移动互联网视频业务带宽需求研究

2015-04-13安瑞虹蔡子龙中国联通网络技术研究院北京100048

邮电设计技术 2015年12期

安瑞虹，叶青，蔡子龙（中国联通网络技术研究院，北京100048）

1 概述

随着移动互联网的发展，运营商网络中的业务模型已从传统单一的语音和短信业务，演变成了百花齐放的移动互联网业务［1］。随着4G的引入，套餐资费的下降，视频业务在互联网业务中所占的比重也越来越大。如何做好移动网规划建设，保障视频业务的用户体验，满足流畅播放需求，已成为一个重要的研究课题。

本文针对移动互联网视频业务，从实际业务需求的角度出发，给出了一种移动互联网视频业务需求带宽的测试方法。在此测试方法基础上，针对当前不同分辨率的视频，分别进行测试并给出了保障视频流畅播放的实际带宽需求。该带宽需求可以作为实际网络规划建设中“单用户速率”目标值的设定参考，精细化指导网络规划与建设。

2 视频带宽需求原理

2.1 视频基本属性

2.1.1 视频码率

视频码率就是数据传输时单位时间传送的数据位数，单位为kbit/s。基本的算法为［2］：

如视频文件的容量为3.446 GB，视频长度100 min（6 000 s），由式（1）计算出的视频码率约等于4 818 kbit/s。

2.1.2 分辨率［3］

分辨率是用于度量图像内数据量多少的一个参数，通常由每英寸像素来表示（ppi——pixel per inch），是衡量图像细节表现能力的技术参数。当前视频网站的主流分辨率主要包括240P、360P、720P、1080P等。

优酷、搜狐等视频网站，一般通过“标清”、“高清”、“超清”、“原画”等字眼区分视频的分辨率。各类视频实际对应的分辨率并不是标准的240P、480P、720P 或1080P。以优酷网站提供的“标清”视频为例，对应实际分辨率就是512×288，并不是标准的240P。

2.1.3 码率与分辨率对应关系

采用爬虫手段可以获取各大视频网站的视频分辨率和码率情况［4］。表1 和表2 为优酷和搜狐视频的分辨率说明。可以看出，优酷与搜狐各档位的分辨率不尽相同，但码率基本接近。考虑到实际数据下载量与码率接近，因而应把同等码率的视频放在一起分析。

表1 优酷视频分辨率说明

表2 搜狐视频分辨率说明

2.2 视频码率波动性

表1和表2中给出的参考码率，指的是整个视频的平均码率，是文件大小除以播放时长。而实际视频播放过程中，由于压缩算法以及视频画面变化速度等因素的影响，瞬时码率会随着时间有较大变化。部分视频在前期的瞬时码率较高，中后期瞬时码率则偏低，反之亦然。

选择2个不同类型的视频文件进行说明。

a）视频文件1。源文件大小27 020 816 B，时长360 s，根据式（1），平均码率为586 kbit/s。视频瞬时码率如图1所示。

图1 视频1瞬时码率

b）视频文件2。源文件大小21 312 076 B，时长300 s，根据式（1），平均码率为555 kbit/s。视频瞬时码率如图2所示。

图2 视频2瞬时码率

利用标准差来反映2个视频的不同波动程度。标准差［5］是统计学中常用的一个数据，用来统计数据和平均值之间的偏差程度，能反映一个数据集的离散程度。

假设有一组数值x1，x2，x3…xN（皆为实数），其平均值为μ，标准差公式为：

根据瞬时码率图，视频1 瞬时码率标准差为238，而视频2 标准差为209，因而视频1 瞬时码率波动更大。

因为视频码率有波动，在初始缓冲阶段后继续提前下载一定量（2～3 min）的视频，这也是大部分OTT的做法，之后再按照视频码率的倍数进行保障，即可有效地保证播放过程中的体验。

3 视频带宽需求测试方法研究

3.1 测试原理

使用网络损伤仪或者修改开户带宽的方法限制网络带宽，寻找视频能够流畅播放（播放视频过程中不卡顿）所需要的最小带宽与视频平均码率之间的对应关系。

3.1.1 网络损伤仪［6］

网络损伤仪放置在接入层，如LTE的S1接口或者UMTS的Iub接口，其作用在于模拟出带宽限制、时延、时延抖动、丢包、乱序、重复报文、误码、拥塞等网络状况。

3.1.2 修改开户带宽

通过修改SIM卡开户带宽的方法找到视频播放过程中不卡顿的合适带宽，分析此带宽是码率的多少倍。

3.2 测试流程及方法

3.2.1 测试软硬件准备

测试手机安装专业视频QoE 测试软件，通过从小到大增大带宽的方式限制开户带宽，在此环境下，播放约5 min片源，记录卡顿次数。测试设备准备情况如表3所示。

表3 测试设备要求

3.2.2 视频源选择

应选择优酷、搜狐首页上的热门视频，240P/360P/720P/1080P 各选择不少于5 个优酷视频以及不少于5个搜狐视频进行测试。视频源选择过程中，适当挑选多种类型的片源，如体育比赛类、动漫类（见表4）。

表4 视频源选择

3.2.3 网络状况检查

a）确认接入正确的网络号：核实PLMN（如46001）是否与要测试的网络号一致。

b）确认选择了正确的APN：设置→连接→更多网络→移动网络→接入点名称。

c）确认并记录网络状况：采用SpeedTest 进行测速，测试3次数据并记录，将下行速率和开户带宽做比较，保证基本接近开户带宽。

3.2.4 测试及记录

a）修改开户带宽，以240P为例，先设定带宽为1.1倍码率，然后打开视频QoE 测试软件中240P 的片源，播放5～6 min，看是否卡顿。

b）依次修改带宽倍数为1.2，1.3……码率，直至不出现卡顿。

c）选择360P、720P、1080P 重复b）的方法测试验证。

d）在其他制式下也按照a）～c）的步骤测试验证。

4 视频带宽需求测试结果分析

4.1 限制带宽卡顿结果分析——LTE

根据3.2节中所述测试方法，分别选择优酷和搜狐4 种码率，在LTE 下利用限制用户带宽的方法进行视频卡顿测试，统计不同带宽/码率（1.1、1.2、1.3）下，各类视频的卡顿情况。可以看出：

a）在设置带宽为1.1 倍码率的条件下，240P、360P、720P 卡顿次数小于3 次的视频比例几乎都在80%（优酷360P 例外为60%）以上，但是1080P 在此条件下不能保障，卡顿次数小于3 次的视频比例小于50%（见表5）。

表5 带宽1.1倍码率下的卡顿情况

b）在设置带宽为1.2 倍码率的条件下，240P、360P、720P 卡顿次数小于3 次的比例几乎都在80%以上（优酷360P 例外为72.7%，比带宽为码率1.1 倍时略有提升），同时搜狐1080P 也从带宽为码率1.1 倍时的37.5%增加到66.7%（见表6）。

c）在设置带宽为1.3 倍码率的条件下，240P、360P、720P、1080P 卡顿次数小于3 次的比例均在80%以上，搜狐1080P从80%提升到100%，效果明显（见表7）。

表6 带宽1.2倍码率下的卡顿情况

表7 带宽1.3倍码率下的卡顿情况

4.2 限制带宽卡顿结果分析——W C D M A

表8 带宽1.1倍码率下的卡顿情况

b）在设置带宽为1.2 倍码率的条件下，240P、360P、720P 卡顿次数小于3 次的比例都能保证大于70%（优酷360P例外）。搜狐1080P的视频卡顿小于3次的比例为54.6%，卡顿较多，用户体验差（见表9）。

表9 带宽1.2倍码率下的卡顿情况

c）在设置带宽为1.3 倍码率的条件下，搜狐240P、360P、720P 卡顿次数小于3 次的比例几乎都能保证大于80%。优酷1080P 和搜狐1080P 的卡顿小于3次的比例数也增加到66.7%以上（见表10）。

表10 带宽1.3倍码率下的卡顿情况

4.3 视频带宽需求结论

根据4.1 和4.2 节中的统计结果，将LTE-FDD/UMTS 网络4 种码率（240P/360P/720P/1080P）、全部带宽倍率（1.1～1.3）整体进行统计（见图3），可以看出：

a）带宽为1.1 倍码率下，能满足50%以上的视频不卡顿。

b）带宽为1.2 倍码率下，能满足80%的视频卡顿不超过3次。

c）带宽为1.3倍码率下，仅10%的视频出现卡顿。

d）根据测试分析结果，建议：720P 以下（240P、360P）的视频播放阶段流畅的带宽为1.2 倍码率。720P以上（720P、1080P）的视频使用1.3倍码率。

5 总结

图3 各倍数带宽下的视频卡顿情况

本文研究了移动互联网视频业务带宽需求的测试原理和测试方法，并采用实测数据给出了不同分辨率的视频业务对应的建议带宽。该方法及结论可以作为实际网络规划建设中“单用户速率”目标值的设定参考，用于指导容量及速率规划。在实际规划工作中，可根据不同区域的用户业务习惯（如用户使用各类互联网业务的占比情况，以及用户使用视频的各类分辨率占比等），分别制定不同区域的规划速率目标值，从而做到精细化网络规划、建设和优化。

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