阮 科，鄒 潔，朱永慶

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 視頻服務(wù)的QoE分析

在三網(wǎng)融合背景下，傳統(tǒng)廣電運(yùn)營(yíng)商、電信運(yùn)營(yíng)商以及互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商均以視頻服務(wù)為重要的業(yè)務(wù)切入點(diǎn)，為用戶(hù)提供高質(zhì)量的視頻體驗(yàn)是視頻業(yè)務(wù)成功的關(guān)鍵因素之一。因此，不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)的提升成為業(yè)界重要的研究領(lǐng)域。QoE由寬帶論壇提出，是以用戶(hù)體驗(yàn)為衡量標(biāo)準(zhǔn)且與網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)的業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。針對(duì)視頻業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，寬帶論壇提出的相應(yīng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，視頻業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分組丟失的要求最為嚴(yán)苛，而相較于標(biāo)清節(jié)目，高清內(nèi)容對(duì)分組丟失的承受力更弱，分組丟失率上升時(shí)用戶(hù)體驗(yàn)快速下降。

運(yùn)營(yíng)商IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。大多數(shù)物理網(wǎng)絡(luò)都很難在端到端性能上符合這些指標(biāo)要求，為提升用戶(hù)體驗(yàn)，保證競(jìng)爭(zhēng)力，必然需要引入一定的分組丟失和出錯(cuò)修復(fù)機(jī)制。

表2 運(yùn)營(yíng)商IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

2 視頻封裝特點(diǎn)

根據(jù)MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織的建議，視頻內(nèi)容的數(shù)字化傳送可分為 ES（elementary stream）流、MPEG-TS流、RTP 流和IP流等幾個(gè)層面，如圖1所示，每一層流媒體都對(duì)應(yīng)特定的封裝，實(shí)現(xiàn)特定的功能。

表1 視頻業(yè)務(wù)QoE指標(biāo)

圖1 數(shù)字視頻封裝格式

ES流是音視頻內(nèi)容壓縮后的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)MPEG標(biāo)準(zhǔn)的定義，存在 I幀 （intra-coded frame，I-frame）、B 幀（bidirectional frame，B-frame） 和P 幀 （predicted frame，P-frame）3種幀格式。I幀是基準(zhǔn)幀，包含完整圖像的信息，其信息量最大，占的信息也最多；P幀是前向預(yù)知幀，需要根據(jù)I幀進(jìn)行圖像重建，和I幀同時(shí)作為重建B幀圖像的基準(zhǔn)幀之一；B幀是雙向幀，需要參考I幀與P幀進(jìn)行圖像重建。一個(gè)完整的視頻GoP（group of pictures）格式如圖2所示。當(dāng)I幀丟失時(shí)，整個(gè)GoP內(nèi)容均無(wú)法重現(xiàn)，而B(niǎo)幀和P幀丟失時(shí)只會(huì)影響個(gè)別畫(huà)面或者畫(huà)面中的個(gè)別子塊。

圖2 視頻GoP格式

為了適應(yīng)視頻內(nèi)容的流化，需要將ES流分割成多個(gè)數(shù)據(jù)分組，方便其在網(wǎng)絡(luò)上的傳送。MPEG-TS是MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織定義的格式，可通過(guò)PSI（program specification information）（包括PAT、PMT），幫助解碼設(shè)備識(shí)別TS流中的視頻、音頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容。TS流中，單個(gè)報(bào)文統(tǒng)一為188 byte。在數(shù)字電視中，一般以MPEG-TS報(bào)文為最小傳輸單元。

為支持視頻內(nèi)容在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送，IETF定義了以RTP為基礎(chǔ)的流媒體傳送標(biāo)準(zhǔn)體系。一個(gè)RTP分組封裝7個(gè)MPEG-TS報(bào)文，長(zhǎng)度為1 500 byte；采用 UDP封裝，以支持其在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳遞，也有部分視頻流媒體系統(tǒng)采用直接UDP封裝MPEG-TS報(bào)文的方式。

從封裝格式可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)廣電網(wǎng)絡(luò)，IP網(wǎng)絡(luò)的分組丟失影響將更嚴(yán)重，影響范圍更大。

一方面，由于一個(gè)IP報(bào)文中封裝了更多的內(nèi)容，IP報(bào)文丟失后出現(xiàn)I幀丟失的幾率更高，將影響整個(gè)GoP。同時(shí)，IP報(bào)文分組丟失時(shí)丟失的信息過(guò)多，而壓縮編碼機(jī)制內(nèi)部的冗余機(jī)制一般只能克服比特級(jí)的錯(cuò)誤分組，終端無(wú)法修復(fù)IP網(wǎng)絡(luò)中的分組丟失和出錯(cuò)事件。

另一方面，廣電企業(yè)的同軸電纜網(wǎng)在分組丟失和出錯(cuò)的處理上與IP網(wǎng)絡(luò)不同。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)比特級(jí)的錯(cuò)誤分組時(shí)，同軸網(wǎng)絡(luò)不會(huì)采取分組丟失處理方式，機(jī)頂盒則可以利用視頻編碼本身的一些冗余機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅減少影響用戶(hù)體驗(yàn)事件的發(fā)生幾率；而在IP網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)比特發(fā)生錯(cuò)誤，底層傳送層就會(huì)執(zhí)行分組丟失動(dòng)作，因此在IP網(wǎng)絡(luò)中分組丟失事件的發(fā)生幾率更高。

由上可見(jiàn)，為了在IP網(wǎng)絡(luò)上呈現(xiàn)不低于數(shù)字電視的用戶(hù)體驗(yàn)，IP視頻流媒體系統(tǒng)更有必要部署分組丟失修復(fù)機(jī)制。

3 視頻冗余技術(shù)

視頻重傳技術(shù)大致可分為3個(gè)主要類(lèi)型。

3.1 FEC技術(shù)

FEC技術(shù)是指通過(guò)前向編碼上的冗余來(lái)克服分組丟失和出錯(cuò)對(duì)視頻解碼的影響，其應(yīng)用范圍極其廣泛。在視頻傳送領(lǐng)域，存在多種不同的應(yīng)用機(jī)制，主要有應(yīng)用層FEC（AL-FEC）、網(wǎng)絡(luò)層FEC兩種。AL-FEC透明地工作在IP層之上的應(yīng)用層，其發(fā)送端在視頻流媒體服務(wù)器處對(duì)所有或有選擇的一組視頻流進(jìn)行冗余處理，處理后的AL-FEC流在終端設(shè)備的接收端進(jìn)行后處理，分離出原始碼流。FEC工作原理如圖3所示。

基于IP網(wǎng)絡(luò)的AL-FEC大致可分為兩種：Raptor編碼和Pro-MPEG CoP3編碼。

Raptor碼擁有很低的接收開(kāi)銷(xiāo)和系統(tǒng)碼等特性。將Raptor碼應(yīng)用于視頻業(yè)務(wù)成為一種很具吸引力的選擇，數(shù)字視頻廣播(DVB)的IPTV應(yīng)用和3GPP的多媒體廣播多播業(yè)務(wù)(MBMS)都選擇了Raptor碼作為其AL-FEC規(guī)范。AL-FEC(Raptor)提供了應(yīng)用層端到端的可靠性，能對(duì)抗高分組丟失率，同時(shí)擁有靈活的糾錯(cuò)能力(針對(duì)不同的文件及不同的分組丟失率設(shè)置不同的保護(hù)參數(shù))和高效性，只需很少的修復(fù)數(shù)據(jù)即可保證重構(gòu)源文件；但必須與物理層及鏈路層的FEC結(jié)合使用，且網(wǎng)絡(luò)帶寬代價(jià)一般為5%～10%。

Pro-MPEG CoP3編碼其實(shí)是一種簡(jiǎn)單的奇偶檢驗(yàn)碼，它可以分為CoP3 1D(對(duì)行或列進(jìn)行編碼)和CoP3 2D(對(duì)行與列都編碼)。當(dāng)僅使用CoP3 1D時(shí)，生成的編碼只能保護(hù)一行或一列中出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)分組丟失的情況，如果原始數(shù)據(jù)分組序列中出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)分組丟失(比如數(shù)據(jù)分組0和數(shù)據(jù)分組1或者數(shù)據(jù)分組0和數(shù)據(jù)分組L)，則丟失的兩個(gè)數(shù)據(jù)分組將無(wú)法恢復(fù)。但當(dāng)使用CoP3 2D時(shí)，這種情況將不會(huì)出現(xiàn)。

從實(shí)際的測(cè)試結(jié)果看，F(xiàn)EC技術(shù)大規(guī)模部署的難點(diǎn)在于如何克服分組丟失能力的有效性不足、效率偏低問(wèn)題，在CoP3編碼中，5%的分組丟失修復(fù)率需要額外占用30%的冗余帶寬；同時(shí)，F(xiàn)EC技術(shù)只能修復(fù)具有特定特征的分組丟失事件。因此，將FEC技術(shù)應(yīng)用在突發(fā)事件經(jīng)常發(fā)生、網(wǎng)絡(luò)存在異構(gòu)環(huán)境的IP網(wǎng)絡(luò)中存在一定的限制。

3.2 空域冗余技術(shù)

空域冗余技術(shù)是指同時(shí)建立兩條或多條傳送電路，利用兩條鏈路互為冗余，可有效克服網(wǎng)絡(luò)中單一節(jié)點(diǎn)/鏈路出現(xiàn)分組丟失和出錯(cuò)的場(chǎng)景。

MoFRR技術(shù)是目前業(yè)界正在研究的典型空域冗余技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)支持MoFRR技術(shù)的邊緣路由器，接收到用戶(hù)發(fā)起的IGMP join消息時(shí)，同時(shí)在兩個(gè)獨(dú)立接口上向視頻源端發(fā)出PIM join消息，同時(shí)建立兩條獨(dú)立的多播轉(zhuǎn)發(fā)路徑。邊緣路由器將兩個(gè)RPF接口配置為主備模式，在正常環(huán)境下丟棄備用接口接收的多播報(bào)文。當(dāng)路由器檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)地切換主備接口，保留備用接口的業(yè)務(wù)流量，通過(guò)緩存實(shí)現(xiàn)流統(tǒng)計(jì)模式下的無(wú)分組丟失收斂；當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可選擇性切換回主用路徑。

空域冗余應(yīng)用的主要問(wèn)題在于冗余路徑的實(shí)現(xiàn)代價(jià)和多流之間的同步，在面向用戶(hù)部署時(shí)存在擴(kuò)展性問(wèn)題，只適用于骨干網(wǎng)段單一多播流的場(chǎng)景。

圖3 FEC工作原理

3.3 分組丟失重傳技術(shù)

分組丟失重傳（RET）技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用范圍最為廣泛的分組丟失和出錯(cuò)修復(fù)技術(shù)，TCP協(xié)議是利用重傳技術(shù)在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)端到端分組丟失修復(fù)應(yīng)用最廣的協(xié)議；在應(yīng)用于流媒體傳輸領(lǐng)域時(shí)，考慮到流媒體協(xié)議的實(shí)時(shí)性需求，普通的TCP協(xié)議棧效率偏低，IETF推薦采用RTP/RTCP協(xié)議棧，在UDP基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分組丟失重傳。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，大約可以分為兩種方式：在流媒體服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，主要面向使用單播技術(shù)的點(diǎn)播用戶(hù)；在IP網(wǎng)絡(luò)中部署，主要面向使用多播技術(shù)的直播用戶(hù)。后者的實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖4所示。

圖4 視頻重傳實(shí)現(xiàn)原理

實(shí)現(xiàn)流程如下。

（1）IP路由器上的視頻業(yè)務(wù)板對(duì)多播方式傳送的視頻直播內(nèi)容進(jìn)行緩存，一般可以緩存視頻流8～10 s，1～2個(gè)GoP；

（2）機(jī)頂盒檢測(cè)傳送接收多播報(bào)文中的RTP封裝，通過(guò)RTP序列號(hào)連續(xù)性檢測(cè)出分組丟失的序列號(hào)；

（3）發(fā)現(xiàn)分組丟失后，機(jī)頂盒發(fā)送重傳請(qǐng)求（RTCP報(bào)文）給視頻業(yè)務(wù)板；

（4）視頻業(yè)務(wù)板把緩存的報(bào)文（RTCP報(bào)文）發(fā)送給機(jī)頂盒；

（5）機(jī)頂盒把重傳過(guò)來(lái)的報(bào)文插入正常的視頻流里面（STB有緩沖，可以等待一定時(shí)間內(nèi)重傳過(guò)來(lái)的報(bào)文）。

RET機(jī)制利用了RTP封裝信息的Sequence Number參數(shù)，圖5是一個(gè)RTP封裝的報(bào)文頭。

從實(shí)際的測(cè)試結(jié)果看，在標(biāo)清碼率環(huán)境下，分組丟失重傳技術(shù)能克服超過(guò)10%的分組丟失行為，且適用于正態(tài)分布、平均分布、突發(fā)等不同的分組丟失特征；在高清碼率環(huán)境下，分組丟失重傳技術(shù)能克服4%左右的分組丟失行為。部署分組丟失重傳技術(shù)，可以極大地降低網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的隨機(jī)分組丟失現(xiàn)象對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)的影響；同時(shí)，其只在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分組丟失時(shí)才發(fā)生，重傳時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)資源約20%，適用于目前電信運(yùn)營(yíng)商的大多數(shù)接入環(huán)境。因此，分組丟失重傳技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下行之有效的分組丟失修復(fù)技術(shù)。

圖5 RTP封裝報(bào)文頭

4 分組丟失重傳技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

IPTV業(yè)務(wù)是電信運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的戰(zhàn)略性業(yè)務(wù)，也是超寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的大帶寬接入用戶(hù)的主要填充業(yè)務(wù)。為優(yōu)化IPTV業(yè)務(wù)的視頻傳送質(zhì)量，提升IPTV用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，可在網(wǎng)絡(luò)上部署分組丟失重傳技術(shù)。

·IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)。在IPTV系統(tǒng)中，利用RTP協(xié)議族中內(nèi)建的信令技術(shù)，通過(guò)IPTV機(jī)頂盒對(duì)視頻流進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)分組丟失時(shí)，通過(guò)RTCP信令實(shí)現(xiàn)分組丟失重傳。為了提升分組丟失重傳效率，也可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)上部署分組丟失重傳技術(shù)，對(duì)熱門(mén)片源進(jìn)行緩存和重傳。

·IPTV直播業(yè)務(wù)。為提高IPTV直播業(yè)務(wù)的承載質(zhì)量，大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商采用多播方式承載直播業(yè)務(wù)流，而多播技術(shù)本身無(wú)法提供分組丟失重傳機(jī)制。在實(shí)際部署時(shí)，可在IP承載網(wǎng)上部署視頻Cache設(shè)備，目前已有部分電信設(shè)備廠(chǎng)商提供支持集成Cache板卡的IP路由器設(shè)備。在超寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，可在IP城域網(wǎng)內(nèi)部署該設(shè)備作為IPTV業(yè)務(wù)的接入控制點(diǎn)，直接對(duì)IPTV用戶(hù)進(jìn)行分組丟失重傳和故障修復(fù)。

視頻重傳方案還支持視頻單板的多級(jí)布署，如果視頻單板之間發(fā)生分組丟失，下一級(jí)的視頻單板可以作為RET的客戶(hù)端向上一級(jí)視頻單板請(qǐng)求重傳丟棄的報(bào)文，也可以把IPTV系統(tǒng)作為RET的Server請(qǐng)求重傳。在此情況下，下一級(jí)視頻單板可以先用多播的方式向STB發(fā)送一個(gè)不發(fā)送重傳請(qǐng)求的報(bào)文，避免大量的重傳請(qǐng)求發(fā)送到視頻單板。在視頻單板收到重傳過(guò)來(lái)的報(bào)文之后，再采取多播的方式把重傳報(bào)文發(fā)送給STB。

重傳機(jī)制的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于一些外部因素，一是需要RTP封裝，二是要求STB支持重傳的流程。對(duì)于要求一，運(yùn)營(yíng)商需要對(duì)IPTV系統(tǒng)的輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一支持RTP封裝；對(duì)于要求二，運(yùn)營(yíng)商可委托第三方的公司負(fù)責(zé)STB和IPTV以及FCC/RET的集成，解決雙方的集成配套問(wèn)題。

5 未來(lái)視頻修復(fù)技術(shù)的主要發(fā)展方向

視頻修復(fù)技術(shù)的發(fā)展是未來(lái)視頻業(yè)務(wù)承載的重點(diǎn)之一，在超寬帶IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，未來(lái)分組丟失修復(fù)技術(shù)應(yīng)主要關(guān)注以下幾個(gè)方向。

·編碼技術(shù)。傳統(tǒng)的視頻編碼技術(shù)主要關(guān)注視頻的壓縮效率，在網(wǎng)絡(luò)帶寬日益豐富的背景下，視頻編碼技術(shù)應(yīng)更加注意其在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的一致性體驗(yàn)的問(wèn)題。通過(guò)引入多層次編碼、FEC等技術(shù)，可以加強(qiáng)編碼本身在網(wǎng)絡(luò)劣化條件下的自修復(fù)能力。

·CDN層面。CDN是流媒體服務(wù)的主要提供者，目前電信運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商各有其優(yōu)化策略。電信運(yùn)營(yíng)商一般仍然以RTP/RTCP為主要的技術(shù)框架，以保障流媒體的傳送質(zhì)量為重點(diǎn)；而互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商多以HTTP為基礎(chǔ)技術(shù)，通過(guò)終端的緩存和平臺(tái)的文件切割來(lái)保障視頻流吞吐，未來(lái)這兩種方式應(yīng)逐步走向融合。

·IP承載網(wǎng)層面。隨著芯片技術(shù)和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的感知和優(yōu)化能力日益增加。電信運(yùn)營(yíng)商可發(fā)揮自身的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)Cache、CDN以及DPI等技術(shù)，將IP網(wǎng)絡(luò)打造成真正適合視頻承載的基礎(chǔ)設(shè)施。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于寬帶IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量視頻傳送是未來(lái)發(fā)展的方向，在超寬帶環(huán)境下，傳統(tǒng)的視頻修復(fù)技術(shù)或者效果不佳，或者效率較低，不能完全適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和業(yè)務(wù)環(huán)境。電信運(yùn)營(yíng)商應(yīng)充分利用超寬帶網(wǎng)絡(luò)中的各種優(yōu)化技術(shù)，積極部署新型、更加適應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基于分組丟失重傳機(jī)制的視頻修復(fù)機(jī)制，提前占領(lǐng)高清內(nèi)容傳送的制高點(diǎn)，為最終構(gòu)建可持續(xù)的超寬帶盈利網(wǎng)絡(luò)提供有效的工具。

1 Broadband Forum TR126.Triple-play Services Quality of Experience(QoE)Requirements,2006

2 ISO/IEC.13818-1(Systems)13818-2(Video Coding),2007

3 RFC3550. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications,2003

4 ETSI TS 102 472 V1.1.1.Digital Video Broadcasting(DVB),IP Datacast over DVB-H:Content Delivery Protocols,2005

5 SMPTE Specification 2022-1.Forward ErrorCorrection for Real-Time Video/Audio Transport over IP Networks,2007