4K超高清视频流传输的质量监测技术

白 棣

（作者单位：中央电视台播出传送中心）

在4K超高清视频业务快速发展的形式下，4K超高清视频已经成为运营商所关注的重点，各个运营商之间的竞争越来越激烈，在这种发展形式下，运营商要想获得更好的发展就必须发挥自身的业务特点，为用户提供更好的高清视频服务。而4K超高清视频流传输质量的监测技术可以有效实现对视频质量的全面了解，同时也能洞悉用户的实际需求，对视频传输状态进行实时监控，发生故障问题时可以做到及时发现和处理，确保视频传输的稳定性。

1 4K超高清传输质量监控需求

视频技术在不断发展过程中实现了网络电视、移动视频和多屏互动，有效丰富了人们的业余生活，为人们工作之余提供了更多的娱乐项目。在视频技术快速发展的趋势下，人们对视频的清晰度和流畅度提出了更高的要求。由于高清视频对网络的性能具有较高的要求，只有为其提供有效的网络支持才能保证视频的传输速度和质量。就现阶段而言，4K超高清传输技术已经被运营商应用到机顶盒内，进入千家万户，成为视频业务的主流。

4K超高清视频的运行特点决定了其在运行的过程中需要较大带宽的网络作为支持，同时对服务器和网络的传输速度也提出了更高的要求，电视端的有效管理也是保证4K超高清视频传输质量的关键。除此之外，针对4K超高清视频的传输进行质量监测也是提升视频传输性能的关键举措。因此，运营商要想保证自身的业务能力，就必须创建行之有效的视频传输质量监测系统，对4K超高清视频的传输状态进行实时监测，降低故障的发生几率，进而提升视频传输的效率和质量，保证该项业务的顺利开展。

2 4K超高清传输质量监测体系

为了保证监测系统的准确运行，并监测效果的准确性，在进行4K超高清视频传输质量监测系统构建时，需要从两个方面入手对视频传输的效果进行综合判定。一种是主观分析，一种是客观评价，其中的主观分析是建立在客观评价基础上的，即在利用相应的技术手段对视频传输的状态进行检测时，发现运行异常现象时，采取主观分析的方式对故障问题进行分析，查找故障原因，并及时采取措施进行处理，提升视频传输的稳定性和时效性。

4K超高清视频传输质量检测系统中同时还应用了编解码算法构建了数据分析模型，利用数据分析模型在结合视频的自身运行特点对视频的损伤情况进行分，实际分析的过程中是从系统结构的各个层面入手，对网络监控层、视频编码压缩损伤分析层和终端视频质量分析层三个层面进行视频传输效果分析。

第一，网络监控层。主要检测内容为对网络运行的状态进行实时了解，保证各项运行指标为正常状态，确保为视频传输提供稳定的网络支持。

第二，视频编码压缩损伤分析层。利用系统中的编码算法和动态图像分析方式，对视频的压缩的损伤程度进行确认。

第三，终端视频质量分析层。结合视频评估算法和终端呈现的视频质量得出最终的视频质量评估效果。在实际分析的过程中，往往是将网络状态和其他视频传输的数据作为参照。

2.1 CDN服务器性能（QoS）监控指标

在对以往的4K超高清视频传输质量检测进行全面分析之后可以总结出，CDN服务器安装的位置与其自身的性能发挥具有直接影响。一旦将CDN服务器安装在远离机顶盒的位置，就会对IP网络造成一定的干扰影响，最终直观地呈现在对视频传输速度的方面。为此，在对CDN服务器进行安装设计时，需要考虑到它对其他网络的干扰，将其安装在机顶盒的网络设备附近，降低影响几率，保证视频传输的有效进行。除此之外，还要求CDN服务器的运行性能满足机顶盒的服务需求，能够根据机顶盒的需求情况做出对应的响应操作，为视频传输的效率提供有效的支持。

通过上述分析内容可以发现，要想确保超高清视频的传输效率就必须从CDN服务器的性能入手，保证CDN服务器的各项性能满足机顶盒的服务需求。为此，在质量监测系统中还需设置相应的系统警告功能，系统在判定CDN服务器运行状态存在问题时，第一时间发出系统警报，相应人员必须及时做出响应，对CDN服务器的运行情况进行调整，使其保持在最佳运行状态，确保视频传输的效率。判定CDN服务器性能的指标有以下几点。

第一，HTTP请求数。对于HTTP请求的数量和服务器响应性能进行分析，依据响应速度和处理请求的数量来判定服务器的使用性能。

第二，HTTP成功响应数。对于机顶盒发出请求的响应能力，在特定的时间内没有做出响应的则判定为失败请求，对于成功处理请求和失败请求的比例进行分析，进而判定服务区的运行性能。

第三，HTTP请求成功率。计算公式为A/B，其中A为该CDN服务器向所有终端发送的HTTP成功响应总数；B为所有终端向该CDN服务器发送的HTTP请求总数。

第四，HTTP响应时延。计算从终端发起视频流的HTTPGET请求消息到收到该视频流的第一个数据包的时间差。

第五，HTTP错误返回码个数。包括“4XX“终端错误返回码和”5XX“服务器错误返回码。

2.2 IP网络传输性能（QoS）监控指标

4K超高清视频传输中所使用的用户协议为HTTP/TCP，与以往的协议相比在稳定性和可靠性能上具有更高的要求。HTTP/TCP协议的自身特点决定了其在传输的过程中遇到受损文件时，可以利用自身的功能实现对文件的恢复处理，为视频传输的安全性提供有效保障。文件修复过程需要一定的时间，但是在用户进行下载的过程中这些时间被消耗在下载过程中，并不会对用户的观看体验带来影响。随着4K超高清视频技术的不断完善，现阶段超高清电视已经很少出现卡顿和马赛克的现象，仅会在用户观看完一段视频之后，没有对下一段视频操作下载的情况下才会出现缓冲问题。

通过上述分析可以发现，超高清视频的传输质量与网络传输中存在的损伤现象没有直接联系，因此，如果还是采用与以往相同的视频质量监测方法已经无法实现对视频传输质量的实时监测。这就要求对4K超高清视频的传输特性进行全面分析之后，创建新的监测体系，确定各项评定指标，主要包括以下几个方面。

第一，下载速率（bit/s）：超高清视频媒体流的有效下载吞吐率。

第二，TCP失序包数：存在失序TCP序列号的包个数。网络设备在发送TCP流时会在各TCP包头上打上序列号（16比特的字段）用于差错和流量控制。若两个相邻TCP包的序列号出现次序颠倒，则统计为TCP失序包。

第三，TCP重传包数：TCP重传包的个数。TCP协议具有差错恢复机制，TCP重传包是指为补偿网络丢包所重传的TCP包。

第四，TCP重传率（%）：TCP重传包比率，即TCP重传包个数/总的TCP包的个数。TCP重传率越大，则表示网络状况越差（丢包率或延迟过大）。

第五，TCP重复包数：在一定时间段，如果出现两个或多个相同序列号和内容的TCP包，则后面出现的TCP包会被统计为TCP重复包。

第六，TCP重置数：TCP重置（RESET）包的个数。在TCP协议中，当TCP接收方检测到无法通过正常协议流程恢复的故障时，则会发送TCPRESET指令，使发送方重新在新的开始位置发送。

第七，TCP低窗口包数：OTT视频客户端发出的TCP低窗口的包的个数。当TCP报文窗口小于设定的门限值（缺省为1 000），则视其为低TCP窗口报文。OTT视频客户端持续出现TCP低窗口数据包，往往意味着客户端出现性能问题，要求服务器降低媒体流发送速度。

针对4K超高清业务的监控方法和相关应用，在电信运营商的产品上得到应用和验证，希望借此抛砖引玉，得到更多的讨论很推广，进一步完善该领域的技术，加速超高清业务的发展。

3 应用优化与测试建议

在对4K超高清视频业务展开研究时，为了确保视频传输性能，会创建相应的视频质量传输监测体系，为视频的有效传输提供保障。针对视频传输系统的运行特点对各类影响视频传输功能的指标进行确定，保证质量监测系统的实效性。为了加强对视频传输监测体系的研究力度，使其自身性能得到有效发挥，相关工作者可以创建一个模拟的系统运行环境，对以往存在的视频传输问题进行模拟，进而测定视频传输质量监测体系的性能。

网络损伤模拟器可以实现对各种网络问题的模拟，此时，便可以真实掌握在出现各种网络问题时，4K超高清视频传输的反应情况，同时观察视频传输质量监测系统能否根据视频传输的状态给出正确的评估，从而对监测系统的性能进行不断完善，确保监测指标的准确性。除此之外，对机顶盒内部设置的QoS软探针的准确性能进行分析，也是提升4K超高清视频业务性能的关键所在。相关工作者在对网络状态问题进行模拟的过程中，还可以观察QoS软探针的真实反应，对视频质量和用户需求进行对比，分析出QoS软探针指标的真实性能。

4 结语

4K超高清视频业务是在科技快速发展的产物，各个运营商为了提升自身的业务水平纷纷对4K超高清视频业务给予了大量的投入，希望提升业务的服务性能，获得更多的用户支持。超高清视频流传输质量监测体系的构建可以有效提升视频业务的运行效率和运行质量，为用户带去更好的服务体验，同时，对自身企业的健康发展也具有积极作用。