三重播放网络环境下验证IPTV服务质量

　　在最近召开的2006年NAB（全美广播电视协会展）IPTV全球会议中，公开的小组讨论用“战争”一词来形容是再恰当不过了：电信服务提供商和有线多服务运营商（MSO）之间的竞争越来越激烈，谁都想将每个家庭的全部通信预算收入囊中。
如今，服务提供商的服务收入在不断减少，因为MSO提供了三重播放服务捆绑销售，可保证其传统据点（话音用户群）的市场份额不断增长。因此，对于服务提供商而言，这是一场关系生死存亡的战争，而人们所追求的“话音、互联网和电视”三重播放服务捆绑则是制胜的法宝，它很可能会决定谁是最终的胜利者，谁能得到用户的青睐。能够为个人用户提供多项服务可显著提高每用户平均收益（ARPU），并显著减少用户流失率。

　　服务提供商正加大在IPTV服务上的投资，以补充其现有的话音和数据服务，并从有线MSO手中夺回更多的客户。IPTV是决定服务提供商发展的关键因素，研究表明它已使ARPU翻了一番。分析家预测在2004年和2005年之间，IPTV服务收入平均每年将增长154%；到2009年，全球IPTV服务收入将增长到440亿美元以上。1近年来，IPTV的资金回报和战略影响正掀起一场电信网络的巨大变革。据Infonetics研究公司的调查表明，今年在与IPTV相关的服务基础设施上的开支总额将达到10亿美元，到2007年底将翻一番，到2009年将达到44亿美元。

　　在IPTV迅速增长并实现理想的三重播放之前，服务提供商和网络设备制造商（NEM）必须首先验证IPTV服务能否真正满足用户对质量的预期要求，以及此服务能否带来丰厚的利润。当您将对时间/丢失敏感的视频流与争夺相同网络资源的现有话音和数据服务进行融合和扩展时，会发生什么情况？观众希望他们的广播和卫星电视服务达到预期的服务水平，而不用再忍受服务中断、画面质量下降或使用新的IPTV服务切换频道时的长时间等待。

　　IPTV体验质量（QoE）

　　“IPTV QoE”（IPTV体验质量）是关系成败的关键因素，因此它成为行业出版、展会和论坛中最流行的术语之一就不足为奇了。IPTV体验质量是指视频服务满足用户期望值的程度。IPTV的用户体验质量必须等同于或优于当今的有线和卫星电视服务，否则服务提供商将面临大量用户流失的风险。

　　IPTV体验质量不仅受服务的价格、内容和功能等商业因素的影响，而且还受包括频道切换响应时间和媒体自身质量在内的技术因素的影响。IPTV体验质量的“测量”是指对影响用户服务体验的技术因素进行测试。要使采购成本达到预计的每用户1000美元，对每个用户的IPTV体验质量进行验证十分重要。

　　IPTV设备市场划分

　　提供IPTV服务需要四个主要设备系统：

　　视频前端——存储应用和程序内容

　　网络——将电视内容和互动服务从前端传输到用户家中的传输机制

　　中间件——控制通过网络将电视内容和互动服务从前端传输到用户家中的软件

　　客户端设备——安装在用户家中并与电视连接的机顶盒（STB）

　　这四个系统中的每一个都能影响IPTV体验质量，并拥有各自的特定测试考虑因素和相关测量结果。在端到端测试和网络集成之前，对每个系统（以及每个系统内的单个要素）进行单独测试非常重要，这样才能验证每台设备能否满足预期的性能目标并指出设备的问题所在。本文重点介绍了新兴的测试方法和标准，以验证整个IPTV传输网络的IPTV体验质量，如图1所示。

　　IPTV体验质量测试测量

　　IPTV体验质量测试针对两个基本领域：

　　频道切换测量

　　媒体（音频和视频）质量标准

　　频道切换测量可测量用户切换频道的速度，并验证用户是否收到正确的频道。通常，可接受的频道切换延迟时间被认为是端到端1秒左右。频道切换时间在100到200毫秒之间，对于观众来说只是一个瞬间。组播协议支持网络基础设施内的频道切换。IGMP（互联网群组管理协议）或MLD（组播监听发现协议）离开/加入延迟是造成频道切换延迟的主要原因。为了确保频道切换总延迟在1秒钟之内，每个网络元器件的目标组播离开/加入延迟必须保持在10到200毫秒之间。

　　测量IPTV媒体质量是一个严峻的挑战，因为用户感知到的媒体质量容易受到多种因素的影响。IPTV用户的数量增加和行为，以及争夺有限网络资源的其它三重播放流量的融合，都会对IPTV数据包转发的及时性和准确性产生重大影响。由此导致的网络故障（数据包丢失和序列错误、延迟和抖动）能够对视频质量造成各种有害的影响，如马赛克、图像模糊、边缘失真、颤抖（画面突变）和视觉噪声等。因此，在实验室中必须提供一个能够准确地反映三重播放网络特征的复杂网络环境，以便充分地对网络设备进行压力测试和评估IPTV媒体质量。

　　网络特征和媒体质量

　　用户数量呈指数增长

　　据估计，到2009年全球的IPTV用户将达到5370万，在2004年和2009年之间，仅北美地区的IPTV用户数量就增长了12985%4。到2005年末，法国成为欧洲使用IPTV服务人数最多的国家，有28.1万用户注册了三个主要的IPTV服务（Maligne、Free和Neuf）。5如果所有用户同时观看同一个频道，那么通过IP组播（大多数网络中的IGMP）分配的数字视频就不能保证始终如一的视频质量。因此，很难保证所有用户都能正确接收到视频。由于IPTV传输网络中的带宽和处理资源有限，加之更多用户申请IPTV服务，因而对约定的体验质量造成了较大的威胁。在用户和IPTV频道数量不断增加的情况下，对网络设备进行测试至关重要，这样便能够确定每个用户IPTV体验质量达到令人无法接受水平（即性能极限）的程度。

　　假设在重要的现场体育活动（如世界杯）中通过IPTV进行电视转播。如果申请加入IPTV组播群组的球迷数量过多，则会造成网络过载并导致拥塞现象。例如，如果一个社区的接入网络仅能容纳1000个用户同时观看世界杯，则第1001个用户可能会使包括自己在内的所有1001名观众的体验质量下降。

　　用户的动态行为

　　在真实的三重播放用户环境中，用户的行为方式是动态的。由一个提供商提供三重播放服务的家庭，在进行多个VoIP电话交谈的同时，还可以发出频道切换和新的网络连接请求。当扩展到整个用户群时，这种动态行为对IPTV网元控制面板的要求会非常苛刻，并且可能会对IPTV观众获得的体验质量造成危害。

　　例如，在奥斯卡颁奖典礼的广告期间或《幸存者》播出季末，大量用户会同时发出频道切换请求。从长期观看的稳定状态快速转变到大量切换请求状态会对宽带网关（BNG）或边缘路由器造成巨大压力，因为它必须要处理成千上万的IGMP群组加入/离开请求、更新组播转发表以及通过正确的输出接口复制组播流量。这种压力可导致数据包转发延迟和丢失，并影响IPTV体验质量。因此，在测试环境中模拟动态用户行为至关重要，这样才能衡量对IPTV体验质量标准的影响

　　融合的三重播放流量

　　在同一链路上，不管该链路是来自同一个三重播放用户还是来自共享聚合路由器中上行链路的其它用户，IPTV流量都将包括话音流和数据流。IPTV的所有三项服务将争夺有限的网络带宽和设备资源，而且不同的流量类型需要不同的网络服务级别。在测试环境中必须包括对三重播放流量组合的测试，以确定其它服务流量的出现（或干扰）对服务质量和高优先级视频流的及时转发产生怎样的影响。

　　测量IPTV体验质量的传统方法

　　传统的频道切换和媒体质量测量方法虽然建立了一个广泛使用的实验室设备测试床（如图2所示），但却存在不少问题。

　　这种测试环境结合了几百个真正的STB和音频源以及VoIP电话和个人电脑，以模拟话音和互联网服务流量，但是这种方法并不适用于测试IPTV体验质量。它存在的明显缺陷包括：需要配备价格昂贵的设备、放置测试床需要大量空间以及对测试进行控制需要大量劳动力等。该方法还存在一些严重的功能缺陷，因为它不能随着实际用户数量的变化（可能从几千增至几十万）而做出相应的扩展。测试的可靠性会由于STB过热和需要频繁启动而受到影响。总体IPTV体验质量由连续数小时观看并频繁切换电视节目的观众确定，这些观众需在定义的数值范围内“评定”其总体体验质量。

　　这种主观测试虽然能够确定服务质量是否达到预期目标，却不能很好地洞察导致服务质量下降的真正原因。这些测试测量很难（但并非不可能）发现网络层的特定问题，因而在故障诊断和隔离网络配置问题时，这些测量几乎没有任何价值。

　　测量IPTV体验质量的新一代方法

　　新一代IPTV体验质量测试方法使用单一测试系统，在能够准确反映现实的三重播放网络的规模和特征的网络环境中，模拟并测量IPTV体验质量，这种方法可克服传统测试方法导致的问题和局限性。图3说明了大型设备测试床如何被功能强大的单一测试工具取代，该工具必须具备以下能力：

　　具有可伸缩性，可模拟IPTV用户和频道

　　仿真动态用户行为

　　生成三重播放流量组合

　　为成千上万的个人用户提供相关测试标准

　　在同一测试端口同时仿真和扩展多个协议，如PPPoE（以太网上的点对点协议）、DHCP（动态主机配置协议）和IGMP，可模拟一个反映IPTV用户增长期望值的逼真且经济有效的测试环境。测试系统必须能够仿真并测量成千上万个观看数百个不同频道的用户，并位于一台设备的后面。

　　与使用真实的STB相比，这种模拟拓扑更易于操作和控制，并能提供非常详细的信息。独特的频道切换特征（profile）可用于每个个人用户或群体用户，以确定不同的频道切换行为如何影响被测设备或系统的性能。通过扩展频道切换活动，大量对于同一频道的个人请求可能会使被测件进入饱和工作状态，而大量来自用户顺序翻阅频道的组播群组的加入/离开请求也可能会使被测件进入饱和工作状态。图4中的模拟拓扑可用于快速获得每个用户频道切换测量指标以及不同用户群的平均/最小/最大频道切换测量指标。主要频道切换测试环境包括：

　　用户的IGMP或MLD离开/加入延迟

　　稳定的频道切换性能

　　高峰负载情况下的频道切换性能

　　通过定义与其它三重播放话音和数据服务的交互，可进一步确定每个用户的行为范围。将动态且全面的特征应用于每个用户，可模拟会给网络设备带来巨大压力并影响IPTV媒体质量的不断变化的网络条件，如DHCP会话振荡（flapping）和新的互联网连接请求。这些特征可用于定义并生成具有相应优先级别的不同三重播放流量组合类型，包括：

　　具有不同视频有效负载（例如，MPEG-2 SD和MPEG-4 AVC/H.264 SD/HD流量以及Windows Media® 9/VC-1）的视频组播流量（代表广播IPTV）和封装（例如，MPEG-2 TS/RTP/UDP/IPv4、MPEG-2 TS/UDP/IPv4和多种VLAN标记）

　　视频单播流量（代表视频点播）

　　VoIP（话音）流量

　　互联网流量

　　此流量在同一端口上的超量开通与融合，将迫使被测设备/系统根据服务优先级转发流量。

　　三重播放用户和服务的逼真模拟为验证总体IPTV媒体质量创建了一个理想的环境。媒体质量测试标准本身必须可扩展、可重复，并提供对导致性能问题的原因（即相关性）的深入研究。

　　使用媒体传递索引（MDI）在视频传递基础设施中的网元上测试媒体质量，正赢得业界的广泛认可。MDI是采用RFC 4445定义的行业标准，并通过了IP视频质量联盟的认可。MDI由两个要素组成：延迟参数（DF）和媒体丢失率（MLR），这两部分均基于可直接转变为网络术语的概念：抖动和丢失。MDI将网络故障与视频质量（对隔离问题并找出问题的根源至关重要）相关联。“高延迟参数表示被测设备或系统已经引入了可降低视频质量的较长延迟。在设备缓冲器将要发生上溢或下溢时，高延迟参数还能警告即将发生的数据包丢失。这表明网络拥塞或缓冲器资源不充足可能是导致性能较差的原因。同样，MDI的媒体丢失率部分显而易见是由于数据包丢失事件而导致视频质量较差。这就对影响视频质量的网络条件提供了更深入的洞察力，而不是基于主观尺度的简单视频质量分数。”

　　由于网络设备只能切换、延迟或丢失数据包，因此MDI值不仅仅用于评估对视频进行解码、考虑压缩和代码特性的视频质量标准，更重要的是可用于评估网络设备性能。为了消除网络设备对IPTV体验质量的影响，标准必须以数据包级的测量为基础。此外，由于MDI不依赖处理器密集型的解码行为，所以可将测量扩展到一次测量多达几万个用户，以获得重要的媒体质量标准，其中包括：

　　协议压力与不稳定性对媒体质量的影响

　　话音和数据服务对媒体质量的影响

　　频道切换对媒体质量的影响

　　在可接受的媒体质量范围内，设备可支持的IPTV用户和频道数量

　　IPTV的体验质量标准仍然存在争议，但是DSL论坛的文档WT-126推荐了最大的数据包丢失率：对于SDTV和VOD，是每30分钟丢失5个连续的IP数据包；对于HDTV，是每4小时丢失5个连续的IP数据包。如果转变为MLR术语，则该标准假定在特定时帧内丢失的是单一IP数据包，以说明数据包丢失必须是连续的这一事实。

　　根据最近的研究结果，安捷伦科技公司推荐了以下针对整个传输网络的连续MDI测量指标：

　　最大可接受DF：9至50 ms

　　最大可接受的平均MLR（针对所有编解码器）：SDTV和VOD为0.004，HDTV为0.00057

　　下图5显示了数据包丢失对所观看视频的质量产生怎样的影响。

　　MLR = 0

　　MLR > 0

　　总结

　　IPTV体验质量是实现成功的IPTV部署和服务提供商三重播放服务捆绑的重要因素。然而，有多种备受瞩目的IPTV试验未能进入实际的部署。还有许多IPTV部署已经延迟了12个月以上。很显然，这不仅使服务提供商的声誉受损，而且财政收益也受到了巨大损失。降低这种风险的最佳方式，是从一开始就确保客户的观看体验达到期望值。

　　因此，对于服务提供商而言，关键是选择能够在大型三重播放网络环境中测试IPTV的测试工具和方法，以验证规模日益增长的IPTV服务的体验质量以及其它话音和数据服务。在真实的动态网络环境下，部署IPTV之前需进行严格而全面的测试，因为这将直接影响用户满意度以及IPTV能否真正成为这场战争的转折点。