基于視頻NE Model的移動(dòng)端用戶視頻體驗(yàn)研究

宋佳璐

摘要：隨著無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的升級以及智能終端的普及，越來越多的用戶選擇在移動(dòng)智能終端上用應(yīng)用客戶端APP觀看網(wǎng)絡(luò)視頻，這是一種基于TCP的視頻傳輸及播放。但是用戶體驗(yàn)評價(jià)變量與網(wǎng)絡(luò)側(cè)變量之間的關(guān)系并不明確。本文通過分析影響用戶視頻體驗(yàn)的指標(biāo)因素，來進(jìn)一步量化用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)理分析；數(shù)理計(jì)算；線性回歸；TCP慢啟動(dòng)原理

1 概述

用戶體驗(yàn)評價(jià)由vMOS來衡量，而衡量vMOS的指標(biāo)分別是視頻源質(zhì)量（對應(yīng)sQuality得分）、初始緩沖時(shí)延（對應(yīng)sLoading得分）和卡頓率（對應(yīng)sStalling得分）。

sQuality為常數(shù)，影響用戶體驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[1]是初始緩沖等待時(shí)間和在視頻播放過程中的卡頓緩沖時(shí)間，兩者互相獨(dú)立?？蓪⒖D緩沖時(shí)間轉(zhuǎn)化成研究卡頓時(shí)長占比。

sLoading得分取決于初始緩沖時(shí)延?？偩彌_時(shí)長由兩階段——信令交互階段和緩沖階段，三部分——RTT、緩沖內(nèi)容，播放器加載組成。因此影響因素為初始緩沖峰值速率和E2E RTT。

sStalling得分取決于卡頓占比，其影響因素是播放階段平均速率和視頻碼率。 總體框架示意圖如下：

2 視頻NE Model分析

視頻NE Model （Network Experience Model）[2]， 是mLAB基于視頻業(yè)務(wù)原理深入研究，上百萬條SpeedVideo測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立起來的網(wǎng)絡(luò)能力和視頻體驗(yàn)之間關(guān)系模型。主要包含兩部分：視頻NE Model初始緩沖模型、視頻NE Model卡頓模型。

2.1視頻NE Model初始緩沖模型

目前OTT 視頻播放協(xié)議，主要是Http+Range， HLS和DASH[3]，都基于TCP傳輸協(xié)議。通常，為保證視頻流暢體驗(yàn)，播放器在開始播放前，會(huì)下載一定數(shù)據(jù)量（根據(jù)視頻碼率、初始緩沖時(shí)間量設(shè)置），即視頻初始緩沖過程。

2.1.1 TCP傳輸速率與RTT的關(guān)系

當(dāng)TCP連接建立后，在慢啟動(dòng)階段，最初TCP在連接建立成功后會(huì)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包，TCP的發(fā)送窗口是按照指數(shù)規(guī)律逐步增大[ ]。簡單計(jì)算如下：

若帶寬為W，那么經(jīng)RTT*log2W時(shí)間就可占滿帶寬。

在慢啟動(dòng)階段TCP層的瞬時(shí)傳輸速率為：

式（1）為慢啟動(dòng)階段；式（2）為穩(wěn)態(tài)階段，即初始緩沖峰值速率。當(dāng)TCP層的傳輸速率增長到空口速率后停止增長，此時(shí)TCP發(fā)送窗口的大小也趨于穩(wěn)定。當(dāng)空口帶寬提升后，RTT應(yīng)減小才能使TCP傳輸速率更快達(dá)到空口帶寬，充分發(fā)揮空口資源，高速下載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，減少等待時(shí)間。

2.1.2 初始緩沖時(shí)延與初始緩沖峰值速率，E2E、RTT的關(guān)系

可建立初始緩沖時(shí)延與初始緩沖峰值速率，E2E、RTT之間的關(guān)系式（假設(shè)初始緩沖量為4s，沒有發(fā)生丟包和重傳情況）：

式（3）中初始緩沖時(shí)延由3部分組成——視頻解析階段時(shí)間，TCP慢啟動(dòng)階段時(shí)長和穩(wěn)態(tài)階段時(shí)長。式（4）是初始緩沖峰值速率表達(dá)式。由MATLAB解得n=10.3877，n是整數(shù)取10。

關(guān)系圖如下（x軸為初始緩沖峰值速率（kbps），y軸為E2E、RTT（ms），z軸為初始緩沖時(shí)延（ms））

當(dāng)y（E2E、RTT）一定時(shí)，x與z成負(fù)相關(guān)，即初始緩沖峰值速率越大，初始緩沖時(shí)延越小。當(dāng)x（初始緩沖峰值速率）一定時(shí)，y與z成正相關(guān)，即E2E、RTT越大，初始緩沖時(shí)延越大。

2.2視頻NE Model卡頓模型

整個(gè)視頻觀看過程，包括初始緩沖階段和播放階段兩個(gè)階段，卡頓占比在播放階段出現(xiàn)。

2.2.1 卡頓占比與視頻碼率、播放階段平均速率的關(guān)系

繪制卡頓時(shí)長與播放階段平均速率的散點(diǎn)圖，可知二者成線性關(guān)系，用線性回歸對直線進(jìn)行擬合，求出卡頓占比與播放階段平均速率的關(guān)系式。

根據(jù)最小二乘法求得y=-6.946x+2.818*e4 ，擬合效果如圖3所示。

與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，相關(guān)系數(shù) R2為 0.7836，證明擬合程度良好。

3 結(jié)果分析

3.1 vMOS分值與各因素之間的關(guān)系

vMOS與三個(gè)指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系式為[2]

sQuality為常數(shù)，可計(jì)算出sLoading、sStalling與各項(xiàng)因素關(guān)系式，推出vMOS與各項(xiàng)因素的函數(shù)關(guān)系。（p1--sLoading權(quán)重取0.23， p2--sLoading權(quán)重取0.27）

由圖4可知sStalling得分與卡頓比分別在區(qū)間[0，0.15]和[0.15，0.3]上服從不同的線性關(guān)系。

由圖5可知當(dāng)初始緩沖時(shí)延大于1時(shí)，sLoading得分恒為0；在[0，1]時(shí)符合指數(shù)形式，找出擬合度最好的一組參數(shù)，求得sLoading得分與初始緩沖時(shí)延的關(guān)系式為：

已求得初始緩沖時(shí)延、卡頓比與初始緩沖峰值速率，E2E RTT，播放階段平均速率的關(guān)系式。只要將之前結(jié)果代入，即可得vMOS與初始緩沖峰值速率，E2E RTT，播放階段平均速率的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。

4 總結(jié)與展望

本文最終得到vMOS與初始緩沖峰值速率、E2E RTT、播放階段平均速率的函數(shù)表達(dá)式。通過機(jī)理分析與數(shù)理計(jì)算相結(jié)合，既避免將所有參數(shù)作為變量時(shí)可能出現(xiàn)運(yùn)算復(fù)雜、變量關(guān)系模糊及過擬合情況，又在一定程度上借助計(jì)算機(jī)優(yōu)秀的運(yùn)算性能挖掘出一些人工難以識別的關(guān)系。但也存在一定局限性：比如實(shí)際情況下，參數(shù)可能會(huì)隨地區(qū)、設(shè)備性能等其他條件而有所不同。在實(shí)際應(yīng)用中，只需采集數(shù)據(jù)，就能得到用戶體驗(yàn)打分。一方面，可根據(jù)用戶體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，估算出最低初始緩沖峰值需求和播放帶寬需求。另一方面， 可根據(jù)用戶觀看視頻時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際能力，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)估算出視頻用戶體驗(yàn)，用于視頻vMOS體驗(yàn)建網(wǎng)中的初始評估和優(yōu)化后閉環(huán)驗(yàn)證，更好地增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] SpeedVideo大眾測試常見10個(gè)FAQ及主要指標(biāo)解釋（技術(shù)版）[OL]. http：//www.weixinnu.com/tag/article/268251903.

[2] 陳楚雄，柯江毅，覃道滿. 視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估和優(yōu)化提升探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2017（2）：17-23.

[3] mLAB. 一張圖看懂Mobile vMOS優(yōu)化方向. [OL]. http：//www.360doc.com/content/16/0427/00/2909773_554102036.shtml.

[4] mLAB. NE Model，量化網(wǎng)絡(luò)視頻承載能力. [OL]. http：//chuansong.me/n/1057304251241.

[5] mLAB. 時(shí)代基于用戶體驗(yàn)建網(wǎng)的目標(biāo)研究——業(yè)務(wù)等待時(shí)間[OL]. http：//www.huawei.com/mediafiles/CBG/PDF/Files/hw_396636.pdf.

[6] mLAB. 移動(dòng)視頻vMOS 4.0成長路徑圖[OL]. https：//sanwen8.cn/p/24d1TnF.html.

[7] mLAB. 基于移動(dòng)視頻的移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)要求白皮書[OL]. http：//www.docin.com/p-1727526773.html