羅傳飛 ，施唯佳 ，肖 晴

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信IPTV實(shí)驗(yàn)室 上海 200122；3.中國電信股份有限公司上海分公司 上海 200120）

1 引言

視頻本身具有變化的特征，且編碼器采用一系列壓縮編碼算法，使得從視頻編碼器輸出的碼流是VBR（可變比特率）的，H.264 JVT-G012在VBR和CBR（恒定比特率）兩種情形下進(jìn)行試驗(yàn)，所有視頻測試序列的平均PSNR改善2 dB以上。因此無論從視頻編碼質(zhì)量還是從網(wǎng)絡(luò)利用率、存儲(chǔ)和CDN成本的角度考慮，VBR編碼和傳輸都比CBR具有更大優(yōu)勢[1]。然而由于數(shù)字電視傳輸信道通常是固定帶寬的，因此應(yīng)用于數(shù)字電視內(nèi)容的編碼和傳輸通常采用CBR。IPTV傳輸信道基于IP網(wǎng)絡(luò)，具備VBR特性，但是由于在寬帶接入發(fā)展初期接入帶寬有限，限制了VBR的性能和使用，同時(shí)節(jié)目內(nèi)容來自于數(shù)字電視，因此IPTV自然也采用CBR方式。

隨著用戶對視聽娛樂要求的不斷提高，用戶的視頻體驗(yàn)將從標(biāo)清（標(biāo)準(zhǔn)清晰度）時(shí)代進(jìn)入高清（高清晰度）和超高清（超高清晰度）時(shí)代，高清電視步入全面發(fā)展階段。與標(biāo)清的節(jié)目相比，高清的節(jié)目具有更高的分辨率、更大的可視角度、更精確的亮度和彩色還原，可帶來更強(qiáng)的視覺沖擊和沉浸效果。另一方面，隨著“寬帶中國”國家戰(zhàn)略的實(shí)施，運(yùn)營商開始進(jìn)行“光網(wǎng)城市”帶寬提速，以光纖到戶為核心，構(gòu)建“百兆入戶、千兆（吉比特）進(jìn)樓”的高性能網(wǎng)絡(luò)，積極推動(dòng)以PON為基礎(chǔ)的FTTx網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)接入帶寬和原來相比已經(jīng)得到極大的提升[2]。

隨著“寬帶中國·光網(wǎng)城市”的建設(shè)，用戶接入帶寬逐步向 10 Mbit/s、20 Mbit/s甚至 100 Mbit/s等高速帶寬演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的提升放寬了對VBR峰值的限制，互聯(lián)網(wǎng)電視通過VBR視頻編碼等技術(shù)以相對較低的碼率提供高質(zhì)量視頻服務(wù)（如4 Mbit/s的平均碼率承載高清節(jié)目）。IPTV系統(tǒng)也從標(biāo)清開始進(jìn)入高清化服務(wù)，采用8～12 Mbit/s CBR，需要對原標(biāo)清系統(tǒng)（包括網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)、CDN服務(wù)能力）擴(kuò)容升級4～6倍。利用CBR編碼提供高清服務(wù)無疑需要更大的內(nèi)容存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)帶寬和CDN能力，從而造成業(yè)務(wù)成本的上升。而VBR技術(shù)不管是為IPTV提供低碼率高清視頻服務(wù)以進(jìn)一步提升IPTV視頻服務(wù)體驗(yàn)，還是降低IPTV業(yè)務(wù)運(yùn)營成本，在技術(shù)上都提供了一個(gè)新的選擇。

2 MPEG VBR視頻流量模型

圖1顯示了在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)捕獲的一段《蜘蛛俠》H.264 VBR視頻流，若不考慮 GOP間的短時(shí)自相關(guān)性，以秒為時(shí)間尺度，VBR視頻流存在比較大的隨機(jī)突發(fā)性。同時(shí)，從圖中碼率的變化與視頻片段的對比分析，可以看出場景的變化往往導(dǎo)致碼率的劇烈變化，因此整個(gè)視頻流序列可以看成由許多個(gè)獨(dú)立的場景以及場景間的隨機(jī)遷移組成，而每個(gè)場景都可以看成一個(gè)獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過程，時(shí)間為 8～10 s，這與其他H.264 VBR視頻流所作的分析也基本吻合。

對MPEG VBR視頻流統(tǒng)計(jì)特性的分析和建模，最早在參考文獻(xiàn)[3，4]中提及，Rose和Melamed都獨(dú)立地對VBR 視頻流進(jìn)行了研究，參考文獻(xiàn)[5]在綜合二者研究成果的同時(shí)，對VBR視頻流統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了完整的分析和研究，提出了一種基于視頻分段和場景聚類的Markov鏈調(diào)制轉(zhuǎn)移模型。

對一般 MPEG視頻流 （包括H.264，因?yàn)樗推渌鸐PEG標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是采用變換編碼和預(yù)測編碼的混合編碼結(jié)構(gòu)，H.264在混合編碼的框架下引入了更精細(xì)化的編碼方式，提高了編碼效率），現(xiàn)有流量模型主要可分為 3類:基于 Markov過程的；基于TES過程的；基于自相似過程的。以上模型在VBR流量生成和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合中都可應(yīng)用于排隊(duì)系統(tǒng)分析和網(wǎng)絡(luò)性能仿真。然而，這些模型在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的問題，例如有的模型是基于視頻幀或者在GOP基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在應(yīng)用于VBR聚合視頻流量分析上難以獲得基于秒以上的時(shí)間尺度的統(tǒng)計(jì)信息。有的模型則存在相當(dāng)高的計(jì)算復(fù)雜度，難以應(yīng)用到實(shí)際的系統(tǒng)分析中。

圖1 H.264 VBR視頻流量

3 IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)聚合VBR視頻總流量建模

圖2顯示了一個(gè)典型 H.264壓縮的VBR視頻流特征，視頻流碼率的突發(fā)與時(shí)間的關(guān)系和場景的變化相當(dāng)明顯，變化不大的視頻場景造成了較低的編碼碼率，場景變化劇烈的地方產(chǎn)生的編碼碼率也增加得很明顯。VBR視頻流的平均碼率約為6 Mbit/s，但峰值碼率可高達(dá)15 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比受時(shí)間的影響相當(dāng)大，從 0.3變化到接近3倍，這使得流媒體服務(wù)器計(jì)算預(yù)留VBR視頻流的資源相當(dāng)困難。但是，編碼碼率變化的隨機(jī)性也為聚合VBR視頻流共享帶寬創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，VBR視頻流之間的峰值和谷值交錯(cuò)有效地形成“自我平均”的作用[6]，如圖3所示。點(diǎn)播業(yè)務(wù)所依賴的CDN和存儲(chǔ)都可以受益于這種自我平均特性，同樣的CDN帶寬能力可以提供更多的并發(fā)VBR流服務(wù)，同樣的存儲(chǔ)空間可以容納更多的VBR編碼節(jié)目量。

圖2 H.264 VBR視頻碼率變動(dòng)與視頻場景的關(guān)系

圖3 多路聚合CBR和VBR視頻流的對比[7]

利用視頻場景變化的隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)可變碼率碼流自我平均作用并不是一個(gè)新概念，所有廣播類電視頻道都可以通過VBR編碼和傳輸，但是都需要額外的視頻統(tǒng)計(jì)復(fù)用處理，通過統(tǒng)計(jì)復(fù)用和碼率控制使幾個(gè)電視頻道可以同時(shí)由一個(gè)相對狹窄的數(shù)字電視下行頻點(diǎn)進(jìn)行傳輸。然而Gbit/s和10 Gbit/s IP網(wǎng)絡(luò)可以提供更寬的內(nèi)容傳輸管道，使得多路聚合的VBR視頻流無需額外的視頻統(tǒng)計(jì)復(fù)用處理和視頻平滑處理，就能充分利用其碼率變化的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)特性達(dá)到“自我平均”的作用。在IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)中應(yīng)用這種特性，由于無需額外的視頻處理，可以在兼容IPTV現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)和終端設(shè)備的前提下，獲得VBR視頻額外的統(tǒng)計(jì)增益。

在IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)中應(yīng)用大規(guī)模VBR視頻流的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)特性進(jìn)行自我平均，需要在理論上回答幾個(gè)關(guān)鍵問題。

·如何描述單個(gè)和聚合的VBR視頻流量？影響VBR視頻流量自我平均的因素是什么？

·如何計(jì)算自我平均特性帶來的統(tǒng)計(jì)增益？需要什么樣的新帶寬規(guī)劃和資源預(yù)留原則來保障聚合的VBR流量?

如本文第2節(jié)所述，已有大量的研究對單個(gè)VBR視頻流量進(jìn)行建模，可以采用基于視頻分段和場景聚類的Markov鏈調(diào)制轉(zhuǎn)移模型描述單個(gè)VBR視頻流量，統(tǒng)計(jì)表明絕大多數(shù)場景的持續(xù)時(shí)間在 20 s以內(nèi)，盡管研究發(fā)現(xiàn)VBR流量存在長相關(guān)和自相似特性，當(dāng)滯后的場景數(shù)超過5個(gè)時(shí)，即使對同一場景類，如圖4所示其正的自相關(guān)性也基本上消失[8]。

假設(shè) n個(gè)IPTV用戶點(diǎn)播的VBR視頻流量為 X1，X2，…，Xn，記期望 E(Xi)=mi，方差 D(Xi)=Si2，i=1，2，…，n，n 個(gè)IPTV用戶點(diǎn)播聚合的總流量為 X=X1+X2+…+Xn,根據(jù)Xi獨(dú)立同分布和數(shù)學(xué)期望以及方差的性質(zhì):E(X)=m=m1+m2+…+mn，D(X)=S2=S12+S22+…+Sn2，則當(dāng) n 足夠大（n>20）時(shí)，根據(jù)廣義中心極限定理，n個(gè)IPTV用戶點(diǎn)播聚合的VBR總流量的概率分布趨于正態(tài)或高斯X～N(m,S2)分布，根據(jù)X～N(m,S2)高斯正態(tài)分布可以為實(shí)際應(yīng)用部署提供帶寬規(guī)劃、資源預(yù)留的定性分析依據(jù)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)過程和結(jié)果

圖4 4類場景的持續(xù)個(gè)數(shù)自相關(guān)曲線示意[8]

為了發(fā)揮寬帶提速的優(yōu)勢，結(jié)合VBR視頻編碼傳輸實(shí)現(xiàn)IPTV“提質(zhì)量、降碼率、省成本”的目標(biāo)，在上海電信開展基于VBR視頻編碼與傳輸?shù)腎PTV點(diǎn)播現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)方案采用VBR編碼方式，結(jié)合離線多次編碼和碼率控制技術(shù)，峰值碼率和平均碼率之比控制在2～3倍，在同樣視頻質(zhì)量下，VBR平均碼率比CBR降低了30%～50%，試驗(yàn)方案采用RTSP/RTP實(shí)時(shí)流協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸碼率嚴(yán)格按照VBR編碼碼率進(jìn)行，因此兼容了原來采用CBR方式的節(jié)目和現(xiàn)網(wǎng)機(jī)頂盒，平臺(tái)和流服務(wù)通過純軟件升級，無需硬件投資。

圖5顯示了現(xiàn)場試驗(yàn)播放的《白晝冷光》1080P高清VBR視頻流碼率分布的直方圖，統(tǒng)計(jì)表明該節(jié)目的碼率概率分布可以采用對數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行擬合，平均值為6.5 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比控制在3倍之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)方差為2～3。

圖6顯示了現(xiàn)場試驗(yàn)采用的 《白晝冷光》1080P高清VBR視頻流的自相關(guān)曲線。統(tǒng)計(jì)表明當(dāng)時(shí)間間隔在120 s以上，VBR視頻流的自相關(guān)性逐步降低到0.2以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)場景時(shí)延超過 5個(gè)時(shí)，即使對同一場景類，其自相關(guān)性也基本上消失[7]。對人類行為動(dòng)力學(xué)的研究表明，人類行為時(shí)間間隔分布存在滿足反比冪函數(shù)的胖尾[6]，為了進(jìn)一步觀察不同用戶點(diǎn)播同一個(gè)VBR視頻流的時(shí)間間隔，并評估其相關(guān)性，隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了不同流媒體服務(wù)器用戶訪問的時(shí)間間隔分布，IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)用戶服務(wù)訪問時(shí)間間隔符合Weibull分布，在2000個(gè)并發(fā)用戶訪問過程中，平均間隔大于200 s。

圖5 H.2641080P高清VBR視頻碼率直方圖

圖6 H.2641080P高清VBR視頻流的自相關(guān)曲線

圖7顯示了現(xiàn)場試驗(yàn)采用的《白晝冷光》和《蝙蝠俠》1080P高清VBR視頻流的互相關(guān)曲線。統(tǒng)計(jì)表明兩個(gè)不同VBR視頻流之間的相關(guān)性低于0.2，因此不同用戶點(diǎn)播的VBR視頻流可以認(rèn)為是獨(dú)立同分布的隨機(jī)過程。

圖8顯示了100個(gè)IPTV用戶根據(jù)用戶實(shí)際訪問流媒體服務(wù)器的時(shí)間間隔同時(shí)點(diǎn)播60個(gè)不同VBR節(jié)目所產(chǎn)生的聚合視頻流量。測試長達(dá)10 h，經(jīng)過每個(gè)視頻流隨機(jī)的峰值和谷值合成，即使沒有經(jīng)過額外的視頻平滑處理，所有VBR視頻流的波峰與波谷都被自我平均，自我平均后的聚合視頻流的峰值和平均值之比由單VBR視頻流的3倍降低到1.14倍。圖9顯示對長達(dá)10 h的聚合視頻流量的分布進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，可以看到，擬合的正態(tài)分布的密度曲線幾乎是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鐘形，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)是正態(tài)分布的。

5 結(jié)果分析

通過在上海電信IPTV現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行VBR點(diǎn)播業(yè)務(wù)的大規(guī)模試驗(yàn)測試，在編碼端結(jié)合多次編碼和VBR碼率控制，設(shè)置高清1080P節(jié)目平均碼率為4～6 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比控制在2～3倍，測試表明可以達(dá)到同樣節(jié)目CBR編碼在8～12 Mbit/s的視頻質(zhì)量。盡管VBR視頻流存在長時(shí)依賴和自相似特性，但是針對大量的VBR節(jié)目視頻流的測試表明當(dāng)時(shí)延間隔達(dá)到120 s時(shí)，單個(gè)VBR視頻流自相關(guān)性降低到0.2以內(nèi)，兩個(gè)不同的VBR視頻流之間的相關(guān)性也低于0.2，因此可以根據(jù)中心極限定理，采用高斯正態(tài)模型對聚合VBR總流量進(jìn)行建模。同時(shí)根據(jù)IPTV用戶現(xiàn)網(wǎng)訪問流媒體服務(wù)器的時(shí)間間隔進(jìn)行長達(dá)10 h的請求測試，也表明自我平均后產(chǎn)生的聚合VBR視頻流量峰值和平均值之比由單VBR視頻流的3倍降低到1.14倍，對聚合視頻總流量的分布檢驗(yàn)也符合正態(tài)分布。因此，在IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)中采用VBR編碼視頻可以有效地提高原系統(tǒng)CDN、存儲(chǔ)的服務(wù)能力，降低核心網(wǎng)絡(luò)的流量，可以在兼容IPTV現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)和終端設(shè)備的前提下，通過高斯正態(tài)模型計(jì)算聚合VBR視頻流自我平均帶來的統(tǒng)計(jì)增益，為帶寬規(guī)劃和CDN能力部署提供計(jì)算依據(jù)。

圖7 H.2641080P高清VBR視頻流的互相關(guān)曲線

圖8 100個(gè)用戶點(diǎn)播60個(gè)VBR節(jié)目產(chǎn)生的總流量

圖9 100個(gè)用戶點(diǎn)播60個(gè)VBR節(jié)目產(chǎn)生的總流量的正態(tài)性檢驗(yàn)

通過在上海電信IPTV現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行VBR點(diǎn)播業(yè)務(wù)的大規(guī)模試驗(yàn)，根據(jù)IPTV用戶現(xiàn)網(wǎng)訪問流媒體服務(wù)器的時(shí)間間隔，分別測試了100個(gè)用戶、1000個(gè)用戶和2000個(gè)用戶并發(fā)的VBR聚合總流量，測試與試驗(yàn)表明相對于原采用CBR視頻方式，在用戶接入帶寬高于VBR視頻峰值的條件下，采用VBR視頻方式具有以下優(yōu)點(diǎn):

·在同樣服務(wù)質(zhì)量和并發(fā)用戶數(shù)下，可降低30%～50%核心網(wǎng)匯聚流量；

·在同樣服務(wù)質(zhì)量和節(jié)目數(shù)量下，可降低30%～50%系統(tǒng)所需存儲(chǔ)；

·在同樣服務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)資源下，可增加20%～40%并發(fā)用戶數(shù)。

6 結(jié)束語

隨著國務(wù)院“寬帶中國·光網(wǎng)城市”的推進(jìn)和落實(shí)，寬帶用戶接入帶寬達(dá)到100 Mbit/s，寬帶大提速將推動(dòng)更多的信息消費(fèi)應(yīng)用需求，尤其是高清視頻點(diǎn)播的快速普及，通過研究VBR視頻的流量特性和在IPTV系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合寬帶提速放寬了對VBR峰值的限制，為IPTV高清化實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)量、降碼率、省成本”提供了一個(gè)結(jié)合寬帶提速和VBR的應(yīng)用方案。

致謝本文的研究工作在中國電信IPTV實(shí)驗(yàn)室完成，在此表示衷心的感謝！

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