安瑞虹，葉 青，蔡子龍（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

1 概述

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)模型已從傳統(tǒng)單一的語音和短信業(yè)務(wù)，演變成了百花齊放的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)［1］。隨著4G的引入，套餐資費(fèi)的下降，視頻業(yè)務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中所占的比重也越來越大。如何做好移動網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，保障視頻業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)，滿足流暢播放需求，已成為一個重要的研究課題。

本文針對移動互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)，從實(shí)際業(yè)務(wù)需求的角度出發(fā)，給出了一種移動互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)需求帶寬的測試方法。在此測試方法基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前不同分辨率的視頻，分別進(jìn)行測試并給出了保障視頻流暢播放的實(shí)際帶寬需求。該帶寬需求可以作為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中“單用戶速率”目標(biāo)值的設(shè)定參考，精細(xì)化指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)。

2 視頻帶寬需求原理

2.1 視頻基本屬性

2.1.1 視頻碼率

視頻碼率就是數(shù)據(jù)傳輸時單位時間傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，單位為kbit/s?；镜乃惴椋?］：

如視頻文件的容量為3.446 GB，視頻長度100 min（6 000 s），由式（1）計(jì)算出的視頻碼率約等于4 818 kbit/s。

2.1.2 分辨率［3］

分辨率是用于度量圖像內(nèi)數(shù)據(jù)量多少的一個參數(shù)，通常由每英寸像素來表示（ppi——pixel per inch），是衡量圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力的技術(shù)參數(shù)。當(dāng)前視頻網(wǎng)站的主流分辨率主要包括240P、360P、720P、1080P等。

優(yōu)酷、搜狐等視頻網(wǎng)站，一般通過“標(biāo)清”、“高清”、“超清”、“原畫”等字眼區(qū)分視頻的分辨率。各類視頻實(shí)際對應(yīng)的分辨率并不是標(biāo)準(zhǔn)的240P、480P、720P 或1080P。以優(yōu)酷網(wǎng)站提供的“標(biāo)清”視頻為例，對應(yīng)實(shí)際分辨率就是512×288，并不是標(biāo)準(zhǔn)的240P。

2.1.3 碼率與分辨率對應(yīng)關(guān)系

采用爬蟲手段可以獲取各大視頻網(wǎng)站的視頻分辨率和碼率情況［4］。表1 和表2 為優(yōu)酷和搜狐視頻的分辨率說明。可以看出，優(yōu)酷與搜狐各檔位的分辨率不盡相同，但碼率基本接近?？紤]到實(shí)際數(shù)據(jù)下載量與碼率接近，因而應(yīng)把同等碼率的視頻放在一起分析。

表1 優(yōu)酷視頻分辨率說明

表2 搜狐視頻分辨率說明

2.2 視頻碼率波動性

表1和表2中給出的參考碼率，指的是整個視頻的平均碼率，是文件大小除以播放時長。而實(shí)際視頻播放過程中，由于壓縮算法以及視頻畫面變化速度等因素的影響，瞬時碼率會隨著時間有較大變化。部分視頻在前期的瞬時碼率較高，中后期瞬時碼率則偏低，反之亦然。

選擇2個不同類型的視頻文件進(jìn)行說明。

a）視頻文件1。源文件大小27 020 816 B，時長360 s，根據(jù)式（1），平均碼率為586 kbit/s。視頻瞬時碼率如圖1所示。

圖1 視頻1瞬時碼率

b）視頻文件2。源文件大小21 312 076 B，時長300 s，根據(jù)式（1），平均碼率為555 kbit/s。視頻瞬時碼率如圖2所示。

圖2 視頻2瞬時碼率

利用標(biāo)準(zhǔn)差來反映2個視頻的不同波動程度。標(biāo)準(zhǔn)差［5］是統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的一個數(shù)據(jù)，用來統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和平均值之間的偏差程度，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。

假設(shè)有一組數(shù)值x1，x2，x3…xN（皆為實(shí)數(shù)），其平均值為μ，標(biāo)準(zhǔn)差公式為：

根據(jù)瞬時碼率圖，視頻1 瞬時碼率標(biāo)準(zhǔn)差為238，而視頻2 標(biāo)準(zhǔn)差為209，因而視頻1 瞬時碼率波動更大。

因?yàn)橐曨l碼率有波動，在初始緩沖階段后繼續(xù)提前下載一定量（2～3 min）的視頻，這也是大部分OTT的做法，之后再按照視頻碼率的倍數(shù)進(jìn)行保障，即可有效地保證播放過程中的體驗(yàn)。

3 視頻帶寬需求測試方法研究

3.1 測試原理

使用網(wǎng)絡(luò)損傷儀或者修改開戶帶寬的方法限制網(wǎng)絡(luò)帶寬，尋找視頻能夠流暢播放（播放視頻過程中不卡頓）所需要的最小帶寬與視頻平均碼率之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)損傷儀［6］

網(wǎng)絡(luò)損傷儀放置在接入層，如LTE的S1接口或者UMTS的Iub接口，其作用在于模擬出帶寬限制、時延、時延抖動、丟包、亂序、重復(fù)報(bào)文、誤碼、擁塞等網(wǎng)絡(luò)狀況。

3.1.2 修改開戶帶寬

通過修改SIM卡開戶帶寬的方法找到視頻播放過程中不卡頓的合適帶寬，分析此帶寬是碼率的多少倍。

3.2 測試流程及方法

3.2.1 測試軟硬件準(zhǔn)備

測試手機(jī)安裝專業(yè)視頻QoE 測試軟件，通過從小到大增大帶寬的方式限制開戶帶寬，在此環(huán)境下，播放約5 min片源，記錄卡頓次數(shù)。測試設(shè)備準(zhǔn)備情況如表3所示。

表3 測試設(shè)備要求

3.2.2 視頻源選擇

應(yīng)選擇優(yōu)酷、搜狐首頁上的熱門視頻，240P/360P/720P/1080P 各選擇不少于5 個優(yōu)酷視頻以及不少于5個搜狐視頻進(jìn)行測試。視頻源選擇過程中，適當(dāng)挑選多種類型的片源，如體育比賽類、動漫類（見表4）。

表4 視頻源選擇

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)狀況檢查

a）確認(rèn)接入正確的網(wǎng)絡(luò)號：核實(shí)PLMN（如46001）是否與要測試的網(wǎng)絡(luò)號一致。

b）確認(rèn)選擇了正確的APN：設(shè)置→連接→更多網(wǎng)絡(luò)→移動網(wǎng)絡(luò)→接入點(diǎn)名稱。

c）確認(rèn)并記錄網(wǎng)絡(luò)狀況：采用SpeedTest 進(jìn)行測速，測試3次數(shù)據(jù)并記錄，將下行速率和開戶帶寬做比較，保證基本接近開戶帶寬。

3.2.4 測試及記錄

a）修改開戶帶寬，以240P為例，先設(shè)定帶寬為1.1倍碼率，然后打開視頻QoE 測試軟件中240P 的片源，播放5～6 min，看是否卡頓。

b）依次修改帶寬倍數(shù)為1.2，1.3……碼率，直至不出現(xiàn)卡頓。

c）選擇360P、720P、1080P 重復(fù)b）的方法測試驗(yàn)證。

d）在其他制式下也按照a）～c）的步驟測試驗(yàn)證。

4 視頻帶寬需求測試結(jié)果分析

4.1 限制帶寬卡頓結(jié)果分析——LTE

根據(jù)3.2節(jié)中所述測試方法，分別選擇優(yōu)酷和搜狐4 種碼率，在LTE 下利用限制用戶帶寬的方法進(jìn)行視頻卡頓測試，統(tǒng)計(jì)不同帶寬/碼率（1.1、1.2、1.3）下，各類視頻的卡頓情況?？梢钥闯觯?/p>

a）在設(shè)置帶寬為1.1 倍碼率的條件下，240P、360P、720P 卡頓次數(shù)小于3 次的視頻比例幾乎都在80%（優(yōu)酷360P 例外為60%）以上，但是1080P 在此條件下不能保障，卡頓次數(shù)小于3 次的視頻比例小于50%（見表5）。

表5 帶寬1.1倍碼率下的卡頓情況

b）在設(shè)置帶寬為1.2 倍碼率的條件下，240P、360P、720P 卡頓次數(shù)小于3 次的比例幾乎都在80%以上（優(yōu)酷360P 例外為72.7%，比帶寬為碼率1.1 倍時略有提升），同時搜狐1080P 也從帶寬為碼率1.1 倍時的37.5%增加到66.7%（見表6）。

c）在設(shè)置帶寬為1.3 倍碼率的條件下，240P、360P、720P、1080P 卡頓次數(shù)小于3 次的比例均在80%以上，搜狐1080P從80%提升到100%，效果明顯（見表7）。

表6 帶寬1.2倍碼率下的卡頓情況

表7 帶寬1.3倍碼率下的卡頓情況

4.2 限制帶寬卡頓結(jié)果分析——W C D M A

表8 帶寬1.1倍碼率下的卡頓情況

b）在設(shè)置帶寬為1.2 倍碼率的條件下，240P、360P、720P 卡頓次數(shù)小于3 次的比例都能保證大于70%（優(yōu)酷360P例外）。搜狐1080P的視頻卡頓小于3次的比例為54.6%，卡頓較多，用戶體驗(yàn)差（見表9）。

表9 帶寬1.2倍碼率下的卡頓情況

c）在設(shè)置帶寬為1.3 倍碼率的條件下，搜狐240P、360P、720P 卡頓次數(shù)小于3 次的比例幾乎都能保證大于80%。優(yōu)酷1080P 和搜狐1080P 的卡頓小于3次的比例數(shù)也增加到66.7%以上（見表10）。

表10 帶寬1.3倍碼率下的卡頓情況

4.3 視頻帶寬需求結(jié)論

根據(jù)4.1 和4.2 節(jié)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將LTE-FDD/UMTS 網(wǎng)絡(luò)4 種碼率（240P/360P/720P/1080P）、全部帶寬倍率（1.1～1.3）整體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖3），可以看出：

a）帶寬為1.1 倍碼率下，能滿足50%以上的視頻不卡頓。

b）帶寬為1.2 倍碼率下，能滿足80%的視頻卡頓不超過3次。

c）帶寬為1.3倍碼率下，僅10%的視頻出現(xiàn)卡頓。

d）根據(jù)測試分析結(jié)果，建議：720P 以下（240P、360P）的視頻播放階段流暢的帶寬為1.2 倍碼率。720P以上（720P、1080P）的視頻使用1.3倍碼率。

5 總結(jié)

圖3 各倍數(shù)帶寬下的視頻卡頓情況

本文研究了移動互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)帶寬需求的測試原理和測試方法，并采用實(shí)測數(shù)據(jù)給出了不同分辨率的視頻業(yè)務(wù)對應(yīng)的建議帶寬。該方法及結(jié)論可以作為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中“單用戶速率”目標(biāo)值的設(shè)定參考，用于指導(dǎo)容量及速率規(guī)劃。在實(shí)際規(guī)劃工作中，可根據(jù)不同區(qū)域的用戶業(yè)務(wù)習(xí)慣（如用戶使用各類互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的占比情況，以及用戶使用視頻的各類分辨率占比等），分別制定不同區(qū)域的規(guī)劃速率目標(biāo)值，從而做到精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化。

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