探討IPTV業(yè)務保障 分析關鍵技術研究
2007/12/25
IPTV是當前最熱門技術領域之一，主要的電信服務提供商都在努力推出自己的IPTV業(yè)務。研究了IPTV業(yè)務保障問題及其重要意義，提出了從承載網絡、內容傳送及業(yè)務體驗三個方面實現(xiàn)IPTV業(yè)務保障并分析了其中的關鍵技術。
電信行業(yè)的發(fā)展正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電信業(yè)以話音業(yè)務為主，其壟斷的市場地位帶來了豐厚的利潤，但Internet的出現(xiàn)改變了這種壟斷局面，VoIP、即時通信等作為替代技術和應用以其低使用成本吸引了一部分用戶，更為嚴重的是大大壓縮話音服務的利潤空間。除了Internet帶來的影響，話音業(yè)務向移動通信轉移的趨勢對于固網運營商而言更是雪上加霜。ARPU值不斷下降，用戶離網率高是全世界的電信運營商都需要解決的問題。為了擺脫當前的困境，提供視頻業(yè)務并加強多業(yè)務綁定（bundling）是目前公認的有效辦法。
提供融合的家庭業(yè)務，即在電視機、臺式計算機、電話和移動設備等各種終端上提供交互式業(yè)務，代表了電信運營商的未來發(fā)展方向。IPTV是當前最熱門技術領域之一，主要的電信服務提供商都在努力推出自己的IPTV業(yè)務。簡單而言，IPTV是指在通信網絡基礎設施上使用IP協(xié)議提供數字電視業(yè)務的系統(tǒng)[1]。IPTV的優(yōu)勢包括傳統(tǒng)電視技術所不具備的雙向能力，它使業(yè)務提供商能夠提供用戶所需的視頻廣播和點播（VoD：Video
on Demand）及其他增值服務。廣播業(yè)務可以節(jié)約帶寬以提供更多的內容，點播業(yè)務則可以滿足用戶的互動需求。
IPTV提供商是希望通過提供有吸引力的、經濟便捷的業(yè)務綁定從而與用戶建立可贏利的長期業(yè)務關系，然而實現(xiàn)這一目標還存在諸多風險。在國外，有線多業(yè)務運營商（MSO）通過提供語音、視頻和數據業(yè)務綁定取得了很大的成功，已經吸引了大量的電信用戶，對傳統(tǒng)的電信運營商構成了嚴重的威脅。隨著監(jiān)管政策的放開，國內的電信運營商遲早要面臨相同的問題。有線多業(yè)務運營商也在謀求開展IPTV業(yè)務。網絡基礎設施改造需要高達數十億美元的投入，失敗的風險對任何運營商都是難以承受的。因此，IPTV業(yè)務競爭會非常激烈，價格戰(zhàn)也將在所難免；為了贏得市場，電信運營商必須推出具有質量保證的IPTV服務以滿足用戶的需求。
一、保障IPTV業(yè)務的重要性
和傳統(tǒng)的電信業(yè)務不同，IPTV業(yè)務的視頻內容主要來源于專業(yè)的內容提供者，服務提供商通過網絡運營商的網絡把內容提供者與最終消費者聯(lián)系起來。在提供IPTV服務的過程中，盡管通信網絡仍然是業(yè)務提供的基礎，內容已經成為不可缺少的組成部分。相對于話音和數據業(yè)務，視頻業(yè)務對網絡提出了更高的要求。
IPTV是一種多媒體業(yè)務，對網絡的QoS具有非常嚴格的要求。首先，由于視頻成分的存在，IPTV要求很高的傳輸帶寬。其次，IPTV中的音頻成分對傳輸時延提出了很高的要求。為了保證理想的聲音質量，端到端的傳輸時延應小于200毫秒，時延抖動應小于數十毫秒。由于多種媒體成分的同時存在，在播放時要保證各種媒體的時間同步。與用戶的交互能力是IPTV業(yè)務的重要特征，具備交互能力的同時保證良好的業(yè)務體驗對IPTV業(yè)務部署提出了更高的要求。
傳統(tǒng)的衛(wèi)星電視和有線電視采用專網傳輸的方法，它們?yōu)橛脩趔w驗質量（QoE：Quality of Experience）確立了很高的標準。保障良好的用戶業(yè)務體驗為電信運營商的業(yè)務部署帶來了技術挑戰(zhàn)和潛在風險。視頻業(yè)務對電信運營商來說是全新的領域。為了開展視頻業(yè)務，電信運營商將要面臨許多重大的挑戰(zhàn)，其中包括建設新的城域網和接入網滿足IPTV大量的帶寬需求，重新規(guī)劃核心網絡以支持視頻業(yè)務傳輸，增加新技術實現(xiàn)內容管理、分發(fā)與計費等。這些挑戰(zhàn)不僅是技術上，而且會帶來很大的財務開銷。由于需要處理復雜的內容部分，IPTV業(yè)務提供非常昂貴。網絡基礎設施的升級就需要花費數十億美元。例如，美國的AT&T公司將花費46億美元實現(xiàn)在2008年底前為40個新興市場的1900萬家庭部署IPTV業(yè)務。
因為現(xiàn)有的有線和衛(wèi)星電視業(yè)務都提供可靠的業(yè)務體驗，在所有的技術挑戰(zhàn)和投資之上，用戶質量期望被格外重視。因為投資巨大而且用戶獲取成本很高，電信運營商需要以質取勝。IPTV被認為是非常有潛力的業(yè)務，但它必須可靠、可定制、足夠靈活，這樣才能推動新用戶和運營收入的增加。不僅它們的業(yè)務提供要有足夠的吸引力從其它運營商那里吸引用戶，電信運營商還希望IPTV能夠滿足用戶更高的期望以降低用戶流失的風險。
對普通用戶而言，畫面質量、頻道可靠性和頻道響應時間意味著一切。用戶已經習慣于傳統(tǒng)的電視業(yè)務，他們對相同的質量體驗期望很高而容忍力很低。如前所述，市場競爭非常激烈，不能提供高質量的服務將使用戶轉投其它運營商。電信運營商的風險不僅在于丟掉IPTV用戶，而在于可能失去整個業(yè)務綁定。只有通過提供一致的、具有質量保證的業(yè)務，運營商才可以培養(yǎng)用戶的忠誠度并減少用戶流失。因此，業(yè)務質量保障意義重大，電信運營商需要在IPTV業(yè)務推廣的早期做好準備，確定實現(xiàn)業(yè)務保障的技術方案。
二、IPTV業(yè)務保障關鍵技術
為了保證運營商的正常運營，端到端的業(yè)務保障是IPTV運營商的強烈需求，但無論是視頻質量管理還是IP網絡資源管理對電信運營商而言都是全新的挑戰(zhàn)。IPTV業(yè)務質量保障的目標是提供理想的用戶QoE。通常業(yè)務質量通過業(yè)務提供商與用戶之間的服務等級約定（SLA）來確定。大多數用戶并不了解IPTV業(yè)務提供的技術，不能幫助確定問題的原因。IPTV系統(tǒng)由多個獨立的部分組成，問題可能出現(xiàn)在電視機、機頂盒、內容編碼/加密、用戶家庭網絡接入網絡或核心網絡等。實現(xiàn)IPTV業(yè)務保障有必要開發(fā)工具完成以下任務：
- 設計一個良好的網絡架構，規(guī)劃和優(yōu)化網絡的容量、QoS機制和資源保護機制，使得在正常情況下端到端路徑上網絡擁塞最小化。
- 測量和驗證用戶服務質量的SLA滿足情況，如有必要采取相應的糾正行動。包括監(jiān)視端到端的全部系統(tǒng)；如果某個部分發(fā)生故障發(fā)出指示信號，啟動自動故障管理與恢復的過程；判斷未解決的故障對服務效果和范圍的影響。
1.IPTV業(yè)務保障體系架構
電信運營商在競爭中獲勝的關鍵是通過提供SLA對用戶的服務等級負責。因此，運營商必須保證能夠實時監(jiān)視并報告SLA。因為用戶也會根據業(yè)務使用情況對運營商提出某種要求，運營商必須有適當的機制以清楚明確的方式通知用戶當前的業(yè)務狀態(tài)。從用戶為中心的角度，所有重要的質量指標都要能夠通過網絡實時監(jiān)測獲得，即業(yè)務必須是端到端可視的；只要需要，可以用數據確定客戶的體驗。電信運營商甚至可以定義新的測量準則適應新的業(yè)務以及業(yè)務等級。
IPTV業(yè)務保障解決方案需要能夠提供完整的端到端的業(yè)務可視化。網絡的復雜性和視頻內容創(chuàng)建的動態(tài)特性都可能成為對用戶體驗產生有害影響的潛在故障點。傳統(tǒng)的運營支撐系統(tǒng)和網絡管理系統(tǒng)不能提供所需的端到端可視化，也不能有效地監(jiān)視實時流量和業(yè)務。
IPTV業(yè)務涉及三個主要的組成部分：底層承載網絡、視頻內容以及總的用戶體驗。IPTV業(yè)務保障方案需要對這個三個方面的質量提供可視化。通過連續(xù)不斷地監(jiān)視網絡和業(yè)務的性能，電信運營商利用業(yè)務保障方案識別IP傳輸問題或者視頻質量損傷；通過端到端的可視化檢查視頻質量，對高價值用戶的總的業(yè)務體驗進行預先管理。因此IPTV業(yè)務保障體系結構包括三個關鍵方面：承載網絡、內容以及用戶的業(yè)務體驗，如圖1所示。
圖1 IPTV業(yè)務保障體系架構
2.承載網絡質量保障關鍵技術
承載網絡是業(yè)務開展的平臺，承載網絡的質量保障是IPTV業(yè)務保障的基礎。業(yè)務質量保障需要充足的網絡容量。為了保證IPTV的業(yè)務質量，網絡必須提供足夠的帶寬以保證傳輸時分組丟失率和時延限制在一定范圍之內。承載網絡的質量保證首先要提高接入網的帶寬配備和管理核心網的帶寬使用[2]。
通常標準清晰度視頻流需要2 Mbit/s的帶寬；取決于壓縮標準和質量要求，高清晰度視頻流需要4 M～8 M的帶寬。考慮到三重播放的需要，每個家庭至少需要20
Mbit/s以上的帶寬才能滿足IPTV的部署需求。當前常用的接入技術包括xDSL和xPON。從技術上而言，兩者都可以通過適當的配置滿足IPTV業(yè)務部署的需求。
現(xiàn)階段城域核心網以IP/MPLS及以太網技術為主，相對而言容量較為充足。但核心網是一個共享網絡，不同業(yè)務競爭其網絡容量，因此有必要加強核心網容量管理以對其合理使用。對于廣播應用，IP組播技術可以有效地節(jié)約帶寬，但是將不同的頻道分配到多個組播組中也帶來復雜的帶寬管理問題。假定采用恒定比特率編碼方式，則不必考慮統(tǒng)計復用效應。一種極端情況是每個頻道分配單獨的組播樹，其優(yōu)點是不同的組播分支只需接收其想要的頻道內容，因而傳輸效率較高。但如果頻道較多，這種方式將帶來很大的組播管理負擔，還會增加頻道切換的時間。另一種極端的情況是將所有的頻道放到一個IP組播樹中。顯然，用戶不可能同時觀看多個頻道，這種方式會造成嚴重的傳輸資源浪費，但頻道切換快捷。多個組播樹可以進行靈活的流量管理，而少量組播樹傳輸多個頻道可以大大降低信令負擔。因而IPTV業(yè)務支撐系統(tǒng)需要系統(tǒng)地評估用戶和頻道的實際情況，為多個頻道合理地規(guī)劃組播樹數量。
在IPTV業(yè)務部署之初，視頻點播的流量會小于廣播流量。但由于點播采用單播技術，取決于視頻服務器在網絡中的位置，點播將消耗相當大的核心網帶寬。VoD服務器的負載和連接服務器鏈路的利用率需要配置適當并在運行過程中進行監(jiān)測。為了保證點播業(yè)務的質量，可以對點播流量采用高優(yōu)先級傳輸，但優(yōu)先級的配置需要兼顧其他業(yè)務的帶寬需求。此外，為防止網絡過載造成傳輸質量下降，接納控制機制是改善用戶體驗的有效方法[3]。
實現(xiàn)承載網質量保障的另一個關鍵因素是了解和理解網絡在傳輸視頻流量時的表現(xiàn)。有效的業(yè)務保障解決方案需要讓運營商能夠快速地判斷出當前網絡出現(xiàn)問題的位置，并且在業(yè)務質量下降之前予以修復。因此，承載網的質量保障除了需要合理的容量配置與管理，還需要監(jiān)視、測量、診斷及維護等系統(tǒng)的方法。
3.內容傳送質量保障關鍵技術
對用戶來說，畫面質量是業(yè)務體驗的重要方面。定義畫面質量模型是評價內容傳送質量的前提。衡量視頻質量有多種指標和模型。對視頻質量指標的嚴格定義仍然沒有定論是當前主要的標準化組織和產業(yè)界論壇討論的話題之一。由于視頻質量來源于最終用戶的主觀感受，客觀地評價較為困難。平均主觀分數（MOS：Mean
Opinion Score）是描述視頻業(yè)務質量體驗常用工具。和話音類似，視頻MOS也分為五個等級，其中5級表示最高質量等級。對于高質量的視頻傳輸服務，通常要求分組丟失率在到之間；甚至更��；可以容忍的分組時延在數百毫秒數量級，時延抖動在數十毫秒數量級。
不難理解，分組網絡在分組丟失、時延及時延抖動方面的缺陷對畫面質量感受有很大的影響。實際上，用戶的IPTV業(yè)務質量體驗受到多方面的因素影響：內容源質量、編碼質量及由于傳輸丟失、差錯及時延造成的圖象質量損傷等。盡管合理的規(guī)劃和配置承載網絡對實現(xiàn)端到端的用戶體驗具有重要作用，但承載網絡建設并不能解決IPTV業(yè)務保障的全部問題。首先，承載網絡是一個多業(yè)務平臺，并不是專門針對IPTV業(yè)務進行優(yōu)化。其次，減少或消除網絡的所有問題會大大增加基礎設施的建設成本。
另一方面，用戶并不能感知也不在意良好的業(yè)務體驗來源于何處。為了在保障業(yè)務質量的同時維持合理的成本結構，業(yè)務提供商有必要采取其它方法來改善用戶的視頻業(yè)務體驗，應用層內容傳送技術是常用的技術手段。差錯掩蓋（Error
Concealment）就是一種有效的應用層視頻傳送質量保證技術。
H.264（MPEG-4 part 10）定義了網絡適應層（Network Adaptation Layer）用以克服網絡傳輸產生的數據差錯和丟失。關鍵比特的丟失，如圖像頭部信息會對解碼過程產生嚴重的負面影響，所以關鍵數據必須被分成多個部分以一種特殊的方式進行處理。為了保證媒體數據的時間特性，多媒體數據通常采用輕權的傳輸協(xié)議，如UDP。因此，音視頻流在傳輸過程中很可能會出現(xiàn)差錯。檢測視頻流中的嚴重差錯并且采取措施對之進行掩蓋比簡單地任由其降低畫面質量效果要好得多，而沒有檢測出來的差錯可以使圖像質量嚴重下降。常用的差錯掩蓋技術是在丟失少量視頻幀時簡單地保持圖像不變或插入相鄰幀。音頻質量也是QoE的組成部分，分組丟失帶來的差錯也需要進行適當的掩蓋。如果運用得當并結合更底層類似的機制，差錯掩蓋以及重傳和前向糾錯能夠幫助減少偶爾的丟失和錯誤分組。
用戶已經習慣了傳統(tǒng)電視的畫面質量，因而低劣的圖象質量是難以接受的。不幸的是，IPTV的傳輸質量難以控制，IP網絡傳輸的視頻質量可以在數秒內發(fā)生變化。為了保障內容質量，自動地、連續(xù)地視頻質量主動測量與被動監(jiān)視，可以確保內容經過網絡傳遞到用戶時能夠保持質量一致性。為了實現(xiàn)內容質量保障，運營商需要自動地監(jiān)測視頻流并產生視頻質量的評價分數。相對于音頻情況，視頻質量測量帶來了更多的挑戰(zhàn)。視頻質量與視頻生成的設備有關，視頻編碼算法的復雜性，不同的應用場合，視頻廣播和點播采用的傳輸技術等也會影響視頻的質量體驗。連續(xù)地測量視頻質量以準確地反映用戶的實際體驗對IPTV業(yè)務運營非常關鍵。
4.業(yè)務體驗質量保障關鍵技術
保障用戶業(yè)務體驗對IPTV業(yè)務的成功至關重要。業(yè)務保障機制需要連續(xù)測量頻道切換時間及視頻功能的時延，提供運營商需要用來保證用戶體驗的基本使用統(tǒng)計數據。如果沒有提供用戶使用情況的業(yè)務保障機制，運營商就沒有事先確保用戶期望能夠得到滿足的必要依據。完整的業(yè)務體驗質量保障功能包括：
- 監(jiān)測頻道可用性及頻道切換性能；
- 提供用戶體驗報告和使用的統(tǒng)計信息；
- 通過仿真機頂盒測試頻道選擇和執(zhí)行VoD交互功能的時延。
因為內容已經推送到終端，所以傳統(tǒng)的電視頻道選擇反映非�？旖�，用戶體驗良好。由于IPTV的協(xié)議特征，頻道選擇時延成為一個新問題。IPTV采用IP組播技術，其中的基本協(xié)議是IP組管理協(xié)議（IGMP）。組播避免了視頻頭端對每個用戶發(fā)送頻道內容，大大節(jié)約了帶寬，增加了頻道容量。但采用IGMP意味著頻道切換在網絡中進行，而不是本地的機頂盒。IGMP的加入與離開操作時延成為影響用戶質量體驗的重要因素，同時發(fā)生的頻道加入請求數量將影響請求用戶加入組播組的性能。
為了使頻道轉換更加快捷，微軟在其IPTV系統(tǒng)中設計了瞬時頻道切換（ICC：Instant Channel Change）技術。當用戶切換頻道時，ICC保證畫面可以在瞬間出現(xiàn)。ICC的主要工作原理是在內容傳送網絡中引入一個分發(fā)服務器（D服務器）來響應用戶的頻道切換請求。當用戶請求頻道切換時，剛開始時的內容不是通過加入相應的組播組獲得，而是由D服務器以正常頻道速率的130%向請求終端發(fā)送一個單播流。ICC避免了頻道切換時的組播信令操作，因而可以消除用戶頻道切換的等待時間。另一方面，D服務器和請求終端之間的單播流量增加了視頻的帶寬使用，對承載核心和接入網絡有一定影響。
除了頻道切換時延外，以下幾個因素也會對用戶業(yè)務體驗產生重要影響。VoD和個人視頻記錄（PVR：Personal Video Recorder）業(yè)務都是交互式業(yè)務，控制命令響應時間是交互式業(yè)務體驗質量的關鍵因素。用戶暫停、回退及快進控制命令的響應時間IPTV質量的基本指標。機頂盒的重啟時間也可能成為用戶的煩惱，特別是重啟可能丟掉與網絡的同步。在IPTV系統(tǒng)需要處理多個同時認證請求時，這個問題也可能出現(xiàn)。在多媒體數據流中，音視頻回放可能會出現(xiàn)時間不一致，即“唇同步”問題，當音視頻流需要通過IPTV網絡的不同部分處理時此問題往往會變得更加嚴重。對于上述問題，都需要實時地監(jiān)測網絡狀態(tài)和相關的技術指標，在問題出現(xiàn)之前或初期就及時加以解決以保證用戶的業(yè)務體驗質量。
三、結語
由于技術的進步和替代網絡和應用的出現(xiàn)，電信行業(yè)的發(fā)展正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為了擺脫當前的困境，提供具有三重播放能力的IPTV業(yè)務并加強多業(yè)務綁定是目前公認的有效辦法。IPTV具有傳統(tǒng)電視所不具備的技術優(yōu)勢，它使業(yè)務提供商能夠提供用戶所需的視頻廣播和點播及其它增值服務。然而作為一項全新的業(yè)務，IPTV在技術上和財務上都給電信運營商帶來了很大的風險。為了保證IPTV業(yè)務的成功，提供可靠的業(yè)務質量保障將發(fā)揮關鍵作用。
中國聯(lián)通網站
相關鏈接: