IPTV质量监测系统技术分析

1 IPTV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 IPTV 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 IPTV 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 IPTV 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) 生成业务质量报表为IPTV 网络扩容提供依据。

　　4) 提供诊断测试功能，可提供一系列故障诊断工具，由上而下地逐层分析造成业务质量指标下降的根本原因。

　　5) 能对IPTV 网络的用户体验投诉问题进行故障定位。

　　4.2 IPTV质量监测系统结构

　　IPTV 质量监测系统结构如图4 所示。为实现IPTV 质量监测的功能要求，需要提供分布式部署的探针和监测服务器/ 客户端，以及从设备网管中获取相关网元的告警、QoS 数据。另外需提供独立的手持式设备用于上门检测质量数据或排障。

　　5 结束语

　　IPTV 质量监测系统在业内的发展相对处于起步阶段，仍有许多薄弱的地方。中国通信标准化协会组织了主要IPTV 设备提供商制定“IPTV 质量监测系统技术要求”等相关标准，期待借此吸引更多有识之士的关注，以完善整个产业链，提高IPTV乃至整个三网融合业务的用户体验。