4K超高清視頻流傳輸的質量監測技術

白 棣

（作者單位：中央電視臺播出傳送中心）

在4K超高清視頻業務快速發展的形式下，4K超高清視頻已經成為運營商所關注的重點，各個運營商之間的競爭越來越激烈，在這種發展形式下，運營商要想獲得更好的發展就必須發揮自身的業務特點，為用戶提供更好的高清視頻服務。而4K超高清視頻流傳輸質量的監測技術可以有效實現對視頻質量的全面了解，同時也能洞悉用戶的實際需求，對視頻傳輸狀態進行實時監控，發生故障問題時可以做到及時發現和處理，確保視頻傳輸的穩定性。

1 4K超高清傳輸質量監控需求

視頻技術在不斷發展過程中實現了網絡電視、移動視頻和多屏互動，有效豐富了人們的業余生活，為人們工作之余提供了更多的娛樂項目。在視頻技術快速發展的趨勢下，人們對視頻的清晰度和流暢度提出了更高的要求。由于高清視頻對網絡的性能具有較高的要求，只有為其提供有效的網絡支持才能保證視頻的傳輸速度和質量。就現階段而言，4K超高清傳輸技術已經被運營商應用到機頂盒內，進入千家萬戶，成為視頻業務的主流。

4K超高清視頻的運行特點決定了其在運行的過程中需要較大帶寬的網絡作為支持，同時對服務器和網絡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超高清視頻傳輸質量的關鍵。除此之外，針對4K超高清視頻的傳輸進行質量監測也是提升視頻傳輸性能的關鍵舉措。因此，運營商要想保證自身的業務能力，就必須創建行之有效的視頻傳輸質量監測系統，對4K超高清視頻的傳輸狀態進行實時監測，降低故障的發生幾率，進而提升視頻傳輸的效率和質量，保證該項業務的順利開展。

2 4K超高清傳輸質量監測體系

為了保證監測系統的準確運行，并監測效果的準確性，在進行4K超高清視頻傳輸質量監測系統構建時，需要從兩個方面入手對視頻傳輸的效果進行綜合判定。一種是主觀分析，一種是客觀評價，其中的主觀分析是建立在客觀評價基礎上的，即在利用相應的技術手段對視頻傳輸的狀態進行檢測時，發現運行異常現象時，采取主觀分析的方式對故障問題進行分析，查找故障原因，并及時采取措施進行處理，提升視頻傳輸的穩定性和時效性。

4K超高清視頻傳輸質量檢測系統中同時還應用了編解碼算法構建了數據分析模型，利用數據分析模型在結合視頻的自身運行特點對視頻的損傷情況進行分，實際分析的過程中是從系統結構的各個層面入手，對網絡監控層、視頻編碼壓縮損傷分析層和終端視頻質量分析層三個層面進行視頻傳輸效果分析。

第一，網絡監控層。主要檢測內容為對網絡運行的狀態進行實時了解，保證各項運行指標為正常狀態，確保為視頻傳輸提供穩定的網絡支持。

第二，視頻編碼壓縮損傷分析層。利用系統中的編碼算法和動態圖像分析方式，對視頻的壓縮的損傷程度進行確認。

第三，終端視頻質量分析層。結合視頻評估算法和終端呈現的視頻質量得出最終的視頻質量評估效果。在實際分析的過程中，往往是將網絡狀態和其他視頻傳輸的數據作為參照。

2.1 CDN服務器性能（QoS）監控指標

在對以往的4K超高清視頻傳輸質量檢測進行全面分析之后可以總結出，CDN服務器安裝的位置與其自身的性能發揮具有直接影響。一旦將CDN服務器安裝在遠離機頂盒的位置，就會對IP網絡造成一定的干擾影響，最終直觀地呈現在對視頻傳輸速度的方面。為此，在對CDN服務器進行安裝設計時，需要考慮到它對其他網絡的干擾，將其安裝在機頂盒的網絡設備附近，降低影響幾率，保證視頻傳輸的有效進行。除此之外，還要求CDN服務器的運行性能滿足機頂盒的服務需求，能夠根據機頂盒的需求情況做出對應的響應操作，為視頻傳輸的效率提供有效的支持。

通過上述分析內容可以發現，要想確保超高清視頻的傳輸效率就必須從CDN服務器的性能入手，保證CDN服務器的各項性能滿足機頂盒的服務需求。為此，在質量監測系統中還需設置相應的系統警告功能，系統在判定CDN服務器運行狀態存在問題時，第一時間發出系統警報，相應人員必須及時做出響應，對CDN服務器的運行情況進行調整，使其保持在最佳運行狀態，確保視頻傳輸的效率。判定CDN服務器性能的指標有以下幾點。

第一，HTTP請求數。對于HTTP請求的數量和服務器響應性能進行分析，依據響應速度和處理請求的數量來判定服務器的使用性能。

第二，HTTP成功響應數。對于機頂盒發出請求的響應能力，在特定的時間內沒有做出響應的則判定為失敗請求，對于成功處理請求和失敗請求的比例進行分析，進而判定服務區的運行性能。

第三，HTTP請求成功率。計算公式為A/B，其中A為該CDN服務器向所有終端發送的HTTP成功響應總數；B為所有終端向該CDN服務器發送的HTTP請求總數。

第四，HTTP響應時延。計算從終端發起視頻流的HTTPGET請求消息到收到該視頻流的第一個數據包的時間差。

第五，HTTP錯誤返回碼個數。包括“4XX“終端錯誤返回碼和”5XX“服務器錯誤返回碼。

2.2 IP網絡傳輸性能（QoS）監控指標

4K超高清視頻傳輸中所使用的用戶協議為HTTP/TCP，與以往的協議相比在穩定性和可靠性能上具有更高的要求。HTTP/TCP協議的自身特點決定了其在傳輸的過程中遇到受損文件時，可以利用自身的功能實現對文件的恢復處理，為視頻傳輸的安全性提供有效保障。文件修復過程需要一定的時間，但是在用戶進行下載的過程中這些時間被消耗在下載過程中，并不會對用戶的觀看體驗帶來影響。隨著4K超高清視頻技術的不斷完善，現階段超高清電視已經很少出現卡頓和馬賽克的現象，僅會在用戶觀看完一段視頻之后，沒有對下一段視頻操作下載的情況下才會出現緩沖問題。

通過上述分析可以發現，超高清視頻的傳輸質量與網絡傳輸中存在的損傷現象沒有直接聯系，因此，如果還是采用與以往相同的視頻質量監測方法已經無法實現對視頻傳輸質量的實時監測。這就要求對4K超高清視頻的傳輸特性進行全面分析之后，創建新的監測體系，確定各項評定指標，主要包括以下幾個方面。

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：存在失序TCP序列號的包個數。網絡設備在發送TCP流時會在各TCP包頭上打上序列號（16比特的字段）用于差錯和流量控制。若兩個相鄰TCP包的序列號出現次序顛倒，則統計為TCP失序包。

第三，TCP重傳包數：TCP重傳包的個數。TCP協議具有差錯恢復機制，TCP重傳包是指為補償網絡丟包所重傳的TCP包。

第四，TCP重傳率（%）：TCP重傳包比率，即TCP重傳包個數/總的TCP包的個數。TCP重傳率越大，則表示網絡狀況越差（丟包率或延遲過大）。

第五，TCP重復包數：在一定時間段，如果出現兩個或多個相同序列號和內容的TCP包，則后面出現的TCP包會被統計為TCP重復包。

第六，TCP重置數：TCP重置（RESET）包的個數。在TCP協議中，當TCP接收方檢測到無法通過正常協議流程恢復的故障時，則會發送TCPRESET指令，使發送方重新在新的開始位置發送。

第七，TCP低窗口包數：OTT視頻客戶端發出的TCP低窗口的包的個數。當TCP報文窗口小于設定的門限值（缺省為1 000），則視其為低TCP窗口報文。OTT視頻客戶端持續出現TCP低窗口數據包，往往意味著客戶端出現性能問題，要求服務器降低媒體流發送速度。

針對4K超高清業務的監控方法和相關應用，在電信運營商的產品上得到應用和驗證，希望借此拋磚引玉，得到更多的討論很推廣，進一步完善該領域的技術，加速超高清業務的發展。

3 應用優化與測試建議

在對4K超高清視頻業務展開研究時，為了確保視頻傳輸性能，會創建相應的視頻質量傳輸監測體系，為視頻的有效傳輸提供保障。針對視頻傳輸系統的運行特點對各類影響視頻傳輸功能的指標進行確定，保證質量監測系統的實效性。為了加強對視頻傳輸監測體系的研究力度，使其自身性能得到有效發揮，相關工作者可以創建一個模擬的系統運行環境，對以往存在的視頻傳輸問題進行模擬，進而測定視頻傳輸質量監測體系的性能。

網絡損傷模擬器可以實現對各種網絡問題的模擬，此時，便可以真實掌握在出現各種網絡問題時，4K超高清視頻傳輸的反應情況，同時觀察視頻傳輸質量監測系統能否根據視頻傳輸的狀態給出正確的評估，從而對監測系統的性能進行不斷完善，確保監測指標的準確性。除此之外，對機頂盒內部設置的QoS軟探針的準確性能進行分析，也是提升4K超高清視頻業務性能的關鍵所在。相關工作者在對網絡狀態問題進行模擬的過程中，還可以觀察QoS軟探針的真實反應，對視頻質量和用戶需求進行對比，分析出QoS軟探針指標的真實性能。

4 結語

4K超高清視頻業務是在科技快速發展的產物，各個運營商為了提升自身的業務水平紛紛對4K超高清視頻業務給予了大量的投入，希望提升業務的服務性能，獲得更多的用戶支持。超高清視頻流傳輸質量監測體系的構建可以有效提升視頻業務的運行效率和運行質量，為用戶帶去更好的服務體驗，同時，對自身企業的健康發展也具有積極作用。