IPTV端到端质量保证的实现.doc

IPTV端到端质量保证的实现肖 晴1 姚 良2 1.中国电信股份有限公司上海分公司 上海 200120 2.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122 1 IPTV质量指标体系用户对IPTV业务质量的感受可通过QoE来衡量。影响IPTV QoE的因素很多，总体上可分为技术因素和非技术因素。技术层面的质量指标又可分为媒体播放质量和业务互动质量。媒体播放质量表现在：媒体播放是否清晰，是否有马赛克、停顿、断流、无音等现象。业务互动质量表现在：频道切换的时长、频道切换成功率、点播时长、点播的成功率等。根据IPTV现网运行经验，媒体播放质量主要取决于IPTV头端的编解码方式、媒体流（MPEG TS）质量、媒体流输出特性以及网络的传输质量，业务互动质量主要取决于IPTV平台和网络的性能。1.1 媒体流输出特性及网络传输质量1.1.1端到端传输性能对视频质量的影响（1）延迟恒定的延迟表现为视频播放时间的推迟，实验数据表明，适当的网络延迟不影响组播业务，而对基于TCP的单播业务有较大的影响。（2）抖动抖动的产生有多种原因：视频编码器/服务器性能变化，网络线路出现拥挤，网络设备性能变化都可以导致视频流的抖动，抖动过大会引起网络设备缓存溢出或机顶盒缓存的溢出和清空。（3）丢包丢包对视频播放质量有直接的影响。试验表明，无论视频丢包的类型（I、B、 P帧），在没有视频解码补偿或丢包重传机制时，视频播放质量都会出现不同程度的下降。目前，现网的组播业务没有补偿或重传机制，单播流有重传机制，可容忍一定比例的丢包。（4）接入带宽由于ADSL线路因素，接入带宽达不到IPTV业务所需带宽，媒体流将无法正常播放。1.1.2 传输质量指标质量MDI（Media Delivery Index，媒体传输指标）由Delay Factor和Media Loss Rate组成。Delay Factor（延迟因素，DF）：表明被测试媒体流的抖动状况，单位是毫秒。被测视频流抖动越大，DF值越大，反之越小。当媒体流DF过大时，会造成网络设备限速节点的缓存溢出或解码设备的缓存溢出和清空。Media Loss Rate（媒体丢包速率，MLR）：MLR的单位是每秒的媒体封包丢失数量，该数值表明被测视频流的传输丢包率。（2）ADSL线路指标ADSL线路指标分为ADSL线路可达速率和ADSL丢包率。ADSL线路可达速率必须大于IPTV业务所需带宽，可达速率越高，线路就越稳定。ADSL线路丢包率可反映媒体流在ADSL线路中传输的丢包情况。（3）机顶盒监测的媒体流丢包率指标依据上海电信对IPTV机顶盒的要求，IPTV机顶盒应具备质量统计的功能，可记录媒体播放过程中的质量问题，组播、单播过程中的丢包、带宽、断流等信息。机顶盒也可记录用户交互过程的质量问题。1.2 媒体流（MPEG TS）质量IPTV媒体流通过MPEG-2 TS封装，TS包含了各种用于视频流解码所必须的信息内容， TS流的损伤会直接影响机顶盒的正常解码。依据TR101 290测试标准，将TS流的测试错误指示分为3个等级，等级1中定义了会对视频业务造成严重影响的事件，例如TS 流同步丢失、同步字节错误、PAT/PMT表格错误等；等级2中定义了会对一部分视频业务造成影响的事件，如PCR时钟偏离、CAT表格错误等；等级3中所定义的事件没有前两个等级严重，可能会对一些特定的业务或应用造成影响。因此，按ETSI TR101 290 标准的等级1和2指标，对IPTV TS流进行的监测是必要的。1.3 编解码器类型和编码速率IPTV视频流的编解码器类型、编码速率直接影响了用户对视频质量的主观感受。中国电信IPTV业务采用了H.264压缩技术，其压缩性能优于H.261、 H.263、MPEG-2、MPEG-4，ITU-T、MPEG标准组织已分别批准了H.264标准。编解码器可采用错误修正算法，以允许一定比例的丢包，例如前向纠错、内差法纠错等。由于现网编解码器类型和编码速率是固定的，因此，在IPTV运行维护监测中，该部分可作为固定参量，不予考虑。1.4 业务互动质量IPTV业务互动是指用户通过遥控器操作，实现机顶盒和业务平台交互的过程，具体包括认证过程、组播加入/离开、单播请求、EPG请求、快进快退等操作，也包括IPTV增值业务（如游戏）的交互过程。用户对互动过程的质量感知主要包括遥控器操作后信息反馈的成功率和响应时间。IPTV业务用户互动质量指标包括业务认证成功率、组播/单播成功率、响应时间、EPG请求成功率、VCR响应时间等。2 IPTV质量监测手段与方案IPTV质量监测手段包括传输质量MDI指标监测工具、TR101 290指标监测工具、ADSL线路质量监测工具和机顶盒内置质量监测工具。2.1传输质量MDI指标监测2.1.1 主要功能传输质量MDI指标监测工具主要实现对MDI:DF、MDI:MLR指标的监测，此外，还可监测媒体流速率、连续丢包时间长度、两次丢包的时间间隔等。（1）组播流实时性能分析显示任意监测点所有组播频道的性能指标，并对超阈值的指标以不同颜色显示告警。对选中的频道，还将以滚动刷新方式动态显示各指标的性能曲线图。（2）组播流链路跟踪组播监测点部署在IPTV端到端体系结构中的不同环节，选择任意一路组播流，可实时显示该组播流所经过各节点的关键性能指标（MDI:DF/MDI:MLR），如果某一节点的输出指标突然发生明显劣化，则说明该节点设备有异常，容易定位故障。（3）告警视频回看监测点对超阈值的视频流进行实时存储，便于进一步分析并重现故障。（4）点播实时监测视频点播的实现方式与组播不同，是采用点对点单播方式，用户点播时会形成一路独立的视频流。因此，系统对单播流采用指定监测的方式，下发监测命令，监测点将采集的数据包直接过滤，只对指定IP地址的单播数据包进行分析处理，然后实时上传质量指标和视频数据。2.1.2 监测点的部署传输质量MDI监测点的部署如图1所示，监测点M部署在IPTV核心节点输出链路、城域网的服务终结层（各SR）、接入汇聚层（各汇聚交换机），采用端口镜像和分光（1）视频传输MDI指标MDI（Media Delivery Index，媒体传输方式从网络交换设备端口引出需要监测的数据流，再经过IP过滤，将视频数据包输出到监测点采集分析服务器，作进一步的解包和指标计算，这些指标主要用作分析组播流的质量。监测点还可以部署在IPTV各边缘节点的输出链路，用于监测单播流的质量。2.2 IPTV机顶盒内置质量监测工具2.2.1 目的与作用IPTV机顶盒内置质量监测工具(T-Agent)，是安装在机顶盒内的质量探针。机顶盒播放的视频流的客观质量，直接影响了用户的收看体验。通过机顶盒上报的质量数据，IPTV运维人员可以很清楚地了解用户侧的质量情况，及时主动地发现质量问题。结合资源分布信息还可以判断出该机顶盒监测到的质量问题是个例还是普遍问题，如果是普遍问题，则可以从机顶盒追溯到上联的各级网络设备，帮助故障定位。2.2.2 主要功能T-Agent的主要功能有2项：l 监测视频播放过程中的质量问题，主要是记录组播、单播过程中的丢包、带宽、断流等信息；l 监测业务交互过程中的质量问题，主要是记录认证、组播加入、单播请求、EPG请求过程的成功/失败相关信息。其中，丢包信息的计算方式为：以固定的计算周期（如10 s），计算RTP或TS的丢包率。再记录统计周期（如1 h）内一定丢包率范围发生的次数。2.2.3 工作流程T-Agent将上述数据记录在文件“QoS Log”中，每隔1 h将QoS Log上报到IPTV网管平台。IPTV业务质量监测系统收集QoS Log，对全网/DSLAM/单个用户的IPTV质量进行统计分析。2.3 质量监测工具的综合部署根据IPTV端到端体系结构以及IPTV质量指标体系的不同层次，可以在IPTV端到端的不同环节部署不同的测试工具/监测系统，有针对性地进行不同指标的监测/测试。对全网IPTV系统的质量监测点部署的建议如图2所示。3 IPTV端到端质量提升对各环节的要求3.1 对IPTV业务平台媒体流输出的要求IPTV业务平台媒体流的输出要尽可能平滑，媒体流波动过大会造成视频图像质量的下降。这是由于：IPTV平台在瞬间发送大量的媒体数据，会造成网络的限速节点（例如DSLAM设备）的缓存溢出，缓存溢出产生的丢包直接影响了视频质量，并且瞬间突发也容易造成网络的拥塞。相应的，如果IPTV平台在一段时间内媒体流输出的速率降低，以至于造成机顶盒缓存的媒体数据清空，也将影响视频质量。媒体流抖动的质量参数为MDI:DF，一般要求标清节目DF不超过100 ms，高清节目DF不超过20 ms。IPTV业务平台媒体流输出除要尽可能平滑外，还不允许有丢包，丢包质量参数为MDI:MLR，一般要求MDI:MLR为0。针对TS流封包的TR101 290质量指标，也可作为评估IPTV业务平台媒体流输出质量指标之一。3.2 对网络传输的要求IP网络端到端的丢包、时延和抖动应满足IP网络的相关要求（ITU-T Y.1540/ITU-T Y.1541）。由于目前组播业务没有纠错机制，所以在IP网络端到端丢包率的最低要求下（0.1%），仍会对组播视频质量造成比较大的影响。从实际测试情况看，线路受到干扰的丢包现象更为严重，因此，通过一定的措施降低线路的丢包率（如将快速通道改为交织通道）或在IPTV业务媒体