IPTV中增強(qiáng)的QoE技術(shù)分析與研究

高 勇，劉國(guó)輝

(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

全球IPTV將快速發(fā)展，據(jù)MRG研究公司報(bào)告，全球IPTV用戶數(shù)到2014年將達(dá)到1.02億，年均增長(zhǎng)率為25%。MRG預(yù)計(jì)，到2014年，IPTV市場(chǎng)利潤(rùn)將達(dá)到460億美元［1］。隨著國(guó)內(nèi)三網(wǎng)融合的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商紛紛利用自己的寬帶網(wǎng)絡(luò)推出IPTV業(yè)務(wù)。但是，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，由于受到網(wǎng)絡(luò)損害的影響，IPTV媒體質(zhì)量常常會(huì)打折扣。數(shù)據(jù)包延遲、數(shù)據(jù)丟包等現(xiàn)象，將導(dǎo)致圖像出現(xiàn)不清晰、馬賽克等問(wèn)題，這些都嚴(yán)重影響了視頻播放質(zhì)量。IPTV業(yè)務(wù)本身對(duì)丟包/誤包敏感，輕微的丟包/誤包也會(huì)嚴(yán)重影響視頻的體驗(yàn)質(zhì)量。如果運(yùn)營(yíng)商不能提供高質(zhì)量的服務(wù)，用戶將轉(zhuǎn)投其他運(yùn)營(yíng)商，用戶的流失意味著運(yùn)營(yíng)商收益的減少，甚至可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商虧損，因此，用戶體驗(yàn)質(zhì)量保障對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

1 影響IPTV用戶體驗(yàn)的因素分析

在IPTV中，視頻直播采用Multicast(組播)方式，視頻點(diǎn)播采用Unicast(單播)方式，通常用這兩種方式來(lái)提供流媒體業(yè)務(wù)。但是，這兩種方式對(duì)實(shí)時(shí)性和時(shí)延敏感度的要求不同。由于視頻直播業(yè)務(wù)是單向式流媒體傳送，因而實(shí)時(shí)性要求和對(duì)數(shù)據(jù)包時(shí)延的敏感度都高于視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。往往為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，直播頻道采用多播發(fā)送，這使得直播頻道切換需要更長(zhǎng)的時(shí)間，比起傳統(tǒng)電視就顯得更慢。由表1所示，視頻直播、點(diǎn)播的丟包率和誤包率為10－6，IPTV業(yè)務(wù)對(duì)丟包/誤包敏感，輕微的丟包/誤包會(huì)嚴(yán)重影響視頻的體驗(yàn)質(zhì)量，讓用戶覺(jué)得IPTV比不上傳統(tǒng)有線電視，導(dǎo)致用戶轉(zhuǎn)投其他運(yùn)營(yíng)商，故運(yùn)營(yíng)商需要針對(duì)IPTV業(yè)務(wù)保障端到端服務(wù)質(zhì)量。

表1 IPTV業(yè)務(wù)QoS要求

根據(jù)行業(yè)的研究數(shù)據(jù)，IPTV業(yè)務(wù)的端到端QOS經(jīng)驗(yàn)值要求如表1所示。

2 增強(qiáng)的QoE技術(shù)方案分析

為了避免承載網(wǎng)帶來(lái)的影響，保障IPTV用戶高質(zhì)量體驗(yàn)，增強(qiáng)的QoE技術(shù)主要從影響IPTV用戶體驗(yàn)的主要因素出發(fā)，采用正對(duì)性的方法解決用戶高峰期帶寬不足的問(wèn)題，減少頻道切換過(guò)程中的延時(shí)以及解決幀在傳輸過(guò)程中的丟失問(wèn)題，以防止用戶接收端出現(xiàn)畫(huà)面馬賽克、不流暢甚至停滯的現(xiàn)象。

2.1 避免擁塞

運(yùn)營(yíng)商在部署IPTV業(yè)務(wù)時(shí)，考慮到投資成本，并不會(huì)按照最大帶寬需求對(duì)承載網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃，只能做到在大多數(shù)情況下能很好地滿足用戶需求。但是用戶數(shù)量會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，在一些特殊時(shí)段，會(huì)出現(xiàn)用戶高峰，VOD的并發(fā)率會(huì)上升，實(shí)際帶寬需求可能會(huì)超越規(guī)劃帶寬。另外，隨著HD的用戶比例上升，用戶需求帶寬可能會(huì)超越實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，進(jìn)而降低用戶體驗(yàn)。

關(guān)于解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的問(wèn)題，目前已經(jīng)有人提出過(guò)一些擁塞反饋機(jī)制和流量調(diào)節(jié)方案，這些方法對(duì)于解決網(wǎng)絡(luò)擁塞有一些作用，但它也只能解決用戶級(jí)的擁塞。呼叫準(zhǔn)入控制(CAC)是一種有針對(duì)性的解決方案。呼叫準(zhǔn)入控制根據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)確定潛在的擁塞點(diǎn)是否可用，當(dāng)資源不足以滿足需求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)智能地拒絕其他接入請(qǐng)求，以保證現(xiàn)有資源滿足需求。

由于承載網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型和拓?fù)渚哂卸鄻有裕琁PTV業(yè)務(wù)單元將直接面臨網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，增強(qiáng)的QoE技術(shù)方案，提供如圖1所示的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理。這是一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)單元，可降低承載網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，業(yè)務(wù)層只需要和一個(gè)邏輯單元交互即可完成呼叫準(zhǔn)入控制。

圖1 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理工作過(guò)程

圖1顯示了統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理的工作過(guò)程:終端用戶請(qǐng)求IPTV應(yīng)用開(kāi)始一個(gè)新的VOD會(huì)話，IPTV應(yīng)用向統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理請(qǐng)求會(huì)話需要的承載網(wǎng)資源，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理接收到請(qǐng)求后，根據(jù)帶寬、QoS等請(qǐng)求參數(shù)，在傳輸層分配相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，此次會(huì)話請(qǐng)求被接納，傳輸層按照統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理下發(fā)的策略保證該會(huì)話的帶寬和QoS。

統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理采用通用的資源策略模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾恚梢赃m用于多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)。作為IPTV業(yè)務(wù)應(yīng)用的單一接觸點(diǎn)，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理屏蔽了網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)和復(fù)雜的拓?fù)洹＝y(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理是拓?fù)涓兄陀脩舾兄模負(fù)涓兄梢詾槊總€(gè)會(huì)話提供最佳路徑，保證網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，同時(shí)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理可以動(dòng)態(tài)感知IPTV用戶的注冊(cè)，并且自動(dòng)將其IP標(biāo)示與具體的物理網(wǎng)絡(luò)資源映射。

統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，它完全兼容ETSI/TISPAN標(biāo)準(zhǔn)，ETSI/TISPAN定義在多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，多種應(yīng)用程序可以共享承載網(wǎng)絡(luò)，將傳輸和網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制從應(yīng)用中分離出來(lái)，可以有效地簡(jiǎn)化應(yīng)用的邏輯，為實(shí)現(xiàn)這種分層方式，TISPAN定義動(dòng)態(tài)資源接入控制網(wǎng)元(RACS)來(lái)完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理完成了ETSI/TISPAN定義的RACS系統(tǒng)功能，同時(shí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)資源管理可以和不同的業(yè)務(wù)組件和承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。

2.2 減少頻道切換時(shí)間

用戶對(duì)頻道的可靠性和和頻道響應(yīng)時(shí)間有很高的期望，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，用戶可接受的直播頻道切換時(shí)間為1 s以內(nèi)，可接受的VOD切換時(shí)間10 s以下。相比于傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)，頻道切換非常快，用戶體驗(yàn)比較好，所以IPTV提供的直播業(yè)務(wù)應(yīng)盡量減少時(shí)延，加快頻道切換速度才有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

影響IPTV頻道切換時(shí)間的因素有很多，比如各種網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換設(shè)備的性能，信令在網(wǎng)絡(luò)中交互產(chǎn)生的時(shí)延，這些是決定頻道切換時(shí)間的主要因素。網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換設(shè)備主要包括STB(Set Top Box)、Router和Switch等。對(duì)于機(jī)頂盒而言，其內(nèi)部對(duì)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(huì)引起時(shí)延;網(wǎng)絡(luò)信令時(shí)延主要由組播協(xié)議機(jī)制引起［2］。IPTV頻道切換時(shí)間主要由以下指標(biāo)決定:1)組播信令時(shí)延，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器、接入服務(wù)器等，完成IGMP信令處理的時(shí)間。2)I幀獲取時(shí)延。為節(jié)約帶寬，IPTV采用壓縮算法發(fā)送媒體流，壓縮媒體流中包括I幀、B幀和P幀類(lèi)型，I幀獲取時(shí)延是機(jī)頂盒收到第一個(gè)媒體包后到檢測(cè)到第一個(gè)I幀所經(jīng)歷的時(shí)間。3)機(jī)頂盒解碼時(shí)延。機(jī)頂盒加入多播組后，開(kāi)始接收MPEG－2 TS媒體流，機(jī)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(shí)延和離開(kāi)時(shí)延。

如圖2所示，增強(qiáng)的QoE提供FCC(Fast Channel Change)快速頻道切換技術(shù)，在頻道切換過(guò)程中，F(xiàn)CC技術(shù)可以減少STB解碼時(shí)延和I幀獲取時(shí)延。

圖2 快速頻道切換技術(shù)

圖2所示為快速頻道切換技術(shù)方法。IPTV系統(tǒng)中的FCC服務(wù)器接收從頭端來(lái)的頻道的Multicast Flows(多播流)，并將這些Multicast Flows緩存1～5 s。當(dāng)用戶切換頻道時(shí)，機(jī)頂盒加入新的多播組，并同時(shí)向FCC服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求消息，請(qǐng)求新頻道的單播流，F(xiàn)CC服務(wù)器收到請(qǐng)求后，將緩存的新頻道數(shù)據(jù)快速單播給機(jī)頂盒，機(jī)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(kāi)始，且傳輸速率大于多播流的傳輸速率，最終追上多播流數(shù)據(jù)，此時(shí)，STB切換到多播流接收狀態(tài)，此次頻道切換結(jié)束。服務(wù)器檢查用戶應(yīng)當(dāng)獲得了其申請(qǐng)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(jī)頂盒在收到組播UDP包后，能快速找到PSI信息和IDR幀進(jìn)行解碼，極大地縮短了頻道切換時(shí)間。采用快速頻道切換技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商可以有效地將用戶頻道切換時(shí)間降低到1 s內(nèi)。另外，每個(gè)電視頻道都需要唯一的MPEG碼流。切換頻道時(shí)，電視機(jī)或機(jī)頂盒需要從服務(wù)器申請(qǐng)新的頻道。如果幾臺(tái)電視機(jī)共用同一個(gè)頻道，則它們共享同樣的碼流。

TISPAN和IETF都針對(duì)快速頻道切換提出了相關(guān)的規(guī)范，快速頻道切換技術(shù)完全遵循這兩種規(guī)范，F(xiàn)CC服務(wù)器采用標(biāo)準(zhǔn)的RTP/RTCP協(xié)議與機(jī)頂盒通信，可以很好地兼容第三方機(jī)頂盒。同時(shí)，F(xiàn)CC服務(wù)器支持分布式部署，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)用戶規(guī)模逐步部署，有利于運(yùn)營(yíng)商很好地控制投資和運(yùn)維成本。

2.3 解決丟包問(wèn)題

寬帶接入網(wǎng)主要完成用戶到城域網(wǎng)的連接，IPTV支持FTTH接入、FTTB+LAN接入、ADSL接入、HFC/Cable Modern接入、WLAN無(wú)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(shù)運(yùn)營(yíng)商使用DSL來(lái)完成IPTV最后一公里的接入，但大多數(shù)DSL丟包率或誤包率常常超過(guò)10－4，在QoS方面很難達(dá)到IPTV的要求，這會(huì)大大降低IPTV用戶的體驗(yàn)。無(wú)論是向種視頻丟包，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)囊曨l解碼補(bǔ)償或者丟包重傳機(jī)制，視頻播放質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降［4］。

在表1中可以看到，IPTV業(yè)務(wù)要達(dá)到傳統(tǒng)的廣播級(jí)視頻質(zhì)量，丟包率或誤包率需要小于10－6，對(duì)應(yīng)于用戶的體驗(yàn)來(lái)講，就是保證用戶在60 s內(nèi)只能看到一個(gè)馬賽克。對(duì)于大多數(shù)采用DSL來(lái)提供IPTV業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，能夠滿足表1定義的QoS參數(shù)的DSL網(wǎng)絡(luò)可能只是小部分，這就大大限制了運(yùn)營(yíng)商可以開(kāi)展IPTV服務(wù)的范圍。

對(duì)于丟包問(wèn)題，目前的解決方案主要從網(wǎng)絡(luò)和終端兩方面進(jìn)行研究，理想的做法是在發(fā)送端采取前向糾錯(cuò)(FEC)，在發(fā)送和接收兩端重傳，在傳輸過(guò)程中采用糾錯(cuò)編碼等方法來(lái)提高和改善圖像質(zhì)量。如圖3所示，增強(qiáng)的QoE提供FEC和包重傳相結(jié)合的方法，幫助運(yùn)營(yíng)商克服丟包的問(wèn)題，為IPTV用戶提供良好的體驗(yàn)。

如圖3所示，F(xiàn)EC和包重方法的整體思路是:

1)在IPTV頭端，通過(guò)FEC編碼器對(duì)直播流編碼產(chǎn)生FEC包，然后將FEC包和原始直播流數(shù)據(jù)包封裝為兩路媒體流，一同發(fā)往接收端。

圖3 FEC和包重傳示意圖

2)在機(jī)頂盒側(cè)，如果發(fā)現(xiàn)直播流有丟包，則通過(guò)接收到的FEC數(shù)據(jù)包和直播流數(shù)據(jù)包來(lái)恢復(fù)所有的原始直播流。

采用FEC技術(shù)與重傳相結(jié)合的方法，90%以上的丟失數(shù)據(jù)可以通過(guò)FEC技術(shù)恢復(fù)，剩下的未被恢復(fù)的數(shù)據(jù)通過(guò)包重傳來(lái)獲取。機(jī)頂盒與服務(wù)器之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RTP/RTCP協(xié)議，部署在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的流媒體服務(wù)器對(duì)直播流進(jìn)行緩存，機(jī)頂盒側(cè)對(duì)接收到的直播流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。機(jī)頂盒側(cè)一旦發(fā)現(xiàn)直播流有丟包，并且丟失的包不能通過(guò)FEC流恢復(fù)，則向流媒體服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)送丟失的包。FEC技術(shù)與重傳相結(jié)合的方法通過(guò)減少丟包，避免視頻馬賽克或停滯現(xiàn)象，有效地改善了IPTV網(wǎng)絡(luò)的視頻質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

IPTV對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)有很高的要求，運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)往往不能完全滿足，網(wǎng)絡(luò)擁塞、接入層的丟包/錯(cuò)包以及頻道切換時(shí)間成為影響用戶體驗(yàn)的主要因素。增強(qiáng)的QoE技術(shù)從避免網(wǎng)絡(luò)擁塞、減少頻道切換時(shí)間以及解決接入層的丟包/錯(cuò)包等方面考慮，有針對(duì)性地解除了影響IPTV用戶體驗(yàn)的因素，為用戶提供高質(zhì)量的視頻體驗(yàn)。QoE技術(shù)涵蓋的技術(shù)有很多，本文主要分析和研究的只是它的幾個(gè)方面。

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［1］李海.國(guó)外 IPTV 發(fā)展現(xiàn)狀［J］.信息網(wǎng)絡(luò)，2010(7):51－52.

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

［3］車(chē)君.IPTV技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)淺析［J］.貴陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007(1):13－19.

［4］牛妍華，歐陽(yáng)鋒.IPTV服務(wù)質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.廣播電視與技術(shù)，2009(3):72－74.