基于離群點(diǎn)算法的IPTV 分段隱患檢測方法*

王勇輝，廖偉全，葉連響，江 圣，譚旺生

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司韶關(guān)分公司，廣東 韶關(guān) 512099）

0 引言

隨著各電信運(yùn)營商交互式網(wǎng)絡(luò)電視（Internet Protocol Television，IPTV）業(yè)務(wù)的普及，IPTV 業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求越來越高。電信運(yùn)營商IPTV 業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量主要影響因素有內(nèi)容源、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）、IP 城域網(wǎng)、GPON 網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)容源、CDN 以及IP 城域網(wǎng)由于影響較大，且監(jiān)控和保護(hù)機(jī)制完善，較容易判斷問題并處理。但是，接入層故障則更貼近用戶層級，現(xiàn)階段運(yùn)營商主要通過SQM 系統(tǒng)和機(jī)頂盒部署的軟探針來獲取電視卡頓時(shí)長占比來進(jìn)行分析。電視卡頓時(shí)長指標(biāo)可以獲取單個(gè)用戶是否發(fā)生卡頓，但并不知道引起電視業(yè)務(wù)花屏和卡頓的問題段落，導(dǎo)致處理故障或投訴處理時(shí)增加了處理時(shí)間，效率不高。

為保障IPTV 質(zhì)量，出現(xiàn)根據(jù)視頻包內(nèi)I、B、P 幀重要性的IPTV 的QoS 保障措施[1]，也有對接入層鏈路自動(dòng)均衡的保障措施[2]，有對用戶軟探針獲取的電視卡頓數(shù)據(jù)進(jìn)行分層聚類分析的方法[3]，同時(shí)有在各層級進(jìn)行監(jiān)測并開展全局優(yōu)化[4-5]。然而上述方法均較復(fù)雜，或聚焦單點(diǎn)不利于全面部署。現(xiàn)階段離群點(diǎn)檢測算法常用于數(shù)據(jù)挖掘和處理[6-7]，但與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量相結(jié)合的應(yīng)用較少。本文主要通過在運(yùn)營商內(nèi)網(wǎng)部署服務(wù)器主動(dòng)探測到OLT、ONU、STB 各段落時(shí)延和丟包數(shù)據(jù)，利用單邊離群點(diǎn)算法計(jì)算LOF 值并進(jìn)行分層，精確判斷問題段落點(diǎn)，以提高問題處理效率。

1 IPTV 業(yè)務(wù)承載情況

IPTV 是端到端業(yè)務(wù)，包含內(nèi)容源、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）、IP 城域網(wǎng)、GPON 網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)，本文主要聚焦于BNG 以下的接入層網(wǎng)絡(luò)。以廣東某運(yùn)營商為例（如圖1 所示），IPTV 業(yè)務(wù)通過機(jī)頂盒（Set Top Box，STB）到ONU，然后經(jīng)過分光器到達(dá)OLT，OLT 最后雙上聯(lián)到BNG 及上層網(wǎng)絡(luò)。

圖1 某運(yùn)營商城域網(wǎng)BNG 到STB 流程示意

2 IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)化研究與應(yīng)用

2.1 IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量分析

有線家庭寬帶業(yè)務(wù)主要有家寬上網(wǎng)和IPTV 業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流如圖2 所示。其中，IPTV 業(yè)務(wù)通過機(jī)頂盒（STB）到ONU，后經(jīng)過分光到達(dá)OLT，最后上到BNG 及上層網(wǎng)絡(luò)。任一段網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量波動(dòng)都會(huì)對電視質(zhì)量產(chǎn)生影響，且較難判斷問題段落。

圖2 IPTV 業(yè)務(wù)流程

隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控手段的逐漸優(yōu)化，BNG 以上問題可以迅速被發(fā)現(xiàn)并予以處理，但從家庭網(wǎng)絡(luò)到BNG問題仍有待挖掘。本文旨在先于投訴發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隱患，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)質(zhì)差挖掘、質(zhì)差網(wǎng)元識別等功能，達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)滿意度的目的。

2.2 基于離群點(diǎn)算法的IPTV/家寬分段隱患檢測方法

為了更清楚地了解基于離群點(diǎn)算法的IPTV/家寬分段隱患檢測技術(shù)方案，下面將對該方法進(jìn)行簡單介紹。

2.2.1 分段時(shí)延采集

通過運(yùn)營商綜資等系統(tǒng)收集用戶歸屬的BNG、OLT、ONU、STB，但由于用戶的ONU 和STB 的IP地址是自動(dòng)分配（會(huì)變化）的，需要登錄BNG 獲取用戶的實(shí)時(shí)ONU 和STB 地址，然后進(jìn)行ping 測試。OLT 的IP 地址固定可實(shí)時(shí)ping。考慮用戶量多，為減少采集時(shí)間，進(jìn)一步提升程序執(zhí)行效率，引入threading 模塊將系統(tǒng)改為多線程。為進(jìn)行聚類，對不在線用戶的時(shí)延默認(rèn)設(shè)為300，丟包設(shè)為100。部分采集結(jié)果如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

2.2.2 離群點(diǎn)分析

離群點(diǎn)是一個(gè)數(shù)據(jù)對象，明顯不同于其他數(shù)據(jù)對象，好像它是被不同的機(jī)制產(chǎn)生的一樣。有時(shí)也稱非離群點(diǎn)為“正常數(shù)據(jù)”，離群點(diǎn)為“異常數(shù)據(jù)”。本方案采用LOF（Local Outlier Factor）算法實(shí)現(xiàn)。

LOF 算法全稱局部異常因子，是一種基于距離的異常點(diǎn)檢測算法。用視覺直觀的感受，如圖4所示，C1和C2是兩類，而O1和O2則是相對孤立的離群點(diǎn)。本算法的目標(biāo)就是找到這類點(diǎn)。對本文而言，這類點(diǎn)就是時(shí)延和丟包率與平均值相關(guān)性小的點(diǎn)。

圖4 LOF 算法異常檢測效果

2.2.3 隱患段落判斷

下面介紹局部離群因子（Local Outlier Factor）。p的局部離群因子可以表示為：

它表示點(diǎn)p的鄰域點(diǎn)N°k°(p)°Nk(p)的局部可達(dá)密度與點(diǎn)p的局部可達(dá)密度之比的平均數(shù)。這個(gè)比值越接近t，說明p的鄰域點(diǎn)密度差不多，p可能和鄰域同屬一簇；這個(gè)比值越小于t，說明p的密度高于其鄰域點(diǎn)密度，p為密集點(diǎn)；這個(gè)比值越大于t，說明p的密度小于其鄰域點(diǎn)密度，p越可能是異常點(diǎn)[6]。

2.2.4 現(xiàn)場處理

通過算法計(jì)算出BNG 到OLT、ONU、STB 之間的LOF 值?？紤]到上層問題會(huì)產(chǎn)生疊加影響，本方法主要從上至下進(jìn)行離群點(diǎn)判斷，并分析和輸出隱患核查表（如圖5 所示）。它主要由客戶服務(wù)人員核查相關(guān)設(shè)備情況，針對家庭網(wǎng)絡(luò)問題安排人員上門處理，暫時(shí)無法上門則優(yōu)先申請重啟ONU 與STB 進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 隱患檢測方法核查表

2.3 IPTV 業(yè)務(wù)隱患檢測方案測試比較

為驗(yàn)證基于離群點(diǎn)算法的IPTV 分段隱患方法的有效性，本方法應(yīng)用于廣東某運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)，相關(guān)的應(yīng)用情況總結(jié)如下。

選取一個(gè)OLT 進(jìn)行測試，經(jīng)系統(tǒng)檢測有22 個(gè)用戶存在質(zhì)差，然后上門進(jìn)行處理或重啟，解決20個(gè)質(zhì)差用戶，處理命中率達(dá)91%。經(jīng)分析和處理后（如圖6 所示），該OLT 設(shè)備下帶的故障用戶占比（0.06%＜卡頓時(shí)長占比＜5%）下降了4.65%，嚴(yán)重故障用戶（卡頓時(shí)長占比≥5%）占比下降0.5%，同時(shí)OLT 下帶的所有用戶卡頓時(shí)長占比下降了0.3%。對比前后處理結(jié)果，OLT 下帶的故障用戶與卡頓時(shí)長占比都得到了優(yōu)化。

圖6 處理前后質(zhì)差指標(biāo)比較

經(jīng)過試用協(xié)同，廣東某地市運(yùn)營商的電視卡頓時(shí)長占比指標(biāo)從0.07%下降到0.02%，整體忙時(shí)電視播放優(yōu)良率指標(biāo)從93.19%提升到97.87%，效果明顯，分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 電視卡頓時(shí)長占比

圖8 整體忙時(shí)電視播放優(yōu)良率

3 結(jié)語

隨著各運(yùn)營商積極開展IPTV 業(yè)務(wù)，在這個(gè)過程中不可避免會(huì)遇到IPTV 業(yè)務(wù)卡屏、花屏和黑屏問題。本文從端到端角度對影響IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量的因素進(jìn)行了分析，提出了基于離群點(diǎn)算法的IPTV分段隱患檢測方法來提升IPTV 用戶感知。在廣東某地市運(yùn)營商實(shí)踐中，本方案可以迅速輸出隱患段落，減少不必要的人力成本和重復(fù)勞動(dòng)，提高運(yùn)維效率。通過提前預(yù)判和發(fā)現(xiàn)隱患，提高網(wǎng)絡(luò)健康度，同時(shí)提高用戶感知。本方案應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了IPTV 業(yè)務(wù)質(zhì)量的改善，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。