智能电视终端的视频服务质量保障

姚 良，肖 晴，施唯佳，奚 溪

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海200122；2.中国电信股份有限公司上海分公司 上海200122）

1 引言

机顶盒作为终端，最初主要用于实现模拟/数字信号的转换功能，随着终端技术的发展和需求的增多，慢慢通过软件增加了一些附加作用，如在机顶盒上加上用于预告节目的电子节目指南、用于增加收入的VOD点播以及用于管理机顶盒的用户管理系统等。随着手机智能化引领的技术革新，“智能机顶盒”的概念开始登上历史舞台。智能机顶盒指具有操作系统平台，像PC机一样，操作系统和应用软件相互分离，只要硬件和操作系统有足够的支撑能力，就可以无限制加载应用软件。智能机顶盒在原有IPTV机顶盒支持的实时流媒体的基础上，又兼容了如今流行的HTTP流（HTTP streaming）视频（OTT视频）业务，为用户带来了更多的视频体验。由于OTT业务承载方式与原有的IPTV采用的RTP/RTSP承载方式不同，本文探讨了智能机顶盒在支持HTTP流方式之后视频业务质量如何保障。

2 用户对视频业务的体验

用户对视频业务的体验，通常用ITU-T P.10/G.100中规定的QoE（quality of experience）表示，一般采用用户主观评分的方式评估（如ITU-R BT.500）。客观评估QoE是一个复杂的课题，虽然有许多研究机构和组织向ITU提交了关于视频QoE客观评估的建议，但ITU目前还没有定义统一的国际标准。

用户对视频质量的体验大体上可分为两类：可靠性（reliability）和舒适性（comfortable）。可靠性又可分为业务可接入性和业务完整性；业务舒适性又可分为业务即时性和业务会话质量。为此，按如图1所示的评估体系对视频QoE评估业务进行梳理。

其中，业务可靠性取决于网络、平台的可用性、异常中断率；业务请求时延取决于网络时延、平台的响应时延和终端缓存时延；视频播放的清晰度取决于编码器、编码速率、分辨率和帧率；视频的损伤度取决于网络传输特性、流媒体的传输方式。在视频播放质量中，决定视频清晰度的因素往往是常量，因此视频损伤度是视频质量评估的重点。

IPTV和OTT业务都可套用图1的质量评价体系，IPTV和OTT业务在实现机制上的差异性，不仅造成相同体验的视频质量对业务平台、终端和网络的需求不同，而且在质量评价指标上也有区别。

表1 IPTV与OTT技术原理比较

3 IPTV与OTT业务实现机制的差异性

智能机顶盒可同时支持IPTV和OTT视频业务，尽管都是视频业务，但两者在实现机制上有较大的差别，见表1。

IPTV和OTT业务的主要区别为：节目源、承载网络、传输机制不同。IPTV的视频内容来自广电，质量较高且稳定，一般采用固定码率编码；OTT视频业务的视频内容来自多个地方，包括互联网视频网站等，视频的编码方式不同，一般采用动态码率编码。IPTV业务用专网承载，网络轻载、质量稳定；OTT业务承载在互联网上，网络质量受到其他业务的影响。IPTV业务以实时流媒体方式传输，采用RTP/UDP；OTT业务以渐进式下载方式传输，采用HTTP。IPTV和OTT业务的协议栈如图2所示。

由于OTT业务承载在尽力而为的互联网上，传输机制相对于IPTV业务有更强的网络适应能力。其主要原理如下所述。

·IPTV业务承载在UDP之上，网络的分组丢失会引起视频报文的丢失，形成视频的马赛克或卡顿；OTT业务通过HTTP承载在TCP之上，网络的零星分组丢失通过TCP重传，保障视频报文不丢失。

·IPTV业务按编码速率以恒定的码率在网络上传输，当网络有大的带宽波动和时延抖动，尤其是带宽低于编码速率时，会引起视频报文的大量丢失；OTT业务基于TCP滑动窗口按网络最大能力发送码流，由客户端根据缓存情况向服务端发起流量控制指令，这种传输机制避免了网络瞬间劣化对视频质量的影响，只要一段时间内平均速率高于编码速率即可（缓存的视频越多，抵御网络波动的能力越强）。

·IPTV业务承载网络带宽稳定，采用一种编码速率，不支持码率切换；OTT业务的一个节目可采用多种码率编码，当网络带宽降低时，能自动切换到第一档的码率保障视频的流畅度。另外，OTT业务的传输机制能更好地支持VRB编码，在相同的视频清晰度下，VBR编码对带宽的要求更低。

IPTV业务相比OTT业务在应用体验上也有一些优势。

·IPTV业务采用恒定码率发送，客户端的缓存极少，可实现快速启动播放；OTT业务为防止网络波动对质量的影响，需要缓存足够多的视频，启动播放较慢。

·IPTV业务采用RTP/RTSP，快进、快退体验更佳，操作较OTT业务更灵活。

·IPTV业务能更好地支持直播，较OTT业务更具实时性。

4 智能机顶盒对视频业务的保障

基于视频业务体验质量（如图1所示）以及IPTV与OTT视频业务差异性的分析，可以确定智能机顶盒对两类业务质量保障的要求。在业务可靠性方面，可用性和完整性主要取决于平台和网络，对机顶盒的要求不高。在业务舒适性方面主要表现为以下3点。

（1）业务请求时延

OTT业务需要降低启动播放的时延，在缓存1～2 s的数据后，即可开始播放，在播放的过程中再逐步增加缓存量，当视频缓存达到一定程度（如10 s）后实现下载量和播放量的同步，缓存保持一定程度的稳定。

（2）视频损伤度

IPTV业务采用UDP传输，在网络层没有补偿措施，所以机顶盒必须支持应用层的FEC、ARQ功能，在应用层实现前向纠错和分组丢失重传功能。随着智能机顶盒解码能力的增强，机顶盒的解码器应对视频报文丢失具有一定的修复能力，少量的视频报文丢失机顶盒应能平滑过渡，没有明显的停顿和马赛克。

（3）视频清晰度

对于OTT业务，机顶盒应具备码率自适应能力，通过缓存的变化分析网络带宽的变化，当网络带宽下降时，机顶盒能自动降低一档码率，反之则能自动提升一档码率。

为实现运营商对业务质量的“感知”，评估全网的业务质量、判断故障原因以及对重大故障的预警，智能机顶盒应能周期性地上报视频业务的质量参数。上报周期为5～30 min不等，上报的参数要能反映用户对视频业务的质量体验以及能反映业务系统的网络质量、平台质量等。

由于IPTV和OTT业务在技术上的差异性，机顶盒上报的质量指标也有较大的差异，介绍如下。

·业务可靠性：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。

·业务完整性：IPTV反映的是视频流是否有异常中断；OTT反映的是视频文件是否下载完整。

·业务请求时延：IPTV反映的是IGMP、RTSP信令交互时延；OTT反映的是HTTP交互时延和TCP连接时延。

·视频损伤度：IPTV采用非可靠传输注重报文丢失率、网络抖动等；OTT采用可靠传输注重缓存/停顿次数和时间占比。

OTT同时也对网络传输质量进行监测，主要包括TCP重传率、下载平均速率、下载峰值速率等。表2列举了IPTV和OTT业务的质量指标。

表2 IPTV与OTT业务质量指标比较

如今，许多HTTP流媒体系统采用视频文件分片传输的自适应机制，如苹果公司推出的HLS方案。针对视频文件分片传输的自适应机制，智能终端还需要关注分片文件下载质量，包括视频分片文件的播放时长、下载时长、下载速率、下载时间间隔、分片的到达顺序是否有错误以及分片文件的索引列表是否准确等。

5 结束语

视频业务质量保障需从业务端到端的视角入手，才能确保用户的业务体验良好。业务端到端质量包括视频源的质量、编码质量、平台侧性能、网络的传输质量等。其中，每一个环节都有相应的质量指标、质量保障措施和监测手段。机顶盒作为终端，只是业务端到端的一个环节，在质量保障方面，主要体现在应用层优化和质量指标上报方面。随着OTT等互联网视频业务的发展，不同于IPTV业务，互联网视频业务运营方对网络无法管控，只能在应用层做优化，使得视频业务质量和网络质量的关联性越来越弱。应用层优化逐步成为视频业务质量提升的最重要措施，而智能机顶盒的计算能力、更便捷的操作系统和更大的flash和RAM为应用层优化奠定了重要基础。

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视频业务质量质量保障技术白皮书,2012