4K超高清視頻流傳輸?shù)馁|(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

白 棣

（作者單位：中央電視臺(tái)播出傳送中心）

在4K超高清視頻業(yè)務(wù)快速發(fā)展的形式下，4K超高清視頻已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商所關(guān)注的重點(diǎn)，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商之間的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，在這種發(fā)展形式下，運(yùn)營(yíng)商要想獲得更好的發(fā)展就必須發(fā)揮自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，為用戶提供更好的高清視頻服務(wù)。而4K超高清視頻流傳輸質(zhì)量的監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻質(zhì)量的全面了解，同時(shí)也能洞悉用戶的實(shí)際需求，對(duì)視頻傳輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生故障問題時(shí)可以做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，確保視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1 4K超高清傳輸質(zhì)量監(jiān)控需求

視頻技術(shù)在不斷發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)電視、移動(dòng)視頻和多屏互動(dòng)，有效豐富了人們的業(yè)余生活，為人們工作之余提供了更多的娛樂項(xiàng)目。在視頻技術(shù)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，人們對(duì)視頻的清晰度和流暢度提出了更高的要求。由于高清視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能具有較高的要求，只有為其提供有效的網(wǎng)絡(luò)支持才能保證視頻的傳輸速度和質(zhì)量。就現(xiàn)階段而言，4K超高清傳輸技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用到機(jī)頂盒內(nèi)，進(jìn)入千家萬戶，成為視頻業(yè)務(wù)的主流。

4K超高清視頻的運(yùn)行特點(diǎn)決定了其在運(yùn)行的過程中需要較大帶寬的網(wǎng)絡(luò)作為支持，同時(shí)對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度也提出了更高的要求，電視端的有效管理也是保證4K超高清視頻傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵。除此之外，針對(duì)4K超高清視頻的傳輸進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)也是提升視頻傳輸性能的關(guān)鍵舉措。因此，運(yùn)營(yíng)商要想保證自身的業(yè)務(wù)能力，就必須創(chuàng)建行之有效的視頻傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)4K超高清視頻的傳輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低故障的發(fā)生幾率，進(jìn)而提升視頻傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，保證該項(xiàng)業(yè)務(wù)的順利開展。

2 4K超高清傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系

為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行，并監(jiān)測(cè)效果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行4K超高清視頻傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，需要從兩個(gè)方面入手對(duì)視頻傳輸?shù)男ЧM(jìn)行綜合判定。一種是主觀分析，一種是客觀評(píng)價(jià)，其中的主觀分析是建立在客觀評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上的，即在利用相應(yīng)的技術(shù)手段對(duì)視頻傳輸?shù)臓顟B(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異?，F(xiàn)象時(shí)，采取主觀分析的方式對(duì)故障問題進(jìn)行分析，查找故障原因，并及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，提升視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時(shí)效性。

4K超高清視頻傳輸質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中同時(shí)還應(yīng)用了編解碼算法構(gòu)建了數(shù)據(jù)分析模型，利用數(shù)據(jù)分析模型在結(jié)合視頻的自身運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)視頻的損傷情況進(jìn)行分，實(shí)際分析的過程中是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)層面入手，對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控層、視頻編碼壓縮損傷分析層和終端視頻質(zhì)量分析層三個(gè)層面進(jìn)行視頻傳輸效果分析。

第一，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控層。主要檢測(cè)內(nèi)容為對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，保證各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)為正常狀態(tài)，確保為視頻傳輸提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)支持。

第二，視頻編碼壓縮損傷分析層。利用系統(tǒng)中的編碼算法和動(dòng)態(tài)圖像分析方式，對(duì)視頻的壓縮的損傷程度進(jìn)行確認(rèn)。

第三，終端視頻質(zhì)量分析層。結(jié)合視頻評(píng)估算法和終端呈現(xiàn)的視頻質(zhì)量得出最終的視頻質(zhì)量評(píng)估效果。在實(shí)際分析的過程中，往往是將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和其他視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)作為參照。

2.1 CDN服務(wù)器性能（QoS）監(jiān)控指標(biāo)

在對(duì)以往的4K超高清視頻傳輸質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行全面分析之后可以總結(jié)出，CDN服務(wù)器安裝的位置與其自身的性能發(fā)揮具有直接影響。一旦將CDN服務(wù)器安裝在遠(yuǎn)離機(jī)頂盒的位置，就會(huì)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)造成一定的干擾影響，最終直觀地呈現(xiàn)在對(duì)視頻傳輸速度的方面。為此，在對(duì)CDN服務(wù)器進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到它對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)的干擾，將其安裝在機(jī)頂盒的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備附近，降低影響幾率，保證視頻傳輸?shù)挠行нM(jìn)行。除此之外，還要求CDN服務(wù)器的運(yùn)行性能滿足機(jī)頂盒的服務(wù)需求，能夠根據(jù)機(jī)頂盒的需求情況做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)操作，為視頻傳輸?shù)男侍峁┯行У闹С帧?/p>

通過上述分析內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，要想確保超高清視頻的傳輸效率就必須從CDN服務(wù)器的性能入手，保證CDN服務(wù)器的各項(xiàng)性能滿足機(jī)頂盒的服務(wù)需求。為此，在質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中還需設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)警告功能，系統(tǒng)在判定CDN服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)存在問題時(shí)，第一時(shí)間發(fā)出系統(tǒng)警報(bào)，相應(yīng)人員必須及時(shí)做出響應(yīng)，對(duì)CDN服務(wù)器的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，使其保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，確保視頻傳輸?shù)男?。判定CDN服務(wù)器性能的指標(biāo)有以下幾點(diǎn)。

第一，HTTP請(qǐng)求數(shù)。對(duì)于HTTP請(qǐng)求的數(shù)量和服務(wù)器響應(yīng)性能進(jìn)行分析，依據(jù)響應(yīng)速度和處理請(qǐng)求的數(shù)量來判定服務(wù)器的使用性能。

第二，HTTP成功響應(yīng)數(shù)。對(duì)于機(jī)頂盒發(fā)出請(qǐng)求的響應(yīng)能力，在特定的時(shí)間內(nèi)沒有做出響應(yīng)的則判定為失敗請(qǐng)求，對(duì)于成功處理請(qǐng)求和失敗請(qǐng)求的比例進(jìn)行分析，進(jìn)而判定服務(wù)區(qū)的運(yùn)行性能。

第三，HTTP請(qǐng)求成功率。計(jì)算公式為A/B，其中A為該CDN服務(wù)器向所有終端發(fā)送的HTTP成功響應(yīng)總數(shù)；B為所有終端向該CDN服務(wù)器發(fā)送的HTTP請(qǐng)求總數(shù)。

第四，HTTP響應(yīng)時(shí)延。計(jì)算從終端發(fā)起視頻流的HTTPGET請(qǐng)求消息到收到該視頻流的第一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間差。

第五，HTTP錯(cuò)誤返回碼個(gè)數(shù)。包括“4XX“終端錯(cuò)誤返回碼和”5XX“服務(wù)器錯(cuò)誤返回碼。

2.2 IP網(wǎng)絡(luò)傳輸性能（QoS）監(jiān)控指標(biāo)

4K超高清視頻傳輸中所使用的用戶協(xié)議為HTTP/TCP，與以往的協(xié)議相比在穩(wěn)定性和可靠性能上具有更高的要求。HTTP/TCP協(xié)議的自身特點(diǎn)決定了其在傳輸?shù)倪^程中遇到受損文件時(shí)，可以利用自身的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的恢復(fù)處理，為視頻傳輸?shù)陌踩蕴峁┯行ПＵ稀Ｎ募迯?fù)過程需要一定的時(shí)間，但是在用戶進(jìn)行下載的過程中這些時(shí)間被消耗在下載過程中，并不會(huì)對(duì)用戶的觀看體驗(yàn)帶來影響。隨著4K超高清視頻技術(shù)的不斷完善，現(xiàn)階段超高清電視已經(jīng)很少出現(xiàn)卡頓和馬賽克的現(xiàn)象，僅會(huì)在用戶觀看完一段視頻之后，沒有對(duì)下一段視頻操作下載的情況下才會(huì)出現(xiàn)緩沖問題。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，超高清視頻的傳輸質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在的損傷現(xiàn)象沒有直接聯(lián)系，因此，如果還是采用與以往相同的視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻傳輸質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這就要求對(duì)4K超高清視頻的傳輸特性進(jìn)行全面分析之后，創(chuàng)建新的監(jiān)測(cè)體系，確定各項(xiàng)評(píng)定指標(biāo)，主要包括以下幾個(gè)方面。

第一，下載速率（bit/s）：超高清視頻媒體流的有效下載吞吐率。

第二，TCP失序包數(shù)：存在失序TCP序列號(hào)的包個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在發(fā)送TCP流時(shí)會(huì)在各TCP包頭上打上序列號(hào)（16比特的字段）用于差錯(cuò)和流量控制。若兩個(gè)相鄰TCP包的序列號(hào)出現(xiàn)次序顛倒，則統(tǒng)計(jì)為TCP失序包。

第三，TCP重傳包數(shù)：TCP重傳包的個(gè)數(shù)。TCP協(xié)議具有差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，TCP重傳包是指為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)丟包所重傳的TCP包。

第四，TCP重傳率（%）：TCP重傳包比率，即TCP重傳包個(gè)數(shù)/總的TCP包的個(gè)數(shù)。TCP重傳率越大，則表示網(wǎng)絡(luò)狀況越差（丟包率或延遲過大）。

第五，TCP重復(fù)包數(shù)：在一定時(shí)間段，如果出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)相同序列號(hào)和內(nèi)容的TCP包，則后面出現(xiàn)的TCP包會(huì)被統(tǒng)計(jì)為TCP重復(fù)包。

第六，TCP重置數(shù)：TCP重置（RESET）包的個(gè)數(shù)。在TCP協(xié)議中，當(dāng)TCP接收方檢測(cè)到無法通過正常協(xié)議流程恢復(fù)的故障時(shí)，則會(huì)發(fā)送TCPRESET指令，使發(fā)送方重新在新的開始位置發(fā)送。

第七，TCP低窗口包數(shù)：OTT視頻客戶端發(fā)出的TCP低窗口的包的個(gè)數(shù)。當(dāng)TCP報(bào)文窗口小于設(shè)定的門限值（缺省為1 000），則視其為低TCP窗口報(bào)文。OTT視頻客戶端持續(xù)出現(xiàn)TCP低窗口數(shù)據(jù)包，往往意味著客戶端出現(xiàn)性能問題，要求服務(wù)器降低媒體流發(fā)送速度。

針對(duì)4K超高清業(yè)務(wù)的監(jiān)控方法和相關(guān)應(yīng)用，在電信運(yùn)營(yíng)商的產(chǎn)品上得到應(yīng)用和驗(yàn)證，希望借此拋磚引玉，得到更多的討論很推廣，進(jìn)一步完善該領(lǐng)域的技術(shù)，加速超高清業(yè)務(wù)的發(fā)展。

3 應(yīng)用優(yōu)化與測(cè)試建議

在對(duì)4K超高清視頻業(yè)務(wù)展開研究時(shí)，為了確保視頻傳輸性能，會(huì)創(chuàng)建相應(yīng)的視頻質(zhì)量傳輸監(jiān)測(cè)體系，為視頻的有效傳輸提供保障。針對(duì)視頻傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)各類影響視頻傳輸功能的指標(biāo)進(jìn)行確定，保證質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)效性。為了加強(qiáng)對(duì)視頻傳輸監(jiān)測(cè)體系的研究力度，使其自身性能得到有效發(fā)揮，相關(guān)工作者可以創(chuàng)建一個(gè)模擬的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)以往存在的視頻傳輸問題進(jìn)行模擬，進(jìn)而測(cè)定視頻傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系的性能。

網(wǎng)絡(luò)損傷模擬器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)問題的模擬，此時(shí)，便可以真實(shí)掌握在出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)問題時(shí)，4K超高清視頻傳輸?shù)姆磻?yīng)情況，同時(shí)觀察視頻傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否根據(jù)視頻傳輸?shù)臓顟B(tài)給出正確的評(píng)估，從而對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行不斷完善，確保監(jiān)測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。除此之外，對(duì)機(jī)頂盒內(nèi)部設(shè)置的QoS軟探針的準(zhǔn)確性能進(jìn)行分析，也是提升4K超高清視頻業(yè)務(wù)性能的關(guān)鍵所在。相關(guān)工作者在對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)問題進(jìn)行模擬的過程中，還可以觀察QoS軟探針的真實(shí)反應(yīng)，對(duì)視頻質(zhì)量和用戶需求進(jìn)行對(duì)比，分析出QoS軟探針指標(biāo)的真實(shí)性能。

4 結(jié)語

4K超高清視頻業(yè)務(wù)是在科技快速發(fā)展的產(chǎn)物，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商為了提升自身的業(yè)務(wù)水平紛紛對(duì)4K超高清視頻業(yè)務(wù)給予了大量的投入，希望提升業(yè)務(wù)的服務(wù)性能，獲得更多的用戶支持。超高清視頻流傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建可以有效提升視頻業(yè)務(wù)的運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量，為用戶帶去更好的服務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)自身企業(yè)的健康發(fā)展也具有積極作用。