智能電視終端的視頻服務(wù)質(zhì)量保障

姚 良，肖 晴，施唯佳，奚 溪

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122；2.中國電信股份有限公司上海分公司 上海200122）

1 引言

機頂盒作為終端，最初主要用于實現(xiàn)模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換功能，隨著終端技術(shù)的發(fā)展和需求的增多，慢慢通過軟件增加了一些附加作用，如在機頂盒上加上用于預(yù)告節(jié)目的電子節(jié)目指南、用于增加收入的VOD點播以及用于管理機頂盒的用戶管理系統(tǒng)等。隨著手機智能化引領(lǐng)的技術(shù)革新，“智能機頂盒”的概念開始登上歷史舞臺。智能機頂盒指具有操作系統(tǒng)平臺，像PC機一樣，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件相互分離，只要硬件和操作系統(tǒng)有足夠的支撐能力，就可以無限制加載應(yīng)用軟件。智能機頂盒在原有IPTV機頂盒支持的實時流媒體的基礎(chǔ)上，又兼容了如今流行的HTTP流（HTTP streaming）視頻（OTT視頻）業(yè)務(wù)，為用戶帶來了更多的視頻體驗。由于OTT業(yè)務(wù)承載方式與原有的IPTV采用的RTP/RTSP承載方式不同，本文探討了智能機頂盒在支持HTTP流方式之后視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量如何保障。

2 用戶對視頻業(yè)務(wù)的體驗

用戶對視頻業(yè)務(wù)的體驗，通常用ITU-T P.10/G.100中規(guī)定的QoE（quality of experience）表示，一般采用用戶主觀評分的方式評估（如ITU-R BT.500）?？陀^評估QoE是一個復(fù)雜的課題，雖然有許多研究機構(gòu)和組織向ITU提交了關(guān)于視頻QoE客觀評估的建議，但I(xiàn)TU目前還沒有定義統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

用戶對視頻質(zhì)量的體驗大體上可分為兩類：可靠性（reliability）和舒適性（comfortable）?？煽啃杂挚煞譃闃I(yè)務(wù)可接入性和業(yè)務(wù)完整性；業(yè)務(wù)舒適性又可分為業(yè)務(wù)即時性和業(yè)務(wù)會話質(zhì)量。為此，按如圖1所示的評估體系對視頻QoE評估業(yè)務(wù)進(jìn)行梳理。

其中，業(yè)務(wù)可靠性取決于網(wǎng)絡(luò)、平臺的可用性、異常中斷率；業(yè)務(wù)請求時延取決于網(wǎng)絡(luò)時延、平臺的響應(yīng)時延和終端緩存時延；視頻播放的清晰度取決于編碼器、編碼速率、分辨率和幀率；視頻的損傷度取決于網(wǎng)絡(luò)傳輸特性、流媒體的傳輸方式。在視頻播放質(zhì)量中，決定視頻清晰度的因素往往是常量，因此視頻損傷度是視頻質(zhì)量評估的重點。

IPTV和OTT業(yè)務(wù)都可套用圖1的質(zhì)量評價體系，IPTV和OTT業(yè)務(wù)在實現(xiàn)機制上的差異性，不僅造成相同體驗的視頻質(zhì)量對業(yè)務(wù)平臺、終端和網(wǎng)絡(luò)的需求不同，而且在質(zhì)量評價指標(biāo)上也有區(qū)別。

表1 IPTV與OTT技術(shù)原理比較

3 IPTV與OTT業(yè)務(wù)實現(xiàn)機制的差異性

智能機頂盒可同時支持IPTV和OTT視頻業(yè)務(wù)，盡管都是視頻業(yè)務(wù)，但兩者在實現(xiàn)機制上有較大的差別，見表1。

IPTV和OTT業(yè)務(wù)的主要區(qū)別為：節(jié)目源、承載網(wǎng)絡(luò)、傳輸機制不同。IPTV的視頻內(nèi)容來自廣電，質(zhì)量較高且穩(wěn)定，一般采用固定碼率編碼；OTT視頻業(yè)務(wù)的視頻內(nèi)容來自多個地方，包括互聯(lián)網(wǎng)視頻網(wǎng)站等，視頻的編碼方式不同，一般采用動態(tài)碼率編碼。IPTV業(yè)務(wù)用專網(wǎng)承載，網(wǎng)絡(luò)輕載、質(zhì)量穩(wěn)定；OTT業(yè)務(wù)承載在互聯(lián)網(wǎng)上，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量受到其他業(yè)務(wù)的影響。IPTV業(yè)務(wù)以實時流媒體方式傳輸，采用RTP/UDP；OTT業(yè)務(wù)以漸進(jìn)式下載方式傳輸，采用HTTP。IPTV和OTT業(yè)務(wù)的協(xié)議棧如圖2所示。

由于OTT業(yè)務(wù)承載在盡力而為的互聯(lián)網(wǎng)上，傳輸機制相對于IPTV業(yè)務(wù)有更強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。其主要原理如下所述。

·IPTV業(yè)務(wù)承載在UDP之上，網(wǎng)絡(luò)的分組丟失會引起視頻報文的丟失，形成視頻的馬賽克或卡頓；OTT業(yè)務(wù)通過HTTP承載在TCP之上，網(wǎng)絡(luò)的零星分組丟失通過TCP重傳，保障視頻報文不丟失。

·IPTV業(yè)務(wù)按編碼速率以恒定的碼率在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有大的帶寬波動和時延抖動，尤其是帶寬低于編碼速率時，會引起視頻報文的大量丟失；OTT業(yè)務(wù)基于TCP滑動窗口按網(wǎng)絡(luò)最大能力發(fā)送碼流，由客戶端根據(jù)緩存情況向服務(wù)端發(fā)起流量控制指令，這種傳輸機制避免了網(wǎng)絡(luò)瞬間劣化對視頻質(zhì)量的影響，只要一段時間內(nèi)平均速率高于編碼速率即可（緩存的視頻越多，抵御網(wǎng)絡(luò)波動的能力越強）。

·IPTV業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)帶寬穩(wěn)定，采用一種編碼速率，不支持碼率切換；OTT業(yè)務(wù)的一個節(jié)目可采用多種碼率編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬降低時，能自動切換到第一檔的碼率保障視頻的流暢度。另外，OTT業(yè)務(wù)的傳輸機制能更好地支持VRB編碼，在相同的視頻清晰度下，VBR編碼對帶寬的要求更低。

IPTV業(yè)務(wù)相比OTT業(yè)務(wù)在應(yīng)用體驗上也有一些優(yōu)勢。

·IPTV業(yè)務(wù)采用恒定碼率發(fā)送，客戶端的緩存極少，可實現(xiàn)快速啟動播放；OTT業(yè)務(wù)為防止網(wǎng)絡(luò)波動對質(zhì)量的影響，需要緩存足夠多的視頻，啟動播放較慢。

·IPTV業(yè)務(wù)采用RTP/RTSP，快進(jìn)、快退體驗更佳，操作較OTT業(yè)務(wù)更靈活。

·IPTV業(yè)務(wù)能更好地支持直播，較OTT業(yè)務(wù)更具實時性。

4 智能機頂盒對視頻業(yè)務(wù)的保障

基于視頻業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量（如圖1所示）以及IPTV與OTT視頻業(yè)務(wù)差異性的分析，可以確定智能機頂盒對兩類業(yè)務(wù)質(zhì)量保障的要求。在業(yè)務(wù)可靠性方面，可用性和完整性主要取決于平臺和網(wǎng)絡(luò)，對機頂盒的要求不高。在業(yè)務(wù)舒適性方面主要表現(xiàn)為以下3點。

（1）業(yè)務(wù)請求時延

OTT業(yè)務(wù)需要降低啟動播放的時延，在緩存1～2 s的數(shù)據(jù)后，即可開始播放，在播放的過程中再逐步增加緩存量，當(dāng)視頻緩存達(dá)到一定程度（如10 s）后實現(xiàn)下載量和播放量的同步，緩存保持一定程度的穩(wěn)定。

（2）視頻損傷度

IPTV業(yè)務(wù)采用UDP傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層沒有補償措施，所以機頂盒必須支持應(yīng)用層的FEC、ARQ功能，在應(yīng)用層實現(xiàn)前向糾錯和分組丟失重傳功能。隨著智能機頂盒解碼能力的增強，機頂盒的解碼器應(yīng)對視頻報文丟失具有一定的修復(fù)能力，少量的視頻報文丟失機頂盒應(yīng)能平滑過渡，沒有明顯的停頓和馬賽克。

（3）視頻清晰度

對于OTT業(yè)務(wù)，機頂盒應(yīng)具備碼率自適應(yīng)能力，通過緩存的變化分析網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬下降時，機頂盒能自動降低一檔碼率，反之則能自動提升一檔碼率。

為實現(xiàn)運營商對業(yè)務(wù)質(zhì)量的“感知”，評估全網(wǎng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量、判斷故障原因以及對重大故障的預(yù)警，智能機頂盒應(yīng)能周期性地上報視頻業(yè)務(wù)的質(zhì)量參數(shù)。上報周期為5～30 min不等，上報的參數(shù)要能反映用戶對視頻業(yè)務(wù)的質(zhì)量體驗以及能反映業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、平臺質(zhì)量等。

由于IPTV和OTT業(yè)務(wù)在技術(shù)上的差異性，機頂盒上報的質(zhì)量指標(biāo)也有較大的差異，介紹如下。

·業(yè)務(wù)可靠性：IPTV反映的是IGMP、RTSP信令交互成功率；OTT反映的是HTTP交互成功率。

·業(yè)務(wù)完整性：IPTV反映的是視頻流是否有異常中斷；OTT反映的是視頻文件是否下載完整。

·業(yè)務(wù)請求時延：IPTV反映的是IGMP、RTSP信令交互時延；OTT反映的是HTTP交互時延和TCP連接時延。

·視頻損傷度：IPTV采用非可靠傳輸注重報文丟失率、網(wǎng)絡(luò)抖動等；OTT采用可靠傳輸注重緩存/停頓次數(shù)和時間占比。

OTT同時也對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，主要包括TCP重傳率、下載平均速率、下載峰值速率等。表2列舉了IPTV和OTT業(yè)務(wù)的質(zhì)量指標(biāo)。

表2 IPTV與OTT業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)比較

如今，許多HTTP流媒體系統(tǒng)采用視頻文件分片傳輸?shù)淖赃m應(yīng)機制，如蘋果公司推出的HLS方案。針對視頻文件分片傳輸?shù)淖赃m應(yīng)機制，智能終端還需要關(guān)注分片文件下載質(zhì)量，包括視頻分片文件的播放時長、下載時長、下載速率、下載時間間隔、分片的到達(dá)順序是否有錯誤以及分片文件的索引列表是否準(zhǔn)確等。

5 結(jié)束語

視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量保障需從業(yè)務(wù)端到端的視角入手，才能確保用戶的業(yè)務(wù)體驗良好。業(yè)務(wù)端到端質(zhì)量包括視頻源的質(zhì)量、編碼質(zhì)量、平臺側(cè)性能、網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量等。其中，每一個環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)、質(zhì)量保障措施和監(jiān)測手段。機頂盒作為終端，只是業(yè)務(wù)端到端的一個環(huán)節(jié)，在質(zhì)量保障方面，主要體現(xiàn)在應(yīng)用層優(yōu)化和質(zhì)量指標(biāo)上報方面。隨著OTT等互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，不同于IPTV業(yè)務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)運營方對網(wǎng)絡(luò)無法管控，只能在應(yīng)用層做優(yōu)化，使得視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性越來越弱。應(yīng)用層優(yōu)化逐步成為視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量提升的最重要措施，而智能機頂盒的計算能力、更便捷的操作系統(tǒng)和更大的flash和RAM為應(yīng)用層優(yōu)化奠定了重要基礎(chǔ)。

1 ITU-T P.10/G.100.Vocabulary for Performance and Quality of Service,2006

2 徳科仕通信(上海)有限公司.OTT視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量質(zhì)量保障技術(shù)白皮書,2012