廣東IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量提升研究

邵壯豐，許洪東，周 俊，徐超仁

（1.中國電信股份有限公司廣東分公司網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控維護中心 廣州 510081；2.中國電信股份有限公司廣東分公司網(wǎng)絡(luò)運營部 廣州 510081）

1 引言

隨著三網(wǎng)融合的演進，IPTV業(yè)務(wù)已成為電信運營商一個重要的發(fā)展業(yè)務(wù)，截至2012年底，廣東IPTV用戶超過300萬，當前廣東IPTV用戶規(guī)模和平臺規(guī)模都走在國內(nèi)外前列。由于IPTV是一個很復(fù)雜的服務(wù)應(yīng)用，運營IPTV業(yè)務(wù)對于電信網(wǎng)絡(luò)中日益復(fù)雜的應(yīng)用服務(wù)是一個巨大的挑戰(zhàn)。為了保證服務(wù)質(zhì)量，保障網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，中國電信股份有限公司廣東分公司（以下簡稱廣東電信）不僅鞏固自身網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使之處在行業(yè)前列，也從IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量角度出發(fā)，不斷提高IPTV業(yè)務(wù)競爭力。本文從廣東電信IPTV端到端架構(gòu)、體驗指標體系、質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和在生產(chǎn)實踐中使用情況四大部分，闡述了在提升IPTV體驗質(zhì)量的方法和效果。筆者使用SQM系統(tǒng)對全網(wǎng)IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量進行了長達一年的監(jiān)測，挖掘并解決系列影響廣東IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量的“疑難雜癥”，實現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)良率從94.9%提升至97.8%。

2 IPTV體驗質(zhì)量指標

2.1 影響IPTV業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量因素

用戶端觀看的IPTV業(yè)務(wù)經(jīng)由頭端節(jié)目源輸出、IPTV平臺服務(wù)器處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸承載、終端接入和機頂盒解碼播出，其業(yè)務(wù)質(zhì)量和這些環(huán)節(jié)息息相關(guān)，歸納了4個主要影響IPTV服務(wù)質(zhì)量的因素，其可導(dǎo)致IPTV畫面質(zhì)量變差。

·網(wǎng)絡(luò)側(cè)：可傳輸?shù)囊曨l流總量最終由接入網(wǎng)上配置的帶寬限制，若帶寬需求的增長超過鏈路最大容量，會使數(shù)據(jù)分組被丟失，并最終造成屏幕畫面質(zhì)量出現(xiàn)缺陷。運維數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由異常是影響IPTV業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量最主要的因素，約占所有影響業(yè)務(wù)質(zhì)量的70%。

·平臺側(cè)：流媒體服務(wù)器異常，如網(wǎng)卡流量超負荷、應(yīng)用服務(wù)異常導(dǎo)致CPU或內(nèi)存超限，影響服務(wù)器端的發(fā)流。運維數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，平臺側(cè)影響IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)器質(zhì)量的比例占所有影響業(yè)務(wù)質(zhì)量因素的14%。

·終端側(cè)：機頂盒解碼能力不足或緩沖區(qū)太小導(dǎo)致視頻流上溢。

·節(jié)目源：編碼器異常、節(jié)目源制作異常，導(dǎo)致節(jié)目源信號失真。

上述影響因素中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和平臺側(cè)的影響最大，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和平臺側(cè)的影響，在實際的測量上，體現(xiàn)為終端機頂盒收到的視頻流數(shù)據(jù)分組缺失、亂序、時延等，故可通過測量傳輸層分組丟失和抖動的程度衡量IPTV業(yè)務(wù)視頻播放質(zhì)量的優(yōu)劣[1,2]。

2.2 MDI（DF和MLR）測量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量

業(yè)界對傳輸層媒體流傳輸指標（MDI）測量[1,3,4]，用以表示預(yù)期的IPTV視頻質(zhì)量，即最終的用戶服務(wù)質(zhì)量。MDI結(jié)合抖動與數(shù)據(jù)分組丟失情況，判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)質(zhì)視頻的能力，而不考慮編碼方法。MDI測量可作為一種診斷工具或質(zhì)量指標使用，以監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對IPTV節(jié)目視頻流到達時間及數(shù)據(jù)分組丟失敏感的信息。媒體流傳輸指標測量是遍及整個網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)測量，而且可以在視頻源與機頂盒（STB）之間的任意點進行測量。MDI的兩個關(guān)鍵因素如下。

（1）延遲因數(shù)

延遲因數(shù)（DF）是在每個媒體流數(shù)據(jù)分組末端，觀察到的媒體數(shù)據(jù)到達和媒體數(shù)據(jù)送出之間的最大時間差。它假定送出速率為恒定位速率數(shù)據(jù)流的標稱恒定信息流速率或者為可變速率媒體流數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)的分段計算信息流速率。DF是在計算間隔上流速失衡的最大觀測值。此緩沖媒體數(shù)據(jù)以byte為單位，通過表示為在標稱信息流速率條件下將該數(shù)據(jù)送出（或填入）所需的時間（單位為ms）得出DF。

（2）媒體丟失率

媒體丟失率（MLR）可以簡單定義為每秒鐘丟失的或非正常的媒體數(shù)據(jù)分組數(shù)量。對非正常數(shù)據(jù)分組的檢測非常重要，因為許多設(shè)備往往不對接收到的數(shù)據(jù)分組重新進行排序，而直接將其發(fā)送到解碼器。任何數(shù)據(jù)分組丟失（即出現(xiàn)非零MLR時）都會對視頻質(zhì)量帶來不利影響，并造成視覺失真或異常以及不均勻的視頻回放。

2.3 VMOS測量IPTV視頻質(zhì)量

在實際的應(yīng)用中，由于流媒體有些使用TCP承載，分組丟失有重傳；在機頂盒處，可進行緩沖整流后再把流媒體數(shù)據(jù)分組送解碼器，因此在實際應(yīng)用中，測量劣化的MDI（DF和MLR）值，有時難以直觀顯示IPTV業(yè)務(wù)視頻質(zhì)量畫面是否對用戶視覺和聽覺感官有直接影響，因此需要在MDI可測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立一個簡化的、直觀的衡量IPTV視頻質(zhì)量的標準。廣東電信采用VMOS（video mean opinion score）直觀衡量IPTV視頻質(zhì)量，VMOS是視頻質(zhì)量的一種評價標準，分值為0～5，分值越高質(zhì)量越好，反之越差。分值2和3是一個分界點，3表示“還可以”，2表示“勉強”，廣東電信現(xiàn)網(wǎng)VMOS值臨界點折中取2.5，小于2.5的記為質(zhì)量差。

VMOS的算法記為：VMOS值＝基準分－質(zhì)量劣化扣分。其中，基準分由編碼參數(shù)、分辨率、碼流波動參數(shù)計算得到；扣分項由傳輸層MDI（DF和MLR）分組丟失次數(shù)、視頻不同位置的分組丟失的不同影響、視頻幀的損傷比率、錯誤傳播范圍等計算得到。VMOS值每秒計算一個值，得到每秒視頻質(zhì)量優(yōu)劣，將直觀的畫面質(zhì)量用VMOS量化衡量。實測VMOS值對應(yīng)圖像質(zhì)量舉例如圖1所示。

圖1 實測VMOS值對應(yīng)圖像情況

2.4 統(tǒng)計周期內(nèi)IPTV視頻質(zhì)量優(yōu)劣定義

可以認為VMOS是定義瞬時（1 s）的IPTV視頻質(zhì)量，實際上，衡量用戶使用IPTV業(yè)務(wù)，是需要考慮一個時間統(tǒng)計周期維度，如1 h、1天、1周或1月中質(zhì)量的優(yōu)劣，因此，對統(tǒng)計周期內(nèi)視頻質(zhì)量定義如下。

在統(tǒng)計周期中，定義可用率＝100%－（統(tǒng)計周期播放視頻出現(xiàn)質(zhì)量差（VMOS<2.5）的時間（s）總和/統(tǒng)計周期播放視頻總時長）×100%，若可用率≤95%，則記該用戶在統(tǒng)計周期中視頻質(zhì)量差，反之則視頻質(zhì)量優(yōu)良。

舉例：忙時（20:00-21:00），用戶張三，看了49 min視頻，其中178 s出現(xiàn)VMOS≤2.5，則該用戶可用率＝100%－178/(49×60)×100%＝93.9%，因此認為該用戶忙時出現(xiàn)視頻質(zhì)量差。如果某分公司忙時有1 200個用戶出現(xiàn)質(zhì)量差，忙時有60 000個用戶觀看過，則認為該分公司質(zhì)量率＝1 200/60 000×100%＝2.0%。

3 廣東IPTV服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)部署現(xiàn)狀

為使系統(tǒng)的部署符合集約化運維和節(jié)能減排的原則，經(jīng)過充分研究和論證，廣東IPTV服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控（SQM）系統(tǒng)基于VMOS原理，采用B/S架構(gòu)部署。同時SQM探針采用和現(xiàn)網(wǎng)流媒體服務(wù)器（HMS）合設(shè)的模式，且每個SQM探針規(guī)劃不超過50 Mbit/s的帶寬資源占用，確保既能達到IPTV質(zhì)量監(jiān)測的目標又不影響HMS自身性能和無需新購置獨立硬件探針需求。

截至2012年9月，在廣東IPTV省中心、地市區(qū)域和地市邊緣節(jié)點分布式部署了2 000多臺軟件探針，用于檢測HMS側(cè) 節(jié) 目 源VMOS值；同 時，在 現(xiàn) 網(wǎng)200多 萬EC1308和EC2108系列機頂盒部署了軟件探針，采集機頂盒處的VMOS值，整合得出全網(wǎng)的IPTV業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量，系統(tǒng)已于2011年底在全省21家分公司推廣使用。

4 廣東IPTV SQM在實際生產(chǎn)應(yīng)用中取得的成效

4.1 及時發(fā)現(xiàn)故障，發(fā)揮主動運維優(yōu)勢

使用SQM系統(tǒng)，在IPTV質(zhì)量發(fā)現(xiàn)異常時進行告警，平臺管理員及時干預(yù)處理故障，在IPTV用戶報障前先行解決問題以保障用戶體驗質(zhì)量，體現(xiàn)了SQM系統(tǒng)在IPTV運營中主動運維的成效。

例1：SQM系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)分公司IPTV質(zhì)量差用戶比例偏離全省平均水平，較異常時，自動進行告警，監(jiān)控部門通知IPTV管理員確認并解決問題。如2012年9月9-15日，廣東電信通過SQM系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決5例故障，見表1。

例2：使用SQM系統(tǒng)，統(tǒng)計全省質(zhì)量差用戶，分析速率不達標數(shù)據(jù)，下發(fā)分公司針對性開展端口速率、線路質(zhì)量整治，持續(xù)提升用戶體驗質(zhì)量。

4.2 廣東IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量提升效果

2011年9 月份以來，全省開展針對互視業(yè)務(wù)不達標端口速率整治、承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置優(yōu)化、平臺優(yōu)化等一系列專項整治工作，廣東IPTV視頻質(zhì)量優(yōu)良率從2011年94.9%提升至2012年9月份的97.8%，整治效果較明顯，如圖2所示。

2012年8-9 月，SQM系統(tǒng)監(jiān)測顯示廣東全省互視視頻質(zhì)量周平均優(yōu)良率在97%～98%；珠三角片區(qū)地市視頻質(zhì)量靠前、整體質(zhì)量較穩(wěn)定；粵西、粵北地市視頻質(zhì)量波動略大，如圖3所示。

5 結(jié)束語

IPTV是一種端到端業(yè)務(wù)，涉及終端機頂盒、承載網(wǎng)、CDN平臺、頭端播控系統(tǒng)和節(jié)目源多個環(huán)節(jié)。由于各環(huán)節(jié)由不同的廠商提供設(shè)備技術(shù)方案，IPTV端到端缺乏有效的業(yè)務(wù)質(zhì)量統(tǒng)一監(jiān)控手段，無法進行高效的用戶故障投訴處理和質(zhì)量運維預(yù)警，影響了IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展。本文提出IPTV服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控指標體系，并在廣東建設(shè)IPTV SQM系統(tǒng)，在生產(chǎn)實踐中，利用SQM系統(tǒng)對現(xiàn)網(wǎng)IPTV質(zhì)量進行了一年多的監(jiān)測，挖掘并解決系列影響廣東IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量的“疑難雜癥”，使廣東IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)良率從94%提升至97.8%，實際證明了SQM系統(tǒng)的有效性以及對IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量提升有較大的作用。計劃未來把EPG操作的響應(yīng)、頻道切換響應(yīng)速度等系列用戶體驗質(zhì)量指標逐步納入SQM系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，推動IPTV業(yè)務(wù)體驗質(zhì)量進一步提升。

表1 SQM系統(tǒng)主動運維案例

圖2 2011-2012年廣東IPTV視頻質(zhì)量變化趨勢

圖3 2012年8-9月廣東各地市IPTV視頻質(zhì)量優(yōu)良率

1 陳玉花，張治中，杜西亞.IPTV測試儀測試指標提取方案研究.電視技術(shù)，2009（2）

2 李穎姝.IPTV服務(wù)視頻質(zhì)量客觀評估方法的研究.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

3 RFC4445.A Proposed Media Delivery Index(MDI),2006

4 Schwarz H,Marpe D,Wiegand T.Overview of the scalable video coding extension of the H.264/AVC standard.IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2007,17(9):1103～1120