IPTV中增強的QoE技術分析與研究

高 勇，劉國輝

(武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074)

全球IPTV將快速發展，據MRG研究公司報告，全球IPTV用戶數到2014年將達到1.02億，年均增長率為25%。MRG預計，到2014年，IPTV市場利潤將達到460億美元［1］。隨著國內三網融合的不斷推進，網絡運營商紛紛利用自己的寬帶網絡推出IPTV業務。但是，在實際運營中，由于受到網絡損害的影響，IPTV媒體質量常常會打折扣。數據包延遲、數據丟包等現象，將導致圖像出現不清晰、馬賽克等問題，這些都嚴重影響了視頻播放質量。IPTV業務本身對丟包/誤包敏感，輕微的丟包/誤包也會嚴重影響視頻的體驗質量。如果運營商不能提供高質量的服務，用戶將轉投其他運營商，用戶的流失意味著運營商收益的減少，甚至可能導致運營商虧損，因此，用戶體驗質量保障對于運營商來說至關重要。

1 影響IPTV用戶體驗的因素分析

在IPTV中，視頻直播采用Multicast(組播)方式，視頻點播采用Unicast(單播)方式，通常用這兩種方式來提供流媒體業務。但是，這兩種方式對實時性和時延敏感度的要求不同。由于視頻直播業務是單向式流媒體傳送，因而實時性要求和對數據包時延的敏感度都高于視頻點播業務。往往為了減少網絡傳輸壓力，直播頻道采用多播發送，這使得直播頻道切換需要更長的時間，比起傳統電視就顯得更慢。由表1所示，視頻直播、點播的丟包率和誤包率為10－6，IPTV業務對丟包/誤包敏感，輕微的丟包/誤包會嚴重影響視頻的體驗質量，讓用戶覺得IPTV比不上傳統有線電視，導致用戶轉投其他運營商，故運營商需要針對IPTV業務保障端到端服務質量。

表1 IPTV業務QoS要求

根據行業的研究數據，IPTV業務的端到端QOS經驗值要求如表1所示。

2 增強的QoE技術方案分析

為了避免承載網帶來的影響，保障IPTV用戶高質量體驗，增強的QoE技術主要從影響IPTV用戶體驗的主要因素出發，采用正對性的方法解決用戶高峰期帶寬不足的問題，減少頻道切換過程中的延時以及解決幀在傳輸過程中的丟失問題，以防止用戶接收端出現畫面馬賽克、不流暢甚至停滯的現象。

2.1 避免擁塞

運營商在部署IPTV業務時，考慮到投資成本，并不會按照最大帶寬需求對承載網進行規劃，只能做到在大多數情況下能很好地滿足用戶需求。但是用戶數量會出現動態變化，在一些特殊時段，會出現用戶高峰，VOD的并發率會上升，實際帶寬需求可能會超越規劃帶寬。另外，隨著HD的用戶比例上升，用戶需求帶寬可能會超越實際網絡能力，導致網絡擁塞，進而降低用戶體驗。

關于解決網絡擁塞的問題，目前已經有人提出過一些擁塞反饋機制和流量調節方案，這些方法對于解決網絡擁塞有一些作用，但它也只能解決用戶級的擁塞。呼叫準入控制(CAC)是一種有針對性的解決方案。呼叫準入控制根據管理網絡資源來確定潛在的擁塞點是否可用，當資源不足以滿足需求時，網絡會智能地拒絕其他接入請求，以保證現有資源滿足需求。

由于承載網絡類型和拓撲具有多樣性，IPTV業務單元將直接面臨網絡的復雜性，增強的QoE技術方案，提供如圖1所示的統一網絡資源管理。這是一種獨立的網絡單元，可降低承載網絡的復雜性，業務層只需要和一個邏輯單元交互即可完成呼叫準入控制。

圖1 統一網絡資源管理工作過程

圖1顯示了統一網絡資源管理的工作過程:終端用戶請求IPTV應用開始一個新的VOD會話，IPTV應用向統一網絡資源管理請求會話需要的承載網資源，統一網絡資源管理接收到請求后，根據帶寬、QoS等請求參數，在傳輸層分配相關的網絡資源，此次會話請求被接納，傳輸層按照統一網絡資源管理下發的策略保證該會話的帶寬和QoS。

統一網絡資源管理采用通用的資源策略模型和網絡拓撲管理，可以適用于多種網絡架構和技術。作為IPTV業務應用的單一接觸點，統一網絡資源管理屏蔽了網絡細節和復雜的拓撲。統一網絡資源管理是拓撲感知和用戶感知的，拓撲感知可以為每個會話提供最佳路徑，保證網絡資源的最大化利用，同時統一網絡資源管理可以動態感知IPTV用戶的注冊，并且自動將其IP標示與具體的物理網絡資源映射。

統一網絡資源管理是一個標準化的系統，它完全兼容ETSI/TISPAN標準，ETSI/TISPAN定義在多業務網絡中，多種應用程序可以共享承載網絡，將傳輸和網絡的業務控制從應用中分離出來，可以有效地簡化應用的邏輯，為實現這種分層方式，TISPAN定義動態資源接入控制網元(RACS)來完成對網絡資源的統一管理。統一網絡資源管理完成了ETSI/TISPAN定義的RACS系統功能，同時通過標準的接口，統一網絡資源管理可以和不同的業務組件和承載網絡進行交互。

2.2 減少頻道切換時間

用戶對頻道的可靠性和和頻道響應時間有很高的期望，在實際調查中發現，用戶可接受的直播頻道切換時間為1 s以內，可接受的VOD切換時間10 s以下。相比于傳統的有線電視網，頻道切換非常快，用戶體驗比較好，所以IPTV提供的直播業務應盡量減少時延，加快頻道切換速度才有競爭優勢。

影響IPTV頻道切換時間的因素有很多，比如各種網絡傳輸和交換設備的性能，信令在網絡中交互產生的時延，這些是決定頻道切換時間的主要因素。網絡傳輸和交換設備主要包括STB(Set Top Box)、Router和Switch等。對于機頂盒而言，其內部對于頻道切換命令的處理、媒體流緩沖、壓縮媒體流解碼等都會引起時延;網絡信令時延主要由組播協議機制引起［2］。IPTV頻道切換時間主要由以下指標決定:1)組播信令時延，即網絡設備，如路由器、接入服務器等，完成IGMP信令處理的時間。2)I幀獲取時延。為節約帶寬，IPTV采用壓縮算法發送媒體流，壓縮媒體流中包括I幀、B幀和P幀類型，I幀獲取時延是機頂盒收到第一個媒體包后到檢測到第一個I幀所經歷的時間。3)機頂盒解碼時延。機頂盒加入多播組后，開始接收MPEG－2 TS媒體流，機頂盒顯示新頻道圖像之前，必須等待以獲取頻道信息(PAT、PMT等)，解碼器每0.5 s接收一次PAT信息。此外，還有組播加入時延和離開時延。

如圖2所示，增強的QoE提供FCC(Fast Channel Change)快速頻道切換技術，在頻道切換過程中，FCC技術可以減少STB解碼時延和I幀獲取時延。

圖2 快速頻道切換技術

圖2所示為快速頻道切換技術方法。IPTV系統中的FCC服務器接收從頭端來的頻道的Multicast Flows(多播流)，并將這些Multicast Flows緩存1～5 s。當用戶切換頻道時，機頂盒加入新的多播組，并同時向FCC服務器發送請求消息，請求新頻道的單播流，FCC服務器收到請求后，將緩存的新頻道數據快速單播給機頂盒，機頂盒將新頻道的IP包輸入到緩存器。單播流以IDR幀(IDR幀屬于I幀)開始，且傳輸速率大于多播流的傳輸速率，最終追上多播流數據，此時，STB切換到多播流接收狀態，此次頻道切換結束。服務器檢查用戶應當獲得了其申請的頻道。在解碼器從IP包中提取MPEG視頻碼流和解碼之前，MPEG解碼器必須先等待新頻道的I幀，而機頂盒在收到組播UDP包后，能快速找到PSI信息和IDR幀進行解碼，極大地縮短了頻道切換時間。采用快速頻道切換技術，運營商可以有效地將用戶頻道切換時間降低到1 s內。另外，每個電視頻道都需要唯一的MPEG碼流。切換頻道時，電視機或機頂盒需要從服務器申請新的頻道。如果幾臺電視機共用同一個頻道，則它們共享同樣的碼流。

TISPAN和IETF都針對快速頻道切換提出了相關的規范，快速頻道切換技術完全遵循這兩種規范，FCC服務器采用標準的RTP/RTCP協議與機頂盒通信，可以很好地兼容第三方機頂盒。同時，FCC服務器支持分布式部署，運營商可以根據用戶規模逐步部署，有利于運營商很好地控制投資和運維成本。

2.3 解決丟包問題

寬帶接入網主要完成用戶到城域網的連接，IPTV支持FTTH接入、FTTB+LAN接入、ADSL接入、HFC/Cable Modern接入、WLAN無線接入等接入方式［3］。由于DSL接入成本低廉、投入少，絕大多數運營商使用DSL來完成IPTV最后一公里的接入，但大多數DSL丟包率或誤包率常常超過10－4，在QoS方面很難達到IPTV的要求，這會大大降低IPTV用戶的體驗。無論是向種視頻丟包，如果沒有適當的視頻解碼補償或者丟包重傳機制，視頻播放質量會出現不同程度的下降［4］。

在表1中可以看到，IPTV業務要達到傳統的廣播級視頻質量，丟包率或誤包率需要小于10－6，對應于用戶的體驗來講，就是保證用戶在60 s內只能看到一個馬賽克。對于大多數采用DSL來提供IPTV業務的運營商來講，能夠滿足表1定義的QoS參數的DSL網絡可能只是小部分，這就大大限制了運營商可以開展IPTV服務的范圍。

對于丟包問題，目前的解決方案主要從網絡和終端兩方面進行研究，理想的做法是在發送端采取前向糾錯(FEC)，在發送和接收兩端重傳，在傳輸過程中采用糾錯編碼等方法來提高和改善圖像質量。如圖3所示，增強的QoE提供FEC和包重傳相結合的方法，幫助運營商克服丟包的問題，為IPTV用戶提供良好的體驗。

如圖3所示，FEC和包重方法的整體思路是:

1)在IPTV頭端，通過FEC編碼器對直播流編碼產生FEC包，然后將FEC包和原始直播流數據包封裝為兩路媒體流，一同發往接收端。

圖3 FEC和包重傳示意圖

2)在機頂盒側，如果發現直播流有丟包，則通過接收到的FEC數據包和直播流數據包來恢復所有的原始直播流。

采用FEC技術與重傳相結合的方法，90%以上的丟失數據可以通過FEC技術恢復，剩下的未被恢復的數據通過包重傳來獲取。機頂盒與服務器之間的通信采用標準的RTP/RTCP協議，部署在網絡側的流媒體服務器對直播流進行緩存，機頂盒側對接收到的直播流進行實時監測。機頂盒側一旦發現直播流有丟包，并且丟失的包不能通過FEC流恢復，則向流媒體服務器發送請求，請求發送丟失的包。FEC技術與重傳相結合的方法通過減少丟包，避免視頻馬賽克或停滯現象，有效地改善了IPTV網絡的視頻質量。

3 結束語

IPTV對承載網絡有很高的要求，運營商現有網絡往往不能完全滿足，網絡擁塞、接入層的丟包/錯包以及頻道切換時間成為影響用戶體驗的主要因素。增強的QoE技術從避免網絡擁塞、減少頻道切換時間以及解決接入層的丟包/錯包等方面考慮，有針對性地解除了影響IPTV用戶體驗的因素，為用戶提供高質量的視頻體驗。QoE技術涵蓋的技術有很多，本文主要分析和研究的只是它的幾個方面。

:

［1］李海.國外 IPTV 發展現狀［J］.信息網絡，2010(7):51－52.

［2］馬少林，李文耀.基于服務器的IPTV快速頻道切換技術［J］.電視技術，2012，36(24):57－59.

［3］車君.IPTV技術及標準淺析［J］.貴陽學院學報:自然科學版，2007(1):13－19.

［4］牛妍華，歐陽鋒.IPTV服務質量關鍵技術研究［J］.廣播電視與技術，2009(3):72－74.