论文部分内容阅读
作为方兴未艾的新技术、新应用，IPTV如何有效保障用户体验质量?
视频QoE同QoS的对应关系
用户感知到的视频服务质量(即用户体验)易受多种因素的影响，如IPTV的收费价格、用户的期望值、用户个性化行为、网络性能和业务质量等。从技术层面分析，影响IPTV视频服务质量的因素主要包括四个组成部分，视频内容质量、IP网传输质量、视频传送流(MPEG TS)质量和用户互动质量。如1图所示，它反映了用户体验(QoE)同视频QoS指标的对应关系。
视频图像质量(由图1中的前三项组成)和用户互动质量(如频道切换性能和VoD命令响应时延)是构成总体IPTV用户体验质量的两个基本领域。因此，如何准确、客观地测量这两项用户体验指标，并将QoE指标同网络OoS指标有效地对应起来，是十分值得我们去深入探索和研究的。有了客观的QoE衡量指标和测试方法，就可以准确了解终端用户的体验，通过将QoE指标同网络QoS指标有效关联，就可以知道从何处人手来查找故障和优化网络性能，从而进一步改善用户体验质量。
视频图像质量测试
目前，业界还没有用于客观视频质量评价的统一国际标准，这就给IPTV测试设备的实现提出了挑战。根据图1中的视频QoS模型，我们了解到可以从三个层面来进行视频图像质量测量。其中视频内容质量主要受端设备(即视频编码服务器和机顶盒)编解码质量的影响，IPTV网络本身不会对这部分内容造成额外的影响。在本文中，我们主要侧重于与IPTV网络损伤相关的视频质量参数的测量和分析。
1．媒体流传送指标(MDI)的测试
IPTV用户的数量增加以及其他三重播放(如VoIP和数据)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。由此导致的网络故障(包括数据包丢失和序列错误、延迟和抖动等)，都会对视频质量造成各种有害的影响，如马赛克、图像模糊、边缘失真、颤抖和视觉噪声等。为了映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响，IETFRFC4445标准定义了媒体流传输指标(MDI)，此标准也被IP视频质量联盟(IPVOA)所采纳，成为业界在IP层上测量视频媒体质量的主流技术。
在MDI标准中主要定义了两个参数——即延迟系数(DF)和媒体丢失率(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，媒体丢帧率为0.01帧／秒。
延迟系数(DF)
为了解MDI延迟系数，有必要重温一下抖动与缓冲之间的关系。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，由于各种原因(例如大量P2P流量、文件下载和VoIP通话)都可引起网络瞬时拥塞，从而导致数据通过网络的时延变化，这就是所谓的时延抖动。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，因此数据包必须先在机顶盒中进行适当的缓冲后，然后再以恒定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发较大的延迟。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。
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9～50毫秒。
媒体丢失率(MLR)
媒体丢失率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。任何数据包丢失(即出现非零MLR时)都会对视频质量带来不利影响，并造成视觉失真或异常，以及不均匀的视频回放。一般情况下，可接受的媒体丢失率(MLR)如表1所示。
MDI在IPTV网络监测中的应用
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．对视频传送流(MPEG TS)质量的监测
MPEG TS传送码流用于在各种不同的传输介质(如DVB、ATM、lP网络)上承载和传送视频基本流(ES)，其中包含了各种用于视频流解码所必须的信息内容，例如：节目相关表格(PAT)、节目映射表格(PMT)、节目标识(PID)、节目参考时钟(PCR)等。由于MPEGTS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用户体验质量也十分重要。早在MEPG2 DVB系统中，ETSITR101 290标准已对MPEGTS流的健康指标进行了详细定义，它包括三个优先等级的事件；等级1中定义了会对视频业务造成严重影响(如业务完全中断)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，例如PCR时钟偏离、CAT表格错误等；等级3中所定义的事件不如前两个等级那么严重，它可能会对一些特定的业务或应用造成影响。因此，按ETSITR101 290标准的等级1和2指标，对IPTV上的MPEGTS流进行的监测是必不可少的。
3．对视频MOS的测量
对视频MOS的客观测量和评价是一个非常复杂的研究课题。虽然有许多研究机构和组织向ITU提交了关于客观视频MOS的测量建议，但ITU目前还没有定义出统一的关于客观视频MOS测量的国际标准。根据测量方法的不同，客观视频MOS测量可分为主动式(全参考模型)和被动式(无参考模型)两大类。
主动式视频MOS测量采用测试仪 表向被测设备或网络发送一个标准的参考视频流文件，然后接收经过被测设备或网络后的视频流文件，通过一定的算法比较这两个视频流文件的差异，可计算出视频MOS分值(1～5分)。这种全参考模型的测量方法一般比较复杂，计算量较大，测试结果也相对比较准确，它适合于在实验室环境对视频编解码设备做功能性验证测试。
被动式视频MOS测量则采用测试仪表对网络中的实际视频流进行监测和捕获，然后对其数据流特征进行分析，并给出MOS分值。用这种无参考模型的测量方法进行准确、客观的MOS计算的难度更大，目前这方面的国际标准的制定工作还比较滞后。而另一方面，被动式视频MOS测量对监测IPTV网络和用户体验质量的意义更为重大，为此，安捷伦实验室专门研究了一套基于神经网络模型的被动式视频MOS测量方法。该测量技术能够根据发生在IP、MPEG TS和图像层的各种损伤情况，预测出它们对视频MOS分的影响程度。此外，它还将该算法获得的MOS分值同全参考模型计算的MOS分值进行校准，从而进一步提高了算法的准确性。另外由于该算法充分考虑了发生在不同MPEG帧(I、P、B帧)的IP丢包对视频质量所产生的影响，因此它在MDI测量的基础上，可更准确地放映IPTV网络损伤对用户视频质量感受的影响。由于它采用了简单、轻量级的实现算法，因此可以允许测试仪表同时对上百路的IPTV视频流同时进行MOS计算。目前，安捷伦已对该视频MOS测试技术申请了专利，并应用到J6900A三重播放分析仪产品中。
PTV频道切换性能测试
用户能否快速、准确地切换频道也是影响IPTV用户体验的重要指标。有线电视技术本身决定了其频道切换是非常快速的。对已经习惯了有线电视节目快速浏览的用户来说，他们势必期望IPTV的频道切换速度应该与有线电视类似。一般而言，人们可接受的频道切换延迟时间应维持在1秒之内。若频道切换时延在100～200毫秒，则给用户的感受是“瞬间”(即非常快)的。
频道切换的延迟主要来自于网络设备(如B-RAS、DSLAM和汇聚交换机)和机顶盒。由于机顶盒内部的切换命令处理、缓冲延迟、MPEG解码器时延和视频缓冲时延等因素，一般会引起几百毫秒的时延。好在端到端IPTV路径中只有一个机顶盒，并且机顶盒的大部分功能是通过硬件来实现的，因此机顶盒所引发的频道切换时延是相对稳定和可重复的。由于IPTV采用组播协议作为频道切换的技术，IGMP协议的离开和加入时延才是频道切换延迟的主要源头。为了确保频道切换总延迟在1秒钟之内，每个网络元器件的组播离开／加入延迟必须保持在10～200毫秒之间。
如图2所示，一般的IPTV测试仪在计算从频道1切换到频道2的时延时，只考虑机顶盒发出IGMP离开(频道1)命令到收到频道2的第一个MPEG图像帧之间的时延(即T1)。然而，这个测量结果不一定能准确反映用户真实感受到的频道切换延迟。因为机顶盒只有在收到MPEG TS流中的第一个PAT(节目关联表格)后才能开始视频解码，所以T2(即IGMP离开命令到第一个PAT帧之间的间隔)才更能更准确地反映用户的真实IPTV频道切换体验。
此外，在监测IPTV频道切换时延中，除了测量平均时延之外，还应测量最大、最小时延和时延的分布统计。为了确保用户有好的频道切换体验，IPTV频道切换时延分布应尽可能集中(即要求时延值保持稳定)。如果频道切换速度时快时慢，用户将很难把握应按怎样的频率来按遥控器的按钮，才能准确切换频道。
视频QoE同QoS的对应关系
用户感知到的视频服务质量(即用户体验)易受多种因素的影响，如IPTV的收费价格、用户的期望值、用户个性化行为、网络性能和业务质量等。从技术层面分析，影响IPTV视频服务质量的因素主要包括四个组成部分，视频内容质量、IP网传输质量、视频传送流(MPEG TS)质量和用户互动质量。如1图所示，它反映了用户体验(QoE)同视频QoS指标的对应关系。
视频图像质量(由图1中的前三项组成)和用户互动质量(如频道切换性能和VoD命令响应时延)是构成总体IPTV用户体验质量的两个基本领域。因此，如何准确、客观地测量这两项用户体验指标，并将QoE指标同网络OoS指标有效地对应起来，是十分值得我们去深入探索和研究的。有了客观的QoE衡量指标和测试方法，就可以准确了解终端用户的体验，通过将QoE指标同网络QoS指标有效关联，就可以知道从何处人手来查找故障和优化网络性能，从而进一步改善用户体验质量。
视频图像质量测试
目前，业界还没有用于客观视频质量评价的统一国际标准，这就给IPTV测试设备的实现提出了挑战。根据图1中的视频QoS模型，我们了解到可以从三个层面来进行视频图像质量测量。其中视频内容质量主要受端设备(即视频编码服务器和机顶盒)编解码质量的影响，IPTV网络本身不会对这部分内容造成额外的影响。在本文中，我们主要侧重于与IPTV网络损伤相关的视频质量参数的测量和分析。
1．媒体流传送指标(MDI)的测试
IPTV用户的数量增加以及其他三重播放(如VoIP和数据)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。由此导致的网络故障(包括数据包丢失和序列错误、延迟和抖动等)，都会对视频质量造成各种有害的影响，如马赛克、图像模糊、边缘失真、颤抖和视觉噪声等。为了映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响，IETFRFC4445标准定义了媒体流传输指标(MDI)，此标准也被IP视频质量联盟(IPVOA)所采纳，成为业界在IP层上测量视频媒体质量的主流技术。
在MDI标准中主要定义了两个参数——即延迟系数(DF)和媒体丢失率(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，媒体丢帧率为0.01帧／秒。
延迟系数(DF)
为了解MDI延迟系数，有必要重温一下抖动与缓冲之间的关系。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，由于各种原因(例如大量P2P流量、文件下载和VoIP通话)都可引起网络瞬时拥塞，从而导致数据通过网络的时延变化，这就是所谓的时延抖动。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，因此数据包必须先在机顶盒中进行适当的缓冲后，然后再以恒定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发较大的延迟。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。
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9～50毫秒。
媒体丢失率(MLR)
媒体丢失率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。任何数据包丢失(即出现非零MLR时)都会对视频质量带来不利影响，并造成视觉失真或异常，以及不均匀的视频回放。一般情况下，可接受的媒体丢失率(MLR)如表1所示。
MDI在IPTV网络监测中的应用
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．对视频传送流(MPEG TS)质量的监测
MPEG TS传送码流用于在各种不同的传输介质(如DVB、ATM、lP网络)上承载和传送视频基本流(ES)，其中包含了各种用于视频流解码所必须的信息内容，例如：节目相关表格(PAT)、节目映射表格(PMT)、节目标识(PID)、节目参考时钟(PCR)等。由于MPEGTS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用户体验质量也十分重要。早在MEPG2 DVB系统中，ETSITR101 290标准已对MPEGTS流的健康指标进行了详细定义，它包括三个优先等级的事件；等级1中定义了会对视频业务造成严重影响(如业务完全中断)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，例如PCR时钟偏离、CAT表格错误等；等级3中所定义的事件不如前两个等级那么严重，它可能会对一些特定的业务或应用造成影响。因此，按ETSITR101 290标准的等级1和2指标，对IPTV上的MPEGTS流进行的监测是必不可少的。
3．对视频MOS的测量
对视频MOS的客观测量和评价是一个非常复杂的研究课题。虽然有许多研究机构和组织向ITU提交了关于客观视频MOS的测量建议，但ITU目前还没有定义出统一的关于客观视频MOS测量的国际标准。根据测量方法的不同，客观视频MOS测量可分为主动式(全参考模型)和被动式(无参考模型)两大类。
主动式视频MOS测量采用测试仪 表向被测设备或网络发送一个标准的参考视频流文件，然后接收经过被测设备或网络后的视频流文件，通过一定的算法比较这两个视频流文件的差异，可计算出视频MOS分值(1～5分)。这种全参考模型的测量方法一般比较复杂，计算量较大，测试结果也相对比较准确，它适合于在实验室环境对视频编解码设备做功能性验证测试。
被动式视频MOS测量则采用测试仪表对网络中的实际视频流进行监测和捕获，然后对其数据流特征进行分析，并给出MOS分值。用这种无参考模型的测量方法进行准确、客观的MOS计算的难度更大，目前这方面的国际标准的制定工作还比较滞后。而另一方面，被动式视频MOS测量对监测IPTV网络和用户体验质量的意义更为重大，为此，安捷伦实验室专门研究了一套基于神经网络模型的被动式视频MOS测量方法。该测量技术能够根据发生在IP、MPEG TS和图像层的各种损伤情况，预测出它们对视频MOS分的影响程度。此外，它还将该算法获得的MOS分值同全参考模型计算的MOS分值进行校准，从而进一步提高了算法的准确性。另外由于该算法充分考虑了发生在不同MPEG帧(I、P、B帧)的IP丢包对视频质量所产生的影响，因此它在MDI测量的基础上，可更准确地放映IPTV网络损伤对用户视频质量感受的影响。由于它采用了简单、轻量级的实现算法，因此可以允许测试仪表同时对上百路的IPTV视频流同时进行MOS计算。目前，安捷伦已对该视频MOS测试技术申请了专利，并应用到J6900A三重播放分析仪产品中。
PTV频道切换性能测试
用户能否快速、准确地切换频道也是影响IPTV用户体验的重要指标。有线电视技术本身决定了其频道切换是非常快速的。对已经习惯了有线电视节目快速浏览的用户来说，他们势必期望IPTV的频道切换速度应该与有线电视类似。一般而言，人们可接受的频道切换延迟时间应维持在1秒之内。若频道切换时延在100～200毫秒，则给用户的感受是“瞬间”(即非常快)的。
频道切换的延迟主要来自于网络设备(如B-RAS、DSLAM和汇聚交换机)和机顶盒。由于机顶盒内部的切换命令处理、缓冲延迟、MPEG解码器时延和视频缓冲时延等因素，一般会引起几百毫秒的时延。好在端到端IPTV路径中只有一个机顶盒，并且机顶盒的大部分功能是通过硬件来实现的，因此机顶盒所引发的频道切换时延是相对稳定和可重复的。由于IPTV采用组播协议作为频道切换的技术，IGMP协议的离开和加入时延才是频道切换延迟的主要源头。为了确保频道切换总延迟在1秒钟之内，每个网络元器件的组播离开／加入延迟必须保持在10～200毫秒之间。
如图2所示，一般的IPTV测试仪在计算从频道1切换到频道2的时延时，只考虑机顶盒发出IGMP离开(频道1)命令到收到频道2的第一个MPEG图像帧之间的时延(即T1)。然而，这个测量结果不一定能准确反映用户真实感受到的频道切换延迟。因为机顶盒只有在收到MPEG TS流中的第一个PAT(节目关联表格)后才能开始视频解码，所以T2(即IGMP离开命令到第一个PAT帧之间的间隔)才更能更准确地反映用户的真实IPTV频道切换体验。
此外，在监测IPTV频道切换时延中，除了测量平均时延之外，还应测量最大、最小时延和时延的分布统计。为了确保用户有好的频道切换体验，IPTV频道切换时延分布应尽可能集中(即要求时延值保持稳定)。如果频道切换速度时快时慢，用户将很难把握应按怎样的频率来按遥控器的按钮，才能准确切换频道。