IPTV中增强的QoE技术分析与研究

高 勇，刘国辉

(武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074)

全球IPTV将快速发展，据MRG研究公司报告，全球IPTV用户数到2014年将达到1.02亿，年均增长率为25%。MRG预计，到2014年，IPTV市场利润将达到460亿美元［1］。随着国内三网融合的不断推进，网络运营商纷纷利用自己的宽带网络推出IPTV业务。但是，在实际运营中，由于受到网络损害的影响，IPTV媒体质量常常会打折扣。数据包延迟、数据丢包等现象，将导致图像出现不清晰、马赛克等问题，这些都严重影响了视频播放质量。IPTV业务本身对丢包/误包敏感，轻微的丢包/误包也会严重影响视频的体验质量。如果运营商不能提供高质量的服务，用户将转投其他运营商，用户的流失意味着运营商收益的减少，甚至可能导致运营商亏损，因此，用户体验质量保障对于运营商来说至关重要。

1 影响IPTV用户体验的因素分析

在IPTV中，视频直播采用Multicast(组播)方式，视频点播采用Unicast(单播)方式，通常用这两种方式来提供流媒体业务。但是，这两种方式对实时性和时延敏感度的要求不同。由于视频直播业务是单向式流媒体传送，因而实时性要求和对数据包时延的敏感度都高于视频点播业务。往往为了减少网络传输压力，直播频道采用多播发送，这使得直播频道切换需要更长的时间，比起传统电视就显得更慢。由表1所示，视频直播、点播的丢包率和误包率为10－6，IPTV业务对丢包/误包敏感，轻微的丢包/误包会严重影响视频的体验质量，让用户觉得IPTV比不上传统有线电视，导致用户转投其他运营商，故运营商需要针对IPTV业务保障端到端服务质量。

表1 IPTV业务QoS要求

根据行业的研究数据，IPTV业务的端到端QOS经验值要求如表1所示。

2 增强的QoE技术方案分析

为了避免承载网带来的影响，保障IPTV用户高质量体验，增强的QoE技术主要从影响IPTV用户体验的主要因素出发，采用正对性的方法解决用户高峰期带宽不足的问题，减少频道切换过程中的延时以及解决帧在传输过程中的丢失问题，以防止用户接收端出现画面马赛克、不流畅甚至停滞的现象。

2.1 避免拥塞

运营商在部署IPTV业务时，考虑到投资成本，并不会按照最大带宽需求对承载网进行规划，只能做到在大多数情况下能很好地满足用户需求。但是用户数量会出现动态变化，在一些特殊时段，会出现用户高峰，VOD的并发率会上升，实际带宽需求可能会超越规划带宽。另外，随着HD的用户比例上升，用户需求带宽可能会超越实际网络能力，导致网络拥塞，进而降低用户体验。

关于解决网络拥塞的问题，目前已经有人提出过一些拥塞反馈机制和流量调节方案，这些方法对于解决网络拥塞有一些作用，但它也只能解决用户级的拥塞。呼叫准入控制(CAC)是一种有针对性的解决方案。呼叫准入控制根据管理网络资源来确定潜在的拥塞点是否可用，当资源不足以满足需求时，网络会智能地拒绝其他接入请求，以保证现有资源满足需求。

由于承载网络类型和拓扑具有多样性，IPTV业务单元将直接面临网络的复杂性，增强的QoE技术方案，提供如图1所示的统一网络资源管理。这是一种独立的网络单元，可降低承载网络的复杂性，业务层只需要和一个逻辑单元交互即可完成呼叫准入控制。

图1 统一网络资源管理工作过程

图1显示了统一网络资源管理的工作过程:终端用户请求IPTV应用开始一个新的VOD会话，IPTV应用向统一网络资源管理请求会话需要的承载网资源，统一网络资源管理接收到请求后，根据带宽、QoS等请求参数，在传输层分配相关的网络资源，此次会话请求被接纳，传输层按照统一网络资源管理下发的策略保证该会话的带宽和QoS。

统一网络资源管理采用通用的资源策略模型和网络拓扑管理，可以适用于多种网络架构和技术。作为IPTV业务应用的单一接触点，统一网络资源管理屏蔽了网络细节和复杂的拓扑。统一网络资源管理是拓扑感知和用户感知的，拓扑感知可以为每个会话提供最佳路径，保证网络资源的最大化利用，同时统一网络资源管理可以动态感知IPTV用户的注册，并且自动将其IP标示与具体的物理网络资源映射。

统一网络资源管理是一个标准化的系统，它完全兼容ETSI/TISPAN标准，ETSI/TISPAN定义在多业务网络中，多种应用程序可以共享承载网络，将传输和网络的业务控制从应用中分离出来，可以有效地简化应用的逻辑，为实现这种分层方式，TISPAN定义动态资源接入控制网元(RACS)来完成对网络资源的统一管理。统一网络资源管理完成了ETSI/TISPAN定义的RACS系统功能，同时通过标准的接口，统一网络资源管理可以和不同的业务组件和承载网络进行交互。

2.2 减少频道切换时间

用户对频道的可靠性和和频道响应时间有很高的期望，在实际调查中发现，用户可接受的直播频道切换时间为1 s以内，可接受的VOD切换时间10 s以下。相比于传统的有线电视网，频道切换非常快，用户体验比较好，所以IPTV提供的直播业务应尽量减少时延，加快频道切换速度才有竞争优势。

影响IPTV频道切换时间的因素有很多，比如各种网络传输和交换设备的性能，信令在网络中交互产生的时延，这些是决定频道切换时间的主要因素。网络传输和交换设备主要包括STB(Set Top Box)、Router和Switch等。对于机顶盒而言，其内部对于频道切换命令的处理、媒体流缓冲、压缩媒体流解码等都会引起时延;网络信令时延主要由组播协议机制引起［2］。IPTV频道切换时间主要由以下指标决定:1)组播信令时延，即网络设备，如路由器、接入服务器等，完成IGMP信令处理的时间。2)I帧获取时延。为节约带宽，IPTV采用压缩算法发送媒体流，压缩媒体流中包括I帧、B帧和P帧类型，I帧获取时延是机顶盒收到第一个媒体包后到检测到第一个I帧所经历的时间。3)机顶盒解码时延。机顶盒加入多播组后，开始接收MPEG－2 TS媒体流，机顶盒显示新频道图像之前，必须等待以获取频道信息(PAT、PMT等)，解码器每0.5 s接收一次PAT信息。此外，还有组播加入时延和离开时延。

如图2所示，增强的QoE提供FCC(Fast Channel Change)快速频道切换技术，在频道切换过程中，FCC技术可以减少STB解码时延和I帧获取时延。

图2 快速频道切换技术

图2所示为快速频道切换技术方法。IPTV系统中的FCC服务器接收从头端来的频道的Multicast Flows(多播流)，并将这些Multicast Flows缓存1～5 s。当用户切换频道时，机顶盒加入新的多播组，并同时向FCC服务器发送请求消息，请求新频道的单播流，FCC服务器收到请求后，将缓存的新频道数据快速单播给机顶盒，机顶盒将新频道的IP包输入到缓存器。单播流以IDR帧(IDR帧属于I帧)开始，且传输速率大于多播流的传输速率，最终追上多播流数据，此时，STB切换到多播流接收状态，此次频道切换结束。服务器检查用户应当获得了其申请的频道。在解码器从IP包中提取MPEG视频码流和解码之前，MPEG解码器必须先等待新频道的I帧，而机顶盒在收到组播UDP包后，能快速找到PSI信息和IDR帧进行解码，极大地缩短了频道切换时间。采用快速频道切换技术，运营商可以有效地将用户频道切换时间降低到1 s内。另外，每个电视频道都需要唯一的MPEG码流。切换频道时，电视机或机顶盒需要从服务器申请新的频道。如果几台电视机共用同一个频道，则它们共享同样的码流。

TISPAN和IETF都针对快速频道切换提出了相关的规范，快速频道切换技术完全遵循这两种规范，FCC服务器采用标准的RTP/RTCP协议与机顶盒通信，可以很好地兼容第三方机顶盒。同时，FCC服务器支持分布式部署，运营商可以根据用户规模逐步部署，有利于运营商很好地控制投资和运维成本。

2.3 解决丢包问题

宽带接入网主要完成用户到城域网的连接，IPTV支持FTTH接入、FTTB+LAN接入、ADSL接入、HFC/Cable Modern接入、WLAN无线接入等接入方式［3］。由于DSL接入成本低廉、投入少，绝大多数运营商使用DSL来完成IPTV最后一公里的接入，但大多数DSL丢包率或误包率常常超过10－4，在QoS方面很难达到IPTV的要求，这会大大降低IPTV用户的体验。无论是向种视频丢包，如果没有适当的视频解码补偿或者丢包重传机制，视频播放质量会出现不同程度的下降［4］。

在表1中可以看到，IPTV业务要达到传统的广播级视频质量，丢包率或误包率需要小于10－6，对应于用户的体验来讲，就是保证用户在60 s内只能看到一个马赛克。对于大多数采用DSL来提供IPTV业务的运营商来讲，能够满足表1定义的QoS参数的DSL网络可能只是小部分，这就大大限制了运营商可以开展IPTV服务的范围。

对于丢包问题，目前的解决方案主要从网络和终端两方面进行研究，理想的做法是在发送端采取前向纠错(FEC)，在发送和接收两端重传，在传输过程中采用纠错编码等方法来提高和改善图像质量。如图3所示，增强的QoE提供FEC和包重传相结合的方法，帮助运营商克服丢包的问题，为IPTV用户提供良好的体验。

如图3所示，FEC和包重方法的整体思路是:

1)在IPTV头端，通过FEC编码器对直播流编码产生FEC包，然后将FEC包和原始直播流数据包封装为两路媒体流，一同发往接收端。

图3 FEC和包重传示意图

2)在机顶盒侧，如果发现直播流有丢包，则通过接收到的FEC数据包和直播流数据包来恢复所有的原始直播流。

采用FEC技术与重传相结合的方法，90%以上的丢失数据可以通过FEC技术恢复，剩下的未被恢复的数据通过包重传来获取。机顶盒与服务器之间的通信采用标准的RTP/RTCP协议，部署在网络侧的流媒体服务器对直播流进行缓存，机顶盒侧对接收到的直播流进行实时监测。机顶盒侧一旦发现直播流有丢包，并且丢失的包不能通过FEC流恢复，则向流媒体服务器发送请求，请求发送丢失的包。FEC技术与重传相结合的方法通过减少丢包，避免视频马赛克或停滞现象，有效地改善了IPTV网络的视频质量。

3 结束语

IPTV对承载网络有很高的要求，运营商现有网络往往不能完全满足，网络拥塞、接入层的丢包/错包以及频道切换时间成为影响用户体验的主要因素。增强的QoE技术从避免网络拥塞、减少频道切换时间以及解决接入层的丢包/错包等方面考虑，有针对性地解除了影响IPTV用户体验的因素，为用户提供高质量的视频体验。QoE技术涵盖的技术有很多，本文主要分析和研究的只是它的几个方面。

:

［1］李海.国外 IPTV 发展现状［J］.信息网络，2010(7):51－52.

［2］马少林，李文耀.基于服务器的IPTV快速频道切换技术［J］.电视技术，2012，36(24):57－59.

［3］车君.IPTV技术及标准浅析［J］.贵阳学院学报:自然科学版，2007(1):13－19.

［4］牛妍华，欧阳锋.IPTV服务质量关键技术研究［J］.广播电视与技术，2009(3):72－74.