基于评价策略的无线局域网音视频传输QoE研究

马 艳，何小波，陈方方

(重庆医科大学现代教育技术中心，重庆 400016)

0 引言

在技术进步、市场竞争的背景下，多媒体类业务得到了迅猛发展，该类业务具有较高的QoS要求，对带宽、时延敏感。受无线信道动态时变、无线媒介竞争共享等多种因素影响，不受控制的网络的多媒体用户体验质量(quality of experience，QoE)较差，如何在无线网络资源不足的情况下，向更多用户提供可被接受的弹性多媒体业务是很有意义的课题。影响QoE的因素主要分为3个方面:端到端的网络QoS、中间媒体的透明性以及影响用户期望、特殊体验等相关的主观因素。QoE的好坏与用户本身的背景、经验和期望有关。不同的应用业务也具有不同的QoE指标和期望值，可以从服务的可靠性和舒适性2个尺度作为其衡量标准［1］，其中，可靠性指标，即关键性能指标(key performance indicators，KPI)主要由端到端的QoS来进行保证，KPI是一组用来衡量端到端网络关键性能的指标，这些指标可以描述网络提供给终端用户的服务等级。包括网络的可用性(通过客观指标来定义)、可用带宽和有效带宽、时延和抖动、误比特率、数据包丢失率等，也包括服务功能的实现能力、服务功能的实现度、服务的到达时间、服务的连续持续性或中断率等。舒适性指标，即关键质量指标(key quality indicators，KQI)，侧重于用户的主观感受，涉及的是应用和业务层面。不同的应用和业务，相对应的KQI可能不同，被定义为一组可以进行测量和监控的QoS参数，包括的范围更大，跟具体业务关系更紧密，如传输质量、网络和业务的可用性、支持级别等。实现过程可以描述为通过对KPI指标的量化，网络可以实现不同应用和业务的KQI，从而可以满足应用和业务的客观QoS要求，QoS最终实现终端用户的QoE。QoS与QoE关系可以用图1表示。

图1 QoS与QoE关系Fig.1 Relationship between QoS and QoE

QoE的概念是ITU为研究语音通话而提出的，但笔者认为QoE的概念也适用于视频传输，是在QoS的基础上发展而来的，网络QoS参数调度的合理性直接影响用户QoE体验的好坏。文献［2］也试图从QoE的角度出发来探求QoS参数到QoE用户体验的映射方法。

目前针对网络QoS的研究多限于端到端的网络QoS、中间媒体的透明传输2个方面。研究热点有物理层的信噪比(noise signal ratio，SNR)、误比特率(bit error rate，BER)、信道功率分布强弱等参数;针对链路层的研究［3－4］，有链路接入的公平性研究、切换、跨链路和物理层对资源分配自适应建模等;针对应用层的研究，多涉及具体的业务，如对音视频传输的研究，常考虑编码算法的压缩率、传输的误码率以及传输的实时性。笔者就曾对H.264视频传输的QoS进行研究［5］，探讨802.11环境下视频实时传输QoS自适应机制的改进。

综上所述，目前针对QoE的研究多体现在QoS层面，即影响QoE的前2个因素上，较少考虑用户的感受。为了验证实验室主研标准［6］中涉及的WVphone终端的通信效果，寻求一种合适的策略，在研发阶段能较好地预测用户体验是很必要的。

1 QoE评价策略研究现状

随着通讯业务的多样化发展，网络业务链条持续增长，业务种类不断增多，业务模式日趋多样，这些都给用户需要从网络上获得较好的QoE体验带来挑战和阻碍。

目前针对QoE的研究多停留在方法论上，文献［7］考察用户体验质量QoE时，使用了2个周期考察视频业务关键质量指标的权重，引入了“用户投诉”这一非技术因素来较正用户较为关心的技术指标，该方案减少了技术人员的工作量，但在很大程度上要求部署可靠，对体验用户也提出了较多的要求，真正实施起来难度较大。文献［8］提出了服务质量改进系数的概念，给出了需要改进的企业服务质量属性的次序，角度侧重企业管理，有一定的借鉴意义。文献［9］对基于统计学的评价方法、基于心理学的评价方法、基于人工智能的评价方法以及基于随机模型的评价方法进行了综述，但并没有给出具体的实施策略。

上述针对QoE评价策略的研究多体现在方法论的层面，甚少涉及实际的应用。为获得较好的用户QoE体验，寻求能反映用户对业务和网络质量感知的合理参数较为重要。笔者在参阅大量文献的基础上，对实验室自主研发的无线局域网可视电话(wireless local area networks video，WVphone)终端中的音视频传输所涉及的诸多参数进行了研究，结合层次分析评价模型，获取影响用户满意度的业务质量指标的权重关系，根据重要指标设计的算法在有背景流量的情况下，在WVphone终端上进行了测试，结果表明，WVphone终端音视频传输相比之前具有较好的QoE性能体验。

2 用户感知指标定义

本课题主要研究WVphone系统中音视频传输的效果，则用户体验质量QoE可以定义为音视频传输效果。影响无线传输系统质量的基本参数如表1所示。

表1 影响无线传输系统质量的基本参数Tab.1 Basic parameters affecting the quality of wireless transmission system

2.1 KQI指标的定义

根据图1可知，QoE的业务质量评价架构是一个3层的模型，为达到WVphone体验效果这一QoE目标，结合表1，定义KQI指标为音视频流畅A1，音视频不失真A2，音视频同步A3共3个参数。

2.2 KPI指标的定义

参考图1及表1，使用表2中定义的KQI指标考察WVphone音视频体验效果QoE时，影响具体QoS的参数很多，考察WVphone终端在基本服务集(basic service set，BSS)中移动时，排除数据链路层的“切换过程”产生的相关参数信息，综合考虑其他参数对上层的影响作用，最终选择4个参数定义待考察的KPI指标为丢包率B1，延时B2，抖动B3，误码率B4。

3 影响QoE的KPI权重评价

3.1 层次分析法的步骤

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法，它把研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，成为继机理分析、统计分析之后发展起来的系统分析的重要数学工具。层次分析法的步骤如下。

1 )建立层次结构模型。层次结构模型一般建为3层:第1层为目标层，表示解决问题的目的;第2层是准则层或指标层，表示衡量实现目标的标准，可以是实现目标的各种措施、方案、政策等;第3层为方案层，是指解决问题的方案及措施。

2 )构建成对对比矩阵。比较同层各因素对上层各因素的影响，确定它们在上层因素中所占的比重。成对对比比较矩阵是层次分析法的数量依据，常根据决策者的直觉、经验、知识给比较的结果取相应的尺度，一般引用数字1－9及其倒数1，1/2，…，1/9作尺度，它们代表的含义如表2所示。

表2 尺度aij取值及含义Tab.2 Scale aij value and meaning

3 )层次单排序及一致性检验。确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。有了成对比较矩阵，希望通过它找出各因素对上层某目标的重要性的一个权排序值。如果成对比较矩阵A的最大特征根λ与阶数n一致，则把它的列向量，即最大特征根对应的特征向量标准化，得到各个因素对上一层目标的权向量;否则λ＞n，大得越多，A的不一致性越严重，进而造成的误判程度也越大。定义一致性指标为

不一致程度的容许范围是通过平均随机一致性指标RI来确定的，RI的取值如表3所示。

表3 随机一致性指标Tab.3 Random consistency index

定义一致性比率为

规定CR＜1时，A的不一致程度在允许范围内，可用其最大特征值对应的标准化特征向量做权向量，否则需重新调整A。

4 )层次总排序及一致性检验。确定某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程，称为层次总排序。

若CR＜0.1，则检验通过，可按照总排序权向量的结果进行决策，否则，需重新考虑模型或重新构造那些一致性比率CR较大的成对比较矩阵。

3.2 影响QoE的KPI权重计算

参考图1，由KQI及KPI的定义，建立了如图2所示的WVphone层次模型，借助层次分析法，最终计算出了影响QoE的各KPI的权值，为后续WVphone间端到端的QoS设计提供了依据。

图2 WVphone层次模型Fig.2 WVphone hierarchicalmodel

根据层次分析法要求，设定用户体验质量QoE为总目标S，据KQI定义准则层A的因素为A1，A2，A3，据 KPI定义方案层 B 的因素为 B1，B2，B3，B4。

方案层对准则层的成对对比矩阵依次为A1，A2，A3，准则层对目标层的成对对比矩阵可以表示为S。经过反复修改验证，对图2中的层次模型构建成对对比矩阵为

准则层对目标层的层次单排序及一致性检验:矩阵S的最大特征根λ=3.003 7，该特征值对应的归一化特征向量 w={w1，w2，w3}={0.122，0.230，0.648}。据(1)式得一致性指标CI=0.001 9，查表3得随机一致性指标RI=0.58，根据(2)式得一致性比率CR=0.003 3＜0.1，通过一致性检验。

对矩阵A1，A2，A3，先求方案层对准则层的层次单排序CIk(k取值1－3)，并对单排序结果作一致性检验CRk，结果如表4所示。其中，λk是Ak的最大特征根，vk是λk对应的最大特征向量。

表4 单排序一致性检验Tab.4 Single order consistency test

则方案层B中因素B1，B2，B3，B4对总目标 S的影响权重为 p={0.522，0.216，0.212，0.050}，那么影响WVphoe体验效果这一QoE的各KPI参数的权重也可以表示为p。从各参数权值比较可知，丢包率对音视频影响最大，占全部权重的一半还要偏多，延时及抖动相对较少，误码率的影响相对较低。

笔者依据上述KPI参数权重的排序，设计了适用于WVphone音视频传输的算法，算法优先考虑丢包率的影响，限于篇幅，这里直接对算法的有效性进行验证。

4 测试平台搭建与实验结果分析

4.1 软件测试平台搭建

终端系统测试的网络拓扑结构如图3所示。测试环境由多台均插有无线局域网卡的PC机、2台实验室自主研发的WVphone终端、TL－WA501G+无线接入点及实验室自主研发的嵌入式会话发起协议(session initiation protocol，SIP)服务器组成，其中，2台PC机通过串口线与WVphone终端的调试板连接在一起。WVphone1及WVphone2终端首先进行SIP注册，然后发起呼叫请求，经认证服务器鉴别认证其可信身份后，2终端发起会话。其他的PC机作为流量生成器用于产生背景流量，两两间传送固定长度的数据包，有规律地对WVphone间通话进行干扰。

图3 测试拓扑图Fig.3 Topological test images

基本测试环境的搭建包括各终端的参数配置和服务器的架设等。其中，服务器的架设在本系统的开发初期已经完成。此处的搭建工作主要是设备地址分配。将WVPhone1与WVphone2分别挂在到PC1与PC2上，并配置好IP地址。本测试中，设备均接入到TL－WA501G+无线接入点 TP－LINK_02F6B8 上。

系统测试主要在挂载到PC上的2个WVphone之间进行，将调试好的系统程序移植到WVphone平台上实时地检测音视频传输整体效果，WVphone通信过程中产生的实时控制信息通过串口线显示于接收端PC上，一些经计算产生的丢包率、延时、抖动等信息将被导入到相应的.txt文件中，以便于评价系统的性能。

4.2 实验结果分析

由WVphone1向挂载到PC2上的WVphone2发起呼叫，运行过程中，根据实时传输控制协议(realtime transport control protocol，RTCP)的发送端报告(sender report，SR)及接收端报告(receiver report，RR)中的报文信息计算得到的丢包率、时延以及抖动信息，依次输出到/mnt/nfs/result目录下的plcontrol.txt，delay.txt以及 jetter.txt中，将运行过程中实时产生的数据与未做QoS控制时的数据在matlab7.0中对比分析，产生如图4 a—图4c所示结果。可以清晰地看到，QoS控制后，WVphone间互通的丢包率、时延、抖动明显降低。

图4 系统控制前后QoS指标对比Fig.4 Comparison of QoS index between system controlled and before

控制策略保障QoS前后，WVphone终端的通信效果对比如图5所示。QoS保障前，存在色差和马赛克现象，QoS保障后，图像清晰流畅，具有实时、高清的QoE效果，通信效果直接说明本文的策略是有效的。

图5 保障QoS前(左)后(右)QoE对比Fig.5 QoE comparison between guaranteed QoSand before

5 结束语

本文在研究QoS与QoE关系的基础上，参阅了QoE评价策略研究现状，结合实验室自主研发的WVphone终端，搭建了合理的实验环境，验证了根据权重关系设计的、针对WVphone端到端传输的QoS控制策略的有效性。笔者的论文是在无线局域网的实际环境下完成的，创新性地考虑到了音视频传输涉及的技术和用户体验2个层面，有助于缩短开发周期，对该环境下的实际应用开发有一定的参考意义。

［1］张登银，冯波.MMS业务的QoE定义与测量［J］.计算机技术与发展，2010，20(5):167－170.

ZHANG Dengyin，FENG Bo.Definition and measurement of QoE in MMS［J］.Computer technology and development，2010，20(5):167－170.

［2］王再见，董育宁，张晖，等.一种异构网络多媒体业务QoS类弹性映射方法［J］.电子与信息学报，2013，35(3):709－714.

WANG Zaijian，DONG Yuning，ZHANG Hui，et al.An elastic QoS classmappingmethod formultimedia traffic in heterogeneous wireless networks［J］.Journal of Electronics ＆ Information Technology，2013，35(3):709－714.

［3］JIN Yong，BAIGuangwei，CHANG Jinyi.An Adaptive Cooperative Error Control Mechanism Based on QoS and Distance Aware［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2013，36(2):102－106.

［4］WEILi，JING Zhong，GULLIVER T A.Mode transfer architecture and cross layer design for connection aware applications in wireless communication systems［C］//IEEE.Electrical and Computer Engineering(CCECE)，2010 23rd Canadian Conference on.Ottawa:Springer，2010:1－5.

［5］龙昭华，马艳，张林，等.一种跨层视频传输QoS控制策略的研究［J］.重庆邮电大学学报:自然科学版，2011，23(5):580－584.

LONG Zhaohua，MA Yan，ZHANG lin，etal.Research on control strategy of across－layer QoS about video transmission［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2011，23(5):580－584.

［6］宽带无线IP标准工作组标准.CBWIPS/Z 0052012，无线局域网可视电话技术规范［S］.北京:CBWIPS，2012.

The standard of broadband wireless IP standard working group.CBWIPS/Z0052012，Technical specification for wireless LAN videophone［S］.Beijing:CBWIPS，2012.

［7］金渝，林校林，李雪松.用户体验质量评估模型及KQI权重计算方法［J］.计算机工程，2013，39(2):311－316.

JIN Yu，LIXiaolin，LIXuesong.Quality of Experience AssessmentModel and KQIWeight Calculation Method［J］.Computer Engineering，2013，39(2):311－316.

［8］张学昌.服务质量改进评估模型研究［D］.湖南:湖南大学，2011.

ZHANG Xuechang.A Study on the Service Quality Improvement Evaluation Model［D］.Hunan:Hunan University，2011.

［9］林闯，胡杰，孔祥震.用户体验质量(QoE)的模型与评价方法综述［J］.计算机学报，2012，35(1):1－15.

LIN Chuang，HU Jie，KONG Xiangzhen.Survey on Models and Evaluation of Quality of Experience［J］.CHINESE JOURNAL OF COMPUTERS，2012，35(1):1－15.

(编辑:王敏琦)