IPTV质量监测系统技术(探针部署)

1 1 IPTVIPTV 业务现状业务现状 2010 年 三网融合 进入实质性推动阶段 运营商可以通过融合的基础设 施传输话音 视频和数据等综合业务 IPTV 作为三网融合中重量级业务 要达 到大规模应用 需要有效的业务质量保障 消费者通常不会关注流量的优先级和 丢失的数据包 而在意 IPTV 节目流畅显示不出现视频障碍 从这个角度看 用户体验质量才是真正的关键所在 由于 IPTV 是电视类的媒体业务 用户希望 得到如同有线电视的服务水平 包 括频道切换速度 节目的图像质量 播放的 流畅性等 现有的宽带业务质量监测侧重于数据链路层和网络层的监测 无法 提供从用户到媒体播放源之间端到端的监 测 无法直接反映用户对 IPTV 业务 的主观感受 因此不能满足 IPTV 质量监测的需求 2 2 IPTVIPTV 质量评价指标质量评价指标 IPTV 用户体验质量 QoE 是衡量 IPTV 业务满足用户期望程度的指标 它包括 IPTV 系统端到端的影响因素 客户端 终端 网络和业务架构等 也受终端用户的期望和主观因素影响 客观因素即 IPTV 业务质量 它受业务 因素 传输因素和应用因素的影响 主观因素是指人的因素 包括情感 背景 态度 经验及收费等因素 如图 1 所示 图 1 IPTV 用户体验质量影响因素 IPTV 业务质量是指对 IPTV 用户主观感受产生影响的客观性能指标 DSL 论坛 TR 126 报告的研究结果表明 对 IPTV 用户主观感受 视频 MOS 评分 产生影响的客观性能指标主要与视频保真度 即视频音频质量 和业务互动性 相关 IPTV 业务由数据面和控制面共同完成 其中数据面影响视频音频质量 控制面影响业务互动质量 视频音频质量主要有以下几个方面 马赛克 图像 模糊 边缘失真 颤 抖和视觉噪声 音视频不同步等 IPTV 用户的数量增加 IPTV 业务网元负荷的增加以及其它业务流量同 IPTV 相互争夺有限的网络资源 都会对 IPTV 数据包转发的及时性和准确性产生重大影响 由此导致的传输层错 误 包括数据包丢失和序列错误 延迟和抖动等 会 对视频质量造成各种有 害的影响 业务互动质量包括以下几个方面 业务可用性 业务交互速度等 用户互动质量与 IPTV 应用的可靠性和传输网络的及时性密切相关 IPTV 质量监测系统是对 IPTV 业务质量指标进行监测的系统 如图 2 所示 图中虚线框所包含部分为 IPTV 质量监测系统所监测指标 主要对业务总体质 量评价指标和传输指标进行监测两个层面进行监测 IPTV 业务总体质量是业务 因素 传输因素和应用因素综合影响 的结果 其评价指标可分为业务可用性评 价指标 业务互动性能评价指标和业务使用性能评价指标 传输质量指标主要 是监测网络传输时可能发生的丢包 时延和抖 动等对用户主观感受的影响 媒 体传输质量指标包括 MPEG TS 健康指标 媒体流传送指标 MDI 和 RTP IP 传输 相关指标 图 2 IPTV 质量监测指标 2 1 业务总体质量评价指标 业务总体质量可测量的指标可分为三类 业务可用性指标 业务互动性能 指标和业务使用性能指标 等其中业务可用性指标可由网络认证的成功 失败 率 业务认证的成功 失败 率 加入组播组成功 失败 率 视频单播申请 成功 失败 率 HTTP 请求成功 失败 率等指标衡量 业务互动性能指标可 由单播业务响应时间 频道切换时间 Web 浏览反应速度等指标衡量 业务使 用性能指标包含视频播放断流次数等指标 2 2 传输质量评价指标 2 2 1 MPEG TS 健康指标 IPTV 使用 MPEG TS 传输码流在 IP 网络上承载和传送视频基本流 ES TS 码流中包含了各种用于视频流解码所必须的信息内容 由于 MPEG TS 流的损 伤会直接影响机顶盒的正常解码和视频质量 因此 TS 流的健康状况监测对保障 IPTV 用户体验质量十分重要 ETSITR101 290 标准对 MPEG TS 流的健康指标进 行了详细的定义 需按 ETSI TR101 290 标准对 IPTV 上的 MPEG TS 流进行的 监测 2 2 2 媒体交付指标 MDI 为了反映 IP 传输网损伤对 IPTV 媒体质量的影响 IETFRFC4445 标准定义 了媒体交付指标 MDI 也可叫做媒体流传输质量指标 MDI 直接面向媒体包 进行测量 在 MDI 标准中定义了两个参数 即延迟系数 DF 和媒体丢包速率 MLR 因此 通常 MDI 由两个数字显示 并用冒号隔开 例如 4 22 0 01 DF MLR 代表时延系数为 4 22 毫秒 媒体丢包速率 0 01 包 秒 延迟因素 DF 当 IP 数据包在网络中传输时 会被各种网络设备进行 排序 路由和转发 以及网络瞬时拥塞会导致数据通过网络的时延变化 产生 时延抖动 由于到达的 IPTV 数据流的瞬时速率与机顶盒的处理速率不一致 那么数据包必须先在机顶盒中进行适当的缓冲后 然后在再以恒定的速率送至 视频解码引擎 抖动越严重 需要消除 抖动的缓冲器就越大 但是 采用较大 缓冲器的代价是引入较大的延迟 另外 由于缓冲器的大小有限 过大的抖动 会导致缓冲器上溢或下溢 从而导致媒体数据包 的丢失 用户看到的视频就会 时断时续 并且图像出现失真 而当网络设备和解码器的缓冲区容纳的视频内 容时间不小于被测视频流 DF 读数时 将不会出现视频播 放质量的下降 因为 网络节点需要分配不小于 DF 值的缓冲用于平滑视频流抖动 所以 DF 的最大值 为视频内容通过该网络节点的最小延迟 MDI 的 DF 是一个时间值 它表示缓冲器必须包含多少毫秒的数据才能消除 抖动 延迟系数可反映视频是否会出现图像失真 从而在一定层面获得用户体 验质量 延迟系数还可 确定每个网元在视频流传输路径中的影响 通过比较流 入设备的 DF 与流出设备的 DF 可确定该设备是否注入过多的抖动以至于影响 视频传输 根据机顶盒缓冲区的大小 可接受的延迟系数 DF 一般在 9 毫 秒 50 毫秒 媒体丢失速率 MLR 可以简单定义为每秒钟丢失 或非正常 的媒体数据 包的数量 对非正常数据包的检测非常重要 因为许多设备往往不对接收到 的 数据包重新排序 而直接将其发送到解码器 由于视频信息的封包丢失将直接 影响视频播放质量 并造成视觉失真或异常以及不均匀的视频回放 理想的 IP 视频流传输要求 MLR 数值为零 因为具体的视频播放设备对丢包可以通过视频 解码中进行补偿或者丢包重传 在实际测试中 MLR 的阈值可以相应调整 MDI 可用于定位和表征对媒体质量和用户的体验质量造成不利影响的网络 故障 如果在传输网络的中间点跟踪 MDI 则 DF 和 MLR 要素在连续网络元素之 间的差值可以帮助迅速隔离潜在的问题或已经存在的损坏 如果在 IPTV 数据 流路径中的前一跳 Hop 的 MLR 为零 而经过某路由器后引入了一个较大 的 MLR 这就明显表明该路由器中存在性能问题 例如缓冲器上溢或数据包遭 到破坏 同样 如果延迟系数 DF 在两个连续跳跃 Hop 中的变化非常明显 表示由于数据包拥塞而造成较长的队列延迟 这种情况还可预警即将发生的数 据包丢失 2 2 3 RTP 指标 IPTV 传输采用 IETFRFC1889 RTP 协议 实时传输协议 传输多媒体数 据流 RTP 的抖动是由于传输延迟的不稳定而造成相邻数据包接收时刻间隔不 稳定 抖动会引起端到端时延的增加 时延是处理和传输导致数据不能按时到 达的延迟 是影响流 媒体数据传输的一个主要因素 时延抖动是指时延变化 语音 视频业务来说对时延抖动也很敏感 RTP 丢包率是指一个连续若干个 RTP 包以一定的时间间隔在网络中传送时 被丢掉的包所占的百分比 数据包丢失一般是由网络拥塞引起的 丢包对 IPTV 视频音频质量的影响较大 2 2 4 IP 指标 IP 传输质量指标 见表 1 用于评价 IP 层传输质量 并可用于与媒体层 传输质量数据进行比较 可缩小传输故障或质量下降原因的查找范围 表 1 IP 指标 3 3 IPTVIPTV 质量指标监测方法质量指标监测方法 3 1 业务总体质量指标监测方法 业务质量评价的各项指标用于对 IPTV 业务的整体评价 因此 需要长期 监测所有用户的业务质量数据 它们的值由 IPTV 终端 机顶盒 采集得到 指标的采集和计算的基本方法是 IPTV 终端 机顶盒 在完成业务请求 网络 业务认证 加入组播组 单播申请 HTTP 请求等 之后写日志 对于业务可用 性指标 需记录发生时间与结果 对于业务互动性能指标 需记录发生时间和 各种 请求的响应时间 对业务使用性能视频播放断流次数 机顶盒在视频播放 断流时写日志并记录发生时间 以上各项指标的日志记录由机顶盒网管或质量监测系统按周期收集 然后 汇总计算各个周期内的各项指标的成功 失败 率 平均响应时间 最大响应 时长 总断流次数及平均断流次数 3 2 传输质量指标监测方法 传输质量指标与不同的网段和节点相关 因此需要在 IPTV 网络关键节点 和网段部署质量监测探针 监测点的位置可以根据 IPTV 网络架构和 IPTV 运维 部门的分工来选取 一般来说 IPTV 网络结构由视频头端网络 核心网络 IPTV 承载网和 IPTV 的用户端组成 以下位置可以作为监测的重点 视频头端 视频源质量的监测点 任何视频头端出现的问题都是全网的 问题 IPTV 传输网入口 这是 IPTV 业务与其他业务 数据 语言等 混合 前的入口 监测 IP 传输网前的视频质量 可以分辨是视频头端的问题或者是 传输过程中产生的问题 宽带接入网入口 这是骨干传输网和接入网的分界点 可以区分是传输 网的问题还是接入网的问题 部分用户家庭网络入口 可以区分是传输网接入网的问题还是客户自身 家庭网络的问题 IPTV 流媒体数据可通过分布式探针取得 如图 3 所示 各个监测节点的 探针获取媒体数据的办法主要有两种 一是对 IPTV 网络中实际播放的媒体流 进行捕获 被动式测量方法 另外一种是模拟机顶盒行为对不同节目向 IPTV 业务系统请求并进行播放得到媒体流 主动式测量方法 传输质量指标 基于得到的流媒体数据分析计算得到 图 3 传输质量监测方法 部署质量监测探针 4 4 IPTVIPTV 质量监测系统架构质量监测系统架构 4 1 IPTV 质量监测系统功能要求 IPTV 质量监测系统主要功能要求是监测 IPTV 业务质量指标 并在用户保 障时提供诊断测试 快速定位故障发生点和 QoS 瓶颈 具体需要实现的功能如 下 1 对 IPTV 网络关键节点和网段业务质量指标进行长期监测 2 对 IPTV 终端用户的业务质量进行准确的测量 若关键的业务质量参数 发生劣化并超过设定门限时 系统能及时产生告警以通知网络管理维护人员 3