智能電視終端的視頻服務質量保障

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，最初主要用于實現模擬/數字信號的轉換功能，隨著終端技術的發展和需求的增多，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告節目的電子節目指南、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等。隨著手機智能化引領的技術革新，“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平臺，像PC機一樣，操作系統和應用軟件相互分離，只要硬件和操作系統有足夠的支撐能力，就可以無限制加載應用軟件。智能機頂盒在原有IPTV機頂盒支持的實時流媒體的基礎上，又兼容了如今流行的HTTP流（HTTP streaming）視頻（OTT視頻）業務，為用戶帶來了更多的視頻體驗。由于OTT業務承載方式與原有的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流方式之后視頻業務質量如何保障。

2 用戶對視頻業務的體驗

用戶對視頻業務的體驗，通常用ITU-T P.10/G.100中規定的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）。客觀評估QoE是一個復雜的課題，雖然有許多研究機構和組織向ITU提交了關于視頻QoE客觀評估的建議，但ITU目前還沒有定義統一的國際標準。

用戶對視頻質量的體驗大體上可分為兩類：可靠性（reliability）和舒適性（comfortable）。可靠性又可分為業務可接入性和業務完整性；業務舒適性又可分為業務即時性和業務會話質量。為此，按如圖1所示的評估體系對視頻QoE評估業務進行梳理。

其中，業務可靠性取決于網絡、平臺的可用性、異常中斷率；業務請求時延取決于網絡時延、平臺的響應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絡傳輸特性、流媒體的傳輸方式。在視頻播放質量中，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量評估的重點。

IPTV和OTT業務都可套用圖1的質量評價體系，IPTV和OTT業務在實現機制上的差異性，不僅造成相同體驗的視頻質量對業務平臺、終端和網絡的需求不同，而且在質量評價指標上也有區別。

表1 IPTV與OTT技術原理比較

3 IPTV與OTT業務實現機制的差異性

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

IPTV和OTT業務的主要區別為：節目源、承載網絡、傳輸機制不同。IPTV的視頻內容來自廣電，質量較高且穩定，一般采用固定碼率編碼；OTT視頻業務的視頻內容來自多個地方，包括互聯網視頻網站等，視頻的編碼方式不同，一般采用動態碼率編碼。IPTV業務用專網承載，網絡輕載、質量穩定；OTT業務承載在互聯網上，網絡質量受到其他業務的影響。IPTV業務以實時流媒體方式傳輸，采用RTP/UDP；OTT業務以漸進式下載方式傳輸，采用HTTP。IPTV和OTT業務的協議棧如圖2所示。

由于OTT業務承載在盡力而為的互聯網上，傳輸機制相對于IPTV業務有更強的網絡適應能力。其主要原理如下所述。

·IPTV業務承載在UDP之上，網絡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業務通過HTTP承載在TCP之上，網絡的零星分組丟失通過TCP重傳，保障視頻報文不丟失。

·IPTV業務按編碼速率以恒定的碼率在網絡上傳輸，當網絡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業務基于TCP滑動窗口按網絡最大能力發送碼流，由客戶端根據緩存情況向服務端發起流量控制指令，這種傳輸機制避免了網絡瞬間劣化對視頻質量的影響，只要一段時間內平均速率高于編碼速率即可（緩存的視頻越多，抵御網絡波動的能力越強）。

·IPTV業務承載網絡帶寬穩定，采用一種編碼速率，不支持碼率切換；OTT業務的一個節目可采用多種碼率編碼，當網絡帶寬降低時，能自動切換到第一檔的碼率保障視頻的流暢度。另外，OTT業務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業務相比OTT業務在應用體驗上也有一些優勢。

·IPTV業務采用恒定碼率發送，客戶端的緩存極少，可實現快速啟動播放；OTT業務為防止網絡波動對質量的影響，需要緩存足夠多的視頻，啟動播放較慢。

·IPTV業務采用RTP/RTSP，快進、快退體驗更佳，操作較OTT業務更靈活。

·IPTV業務能更好地支持直播，較OTT業務更具實時性。

4 智能機頂盒對視頻業務的保障

基于視頻業務體驗質量（如圖1所示）以及IPTV與OTT視頻業務差異性的分析，可以確定智能機頂盒對兩類業務質量保障的要求。在業務可靠性方面，可用性和完整性主要取決于平臺和網絡，對機頂盒的要求不高。在業務舒適性方面主要表現為以下3點。

（1）業務請求時延

OTT業務需要降低啟動播放的時延，在緩存1～2 s的數據后，即可開始播放，在播放的過程中再逐步增加緩存量，當視頻緩存達到一定程度（如10 s）后實現下載量和播放量的同步，緩存保持一定程度的穩定。

（2）視頻損傷度

IPTV業務采用UDP傳輸，在網絡層沒有補償措施，所以機頂盒必須支持應用層的FEC、ARQ功能，在應用層實現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，機頂盒的解碼器應對視頻報文丟失具有一定的修復能力，少量的視頻報文丟失機頂盒應能平滑過渡，沒有明顯的停頓和馬賽克。

（3）視頻清晰度

對于OTT業務，機頂盒應具備碼率自適應能力，通過緩存的變化分析網絡帶寬的變化，當網絡帶寬下降時，機頂盒能自動降低一檔碼率，反之則能自動提升一檔碼率。

為實現運營商對業務質量的“感知”，評估全網的業務質量、判斷故障原因以及對重大故障的預警，智能機頂盒應能周期性地上報視頻業務的質量參數。上報周期為5～30 min不等，上報的參數要能反映用戶對視頻業務的質量體驗以及能反映業務系統的網絡質量、平臺質量等。

由于IPTV和OTT業務在技術上的差異性，機頂盒上報的質量指標也有較大的差異，介紹如下。

·業務可靠性：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。

·業務完整性：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。

·業務請求時延：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、網絡抖動等；OTT采用可靠傳輸注重緩存/停頓次數和時間占比。

OTT同時也對網絡傳輸質量進行監測，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業務的質量指標。

表2 IPTV與OTT業務質量指標比較

如今，許多HTTP流媒體系統采用視頻文件分片傳輸的自適應機制，如蘋果公司推出的HLS方案。針對視頻文件分片傳輸的自適應機制，智能終端還需要關注分片文件下載質量，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、分片的到達順序是否有錯誤以及分片文件的索引列表是否準確等。

5 結束語

視頻業務質量保障需從業務端到端的視角入手，才能確保用戶的業務體驗良好。業務端到端質量包括視頻源的質量、編碼質量、平臺側性能、網絡的傳輸質量等。其中，每一個環節都有相應的質量指標、質量保障措施和監測手段。機頂盒作為終端，只是業務端到端的一個環節，在質量保障方面，主要體現在應用層優化和質量指標上報方面。隨著OTT等互聯網視頻業務的發展，不同于IPTV業務，互聯網視頻業務運營方對網絡無法管控，只能在應用層做優化，使得視頻業務質量和網絡質量的關聯性越來越弱。應用層優化逐步成為視頻業務質量提升的最重要措施，而智能機頂盒的計算能力、更便捷的操作系統和更大的flash和RAM為應用層優化奠定了重要基礎。

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視頻業務質量質量保障技術白皮書,2012