手机视频优化技术研究

魏芳，顾鹏南（中国移动通信集团江苏有限公司，南京 210012）

手机视频优化技术研究

魏芳，顾鹏南
（中国移动通信集团江苏有限公司，南京 210012）

随着移动互联网的发展和4G网络的成熟，移动视频业务已逐步成为主流业务，移动视频已成为互联网企业抢占的制高点，运营商在其中如何定位需要深入思考。本研究首先立足网络本身，在4G环境下研究视频感知监测、缓存、动态转码等一系列技术手段，建立视频质量优化与保障体系。在此基础上，探索构建3GPP标准的AAC架构，结合PCC功能，通过标准接口将网络QoS能力向互联网公司开放，参与视频的业务调度过程，进而具备分享业务价值链的能力。

AAC；PCC；HLS

1 背景

根据中国互联网信息中心2014年6月发布的中国手机网民规模及网民统计情况表明，截至2014年6月，中国手机网民规模达到5.2亿，手机网民占整个网民比例为83.4%。根据Cisco的官方统计及预测，在2012年手机移动视频占全球移动数据流量的50%以上的份额，预计到2018年，手机移动视频流量将占据整个移动数据业务流量的69%。

1.1 移动视频业务的发展给网络带来的压力与挑战

移动视频的快速发展对运营商的网络容量带来巨大挑战，极容易导致无线空口资源的拥塞，网络拥塞导致用户收看视频的时候出现缓冲等待等现象，严重影响用户收视体验。

由于无线网络的特点，无线信号受到弱覆盖及干扰等各种因素的影响，无线网络的带宽会发生快速的变化和抖动，带宽的快速变化严重影响了视频播放流畅性，降低体验。现网跟踪统计，以优酷为例，30%的视频流量存在卡顿和失败现象。

1.2 网络具备能力输出的可能，OTT有差异化服务的诉求

4G网络已支持QoS（Quality of Service，业务质量）等级化差异化控制，利用LTE丰富、灵活的网络资源为重点用户、重要业务服务成为可能。

视频业务的井喷增长，使得OTT也在思考提升业务在网络中的竞争力，希望与运营商联合开拓视频业务中新合作模式，增值视频业务的附加值。

2 手机视频优化技术研究的整体思路和方案

2.1 整体思路

2.1.1 通过优化网络基础管道能力，保证无线网络环境中的视频质量

利用手机视频优化平台实时监测经过的所有视频流量，通过节目标签技术识别用户会话并对视频分片关联，实时测量和计算用户带宽和视频体验，动态调整视频优化策略，根据优化策略，对取源回来的视频文件进行实时转码并生产相应级别的视频分片，利用HLS自适应技术选择以及切换调整至满足网络状态的视频分片。确保用户在不同网络状态中，能体验到清晰、流畅的视频业务，提升视频感知。

2.1.2 OTT参与智能管道调度，拓展视频业务的附加值

建设以基于3GPP的AAC（Application Access Control，应用接入控制）架构的建设能力开放平台，提供与OTT对接的标准接口，将网络资源分享给OTT，进一步拓展视频业务的附加值。OTT维护自己用户的信息，通过标准接口供AAC能力平台在资源调度判决中查询，AAC在获取用户QoS权限和策略后下发PCRF执行调度过程。该用户信息决定了用户在QoS调度中可以占用的网络资源的能力。通过这种方式，OTT服务商参与到视频业务的整个调度流程中，延伸视频业务的价值链。

2.2 总体技术方案

2.2.1 搭建视频优化平台，实现基于网络带宽动态调整的视频服务

通过智能流量牵引技术，将用户对手机视频的访问请求导入视频优化系统。所有的流量流经流量监测设备，由流量监测设备监测分析用户的视频内容、带宽和收视体验等指标，对需要优化的内容通过实时转码技术，生成多码率的视频分片。iPhone终端支持自带的带宽监测，自适应选择合适的码率进行播放。对安卓终端，由于终端播放器不支持自适应，通过网络侧动态切换码率文件，来适配无线网络带宽的变化。通过上述优化方案，实现用户端视频的流畅播放。

图1 视频优化平台

2.2.2 建设以AAC为调度中心的能力开放平台，实现QoS的调度

基于AAC架构建设以AAC为核心，PCC（Policy and Charging Control，策略及计费控制）、GGSN/ PGW为基础的网络能力调度平台。AAC做为控制中心，接受前端用户触发或OTT后向服务端触发的差异化服务请求后，查询OTT维护的用户信息，将用户QoS策略传递至PCRF，通过PCRF下发动态QoS调度控制完成从无线到核心网以及业务侧的端到端的资源调度。

2.3 视频优化主要实现的几个关键技术

2.3.1 流量牵引技术

手机视频优化系统通过智能流量牵引技术，将用户对手机视频的访问请求导入视频优化系统，视频优化系统通过解析取源，利用通用缓存已缓存的视频或通用缓存的回源能力，获取原始视频。流量牵引技术，主要采用智能DNS技术，通过DNS Forward方案将视频流量请求牵引到视频优化系统。视频系统完成用户请求的代理，通过解析和取源服务器进行域名解析和视频播放请求的回源，同时修改用户请求响应，将用户该会话的后续的响应请求指向视频优化系统。

2.3.2 用户视频体验监测

通过流量监测设备对经过的所有视频流量进行监测，用户会话识别，视频分片关联，并进行用户带宽和体验的测量和计算，实时监测，动态调整视频优化策略。

手机上网视频业务采用承载于TCP协议上的标准HTTP协议，不存在分组丢失问题，抖动和延时会被客户端的下载缓冲所消化，一般情况下客户不会感知。只有缓冲区的视频播放完又没有及时下载到新的视频片段时，才会出现画面等待并缓冲。由网络原因而真正影响用户体验的主要问题是缓冲等待时间（指在这个时间内视频处于图像静止的Loading状态）、等待次数（用户等待视频下载才能播放的次数）、视频码率降低等。主要通过监测和计算用户如下3个指标来衡量量化视频质量：

（1）初始缓冲时长：该指标表示视频开始缓冲到可以播放的时间；

（2）卡顿时长：重新再缓冲的平均时间；

（3）卡顿次数：当缓存的视频数据量降低到一个较低的值，播放将暂停，播放器将进入一个再缓冲的状态；该指标计算卡顿事件发生的频率。

图2 AAC能力开放平台

2.3.3 实时转码和HLS自适应

根据视频优化策略，对取源回来的视频文件进行实时转码并生产相应级别的视频分片，同时根据监测带宽情况，通过HLS自适应技术完成视频分片的选择和切换调整。

利用Transcoding和Transrating技术，实现对MP4/FLV等视频文件的实时转码，支持对原始视频流的实时处理以适配不同的网络带宽、不同的终端处理能力和不同的用户需求。Transcoding实时转码技术是指调整帧率、分辨率和码率等视频参数，将手机高码率大视频实时转成低码率小视频，并推送给用户，使用户在低速率下能够流畅播放视频。视频优化平台中会将单码率的源视频（Ts/FLV/MP4）根据平台预设的多种转码参数实时转码成多码率的目标视频，通过HLS传输方式传送给用户。转码参数可配置，如视频分辨率（QVGA （240×320）～720 p（1 280×720）），帧率（5～25 fps），码率（96 kbit/s～2 Mbit/s）等。Transrating技术主要通过抽帧的技术来实现对视频的帧率的影响，由于抽取I、P帧会严重影响视频质量，一般抽取B帧。通过实时转码技术，原始单一码率的视频文件，生成多份适配不同网络带宽情况下的多码率的视频文件分片。

HLS主要基于TS的视频流或文件进行封装传输，HLS类似一个容器封装MPEG TS传输格式。视频优化平台通过实时转码，将单码率文件生成多码率的视频分片，终端和网络层自适应选择合适用户带宽的视频分片。每个码率等级可灵活调整配置。如平台预设转码配置如表1所示。

iPhone手机用户：目前iPhone手机播放终端都支持HLS带宽自适应，视频优化平台只需要将单码率视频实时转码成多码率视频，手机终端将根据用户带宽自动选择合适的码率进行播放。

Android手机用户：由于Android手机播放终端对HLS带宽自适应支持不够，视频优化平台通过节目标签技术计算用户实时速率，并在服务器端选择合适的码率提供给用户进行播放。

2.3.4 网络资源调度支撑视频播放

用户端或者OTT业务端触发QoS的调度请求，AAC根据OTT用户在API平台的签约情况，下发策略调度请求，PCRF控制策略下发，SAEGW及无线eNode B执行QoS调度完成为OTT的用户分配不同等级的网络带宽资源。视频优化平台通过实时转码，将单码率文件生成多码率的视频分片，终端根据网络带宽情况自适应选择合适的视频分片。图3为资源调度流程。

第1步 OTT和能力开放平台合作，签约QoS API；

第2步 OTT在观看界面提供加速按钮；

第3步 用户选择加速业务触发至AAC向API管理平台申请；

第4步 AAC向API管理平台验证以及查询用户签约策略；

第5步 AAC通过RX接口下发QoS策略至PCRF；

第6步 PCRF通过GX接口下发控制策略至EPC和eNode B，实现资源调度。

图3 资源调度流程

表1 平台预设转码举例

3 优化效果

3.1 激发手机上网流量额外增长

对比不优化视频的流量增长情况，优化后流量增幅明显，多增长了约5.25%。尤其是4G网络下，原先视频卡顿等问题导致用户不愿意等待而放弃视频播放，在优化后视频顺畅，激发了5.81%的流量增长。

对比优酷视频优化前后小时流量增长情况如表2所示。

表2 优酷视频优化前后小时流量对比

对比优酷视频优化前后在总视频流量的占比如表3所示。

表3 优酷视频优化前后流量占比

优化的视频流量占总视频流量增长了14%，尤其是4G网络下视频优化后的占比增加25.83%。

3.2 视频体验提升

3.2.1 卡顿优化效果

在4G网络下，通过大量的终端拨测能够看出经过视频优化项目之后，卡顿次数均只有1次（打开视频的次数），也就是说在播放过程中没有卡顿，在2G/3G网络下，经过优化后卡顿次数由3.125次大幅下降至1.39次，图4为卡顿效果。

3.2.2 初始缓存时长

在4G网络下，通过大量的终端拨测能够看出经过视频优化项目之后，视频初始缓冲时长降为1.9 s，而未经过优化的时长则为2.9s。图5为初始缓冲时长。

通过以上两组数据可以明显看出走优化平台时，对视频的优化效果还是非常明显的。

图4 卡顿效果

图5 初始缓冲时长

4 结束语

本文讨论的优化实践方案，已在江苏省内推广，取得良好效果，提升了用户手机上网感知。

A research of mobile video optimization technique

WEI Fang， GU Peng-nan
（China Mobile Group Jiangsu Co.， Ltd.， Nanjing 210012， China）

With the rapid development of Mobile Internet and the mature of 4G networks ，mobile video service has gradually become the mainstream service.While mobile video has become the peak point which internet players race to control， for operators，how to take strategic position in this domain should be deeply considered.This research is based on the network itself primarily，researching a series of technical means such as video sensing monitoring，caching，dynamic transcoding，etc.in the 4G environment，then establishing video optimization and quality assurance system.On this basis，the study explore constructing AAC architecture complying with 3GPP standard，opening network QoS capability，combined with PCC function，to internet players via standard interfaces.Therefore operators participate in the process of video traffi c scheduling，and thus foster the capability to share business value chain.

AAC； PCC； HLS

TN929.5

A

1008-5599（2016）07-0007-05

2016-05-20