IPTV質量監(jiān)測系統(tǒng)技術

　　1 IPTV業(yè)務現(xiàn)狀

　　2010 年“三網(wǎng)融合”進入實質性推動階段，運營商可以通過融合的基礎設施傳輸話音、視頻和數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務。IPTV作為三網(wǎng)融合中重量級業(yè)務，要達到大規(guī)模應用需要有效的業(yè)務質量保障。消費者通常不會關注流量的優(yōu)先級和丟失的數(shù)據(jù)包，而在意IPTV 節(jié)目流暢顯示不出現(xiàn)視頻障礙。從這個角度看，用戶體驗質量才是真正的關鍵所在。由于IPTV是電視類的媒體業(yè)務，用戶希望得到如同有線電視的服務水平，包括頻道切換速度、節(jié)目的圖像質量、播放的流暢性等?，F(xiàn)有的寬帶業(yè)務質量監(jiān)測側重于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的監(jiān)測，無法提供從用戶到媒體播放源之間端到端的監(jiān)測，無法直接反映用戶對IPTV 業(yè)務的主觀感受，因此不能滿足IPTV 質量監(jiān)測的需求。

　　2 IPTV 質量評價指標

　　IPTV 用戶體驗質量(QoE)是衡量IPTV 業(yè)務滿足用戶期望程度的指標，它包括IPTV 系統(tǒng)端到端的影響因素(客戶端、終端、網(wǎng)絡和業(yè)務架構等)，也受終端用戶的期望和主觀因素影響?？陀^因素即IPTV 業(yè)務質量，它受業(yè)務因素、傳輸因素和應用因素的影響，主觀因素是指人的因素，包括情感、背景、態(tài)度、經驗及收費等因素，如圖1 所示。

　　圖1　IPTV用戶體驗質量影響因素

　　IPTV業(yè)務質量是指對IPTV用戶主觀感受產生影響的客觀性能指標。DSL 論壇TR-126 報告的研究結果表明，對IPTV 用戶主觀感受( 視頻MOS 評分)產生影響的客觀性能指標主要與視頻保真度(即視頻音頻質量)和業(yè)務互動性相關。IPTV 業(yè)務由數(shù)據(jù)面和控制面共同完成，其中數(shù)據(jù)面影響視頻音頻質量，控制面影響業(yè)務互動質量。視頻音頻質量主要有以下幾個方面：馬賽克、圖像模糊、邊緣失真、顫抖和視覺噪聲，音視頻不同步等。IPTV 用戶的數(shù)量增加、IPTV 業(yè)務網(wǎng)元負荷的增加以及其它業(yè)務流量同IPTV 相互爭奪有限的網(wǎng)絡資源，都會對IPTV數(shù)據(jù)包轉發(fā)的及時性和準確性產生重大影響。由此導致的傳輸層錯誤(包括數(shù)據(jù)包丟失和序列錯誤、延遲和抖動等)，會對視頻質量造成各種有害的影響。業(yè)務互動質量包括以下幾個方面：業(yè)務可用性，業(yè)務交互速度等。用戶互動質量與IPTV 應用的可靠性和傳輸網(wǎng)絡的及時性密切相關。

　　IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)是對IPTV 業(yè)務質量指標進行監(jiān)測的系統(tǒng)，如圖2 所示。圖中虛線框所包含部分為IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測指標，主要對業(yè)務總體質量評價指標和傳輸指標進行監(jiān)測兩個層面進行監(jiān)測。IPTV業(yè)務總體質量是業(yè)務因素、傳輸因素和應用因素綜合影響的結果，其評價指標可分為業(yè)務可用性評價指標、業(yè)務互動性能評價指標和業(yè)務使用性能評價指標。傳輸質量指標主要是監(jiān)測網(wǎng)絡傳輸時可能發(fā)生的丟包、時延和抖動等對用戶主觀感受的影響。媒體傳輸質量指標包括MPEG TS 健康指標、媒體流傳送指標MDI 和RTP、IP傳輸相關指標。

　　圖2 IPTV質量監(jiān)測指標

　　2.1 業(yè)務總體質量評價指標

　　業(yè)務總體質量可測量的指標可分為三類：業(yè)務可用性指標，業(yè)務互動性能指標和業(yè)務使用性能指標。等其中業(yè)務可用性指標可由網(wǎng)絡認證的成功(失敗)率、業(yè)務認證的成功(失敗)率、加入組播組成功(失敗)率、視頻單播申請成功(失敗)率、HTTP 請求成功(失敗)率等指標衡量;業(yè)務互動性能指標可由單播業(yè)務響應時間、頻道切換時間、Web 瀏覽反應速度等指標衡量;業(yè)務使用性能指標包含視頻播放斷流次數(shù)等指標。

　　2.2　傳輸質量評價指標

　　2.2.1　MPEG TS 健康指標

　　IPTV 使用MPEG TS 傳輸碼流在IP 網(wǎng)絡上承載和傳送視頻基本流(ES)，TS 碼流中包含了各種用于視頻流解碼所必須的信息內容。由于MPEG TS流的損傷會直接影響機頂盒的正常解碼和視頻質量，因此TS流的健康狀況監(jiān)測對保障IPTV用戶體驗質量十分重要。ETSITR101 290 標準對MPEG TS流的健康指標進行了詳細的定義，需按ETSI TR101 290 標準對IPTV 上的MPEG TS 流進行的監(jiān)測。

　　2.2.2　媒體交付指標(MDI)

　　為了反映IP 傳輸網(wǎng)損傷對IPTV 媒體質量的影響，IETFRFC4445 標準定義了媒體交付指標MDI( 也可叫做媒體流傳輸質量指標)，MDI 直接面向媒體包進行測量。

　　在MDI 標準中定義了兩個參數(shù)，即延遲系數(shù)(DF)和媒體丟包速率(MLR)。因此，通常MDI 由兩個數(shù)字顯示， 并用冒號隔開。例如：4.22:0.01(DF:MLR) 代表時延系數(shù)為4.22 毫秒，媒體丟包速率0.01包/ 秒。

　　延遲因素(DF)， 當IP 數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳輸時，會被各種網(wǎng)絡設備進行排序、路由和轉發(fā)，以及網(wǎng)絡瞬時擁塞會導致數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡的時延變化，產生時延抖動。由于到達的IPTV 數(shù)據(jù)流的瞬時速率與機頂盒的處理速率不一致，那么數(shù)據(jù)包必須先在機頂盒中進行適當?shù)木彌_后，然后在再以恒定的速率送至視頻解碼引擎。抖動越嚴重，需要消除抖動的緩沖器就越大。但是，采用較大緩沖器的代價是引入較大的延遲。另外，由于緩沖器的大小有限，過大的抖動會導致緩沖器上溢或下溢，從而導致媒體數(shù)據(jù)包的丟失，用戶看到的視頻就會時斷時續(xù)，并且圖像出現(xiàn)失真。而當網(wǎng)絡設備和解碼器的緩沖區(qū)容納的視頻內容時間不小于被測視頻流DF讀數(shù)時，將不會出現(xiàn)視頻播放質量的下降。因為網(wǎng)絡節(jié)點需要分配不小于DF 值的緩沖用于平滑視頻流抖動，所以DF 的最大值為視頻內容通過該網(wǎng)絡節(jié)點的最小延遲。

　　MDI的DF 是一個時間值，它表示緩沖器必須包含多少毫秒的數(shù)據(jù)才能消除抖動。延遲系數(shù)可反映視頻是否會出現(xiàn)圖像失真，從而在一定層面獲得用戶體驗質量。延遲系數(shù)還可確定每個網(wǎng)元在視頻流傳輸路徑中的影響。通過比較流入設備的DF 與流出設備的DF，可確定該設備是否注入過多的抖動以至于影響視頻傳輸。根據(jù)機頂盒緩沖區(qū)的大小，可接受的延遲系數(shù)(DF)一般在9 毫秒～50 毫秒。

　　媒體丟失速率(MLR)可以簡單定義為每秒鐘丟失(或非正常)的媒體數(shù)據(jù)包的數(shù)量。對非正常數(shù)據(jù)包的檢測非常重要，因為許多設備往往不對接收到的數(shù)據(jù)包重新排序，而直接將其發(fā)送到解碼器。由于視頻信息的封包丟失將直接影響視頻播放質量，并造成視覺失真或異常以及不均勻的視頻回放，理想的IP 視頻流傳輸要求MLR數(shù)值為零。因為具體的視頻播放設備對丟包可以通過視頻解碼中進行補償或者丟包重傳，在實際測試中MLR 的閾值可以相應調整。

　　MDI 可用于定位和表征對媒體質量和用戶的體驗質量造成不利影響的網(wǎng)絡故障。如果在傳輸網(wǎng)絡的中間點跟蹤MDI，則DF和MLR 要素在連續(xù)網(wǎng)絡元素之間的差值可以幫助迅速隔離潛在的問題或已經存在的損壞。如果在IPTV 數(shù)據(jù)流路徑中的前一跳(Hop) 的MLR 為零， 而經過某路由器后引入了一個較大的MLR，這就明顯表明該路由器中存在性能問題，例如緩沖器上溢或數(shù)據(jù)包遭到破壞。同樣，如果延遲系數(shù)DF 在兩個連續(xù)跳躍(Hop)中的變化非常明顯，表示由于數(shù)據(jù)包擁塞而造成較長的隊列延遲，這種情況還可預警即將發(fā)生的數(shù)據(jù)包丟失。

　　2.2.3　RTP 指標

　　IPTV 傳輸采用IETFRFC1889 RTP 協(xié)議( 實時傳輸協(xié)議) 傳輸多媒體數(shù)據(jù)流，RTP 的抖動是由于傳輸延遲的不穩(wěn)定而造成相鄰數(shù)據(jù)包接收時刻間隔不穩(wěn)定。抖動會引起端到端時延的增加，時延是處理和傳輸導致數(shù)據(jù)不能按時到達的延遲，是影響流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€主要因素。

　　時延抖動是指時延變化。語音、視頻業(yè)務來說對時延抖動也很敏感。

　　RTP 丟包率是指一個連續(xù)若干個RTP 包以一定的時間間隔在網(wǎng)絡中傳送時，被丟掉的包所占的百分比。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡擁塞引起的。丟包對IPTV視頻音頻質量的影響較大。

　　2.2.4　IP 指標

　　IP 傳輸質量指標(見表1)用于評價IP 層傳輸質量，并可用于與媒體層傳輸質量數(shù)據(jù)進行比較，可縮小傳輸故障或質量下降原因的查找范圍。

　　表1　IP指標

　　3 IPTV 質量指標監(jiān)測方法

　　3.1　業(yè)務總體質量指標監(jiān)測方法

　　業(yè)務質量評價的各項指標用于對IPTV 業(yè)務的整體評價，因此，需要長期監(jiān)測所有用戶的業(yè)務質量數(shù)據(jù)，它們的值由IPTV 終端(機頂盒)采集得到。指標的采集和計算的基本方法是IPTV 終端(機頂盒)在完成業(yè)務請求(網(wǎng)絡/ 業(yè)務認證、加入組播組、單播申請、HTTP請求等)之后寫日志，對于業(yè)務可用性指標，需記錄發(fā)生時間與結果。對于業(yè)務互動性能指標，需記錄發(fā)生時間和各種請求的響應時間，對業(yè)務使用性能視頻播放斷流次數(shù)，機頂盒在視頻播放斷流時寫日志并記錄發(fā)生時間。

　　以上各項指標的日志記錄由機頂盒網(wǎng)管或質量監(jiān)測系統(tǒng)按周期收集，然后匯總計算各個周期內的各項指標的成功(失敗)率、平均響應時間、最大響應時長、總斷流次數(shù)及平均斷流次數(shù)。

　　3.2　傳輸質量指標監(jiān)測方法

　　傳輸質量指標與不同的網(wǎng)段和節(jié)點相關， 因此需要在IPTV 網(wǎng)絡關鍵節(jié)點和網(wǎng)段部署質量監(jiān)測探針。監(jiān)測點的位置可以根據(jù)IPTV 網(wǎng)絡架構和IPTV 運維部門的分工來選取。一般來說，IPTV 網(wǎng)絡結構由視頻頭端網(wǎng)絡、核心網(wǎng)絡、IPTV 承載網(wǎng)和IPTV 的用戶端組成，以下位置可以作為監(jiān)測的重點：

　　● 視頻頭端：視頻源質量的監(jiān)測點。任何視頻頭端出現(xiàn)的問題都是全網(wǎng)的問題。

　　● IPTV 傳輸網(wǎng)入口：這是IPTV 業(yè)務與其他業(yè)務(數(shù)據(jù)、語言等)混合前的入口。監(jiān)測IP 傳輸網(wǎng)前的視頻質量，可以分辨是視頻頭端的問題或者是傳輸過程中產生的問題。

　　● 寬帶接入網(wǎng)入口：這是骨干傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)的分界點，可以區(qū)分是傳輸網(wǎng)的問題還是接入網(wǎng)的問題。

　　● 部分用戶家庭網(wǎng)絡入口：可以區(qū)分是傳輸網(wǎng)接入網(wǎng)的問題還是客戶自身家庭網(wǎng)絡的問題。

　　IPTV 流媒體數(shù)據(jù)可通過分布式探針取得，如圖3 所示。各個監(jiān)測節(jié)點的探針獲取媒體數(shù)據(jù)的辦法主要有兩種，一是對IPTV 網(wǎng)絡中實際播放的媒體流進行捕獲( 被動式測量方法)，另外一種是模擬機頂盒行為對不同節(jié)目向IPTV 業(yè)務系統(tǒng)請求并進行播放得到媒體流(主動式測量方法)。傳輸質量指標基于得到的流媒體數(shù)據(jù)分析計算得到。

　　圖3　傳輸質量監(jiān)測方法——部署質量監(jiān)測探針

　　4 IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)架構

　　4.1 IPTV質量監(jiān)測系統(tǒng)功能要求

　　IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)主要功能要求是監(jiān)測IPTV 業(yè)務質量指標，并在用戶保障時提供診斷測試，快速定位故障發(fā)生點和QoS 瓶頸。具體需要實現(xiàn)的功能如下：

　　1) 對IPTV 網(wǎng)絡關鍵節(jié)點和網(wǎng)段業(yè)務質量指標進行長期監(jiān)測。

　　2) 對IPTV 終端用戶的業(yè)務質量進行準確的測量，若關鍵的業(yè)務質量參數(shù)發(fā)生劣化并超過設定門限時，系統(tǒng)能及時產生告警以通知網(wǎng)絡管理維護人員。

　　3) 生成業(yè)務質量報表為IPTV 網(wǎng)絡擴容提供依據(jù)。

　　4) 提供診斷測試功能，可提供一系列故障診斷工具，由上而下地逐層分析造成業(yè)務質量指標下降的根本原因。

　　5) 能對IPTV 網(wǎng)絡的用戶體驗投訴問題進行故障定位。

　　4.2 IPTV質量監(jiān)測系統(tǒng)結構

　　IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖4 所示。為實現(xiàn)IPTV 質量監(jiān)測的功能要求，需要提供分布式部署的探針和監(jiān)測服務器/ 客戶端，以及從設備網(wǎng)管中獲取相關網(wǎng)元的告警、QoS 數(shù)據(jù)。另外需提供獨立的手持式設備用于上門檢測質量數(shù)據(jù)或排障。

　　5 結束語

　　IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)在業(yè)內的發(fā)展相對處于起步階段，仍有許多薄弱的地方。中國通信標準化協(xié)會組織了主要IPTV 設備提供商制定“IPTV 質量監(jiān)測系統(tǒng)技術要求”等相關標準，期待借此吸引更多有識之士的關注，以完善整個產業(yè)鏈，提高IPTV乃至整個三網(wǎng)融合業(yè)務的用戶體驗。