手機(jī)視頻優(yōu)化技術(shù)研究

魏芳，顧鵬南（中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司，南京 210012）

手機(jī)視頻優(yōu)化技術(shù)研究

魏芳，顧鵬南
（中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司，南京 210012）

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和4G網(wǎng)絡(luò)的成熟，移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)已逐步成為主流業(yè)務(wù)，移動(dòng)視頻已成為互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)搶占的制高點(diǎn)，運(yùn)營商在其中如何定位需要深入思考。本研究首先立足網(wǎng)絡(luò)本身，在4G環(huán)境下研究視頻感知監(jiān)測(cè)、緩存、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)碼等一系列技術(shù)手段，建立視頻質(zhì)量優(yōu)化與保障體系。在此基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建3GPP標(biāo)準(zhǔn)的AAC架構(gòu)，結(jié)合PCC功能，通過標(biāo)準(zhǔn)接口將網(wǎng)絡(luò)QoS能力向互聯(lián)網(wǎng)公司開放，參與視頻的業(yè)務(wù)調(diào)度過程，進(jìn)而具備分享業(yè)務(wù)價(jià)值鏈的能力。

AAC；PCC；HLS

1 背景

根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心2014年6月發(fā)布的中國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模及網(wǎng)民統(tǒng)計(jì)情況表明，截至2014年6月，中國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到5.2億，手機(jī)網(wǎng)民占整個(gè)網(wǎng)民比例為83.4%。根據(jù)Cisco的官方統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，在2012年手機(jī)移動(dòng)視頻占全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的50%以上的份額，預(yù)計(jì)到2018年，手機(jī)移動(dòng)視頻流量將占據(jù)整個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的69%。

1.1 移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展給網(wǎng)絡(luò)帶來的壓力與挑戰(zhàn)

移動(dòng)視頻的快速發(fā)展對(duì)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)容量帶來巨大挑戰(zhàn)，極容易導(dǎo)致無線空口資源的擁塞，網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致用戶收看視頻的時(shí)候出現(xiàn)緩沖等待等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶收視體驗(yàn)。

由于無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，無線信號(hào)受到弱覆蓋及干擾等各種因素的影響，無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬會(huì)發(fā)生快速的變化和抖動(dòng)，帶寬的快速變化嚴(yán)重影響了視頻播放流暢性，降低體驗(yàn)?，F(xiàn)網(wǎng)跟蹤統(tǒng)計(jì)，以優(yōu)酷為例，30%的視頻流量存在卡頓和失敗現(xiàn)象。

1.2 網(wǎng)絡(luò)具備能力輸出的可能，OTT有差異化服務(wù)的訴求

4G網(wǎng)絡(luò)已支持QoS（Quality of Service，業(yè)務(wù)質(zhì)量）等級(jí)化差異化控制，利用LTE豐富、靈活的網(wǎng)絡(luò)資源為重點(diǎn)用戶、重要業(yè)務(wù)服務(wù)成為可能。

視頻業(yè)務(wù)的井噴增長，使得OTT也在思考提升業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的競(jìng)爭(zhēng)力，希望與運(yùn)營商聯(lián)合開拓視頻業(yè)務(wù)中新合作模式，增值視頻業(yè)務(wù)的附加值。

2 手機(jī)視頻優(yōu)化技術(shù)研究的整體思路和方案

2.1 整體思路

2.1.1 通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)管道能力，保證無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的視頻質(zhì)量

利用手機(jī)視頻優(yōu)化平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)經(jīng)過的所有視頻流量，通過節(jié)目標(biāo)簽技術(shù)識(shí)別用戶會(huì)話并對(duì)視頻分片關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算用戶帶寬和視頻體驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻優(yōu)化策略，根據(jù)優(yōu)化策略，對(duì)取源回來的視頻文件進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼并生產(chǎn)相應(yīng)級(jí)別的視頻分片，利用HLS自適應(yīng)技術(shù)選擇以及切換調(diào)整至滿足網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的視頻分片。確保用戶在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中，能體驗(yàn)到清晰、流暢的視頻業(yè)務(wù)，提升視頻感知。

2.1.2 OTT參與智能管道調(diào)度，拓展視頻業(yè)務(wù)的附加值

建設(shè)以基于3GPP的AAC（Application Access Control，應(yīng)用接入控制）架構(gòu)的建設(shè)能力開放平臺(tái)，提供與OTT對(duì)接的標(biāo)準(zhǔn)接口，將網(wǎng)絡(luò)資源分享給OTT，進(jìn)一步拓展視頻業(yè)務(wù)的附加值。OTT維護(hù)自己用戶的信息，通過標(biāo)準(zhǔn)接口供AAC能力平臺(tái)在資源調(diào)度判決中查詢，AAC在獲取用戶QoS權(quán)限和策略后下發(fā)PCRF執(zhí)行調(diào)度過程。該用戶信息決定了用戶在QoS調(diào)度中可以占用的網(wǎng)絡(luò)資源的能力。通過這種方式，OTT服務(wù)商參與到視頻業(yè)務(wù)的整個(gè)調(diào)度流程中，延伸視頻業(yè)務(wù)的價(jià)值鏈。

2.2 總體技術(shù)方案

2.2.1 搭建視頻優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整的視頻服務(wù)

通過智能流量牽引技術(shù)，將用戶對(duì)手機(jī)視頻的訪問請(qǐng)求導(dǎo)入視頻優(yōu)化系統(tǒng)。所有的流量流經(jīng)流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，由流量監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)分析用戶的視頻內(nèi)容、帶寬和收視體驗(yàn)等指標(biāo)，對(duì)需要優(yōu)化的內(nèi)容通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)，生成多碼率的視頻分片。iPhone終端支持自帶的帶寬監(jiān)測(cè)，自適應(yīng)選擇合適的碼率進(jìn)行播放。對(duì)安卓終端，由于終端播放器不支持自適應(yīng)，通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)動(dòng)態(tài)切換碼率文件，來適配無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化。通過上述優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)用戶端視頻的流暢播放。

圖1 視頻優(yōu)化平臺(tái)

2.2.2 建設(shè)以AAC為調(diào)度中心的能力開放平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)QoS的調(diào)度

基于AAC架構(gòu)建設(shè)以AAC為核心，PCC（Policy and Charging Control，策略及計(jì)費(fèi)控制）、GGSN/ PGW為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)度平臺(tái)。AAC做為控制中心，接受前端用戶觸發(fā)或OTT后向服務(wù)端觸發(fā)的差異化服務(wù)請(qǐng)求后，查詢OTT維護(hù)的用戶信息，將用戶QoS策略傳遞至PCRF，通過PCRF下發(fā)動(dòng)態(tài)QoS調(diào)度控制完成從無線到核心網(wǎng)以及業(yè)務(wù)側(cè)的端到端的資源調(diào)度。

2.3 視頻優(yōu)化主要實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 流量牽引技術(shù)

手機(jī)視頻優(yōu)化系統(tǒng)通過智能流量牽引技術(shù)，將用戶對(duì)手機(jī)視頻的訪問請(qǐng)求導(dǎo)入視頻優(yōu)化系統(tǒng)，視頻優(yōu)化系統(tǒng)通過解析取源，利用通用緩存已緩存的視頻或通用緩存的回源能力，獲取原始視頻。流量牽引技術(shù)，主要采用智能DNS技術(shù)，通過DNS Forward方案將視頻流量請(qǐng)求牽引到視頻優(yōu)化系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)完成用戶請(qǐng)求的代理，通過解析和取源服務(wù)器進(jìn)行域名解析和視頻播放請(qǐng)求的回源，同時(shí)修改用戶請(qǐng)求響應(yīng)，將用戶該會(huì)話的后續(xù)的響應(yīng)請(qǐng)求指向視頻優(yōu)化系統(tǒng)。

2.3.2 用戶視頻體驗(yàn)監(jiān)測(cè)

通過流量監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)經(jīng)過的所有視頻流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用戶會(huì)話識(shí)別，視頻分片關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行用戶帶寬和體驗(yàn)的測(cè)量和計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻優(yōu)化策略。

手機(jī)上網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)采用承載于TCP協(xié)議上的標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議，不存在分組丟失問題，抖動(dòng)和延時(shí)會(huì)被客戶端的下載緩沖所消化，一般情況下客戶不會(huì)感知。只有緩沖區(qū)的視頻播放完又沒有及時(shí)下載到新的視頻片段時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)畫面等待并緩沖。由網(wǎng)絡(luò)原因而真正影響用戶體驗(yàn)的主要問題是緩沖等待時(shí)間（指在這個(gè)時(shí)間內(nèi)視頻處于圖像靜止的Loading狀態(tài)）、等待次數(shù)（用戶等待視頻下載才能播放的次數(shù)）、視頻碼率降低等。主要通過監(jiān)測(cè)和計(jì)算用戶如下3個(gè)指標(biāo)來衡量量化視頻質(zhì)量：

（1）初始緩沖時(shí)長：該指標(biāo)表示視頻開始緩沖到可以播放的時(shí)間；

（2）卡頓時(shí)長：重新再緩沖的平均時(shí)間；

（3）卡頓次數(shù)：當(dāng)緩存的視頻數(shù)據(jù)量降低到一個(gè)較低的值，播放將暫停，播放器將進(jìn)入一個(gè)再緩沖的狀態(tài)；該指標(biāo)計(jì)算卡頓事件發(fā)生的頻率。

圖2 AAC能力開放平臺(tái)

2.3.3 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼和HLS自適應(yīng)

根據(jù)視頻優(yōu)化策略，對(duì)取源回來的視頻文件進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼并生產(chǎn)相應(yīng)級(jí)別的視頻分片，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)帶寬情況，通過HLS自適應(yīng)技術(shù)完成視頻分片的選擇和切換調(diào)整。

利用Transcoding和Transrating技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MP4/FLV等視頻文件的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，支持對(duì)原始視頻流的實(shí)時(shí)處理以適配不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬、不同的終端處理能力和不同的用戶需求。Transcoding實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)是指調(diào)整幀率、分辨率和碼率等視頻參數(shù)，將手機(jī)高碼率大視頻實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)成低碼率小視頻，并推送給用戶，使用戶在低速率下能夠流暢播放視頻。視頻優(yōu)化平臺(tái)中會(huì)將單碼率的源視頻（Ts/FLV/MP4）根據(jù)平臺(tái)預(yù)設(shè)的多種轉(zhuǎn)碼參數(shù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼成多碼率的目標(biāo)視頻，通過HLS傳輸方式傳送給用戶。轉(zhuǎn)碼參數(shù)可配置，如視頻分辨率（QVGA （240×320）～720 p（1 280×720）），幀率（5～25 fps），碼率（96 kbit/s～2 Mbit/s）等。Transrating技術(shù)主要通過抽幀的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的幀率的影響，由于抽取I、P幀會(huì)嚴(yán)重影響視頻質(zhì)量，一般抽取B幀。通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)，原始單一碼率的視頻文件，生成多份適配不同網(wǎng)絡(luò)帶寬情況下的多碼率的視頻文件分片。

HLS主要基于TS的視頻流或文件進(jìn)行封裝傳輸，HLS類似一個(gè)容器封裝MPEG TS傳輸格式。視頻優(yōu)化平臺(tái)通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，將單碼率文件生成多碼率的視頻分片，終端和網(wǎng)絡(luò)層自適應(yīng)選擇合適用戶帶寬的視頻分片。每個(gè)碼率等級(jí)可靈活調(diào)整配置。如平臺(tái)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)碼配置如表1所示。

iPhone手機(jī)用戶：目前iPhone手機(jī)播放終端都支持HLS帶寬自適應(yīng)，視頻優(yōu)化平臺(tái)只需要將單碼率視頻實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼成多碼率視頻，手機(jī)終端將根據(jù)用戶帶寬自動(dòng)選擇合適的碼率進(jìn)行播放。

Android手機(jī)用戶：由于Android手機(jī)播放終端對(duì)HLS帶寬自適應(yīng)支持不夠，視頻優(yōu)化平臺(tái)通過節(jié)目標(biāo)簽技術(shù)計(jì)算用戶實(shí)時(shí)速率，并在服務(wù)器端選擇合適的碼率提供給用戶進(jìn)行播放。

2.3.4 網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度支撐視頻播放

用戶端或者OTT業(yè)務(wù)端觸發(fā)QoS的調(diào)度請(qǐng)求，AAC根據(jù)OTT用戶在API平臺(tái)的簽約情況，下發(fā)策略調(diào)度請(qǐng)求，PCRF控制策略下發(fā)，SAEGW及無線eNode B執(zhí)行QoS調(diào)度完成為OTT的用戶分配不同等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。視頻優(yōu)化平臺(tái)通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，將單碼率文件生成多碼率的視頻分片，終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況自適應(yīng)選擇合適的視頻分片。圖3為資源調(diào)度流程。

第1步 OTT和能力開放平臺(tái)合作，簽約QoS API；

第2步 OTT在觀看界面提供加速按鈕；

第3步 用戶選擇加速業(yè)務(wù)觸發(fā)至AAC向API管理平臺(tái)申請(qǐng)；

第4步 AAC向API管理平臺(tái)驗(yàn)證以及查詢用戶簽約策略；

第5步 AAC通過RX接口下發(fā)QoS策略至PCRF；

第6步 PCRF通過GX接口下發(fā)控制策略至EPC和eNode B，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度。

圖3 資源調(diào)度流程

表1 平臺(tái)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)碼舉例

3 優(yōu)化效果

3.1 激發(fā)手機(jī)上網(wǎng)流量額外增長

對(duì)比不優(yōu)化視頻的流量增長情況，優(yōu)化后流量增幅明顯，多增長了約5.25%。尤其是4G網(wǎng)絡(luò)下，原先視頻卡頓等問題導(dǎo)致用戶不愿意等待而放棄視頻播放，在優(yōu)化后視頻順暢，激發(fā)了5.81%的流量增長。

對(duì)比優(yōu)酷視頻優(yōu)化前后小時(shí)流量增長情況如表2所示。

表2 優(yōu)酷視頻優(yōu)化前后小時(shí)流量對(duì)比

對(duì)比優(yōu)酷視頻優(yōu)化前后在總視頻流量的占比如表3所示。

表3 優(yōu)酷視頻優(yōu)化前后流量占比

優(yōu)化的視頻流量占總視頻流量增長了14%，尤其是4G網(wǎng)絡(luò)下視頻優(yōu)化后的占比增加25.83%。

3.2 視頻體驗(yàn)提升

3.2.1 卡頓優(yōu)化效果

在4G網(wǎng)絡(luò)下，通過大量的終端撥測(cè)能夠看出經(jīng)過視頻優(yōu)化項(xiàng)目之后，卡頓次數(shù)均只有1次（打開視頻的次數(shù)），也就是說在播放過程中沒有卡頓，在2G/3G網(wǎng)絡(luò)下，經(jīng)過優(yōu)化后卡頓次數(shù)由3.125次大幅下降至1.39次，圖4為卡頓效果。

3.2.2 初始緩存時(shí)長

在4G網(wǎng)絡(luò)下，通過大量的終端撥測(cè)能夠看出經(jīng)過視頻優(yōu)化項(xiàng)目之后，視頻初始緩沖時(shí)長降為1.9 s，而未經(jīng)過優(yōu)化的時(shí)長則為2.9s。圖5為初始緩沖時(shí)長。

通過以上兩組數(shù)據(jù)可以明顯看出走優(yōu)化平臺(tái)時(shí)，對(duì)視頻的優(yōu)化效果還是非常明顯的。

圖4 卡頓效果

圖5 初始緩沖時(shí)長

4 結(jié)束語

本文討論的優(yōu)化實(shí)踐方案，已在江蘇省內(nèi)推廣，取得良好效果，提升了用戶手機(jī)上網(wǎng)感知。

A research of mobile video optimization technique

WEI Fang， GU Peng-nan
（China Mobile Group Jiangsu Co.， Ltd.， Nanjing 210012， China）

With the rapid development of Mobile Internet and the mature of 4G networks ，mobile video service has gradually become the mainstream service.While mobile video has become the peak point which internet players race to control， for operators，how to take strategic position in this domain should be deeply considered.This research is based on the network itself primarily，researching a series of technical means such as video sensing monitoring，caching，dynamic transcoding，etc.in the 4G environment，then establishing video optimization and quality assurance system.On this basis，the study explore constructing AAC architecture complying with 3GPP standard，opening network QoS capability，combined with PCC function，to internet players via standard interfaces.Therefore operators participate in the process of video traffi c scheduling，and thus foster the capability to share business value chain.

AAC； PCC； HLS

TN929.5

A

1008-5599（2016）07-0007-05

2016-05-20