IPTV質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)分析

1 IPTV業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

　　2010 年“三網(wǎng)融合”進(jìn)入實質(zhì)性推動階段，運營商可以通過融合的基礎(chǔ)設(shè)施傳輸話音、視頻和數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)。IPTV作為三網(wǎng)融合中重量級業(yè)務(wù)，要達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用需要有效的業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。消費者通常不會關(guān)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(zhì)量才是真正的關(guān)鍵所在。由于IPTV是電視類的媒體業(yè)務(wù)，用戶希望得到如同有線電視的服務(wù)水平，包括頻道切換速度、節(jié)目的圖像質(zhì)量、播放的流暢性等?，F(xiàn)有的寬帶業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)測側(cè)重于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)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(wù)的主觀感受，因此不能滿足IPTV 質(zhì)量監(jiān)測的需求。

　　2 IPTV 質(zhì)量評價指標(biāo)

　　IPTV 用戶體驗質(zhì)量(QoE)是衡量IPTV 業(yè)務(wù)滿足用戶期望程度的指標(biāo)，它包括IPTV 系統(tǒng)端到端的影響因素(客戶端、終端、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)架構(gòu)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(wù)質(zhì)量，它受業(yè)務(wù)因素、傳輸因素和應(yīng)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(jīng)驗及收費等因素，如圖1 所示。

　　圖1　IPTV用戶體驗質(zhì)量影響因素

　　IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量是指對IPTV用戶主觀感受產(chǎn)生影響的客觀性能指標(biāo)。DSL 論壇TR-126 報告的研究結(jié)果表明，對IPTV 用戶主觀感受( 視頻MOS 評分)產(chǎn)生影響的客觀性能指標(biāo)主要與視頻保真度(即視頻音頻質(zhì)量)和業(yè)務(wù)互動性相關(guān)。IPTV 業(yè)務(wù)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(zhì)量，控制面影響業(yè)務(wù)互動質(zhì)量。視頻音頻質(zhì)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(wù)網(wǎng)元負(fù)荷的增加以及其它業(yè)務(wù)流量同IPTV 相互爭奪有限的網(wǎng)絡(luò)資源，都會對IPTV數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的及時性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生重大影響。由此導(dǎo)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(zhì)量造成各種有害的影響。業(yè)務(wù)互動質(zhì)量包括以下幾個方面：業(yè)務(wù)可用性，業(yè)務(wù)交互速度等。用戶互動質(zhì)量與IPTV 應(yīng)用的可靠性和傳輸網(wǎng)絡(luò)的及時性密切相關(guān)。

　　IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是對IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測指標(biāo)，主要對業(yè)務(wù)總體質(zhì)量評價指標(biāo)和傳輸指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測兩個層面進(jìn)行監(jiān)測。IPTV業(yè)務(wù)總體質(zhì)量是業(yè)務(wù)因素、傳輸因素和應(yīng)用因素綜合影響的結(jié)果，其評價指標(biāo)可分為業(yè)務(wù)可用性評價指標(biāo)、業(yè)務(wù)互動性能評價指標(biāo)和業(yè)務(wù)使用性能評價指標(biāo)。傳輸質(zhì)量指標(biāo)主要是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量指標(biāo)包括MPEG TS 健康指標(biāo)、媒體流傳送指標(biāo)MDI 和RTP、IP傳輸相關(guān)指標(biāo)。

　　圖2 IPTV質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)

　　2.1 業(yè)務(wù)總體質(zhì)量評價指標(biāo)

　　業(yè)務(wù)總體質(zhì)量可測量的指標(biāo)可分為三類：業(yè)務(wù)可用性指標(biāo)，業(yè)務(wù)互動性能指標(biāo)和業(yè)務(wù)使用性能指標(biāo)。等其中業(yè)務(wù)可用性指標(biāo)可由網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證的成功(失敗)率、業(yè)務(wù)認(rèn)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(biāo)衡量;業(yè)務(wù)互動性能指標(biāo)可由單播業(yè)務(wù)響應(yīng)時間、頻道切換時間、Web 瀏覽反應(yīng)速度等指標(biāo)衡量;業(yè)務(wù)使用性能指標(biāo)包含視頻播放斷流次數(shù)等指標(biāo)。

　　2.2　傳輸質(zhì)量評價指標(biāo)

　　2.2.1　MPEG TS 健康指標(biāo)

　　IPTV 使用MPEG TS 傳輸碼流在IP 網(wǎng)絡(luò)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(nèi)容。由于MPEG TS流的損傷會直接影響機(jī)頂盒的正常解碼和視頻質(zhì)量，因此TS流的健康狀況監(jiān)測對保障IPTV用戶體驗質(zhì)量十分重要。ETSITR101 290 標(biāo)準(zhǔn)對MPEG TS流的健康指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的定義，需按ETSI TR101 290 標(biāo)準(zhǔn)對IPTV 上的MPEG TS 流進(jìn)行的監(jiān)測。

　　2.2.2　媒體交付指標(biāo)(MDI)

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

　　在MDI 標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)IP 數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，會被各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行排序、路由和轉(zhuǎn)發(fā)，以及網(wǎng)絡(luò)瞬時擁塞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)的時延變化，產(chǎn)生時延抖動。由于到達(dá)的IPTV 數(shù)據(jù)流的瞬時速率與機(jī)頂盒的處理速率不一致，那么數(shù)據(jù)包必須先在機(jī)頂盒中進(jìn)行適當(dāng)?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(yán)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(dǎo)致緩沖器上溢或下溢，從而導(dǎo)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和解碼器的緩沖區(qū)容納的視頻內(nèi)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(zhì)量的下降。因為網(wǎng)絡(luò)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(nèi)容通過該網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(shè)備的DF 與流出設(shè)備的DF，可確定該設(shè)備是否注入過多的抖動以至于影響視頻傳輸。根據(jù)機(jī)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(shè)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(zhì)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(shè)備對丟包可以通過視頻解碼中進(jìn)行補償或者丟包重傳，在實際測試中MLR 的閾值可以相應(yīng)調(diào)整。

　　MDI 可用于定位和表征對媒體質(zhì)量和用戶的體驗質(zhì)量造成不利影響的網(wǎng)絡(luò)故障。如果在傳輸網(wǎng)絡(luò)的中間點跟蹤MDI，則DF和MLR 要素在連續(xù)網(wǎng)絡(luò)元素之間的差值可以幫助迅速隔離潛在的問題或已經(jīng)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(jīng)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(yù)警即將發(fā)生的數(shù)據(jù)包丟失。

　　2.2.3　RTP 指標(biāo)

　　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(dǎo)致數(shù)據(jù)不能按時到達(dá)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(wù)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(luò)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(luò)擁塞引起的。丟包對IPTV視頻音頻質(zhì)量的影響較大。

　　2.2.4　IP 指標(biāo)

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

　　表1　IP指標(biāo)

　　3 IPTV 質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測方法

　　3.1　業(yè)務(wù)總體質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測方法

　　業(yè)務(wù)質(zhì)量評價的各項指標(biāo)用于對IPTV 業(yè)務(wù)的整體評價，因此，需要長期監(jiān)測所有用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)，它們的值由IPTV 終端(機(jī)頂盒)采集得到。指標(biāo)的采集和計算的基本方法是IPTV 終端(機(jī)頂盒)在完成業(yè)務(wù)請求(網(wǎng)絡(luò)/ 業(yè)務(wù)認(rèn)證、加入組播組、單播申請、HTTP請求等)之后寫日志，對于業(yè)務(wù)可用性指標(biāo)，需記錄發(fā)生時間與結(jié)果。對于業(yè)務(wù)互動性能指標(biāo)，需記錄發(fā)生時間和各種請求的響應(yīng)時間，對業(yè)務(wù)使用性能視頻播放斷流次數(shù)，機(jī)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(biāo)的日志記錄由機(jī)頂盒網(wǎng)管或質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)按周期收集，然后匯總計算各個周期內(nèi)的各項指標(biāo)的成功(失敗)率、平均響應(yīng)時間、最大響應(yīng)時長、總斷流次數(shù)及平均斷流次數(shù)。
3.2　傳輸質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測方法

　　傳輸質(zhì)量指標(biāo)與不同的網(wǎng)段和節(jié)點相關(guān)， 因此需要在IPTV 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點和網(wǎng)段部署質(zhì)量監(jiān)測探針。監(jiān)測點的位置可以根據(jù)IPTV 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和IPTV 運維部門的分工來選取。一般來說，IPTV 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由視頻頭端網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、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(zhì)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(wù)與其他業(yè)務(wù)(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(zhì)量，可以分辨是視頻頭端的問題或者是傳輸過程中產(chǎn)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(luò)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(luò)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(luò)中實際播放的媒體流進(jìn)行捕獲( 被動式測量方法)，另外一種是模擬機(jī)頂盒行為對不同節(jié)目向IPTV 業(yè)務(wù)系統(tǒng)請求并進(jìn)行播放得到媒體流(主動式測量方法)。傳輸質(zhì)量指標(biāo)基于得到的流媒體數(shù)據(jù)分析計算得到。

　　圖3　傳輸質(zhì)量監(jiān)測方法——部署質(zhì)量監(jiān)測探針

　　4 IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

　　4.1 IPTV質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)功能要求

　　IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要功能要求是監(jiān)測IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，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(luò)關(guān)鍵節(jié)點和網(wǎng)段業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行長期監(jiān)測。

　　2) 對IPTV 終端用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，若關(guān)鍵的業(yè)務(wù)質(zhì)量參數(shù)發(fā)生劣化并超過設(shè)定門限時，系統(tǒng)能及時產(chǎn)生告警以通知網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)人員。

　　3) 生成業(yè)務(wù)質(zhì)量報表為IPTV 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(wù)質(zhì)量指標(biāo)下降的根本原因。

　　5) 能對IPTV 網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗投訴問題進(jìn)行故障定位。

　　4.2 IPTV質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。為實現(xiàn)IPTV 質(zhì)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(wù)器/ 客戶端，以及從設(shè)備網(wǎng)管中獲取相關(guān)網(wǎng)元的告警、QoS 數(shù)據(jù)。另外需提供獨立的手持式設(shè)備用于上門檢測質(zhì)量數(shù)據(jù)或排障。

　　5 結(jié)束語

　　IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織了主要IPTV 設(shè)備提供商制定“IPTV 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求”等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，期待借此吸引更多有識之士的關(guān)注，以完善整個產(chǎn)業(yè)鏈，提高IPTV乃至整個三網(wǎng)融合業(yè)務(wù)的用戶體驗。