基于U-vMOS标准的IPTV业务感知提升方案研究

2018-07-04张琳

电信工程技术与标准化 2018年7期

关键词：片源机顶盒端口

张琳

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050010）

1 评价标准及理念

1.1 U-vMOS视频评价标准

2012年10月，作为电信网络QoS/QoE评测工具标准的权威组织，ITU-T(SG12)发布了业界第一套非侵入式无参考实时媒体主观质量评估标准（P.NAMS/P.NBAMS）。

之后，随着互联网特别是视频内容的高速发展，人们对视频的体验已经从原来的单一的电视屏幕体验，转向多屏幕，全方位的体验。视频的分辨率和画面质量在不断演进和提升，屏幕技术和编解码技术在不断发展，移动网络和固定网络都全面进入超宽带时代，视频体验已经呈现出多屏，多网络，多业务的特点。

在此基础之上，提出了视频体验衡量体系评价标准（U-vMOS，User，Unified，Ubiquitous-Mean Opinion Score for Video)，将ToP3视频体验影响因子进行了量化评分[1]，得分为1-5分（5：优秀； 4：良好；3：一般； 2：较差； 1：差）。屏幕越大、内容分辨率越高、观看流畅，得分就越高。U-vMOS分值表示1 s内的视频质量好坏，可用率表示一段时间内的视频质量好坏。

比如在5 min统计周期内用户播放了200 s，其中有180 s U-vMOS大于2.5，则该5 min内用户的视频质量可用率为180/200=90%。可把可用率分为3个档次，98%～100%为好，用户几乎察觉不到花屏和卡顿；95%～98%为中，用户偶尔察觉到花屏或卡顿，基本可以接受； 0%～95%为差，用户察觉到频繁的花屏或卡顿，难以接受。

基于以上可用率分档，进行如下定义：

1.2 端到端

“端到端”最初来自网络术语，表示网络上建立的逻辑链路，通常建立在传输层之上。但随着社会信息化程度的不断提高，“端到端”概念也得到了延伸和发展，即“端到端”全流程管理理念，“端到端”全流程管理是指为满足特定客户需求或业务目标的全流程管理，从客户需求出发，直到满足客户需求为止，提供端到端服务[2]。

用户业务感知问题不是单一片面的问题，很难用简单统一的方法进行处理。业务体验建立在完全动态网络基础上，需要的优化周期更长，优化方式也更加复杂，因此需要对全流程的业务性能进行实时管控，同时需要由被动式解决问题优化为主动预防式优化保障。在这种背景下，端到端理念与业务感知优化的结合水到渠成。

基于“端到端”的优化理念是提高业务质量及终端用户感知度的最好解决方案，它不仅仅考虑了网络环境对于业务的影响，还将终端、业务平台及内容源这三点也纳入了优化的范畴，更加全面和科学地对数据业务进行评估和分析优化。

2 网络架构及IPTV业务流程

典型网络架构如图1所示。

IPTV业务按实时性进行分类，主要分为直播和点播业务。

直播BTV（Broadcast TV）或Live TV通过IP网络向用户实时提供标清或高清频道节目的视频直播业务。可以在实时直播的基础业务上发展出即时时移、菜单时移业务等业务，向用户提供丰富的交互体验功能。

点播VoD (Video on Demand)是交互式视频点播，是指用户根据自己的需求从节目库中浏览、订购、观看节目的视频业务。在观看节目时，用户可以执行暂停、播放、快进、快退、音量控制等互动操作。

图1 典型网络架构

IPTV业务流程如图2所示。

图2 IPTV业务流程

由以上可知，IPTV业务经过的的设备有用户终端、接入网、IP城域网、骨干网以及IPTV业务平台区域或边缘节点。

3 业务感知提升案例

IPTV业务流程流经的每一台设备、每一个端口、每一条光纤都至关重要，都有可能对用户业务感知产生影响，因IPTV业务全流程涉及内容源、网络、终端三个方面，故需要从以上三个方面对IPTV业务全流程进行端到端管控，以提升用户感知。

3.1 内容源

3.1.1 内容源优化思路

在首先保证内容源引入的网络拓扑架构设计合理性、可靠性及安全性的基础上，重点关注内容源提供视频内容的质量，如有无误码、分组丢失、时延抖动等情况，此外，还需要关注业界主流的视频编码，IPTV视频一般都采用UDP的实时流传输，为了防止突发造成网络分组丢失，一般都采用CBR（Constant Bit Rate）编码方式。

3.1.2 典型案例

直播及点播业务感知提升主要是提升直播源稳定性、提高点播片源本身质量，同时优化IPTV平台参数配置等。典型案例如下：

（1）IPTV业务直播信号不够稳定，经常出现断流、分组丢失、延迟大等问题。特别是断流、分组丢失等现象出现多次，严重影响用户感知。

原因分析：直播节目源编码器稳定性问题、直播源提供方交换机容量问题、操作不规范问题等。

解决措施：加强网络维护水平、购置直播信号实时监测探针，对直播信号进行实时检测，发现问题及时处置。

（2）部分点播片源自用户确定点播到显示出画面或用户快进快退后显示出画面加载时间过长，两者最长时约为8s左右，已远远超出了用户观看影片的忍受极限。

原因分析：MP4格式的片源在机顶盒正式播放画面前（快进快退后也需要重新下载此文件进行索引）需要下载一个名为MOOV的索引文件（即元数据文件），由于部分MP4视频文件MOOV较大，需要较长时间机顶盒才能下载完毕，进而导致加载影片时间过长。

解决措施：在点播片源提供方短期内无法改变影片文件格式的情况下，通过平台侧采取措施来解决。具体措施为IPTV平台在初试发送MP4格式的媒体流时，采取快发机制，即在影片初始加载时临时将服务器侧发流带宽增大，后经现网实际测试，在增大到20 Mbit/s后部分高清及超高清影片提升效果不明显，继续将带宽加大，至50 Mbit/s后几乎所有MP4影片的加载时长可缩短至1 s左右，且对IPTV平台及网络无影响。

（3）因片源码率与平台配合问题导致影片播放卡顿。

原因分析：平台在处理VBR或CBR片源时，会根据平均码率预先分配一定的带宽，如VBR下，平均码率为3 Mbit/s，最高码率为12 Mbit/s，则业务平台在发媒体流时的预留带宽=平均码率×系数，目前，系数最大支持2，默认设置为1.8，那么为以上VBR编码方式的片源预留的带宽为3 Mbit/s×2=6 Mbit/s，显然6 Mbit/s＜12 Mbit/s，故在平台服务器发送媒体流时会导致部分数据丢失，从而导致用户有卡顿、花屏等现象。

解决措施：可采取以下两种措施：

片源方将部分VBR格式文件改为CBR格式；

片源提供方在VBR编码时调整编码格式，最大码率不超过平均的2倍；

手动调整配置，上调平台所支持的码率系数，以满足VBR片源码率。

3.2 网络

3.2.1 网络优化思路

网络的优化工作可进一步细分为接入网、城域网及传输网三部分。

接入网络以采用GPON技术的FTTH为例，单个GPON接口的下行带宽按2.5 Gbit/s计算，建议配置1：64分光比，上行口及下行口的带宽利用率在超过60%即可是扩容，同时在OLT上启用QoS，对IPTV业务进行高优先级转发[3]。

对于核心网络的优化工作，主要指在采用多冗余的可靠性设计的基础上，对全流程全网络进行性能、告警等监控，此外同时部署全网QoS，对IPTV业务进行重点保障[4]。

传输网络优化主要是提升传输网络的稳定性，通过环路、多路由等措施保障传输网络不中断；减少传输过程中产生的误码、时延等问题，提供优质的传输网络。

3.2.2 典型案例

（1）用户在使用点播业务时，发现周期性出现卡顿，导致感知差。

原因分析：查询BRAS上行口流量抑制信息，发现设备做了未知单播抑制。进一步检查OLT的MAC地址老化时间，发现MAC老化时间过短为30 s，通过将此时间改为300 s后，质差消失。

进一步分析观看直播时，用户机顶盒的MAC地址（多播）都加入到多播组里面，只要用户不主动退出或超时退出，OLT都会认为用户在线，不会主动把盒子的MAC地址（多播）消除，OLT设置的单播MAC地址老化时间不对多播起作用。

点播时，OLT就相当于二层交换机，第一次盒子上线后OLT通过MAC地址学习功能记录下盒子的MAC地址，由于点播时OLT主要是下行数据给用户，上行数据仅包含TCP心跳连接，此连接默认时长为120 s，当机顶盒在OLT上设置的老化时间内未向OLT发送上行数据时，OLT就会把该盒子MAC从地址表里消除，从而导致下一次OLT给盒子下发数据时需重新学习MAC地址（泛洪实现），进而造成用户观看点播时卡顿。

（2）接入网汇聚交换机通过多条链路聚合上行到BRAS，查看汇聚交换机聚合后的端口流量发现出流非常不均衡，存在单链路流量负荷过重情况，会导致用户感知差。

解决措施：调整负载分担模式分别基于dip、dmac、sip、smac、smacxordmac后，查看端口流量均衡情况，效果不明显。考虑进行策略控制进行灵活的负载均衡配置，配置增强模式的负载分担，问题解决。

（3）针对目前接入网通用常见网络问题，建议进行如下整改。

加大力度整改收光异常ONU（光猫），持续提高IPTV用户感知，降低质差率。

进一步推进城域网优化工作，包括交换机、OLT的双路由改造，上行链路扩容，尤其是推进OLT的10G扩容，汇聚交换机分裂等工作。

根据用户发展趋势，做好城域网能力评估，对设备、板卡、IP地址池、Licence、传输等各类资源进行提前规划、购置。

（4）因断缆、传输割接导致产生保护倒换时，直播业务感知会收到短暂影响。

原因分析：当发生保护倒换的时候，从传输网络的角度来看，理论上业务会有小于50ms的瞬断，此时数据设备端口上报端口DOWN告警。虽然保护倒换在50ms内已经完成动作，链路恢复正常，但数据设备端口需要重新协商，协商过程中又出现数次DOWN/UP，短时间内数次闪断，造成路由的频繁收敛，造成视频业务受到影响。

解决措施：路由器端口DOWN延时（Hold Off Time）设置应保证路由器及时感知链路故障，如链路可以在50ms内完成优良切换，路由器不进行路由收敛对网络层面影响最小，设置Hold off time为500 ms，规避端口抖动引入不必要的震荡。

路由器端口UP延时（Hold on Time）设置：Hold On Time设置为5 000 ms（5 s），保证路由器端口的在启动之前，波分链路稳定恢复，避免路由器端口的UP后检测到误码影响业务或者再次进入DOWN。

优化协议的收敛性能，提高BRAS收敛速度。

通过调整IPTV出口路由器设备和各地市城域网出口路由器的互联IP地址，使多播业务承载到传输路由较短的链路上。