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1 IPTV業務現狀
2010 年“三網融合”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、視頻和數據等綜合業務。IPTV作為三網融合中重量級業務，要達到大規模應用需要有效的業務質量保障。消費者通常不會關注流量的優先級和丟失的數據包，而在意IPTV 節目流暢顯示不出現視頻障礙。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、節目的圖像質量、播放的流暢性等。現有的寬帶業務質量監測側重于數據鏈路層和網絡層的監測，無法提供從用戶到媒體播放源之間端到端的監測，無法直接反映用戶對IPTV 業務的主觀感受，因此不能滿足IPTV 質量監測的需求。
2 IPTV 質量評價指標
IPTV 用戶體驗質量(QoE)是衡量IPTV 業務滿足用戶期望程度的指標，它包括IPTV 系統端到端的影響因素(客戶端、終端、網絡和業務架構等)，也受終端用戶的期望和主觀因素影響。客觀因素即IPTV 業務質量，它受業務因素、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)和業務互動性相關。IPTV 業務由數據面和控制面共同完成，其中數據面影響視頻音頻質量，控制面影響業務互動質量。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 用戶的數量增加、IPTV 業務網元負荷的增加以及其它業務流量同IPTV 相互爭奪有限的網絡資源，都會對IPTV數據包轉發的及時性和準確性產生重大影響。由此導致的傳輸層錯誤(包括數據包丟失和序列錯誤、延遲和抖動等)，會對視頻質量造成各種有害的影響。業務互動質量包括以下幾個方面：業務可用性，業務交互速度等。用戶互動質量與IPTV 應用的可靠性和傳輸網絡的及時性密切相關。
IPTV 質量監測系統是對IPTV 業務質量指標進行監測的系統，如圖2 所示。圖中虛線框所包含部分為IPTV 質量監測系統所監測指標，主要對業務總體質量評價指標和傳輸指標進行監測兩個層面進行監測。IPTV業務總體質量是業務因素、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務可用性評價指標、業務互動性能評價指標和業務使用性能評價指標。傳輸質量指標主要是監測網絡傳輸時可能發生的丟包、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質量監測指標
2.1 業務總體質量評價指標
業務總體質量可測量的指標可分為三類：業務可用性指標，業務互動性能指標和業務使用性能指標。等其中業務可用性指標可由網絡認證的成功(失敗)率、業務認證的成功(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;業務互動性能指標可由單播業務響應時間、頻道切換時間、Web 瀏覽反應速度等指標衡量;業務使用性能指標包含視頻播放斷流次數等指標。
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 流進行的監測。
2.2.2 媒體交付指標(MDI)
為了反映IP 傳輸網損傷對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，即延遲系數(DF)和媒體丟包速率(MLR)。因此，通常MDI 由兩個數字顯示， 并用冒號隔開。例如：4.22:0.01(DF:MLR) 代表時延系數為4.22 毫秒，媒體丟包速率0.01包/ 秒。
延遲因素(DF)， 當IP 數據包在網絡中傳輸時，會被各種網絡設備進行排序、路由和轉發，以及網絡瞬時擁塞會導致數據通過網絡的時延變化，產生時延抖動。由于到達的IPTV 數據流的瞬時速率與機頂盒的處理速率不一致，那么數據包必須先在機頂盒中進行適當的緩沖后，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，從而導致媒體數據包的丟失，用戶看到的視頻就會時斷時續，并且圖像出現失真。而當網絡設備和解碼器的緩沖區容納的視頻內容時間不小于被測視頻流DF讀數時，將不會出現視頻播放質量的下降。因為網絡節點需要分配不小于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絡節點的最小延遲。
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據才能消除抖動。延遲系數可反映視頻是否會出現圖像失真，從而在一定層面獲得用戶體驗質量。延遲系數還可確定每個網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。根據機頂盒緩沖區的大小，可接受的延遲系數(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)的媒體數據包的數量。對非正常數據包的檢測非常重要，因為許多設備往往不對接收到的數據包重新排序，而直接將其發送到解碼器。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絡故障。如果在傳輸網絡的中間點跟蹤MDI，則DF和MLR 要素在連續網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 數據流路徑中的前一跳(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據包遭到破壞。同樣，如果延遲系數DF 在兩個連續跳躍(Hop)中的變化非常明顯，表示由于數據包擁塞而造成較長的隊列延遲，這種情況還可預警即將發生的數據包丟失。
2.2.3 RTP 指標
IPTV 傳輸采用IETFRFC1889 RTP 協議( 實時傳輸協議) 傳輸多媒體數據流，RTP 的抖動是由于傳輸延遲的不穩定而造成相鄰數據包接收時刻間隔不穩定。抖動會引起端到端時延的增加，時延是處理和傳輸導致數據不能按時到達的延遲，是影響流媒體數據傳輸的一個主要因素。
時延抖動是指時延變化。語音、視頻業務來說對時延抖動也很敏感。
RTP 丟包率是指一個連續若干個RTP 包以一定的時間間隔在網絡中傳送時，被丟掉的包所占的百分比。數據包丟失一般是由網絡擁塞引起的。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據進行比較，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 質量指標監測方法
3.1 業務總體質量指標監測方法
業務質量評價的各項指標用于對IPTV 業務的整體評價，因此，需要長期監測所有用戶的業務質量數據，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)在完成業務請求(網絡/ 業務認證、加入組播組、單播申請、HTTP請求等)之后寫日志，對于業務可用性指標，需記錄發生時間與結果。對于業務互動性能指標，需記錄發生時間和各種請求的響應時間，對業務使用性能視頻播放斷流次數，機頂盒在視頻播放斷流時寫日志并記錄發生時間。
以上各項指標的日志記錄由機頂盒網管或質量監測系統按周期收集，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、總斷流次數及平均斷流次數。
3.2 傳輸質量指標監測方法
傳輸質量指標與不同的網段和節點相關， 因此需要在IPTV 網絡關鍵節點和網段部署質量監測探針。監測點的位置可以根據IPTV 網絡架構和IPTV 運維部門的分工來選取。一般來說，IPTV 網絡結構由視頻頭端網絡、核心網絡、IPTV 承載網和IPTV 的用戶端組成，以下位置可以作為監測的重點：
● 視頻頭端：視頻源質量的監測點。任何視頻頭端出現的問題都是全網的問題。
● IPTV 傳輸網入口：這是IPTV 業務與其他業務(數據、語言等)混合前的入口。監測IP 傳輸網前的視頻質量，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。
● 寬帶接入網入口：這是骨干傳輸網和接入網的分界點，可以區分是傳輸網的問題還是接入網的問題。
● 部分用戶家庭網絡入口：可以區分是傳輸網接入網的問題還是客戶自身家庭網絡的問題。
IPTV 流媒體數據可通過分布式探針取得，如圖3 所示。各個監測節點的探針獲取媒體數據的辦法主要有兩種，一是對IPTV 網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目向IPTV 業務系統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據分析計算得到。
圖3 傳輸質量監測方法——部署質量監測探針
4 IPTV 質量監測系統架構
4.1 IPTV質量監測系統功能要求
IPTV 質量監測系統主要功能要求是監測IPTV 業務質量指標，并在用戶保障時提供診斷測試，快速定位故障發生點和QoS 瓶頸。具體需要實現的功能如下：
1) 對IPTV 網絡關鍵節點和網段業務質量指標進行長期監測。
2) 對IPTV 終端用戶的業務質量進行準確的測量，若關鍵的業務質量參數發生劣化并超過設定門限時，系統能及時產生告警以通知網絡管理維護人員。
3) 生成業務質量報表為IPTV 網絡擴容提供依據。
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務質量指標下降的根本原因。
5) 能對IPTV 網絡的用戶體驗投訴問題進行故障定位。
4.2 IPTV質量監測系統結構
IPTV 質量監測系統結構如圖4 所示。為實現IPTV 質量監測的功能要求，需要提供分布式部署的探針和監測服務器/ 客戶端，以及從設備網管中獲取相關網元的告警、QoS 數據。另外需提供獨立的手持式設備用于上門檢測質量數據或排障。
5 結束語
IPTV 質量監測系統在業內的發展相對處于起步階段，仍有許多薄弱的地方。中國通信標準化協會組織了主要IPTV 設備提供商制定“IPTV 質量監測系統技術要求”等相關標準，期待借此吸引更多有識之士的關注，以完善整個產業鏈，提高IPTV乃至整個三網融合業務的用戶體驗。
工商網監
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