IPTV业务保障及其关键技术研究

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摘要　IPTV是当前最热门技术领域之一，主要的电信服务提供商都在努力推出自己的IPTV业务。研究了IPTV业务保障问题及其重要意义，提出了从承载网络、内容传送及业务体验三个方面实现IPTV业务保障并分析了其中的关键技术。
　　电信行业的发展正面临严峻的挑战。传统的电信业以话音业务为主，其垄断的市场地位带来了丰厚的利润，但Internet的出现改变了这种垄断局面，VoIP、即时通信等作为替代技术和应用以其低使用成本吸引了一部分用户，更为严重的是大大压缩话音服务的利润空间。除了Internet带来的影响，话音业务向移动通信转移的趋势对于固网运营商而言更是雪上加霜。ARPU值不断下降，用户离网率高是全世界的电信运营商都需要解决的问题。为了摆脱当前的困境，提供视频业务并加强多业务绑定（bundling）是目前公认的有效办法。
　　提供融合的家庭业务，即在电视机、台式计算机、电话和移动设备等各种终端上提供交互式业务，代表了电信运营商的未来发展方向。IPTV是当前最热门技术领域之一，主要的电信服务提供商都在努力推出自己的IPTV业务。简单而言，IPTV是指在通信网络基础设施上使用IP协议提供数字电视业务的系统[1]。IPTV的优势包括传统电视技术所不具备的双向能力，它使业务提供商能够提供用户所需的视频广播和点播（VoD：Video on Demand）及其他增值服务。广播业务可以节约带宽以提供更多的内容，点播业务则可以满足用户的互动需求。
　　IPTV提供商是希望通过提供有吸引力的、经济便捷的业务绑定从而与用户建立可赢利的长期业务关系，然而实现这一目标还存在诸多风险。在国外，有线多业务运营商（MSO）通过提供语音、视频和数据业务绑定取得了很大的成功，已经吸引了大量的电信用户，对传统的电信运营商构成了严重的威胁。随着监管政策的放开，国内的电信运营商迟早要面临相同的问题。有线多业务运营商也在谋求开展IPTV业务。网络基础设施改造需要高达数十亿美元的投入，失败的风险对任何运营商都是难以承受的。因此，IPTV业务竞争会非常激烈，价格战也将在所难免；为了赢得市场，电信运营商必须推出具有质量保证的IPTV服务以满足用户的需求。
一、保障IPTV业务的重要性
　　和传统的电信业务不同，IPTV业务的视频内容主要来源于专业的内容提供者，服务提供商通过网络运营商的网络把内容提供者与最终消费者联系起来。在提供IPTV服务的过程中，尽管通信网络仍然是业务提供的基础，内容已经成为不可缺少的组成部分。相对于话音和数据业务，视频业务对网络提出了更高的要求。
　　IPTV是一种多媒体业务，对网络的QoS具有非常严格的要求。首先，由于视频成分的存在，IPTV要求很高的传输带宽。其次，IPTV中的音频成分对传输时延提出了很高的要求。为了保证理想的声音质量，端到端的传输时延应小于200毫秒，时延抖动应小于数十毫秒。由于多种媒体成分的同时存在，在播放时要保证各种媒体的时间同步。与用户的交互能力是IPTV业务的重要特征，具备交互能力的同时保证良好的业务体验对IPTV业务部署提出了更高的要求。
　　传统的卫星电视和有线电视采用专网传输的方法，它们为用户体验质量（QoE：Quality of Experience）确立了很高的标准。保障良好的用户业务体验为电信运营商的业务部署带来了技术挑战和潜在风险。视频业务对电信运营商来说是全新的领域。为了开展视频业务，电信运营商将要面临许多重大的挑战，其中包括建设新的城域网和接入网满足IPTV大量的带宽需求，重新规划核心网络以支持视频业务传输，增加新技术实现内容管理、分发与计费等。这些挑战不仅是技术上，而且会带来很大的财务开销。由于需要处理复杂的内容部分，IPTV业务提供非常昂贵。网络基础设施的升级就需要花费数十亿美元。例如，美国的AT&T公司将花费46亿美元实现在2008年底前为40个新兴市场的1900万家庭部署IPTV业务。
　　因为现有的有线和卫星电视业务都提供可靠的业务体验，在所有的技术挑战和投资之上，用户质量期望被格外重视。因为投资巨大而且用户获取成本很高，电信运营商需要以质取胜。IPTV被认为是非常有潜力的业务，但它必须可靠、可定制、足够灵活，这样才能推动新用户和运营收入的增加。不仅它们的业务提供要有足够的吸引力从其它运营商那里吸引用户，电信运营商还希望IPTV能够满足用户更高的期望以降低用户流失的风险。
　　对普通用户而言，画面质量、频道可靠性和频道响应时间意味着一切。用户已经习惯于传统的电视业务，他们对相同的质量体验期望很高而容忍力很低。如前所述，市场竞争非常激烈，不能提供高质量的服务将使用户转投其它运营商。电信运营商的风险不仅在于丢掉IPTV用户，而在于可能失去整个业务绑定。只有通过提供一致的、具有质量保证的业务，运营商才可以培养用户的忠诚度并减少用户流失。因此，业务质量保障意义重大，电信运营商需要在IPTV业务推广的早期做好准备，确定实现业务保障的技术方案。
二、IPTV业务保障关键技术
　　为了保证运营商的正常运营，端到端的业务保障是IPTV运营商的强烈需求，但无论是视频质量管理还是IP网络资源管理对电信运营商而言都是全新的挑战。IPTV业务质量保障的目标是提供理想的用户QoE。通常业务质量通过业务提供商与用户之间的服务等级约定（SLA）来确定。大多数用户并不了解IPTV业务提供的技术，不能帮助确定问题的原因。IPTV系统由多个独立的部分组成，问题可能出现在电视机、机顶盒、内容编码/加密、用户家庭网络接入网络或核心网络等。实现IPTV业务保障有必要开发工具完成以下任务：
　　●设计一个良好的网络架构，规划和优化网络的容量、QoS机制和资源保护机制，使得在正常情况下端到端路径上网络拥塞最小化。
　　●测量和验证用户服务质量的SLA满足情况，如有必要采取相应的纠正行动。包括监视端到端的全部系统；如果某个部分发生故障发出指示信号，启动自动故障管理与恢复的过程；判断未解决的故障对服务效果和范围的影响。
　　1.IPTV业务保障体系架构
　　电信运营商在竞争中获胜的关键是通过提供SLA对用户的服务等级负责。因此，运营商必须保证能够实时监视并报告SLA。因为用户也会根据业务使用情况对运营商提出某种要求，运营商必须有适当的机制以清楚明确的方式通知用户当前的业务状态。从用户为中心的角度，所有重要的质量指标都要能够通过网络实时监测获得，即业务必须是端到端可视的；只要需要，可以用数据确定客户的体验。电信运营商甚至可以定义新的测量准则适应新的业务以及业务等级。
　　IPTV业务保障解决方案需要能够提供完整的端到端的业务可视化。网络的复杂性和视频内容创建的动态特性都可能成为对用户体验产生有害影响的潜在故障点。传统的运营支撑系统和网络管理系统不能提供所需的端到端可视化，也不能有效地监视实时流量和业务。
　　IPTV业务涉及三个主要的组成部分：底层承载网络、视频内容以及总的用户体验。IPTV业务保障方案需要对这个三个方面的质量提供可视化。通过连续不断地监视网络和业务的性能，电信运营商利用业务保障方案识别IP传输问题或者视频质量损伤；通过端到端的可视化检查视频质量，对高价值用户的总的业务体验进行预先管理。因此IPTV业务保障体系结构包括三个关键方面：承载网络、内容以及用户的业务体验，如图1所示。

图1　IPTV业务保障体系架构

　　2.承载网络质量保障关键技术
　　承载网络是业务开展的平台，承载网络的质量保障是IPTV业务保障的基础。业务质量保障需要充足的网络容量。为了保证IPTV的业务质量，网络必须提供足够的带宽以保证传输时分组丢失率和时延限制在一定范围之内。承载网络的质量保证首先要提高接入网的带宽配备和管理核心网的带宽使用[2]。
　　通常标准清晰度视频流需要2 Mbit/s的带宽；取决于压缩标准和质量要求，高清晰度视频流需要4 M～8 M的带宽。考虑到三重播放的需要，每个家庭至少需要20 Mbit/s以上的带宽才能满足IPTV的部署需求。当前常用的接入技术包括xDSL和xPON。从技术上而言，两者都可以通过适当的配置满足IPTV业务部署的需求。
　　现阶段城域核心网以IP/MPLS及以太网技术为主，相对而言容量较为充足。但核心网是一个共享网络，不同业务竞争其网络容量，因此有必要加强核心网容量管理以对其合理使用。对于广播应用，IP组播技术可以有效地节约带宽，但是将不同的频道分配到多个组播组中也带来复杂的带宽管理问题。假定采用恒定比特率编码方式，则不必考虑统计复用效应。一种极端情况是每个频道分配单独的组播树，其优点是不同的组播分支只需接收其想要的频道内容，因而传输效率较高。但如果频道较多，这种方式将带来很大的组播管理负担，还会增加频道切换的时间。另一种极端的情况是将所有的频道放到一个IP组播树中。显然，用户不可能同时观看多个频道，这种方式会造成严重的传输资源浪费，但频道切换快捷。多个组播树可以进行灵活的流量管理，而少量组播树传输多个频道可以大大降低信令负担。因而IPTV业务支撑系统需要系统地评估用户和频道的实际情况，为多个频道合理地规划组播树数量。
　　在IPTV业务部署之初，视频点播的流量会小于广播流量。但由于点播采用单播技术，取决于视频服务器在网络中的位置，点播将消耗相当大的核心网带宽。VoD服务器的负载和连接服务器链路的利用率需要配置适当并在运行过程中进行监测。为了保证点播业务的质量，可以对点播流量采用高优先级传输，但优先级的配置需要兼顾其他业务的带宽需求。此外，为防止网络过载造成传输质量下降，接纳控制机制是改善用户体验的有效方法[3]。
　　实现承载网质量保障的另一个关键因素是了解和理解网络在传输视频流量时的表现。有效的业务保障解决方案需要让运营商能够快速地判断出当前网络出现问题的位置，并且在业务质量下降之前予以修复。因此，承载网的质量保障除了需要合理的容量配置与管理，还需要监视、测量、诊断及维护等系统的方法。
　　3.内容传送质量保障关键技术
　　对用户来说，画面质量是业务体验的重要方面。定义画面质量模型是评价内容传送质量的前提。衡量视频质量有多种指标和模型。对视频质量指标的严格定义仍然没有定论是当前主要的标准化组织和产业界论坛讨论的话题之一。由于视频质量来源于最终用户的主观感受，客观地评价较为困难。平均主观分数（MOS：Mean Opinion Score）是描述视频业务质量体验常用工具。和话音类似，视频MOS也分为五个等级，其中5级表示最高质量等级。对于高质量的视频传输服务，通常要求分组丢失率在到之间；甚至更小；可以容忍的分组时延在数百毫秒数量级，时延抖动在数十毫秒数量级。
　　不难理解，分组网络在分组丢失、时延及时延抖动方面的缺陷对画面质量感受有很大的影响。实际上，用户的IPTV业务质量体验受到多方面的因素影响：内容源质量、编码质量及由于传输丢失、差错及时延造成的图象质量损伤等。尽管合理的规划和配置承载网络对实现端到端的用户体验具有重要作用，但承载网络建设并不能解决IPTV业务保障的全部问题。首先，承载网络是一个多业务平台，并不是专门针对IPTV业务进行优化。其次，减少或消除网络的所有问题会大大增加基础设施的建设成本。
　　另一方面，用户并不能感知也不在意良好的业务体验来源于何处。为了在保障业务质量的同时维持合理的成本结构，业务提供商有必要采取其它方法来改善用户的视频业务体验，应用层内容传送技术是常用的技术手段。差错掩盖（Error Concealment）就是一种有效的应用层视频传送质量保证技术。
　　H.264（MPEG-4 part 10）定义了网络适应层（Network Adaptation Layer）用以克服网络传输产生的数据差错和丢失。关键比特的丢失，如图像头部信息会对解码过程产生严重的负面影响，所以关键数据必须被分成多个部分以一种特殊的方式进行处理。为了保证媒体数据的时间特性，多媒体数据通常采用轻权的传输协议，如UDP。因此，音视频流在传输过程中很可能会出现差错。检测视频流中的严重差错并且采取措施对之进行掩盖比简单地任由其降低画面质量效果要好得多，而没有检测出来的差错可以使图像质量严重下降。常用的差错掩盖技术是在丢失少量视频帧时简单地保持图像不变或插入相邻帧。音频质量也是QoE的组成部分，分组丢失带来的差错也需要进行适当的掩盖。如果运用得当并结合更底层类似的机制，差错掩盖以及重传和前向纠错能够帮助减少偶尔的丢失和错误分组。
　　用户已经习惯了传统电视的画面质量，因而低劣的图象质量是难以接受的。不幸的是，IPTV的传输质量难以控制，IP网络传输的视频质量可以在数秒内发生变化。为了保障内容质量，自动地、连续地视频质量主动测量与被动监视，可以确保内容经过网络传递到用户时能够保持质量一致性。为了实现内容质量保障，运营商需要自动地监测视频流并产生视频质量的评价分数。相对于音频情况，视频质量测量带来了更多的挑战。视频质量与视频生成的设备有关，视频编码算法的复杂性，不同的应用场合，视频广播和点播采用的传输技术等也会影响视频的质量体验。连续地测量视频质量以准确地反映用户的实际体验对IPTV业务运营非常关键。
　　4.业务体验质量保障关键技术
　　保障用户业务体验对IPTV业务的成功至关重要。业务保障机制需要连续测量频道切换时间及视频功能的时延，提供运营商需要用来保证用户体验的基本使用统计数据。如果没有提供用户使用情况的业务保障机制，运营商就没有事先确保用户期望能够得到满足的必要依据。完整的业务体验质量保障功能包括：
　　●监测频道可用性及频道切换性能；
　　●提供用户体验报告和使用的统计信息；
　　●通过仿真机顶盒测试频道选择和执行VoD交互功能的时延。
　　因为内容已经推送到终端，所以传统的电视频道选择反映非常快捷，用户体验良好。由于IPTV的协议特征，频道选择时延成为一个新问题。IPTV采用IP组播技术，其中的基本协议是IP组管理协议（IGMP）。组播避免了视频头端对每个用户发送频道内容，大大节约了带宽，增加了频道容量。但采用IGMP意味着频道切换在网络中进行，而不是本地的机顶盒。IGMP的加入与离开操作时延成为影响用户质量体验的重要因素，同时发生的频道加入请求数量将影响请求用户加入组播组的性能。
　　为了使频道转换更加快捷，微软在其IPTV系统中设计了瞬时频道切换（ICC：Instant Channel Change）技术。当用户切换频道时，ICC保证画面可以在瞬间出现。ICC的主要工作原理是在内容传送网络中引入一个分发服务器（D服务器）来响应用户的频道切换请求。当用户请求频道切换时，刚开始时的内容不是通过加入相应的组播组获得，而是由D服务器以正常频道速率的130%向请求终端发送一个单播流。ICC避免了频道切换时的组播信令操作，因而可以消除用户频道切换的等待时间。另一方面，D服务器和请求终端之间的单播流量增加了视频的带宽使用，对承载核心和接入网络有一定影响。
　　除了频道切换时延外，以下几个因素也会对用户业务体验产生重要影响。VoD和个人视频记录（PVR：Personal Video Recorder）业务都是交互式业务，控制命令响应时间是交互式业务体验质量的关键因素。用户暂停、回退及快进控制命令的响应时间IPTV质量的基本指标。机顶盒的重启时间也可能成为用户的烦恼，特别是重启可能丢掉与网络的同步。在IPTV系统需要处理多个同时认证请求时，这个问题也可能出现。在多媒体数据流中，音视频回放可能会出现时间不一致，即“唇同步”问题，当音视频流需要通过IPTV网络的不同部分处理时此问题往往会变得更加严重。对于上述问题，都需要实时地监测网络状态和相关的技术指标，在问题出现之前或初期就及时加以解决以保证用户的业务体验质量。
三、结语
　　由于技术的进步和替代网络和应用的出现，电信行业的发展正面临严峻的挑战。为了摆脱当前的困境，提供具有三重播放能力的IPTV业务并加强多业务绑定是目前公认的有效办法。IPTV具有传统电视所不具备的技术优势，它使业务提供商能够提供用户所需的视频广播和点播及其它增值服务。然而作为一项全新的业务，IPTV在技术上和财务上都给电信运营商带来了很大的风险。为了保证IPTV业务的成功，提供可靠的业务质量保障将发挥关键作用。
　　参考文献
　　1　Brix Networks Inc，Service Quality Matters for IPTV：A Lifecycle Approach，white paper，2006
　　2　K.Kerpez，D.Waring，G.Lapiotis，et al，IPTV service assurance，Communications Magazine，IEEE，Sept.2006，Vol.44(9)：166-172
　　3　纪其进，IPTV系统的视频接纳控制机制，邮电设计技术，2006(12)：31～36