion 来应对新出现的挑战，并首次实现连续、高质量、低延迟的车辆到云视频流。

​ 我们的想法是超越单个蜂窝网络的限制，构建最后一英里的弹性覆盖，将多个异构蜂窝网络有效地融合到云端。为了实现这一想法，CellFusion 协同了两个领域：多路径传输和网络编码。

1.2.1 First 新颖的硬件软件系统

CellFusion构建了一个新颖的硬件软件系统，聚合了多个异构蜂窝网络资源:

• 如图1（a）所示：它在车辆中部署了一个专门的客户驻地设备（CPE）盒, 以及 CDN 存在点 (PoPs) 处的一组分布式边缘代理（§6），用于在顶部建立多路径隧道，如图 1(b) 所示
• 我们的实施聚合了来自三个运营商的结合了 5G 和 LTE的四个蜂窝网络。
• 通过这种方式，CellFusion包含了两种类型的多样性：
  1. 不同运营商的地理多样性和
  2. 不同技术的频率多样性，从而实现多样化的蜂窝覆盖。
• 因此，CellFusion 通过利用相互补偿的多样化蜂窝资源，显着降低了蜂窝“死点”的可能性 <相互弥补>

1.2.2 Second XNC

CellFusion 引入了 XNC，如图 1(b) 中蓝色和绿色部分所示，以有效地将这些底层网络资源融合到云端（§4）

• 车到云流中多路径传输的一个基本问题是：当车辆行驶时，每个蜂窝链路变得高度不稳定和不可预测，这使得很难确保数据包在截止日期之前延迟[29]。
  • 正如我们稍后所展示的，高速车辆的蜂窝链路会遭受严重的突发性丢失（可能高达 100%）和高延迟峰值（可能意外达到几秒）。
  • 通常，多路径调度器预测诸如带宽和延迟之类的路径特征，以选择用于传输数据包的路径。
    • 因此，当路径发生波动时，调度器很可能对路径做出错误的预测，而该路径随后可能会降级，从而导致过度延迟和带宽资源利用率低下[30, 31]
  • 为了解决这个问题，XNC 利用网络编码，跨时间混合数据，通过与多路径的独特协作，获得针对脆弱蜂窝链路的弹性和效率。

1.3 网络编码和MP问题

​ 尽管网络编码 [32, 33] 和多路径 [30] 传输是相对成熟的研究领域，但过去的解决方案在车辆到云流传输方面本质上是无能为力的。

​ 首先，传统的基于网络编码的协议，（如FEC[34]、COPE[32]、随机线性码[35]、TCP-NC[36]、进化码[26]、LT code[37]、PACE[38] ，streaming code [39] ）由于以下一个或多个原因而达不到要求：

1. 为 随机或有界丢失 设计的 code 在恢复严重突发丢失方面表现不佳。

2. 编码引入了高延迟，因为中继节点（ex: a CPE）必须等待足够的数据包才能执行块编码，

3. code 带来了显著的冗余流量成本，并减少了有效视频传输的带宽

4. code 的计算成本太高，无法在高比特率下使用。

   第二, 已部署的多路径传输（例如 MPTCP [40]、MPQUIC [41] 和 XLINK [29]）被设计为完全可靠的传输，因此，在发送实时流量时，它们会在高丢失情况下导致过多的延迟。

1.4 XNC的特点

CellFusion 的 XNC 引入了多项创新技术来一次性解决上述挑战。

1. 在基础传输层： XNC 没有使用可靠的 QUIC [42]，而是利用新标准化的 QUIC 数据报 [43] 作为不可靠的介质，并集成了多路径功能（第 4.2 节）<可分析>
   • 在此过程中，它尽可能地重用已经存在的 QUIC 传输功能（例如拥塞控制、加密、中间盒遍历）
2. 在传输层之上：XNC 引入了一种部分可靠的传输机制，其中包括：
   1. 基于 QUIC 的随机线性网络编码 (QUIC-based random linear network coding， Q-RLNC) (§4.3)
   2. QoE 感知丢失检测（第 4.4 节）
   3. 机会主义一次性恢复（第 4.5节）

​ 总之： XNC 基于 QoE 感知策略快速检测视频丢失，并通过重传丢失数据包的足够数量的随机线性组合（方程）以利用所有路径的瞬时备用容量，通过机会主义一次性恢复来最大化其恢复概率机会主义地。

​ 正如在本文后面展示的，XNC 的设计具有以下良好的特性：

• 对突发丢失的鲁棒性： 我们的方案不是直接前向纠错，而是通过 Q-RLNC 重传丢失的数据包，Q-RLNC 具有非常灵活的冗余率，可以实时匹配不可预测的丢失率，因此 XNC 对于严重突发丢失甚至高达丢失率100%。<进一步考虑是否还是利用FEC>
• 对不可预测的多路径具有弹性：每个编码数据包 相当于 丢失数据包的线性方程。只要接收器获得足够的方程，它就可以恢复整个丢失的范围。通过这种方式，XNC 极大地减少了“不良”路径调度的影响，因为编码数据包在任何路径上的丢失影响变得相同，并且可以在另一个方程到达时立即补救。！！！！
• 低延迟即时编码： 在我们的方案中，会立即转发新数据包，而编码仅应用于丢失的数据包。因此，在编码之前不需要额外的延迟来积累代码块。我们的重传方案是一次性的，并且机会主义地利用路径的瞬时空闲容量，因此我们也避免了由于编码数据包消耗的带宽而延迟新数据包。
• 低冗余和低复杂性：我们的方案基本上是一个系统代码，主要包含原始数据包。因此，在良好的网络条件下，它实现了几乎零流量冗余且无丢失。此外，我们的编码方案可以在嵌入式系统上使用 SIMD 指令有效加速。

1.5 架构层面

​ 从架构上来说，CellFusion 被设计为连接即服务解决方案（§6）。

​ CellFusion 的后端是云原生的。由于我们的传输堆栈的用户空间性质，部署 CellFusion 的代理就像在边缘云上运行轻量级容器一样简单，可以轻松地自动扩展和管理以提高容量并提供高度可用的边缘访问。

​ 重要的是，CellFusion 本质上是安全和透明的。与过去的工作（例如 split-TCP [44]）不同，它会中断用户连接，CellFusion 对原始 IP packets进行隧道传输，因此它在后台透明地运行，并保留原始流量的安全性。

​ 作为IP隧道，CellFusion 支持广泛的 passenger protocols,，包括 RTP/RTCP、RTSP 和 HTTP。

1.6 Result&Contribution

1.6.1 Result

​ 我们已在 100 辆自动驾驶车辆上测试 CellFusion 超过六个月，我们的后端在三个州的 50 个 CDN PoPs 上运行。部署照片如图2(c)所示。

​ 通过广泛的道路测试评估，我们发现 XNC 的视频数据包延迟达到了 99%，为 73.8 毫秒，比 5G 降低了 71.53%。当在 5000 公里的行驶距离上以 30Mbps 和 30fps 传输视频时，CellFusion 的平均帧速率、视频停顿率和归一化结构相似性指数测量 (SSIM) 得分分别为 29.11fps、0.99% 和 0.93，流量低于 10%冗余。与最先进的多路径传输解决方案相比，它的视频卡顿率降低了 66.11% ∼ 80.62%。

1.6.2 Contribution

​ 据我们所知，CellFusion 是第一个在野外支持高质量、实时车辆到云流媒体的系统，满足当今的 ToD 要求。

​ CellFusion 的核心技术贡献是我们的设计、实施和云原生解决方案，它们独特地协同多路径传输和网络编码。

​ 我们介绍了详细的软件和硬件设计以及XNC传输算法。我们相信 CellFusion 具有被云和 CDN 提供商广泛部署的巨大潜力。 CellFusion 在全球范围内提供连接即服务，可以提供塑造移动未来所需的强大流媒体基础设施。

未完待续 。。。

• Post author: Tao Tang
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