确保互联网视频端对端体验质量(QoE)的探讨
2010-12-18 11:29:23
来源：《半导体器件应用》2009年4月刊
1 前言
高级体验质量将决定电信级互联网视频能否得到广泛推广。互联网视频的体验质量包罗万象，比如最后一英里的IP数据包交付保证解决方案；确保配置前达到服务级别协议(SLA)的智能策略管理等。此外，我们还要实时监控网络中的视频，以确保符合质量要求。上述方案相互关联，但当今的监控技术比较落后、速度慢、成本高。本文将探讨上述问题，并介绍如何优化、嵌入互联网视频质量监控技术，并降低其成本。
互联网视频的发展方式大大超出人们的预期。流行互联网视频内容不断丰富，消费者对视频内容的质量要求也越来越高，逐步从YouTube®家庭视频转向能播放自己喜欢的情景喜剧的互联网视频流。随着针对互联网视频流应用专门开发的编程技术的推出，更高质量的互联网视频交付解决方案倍受欢迎。为确保客户满意度，并通过特色化产品和服务盈利，网络供应商正在构建互联网视频服务感知型网络。服务感知型网络是在网络基础架构中部署了智能配置、交付保证以及互联网视频质量监控等功能的网络，可将故障隔离起来，并自动采取纠错措施。服务供应商在上述三项功能的基础上，可以创建支持端对端体验质量(QoE)的网络。
2当前的技术
用以满足互联网视频质量保证要求的不同技术均属于通用术语QoE范畴。最常见的技术就是智能配置平台和IP数据包交付保证机制。此外，互联网视频流质量监控对故障隔离和自动纠错措施也极为重要。就目前的互联网视频监控技术来说，还不能实现低成本交付保证。
智能配置技术使用Multicast CAC1和RSVP2等协议。(如果现有设备不能满足上述协议要求的话，可以考虑采用专用设备。)上述协议旨在确保网络基础架构能在添加更多流量之前解决带宽问题。请求／保留策略还允许网络管理员监控网络容量，避免超额认购造成服务拒绝问题。一般说来，这种解决方案需要传输网络、编码器／内容服务器功能，以及宽带接入／无线接入网络共同发挥作用。尽管这种方法会在初始流量设置阶段检查带宽的可用性，但这些协议一般都不会涉及终端设备。在内容交付期间，不能控制资源，因此也不能确保互联网视频的质量。
另一种QoE工具是最后一英里的IP数据包交付保证机制，这种机制涉及的协议包括丢失数据包重传方案等，这对于确保最后一英里的数据包交付非常有效。重传延迟必须足够低，这样才能确保重传数据包能在终端用户设备需要该数据包之前抵达。正由于此，这种技术通常用于DSLAM设备或移动基站的业务边缘设备上。不过，数据包丢失如果发生在最后一英里传输之前，那么上述技术将不能检测到数据包丢失问题，也就不能采取纠错措施了。
3视频质量监控——填补空缺
互联网视频质量监控对建立互联网视频服务感知型网络至关重要。互联网视频质量监控的目的旨在及时将故障隔离，并经济、快速地纠正，确保端对端QoE。为了在服务感知型网络中实现上述目标，必须确保每个互联网视频流都支持故障隔离，而且还应检测出究竟故障发生在网络的什么位置。及时故障隔离需要有效的告警汇聚与报告机制。
视频质量通常采用运动图像质量评价标准(MPQM)3来衡量。
MPQM建立了视频质量感知的标准，对视频质量的打分从5.0(无损)到1.0(彻底损坏)不等。可在MPQM标准分的基础上设置高／中／低质量视频的域值，并据此发出告警信息。通过及时报警，能迅速隔离支持视频分发的接入网络中的故障。
互联网视频质量监控在视频分发网络的不同节点有着不同的要求。就视频编码器或转码器而言，要将输入视频与编码转码后所得视频进行比较，以确保数据丢失在可容许的限度范围内。视频网络运营中心(V-NOC)中，视频监控设备与编码器和转码器协同工作。V-NOC通常部署容量极高的视频服务器，因此可以满足独立机架式视频监控设备的更多空间与功耗要求。
视频离开V-NOC之后，会通过实时网络传输抵达用户。该网络可能受到诸如故障转移等瞬态事件，或超额认购及不当配置QoS策略等各种不定负载影响，很可能出现数据包丢失和抖动的问题。不管是什么原因，最后都会导致互联网视频质量不佳，最终用户的QoE下降。目前，我们还不能前瞻性地监控上述问题，甚至直到用户举报，网络供应商才能发现问题的存在。因此，这会让用户充当实际的服务供应商质量监控员，很容易导致用户不满。即便用户举报了，由于缺乏自动故障隔离机制，服务供应商也很难找到发生问题的根本原因。服务供应商往往没有别的办法，只能让现场技术人员上门服务，手动隔离问题，这样做成本极高。
除了昂贵地动用人力手动进行故障隔离之外还有别的办法吗？办法就是在接入节点采用视频监控机制实施自动故障隔离，将最后一英里的问题和客户端设备(CPE)问题与上游网络问题隔离开来。
4接入网络视频质量监控面临的挑战
互联网视频质量监控设备已推出几年了，但一些因素仍然制约着有关设备在接入节点发挥故障隔离的作用。接入设备部署不仅在数量上要求非常多，而且部署位置可能远离网络运营中心，经常位于环境不可控的小地方，比方说室外电信箱乃至大型建筑物的地下室等。目前的视频监控设备体积太大，价格太贵，而且在接入节点的大规模部署耗电量也非常大。只有解决了接入节点上视频监控面临的上述问题，才能建设低成本的互联网视频服务感知型网络。
唯一能够应对上述挑战的解决方案就是在接入节点本身嵌入相关功能。监控功能嵌入接入节点之后，就能跟着接入节点部署到任何位置，运营商也避免了部署和维护专用监控设备的成本，也省去了额外的支架空间费用。嵌入式监控技术还能帮助服务供应商避免专用监控硬件的成本及功耗释放的碳足迹。
5 LSI推出嵌入式体验质量监控技术(eQoETM)
LSI 推出了一款高效能、成本优化、低功耗的互联网视频监控解决方案，能广泛部署高质量的互联网视频服务。eQoE解决方案可与 LSI APP3300 Advanced PayloadPlus®网络处理器配套使用，该处理器采用现有APP3300网络处理器系列中嵌入的视频质量监控技术，广泛部署于无线接入、宽带接入和企业应用中。
APP3300网络处理器系列支持多种性能以及广泛的功耗范围。它采用90纳米的工艺技术制造而成，功耗仅为5W。APP网络处理器目前广泛用于众多室外和空间受限的部署中，比方说远程DSLAM、Node-B和中小型企业(SMB) 网关应用等。在上述部署情况下，APP实施传输和控制层操作，包括TR-101 DSLAM、LTE和W-CDMA Node-B，以及SMB网关等。在同一处理器上实施eQoE可确保在不增加额外芯片或设备成本、功耗和支架空间的情况下实现视频质量监控。此外，为了进一步缩短设计周期，LSI提供了应用优化软件包，可支持控制和数据层功能，满足多种接入应用的要求。通过在同一网络处理器上实施eQoE并提供相应的软件，LSI能帮助实现接入网络中互联网视频监控功能的快速部署。
6 eQoE将支持的功能
由于eQoE在成本、空间占用和功耗方面都有很大的优势，因此互联网视频监控几乎能在接入网络中实现无所不在的部署，这有助于加强故障隔离、自动纠错措施、智能网络部署和前瞻性高级服务向上销售工作。这些优势有助于降低运营开支，促进客户保有率，并为服务供应商带来新的增收机遇。
6.1 故障隔离
利用eQoE，服务供应商能监控接入设备的视频质量。如果用户举报视频交付出了问题，那么网络运营商能在视频提交给用户前检查接入设备和接入视频质量。如果视频质量在接入节点本身已经比较差了，那么根本问题不是出在最后一英里的设备上，而是应该在网络上更深入地查找问题。网络运营商可向用户指出，这个问题即便派技术人员上门维修也解决不了，这样省去了服务供应商成本高昂的上门服务费。如果视频质量在接入设备处没问题，但用户却表示视频质量很差，那么就需要上门维护了。在上述两种情况下，运营商都能告诉客户，智能设备监控着相关问题，而这在目前还不能实现。由于仅在必需时才派技术人员上门服务，这样服务供应商不仅降低了无谓的上门服务次数，也直接缩减了运营开支。
6.2 自动纠错措施
故障隔离后接下来就应采取纠正措施。最快的纠错行动应该是自动纠错。嵌入式体验质量监控技术可根据MPQM打分为视频质量创建服务级别告警。然后通过视频质量告警隔离问题并采取自动纠错措施。在告警体系中，视频质量告警是服务级别告警，属于系统化的各种低层告警之列。在对互联网视频服务采取行动之前，应先清除低层告警。一旦检测到互联网视频服务告警后，V-NOC中的运营支持系统(OSS)设备可自动检查上游设备。如果该视频流在上游设备网络端没有出现互联网视频告警，那么说明问题肯定发生在上游设备中。
我们可在该设备上采取纠错措施，比方说确保适当的QoS策略配置，或查找可疑的数据包丢失等。可在用户举报问题之前，甚至用户意识问题存在之前进行自动纠错措施。由于减少了用户举报、意识出现问题的情况，因此可提高客户满意度，进而提高客户保有率。
6.3 智能网络部署
建立低成本的嵌入式互联网视频质量监控机制将在整个网络的更多节点上支持eQoE功能。这种可视化程度对外部设备来说是不可能实现的，因为外部设备面临着巨大的成本、空间占用和功耗压力。V-NOC中的运营商会了解整个网络所有接入节点上的当前视频质量。如果新增了新的视频流，eQoE会汇报该视频流对其他视频流的影响；在新增内容服务器时区域会如何响应，以及网络在新增用户或新的接入设备时会有何变化等。如果网络供应商掌握了上述数据，那么就能对新网络的部署、新增客户以及在哪里部署新的内容服务器等制定智能的计划。
7 高端服务的前瞻性向上销售
只要我们能确保互联网视频质量，就能在服务供应商网络中创建更高端的服务。服务供应商可通过推出高度监控的付费欣赏或VOD服务，或每月提供一定时限的、严格监控的高质量视频会议服务，来实现特色化服务。如果没有互联网视频监控技术的广泛部署的话，上述增收服务是不可能实现的。
8结论
互联网视频向专业制作的高带宽内容方向发展。互联网视频已在传输和接入网络上得到部署，使上述网络成为了视频发布网络。针对互联网视频面临的种种挑战，人们正在积极研发相关技术，不过现有的技术还有很大的局限性。请求／预留协议只能对流量设置发挥作用，而最后一英里的IP数据包交付保证技术也仅能满足最后一英里的传输要求。各自独立的监控设备不能部署在接入设备环境中。
嵌入式体验质量技术则为接入设备提供了成本更低、更加节能的嵌入式视频监控机制，有助于降低运营成本，改善客户保有率，并为服务供应商带来新的增收机遇。
参考文献
[1] 摘自Seng Kyoun Jo Guha、D. Jun Kyun Choi、Seong Gon Choi以及Jae Hum Lee 在第八届国际会议ICACT 2006(2006 年先进通信技术)上发表的题为“适用于多播环境的阈值接入控制法”的文章。ISBN: 89-5519-129-4
[2] 摘自R. Braden、L. Zhang、S. Berson、S. Herzog 以及 S. Jamin共同编著的“资源预留协议(RSVP)——版本1：功能规范”， RFC 2205， 1997年9月。
[3] 摘自Andrea Basso、Ismail Dalgic、Fouad A.Tobagi以及 Christian J. van den Branden Lambrecht在1996年3月13至15于澳大利亚墨尔本举办的图像编码处理技术的学术报告会上发布的“基于感知质量标准的MPEG-2编码性能分析”一文。
高级体验质量将决定电信级互联网视频能否得到广泛推广。互联网视频的体验质量包罗万象，比如最后一英里的IP数据包交付保证解决方案；确保配置前达到服务级别协议(SLA)的智能策略管理等。此外，我们还要实时监控网络中的视频，以确保符合质量要求。上述方案相互关联，但当今的监控技术比较落后、速度慢、成本高。本文将探讨上述问题，并介绍如何优化、嵌入互联网视频质量监控技术，并降低其成本。
互联网视频的发展方式大大超出人们的预期。流行互联网视频内容不断丰富，消费者对视频内容的质量要求也越来越高，逐步从YouTube®家庭视频转向能播放自己喜欢的情景喜剧的互联网视频流。随着针对互联网视频流应用专门开发的编程技术的推出，更高质量的互联网视频交付解决方案倍受欢迎。为确保客户满意度，并通过特色化产品和服务盈利，网络供应商正在构建互联网视频服务感知型网络。服务感知型网络是在网络基础架构中部署了智能配置、交付保证以及互联网视频质量监控等功能的网络，可将故障隔离起来，并自动采取纠错措施。服务供应商在上述三项功能的基础上，可以创建支持端对端体验质量(QoE)的网络。
2当前的技术
用以满足互联网视频质量保证要求的不同技术均属于通用术语QoE范畴。最常见的技术就是智能配置平台和IP数据包交付保证机制。此外，互联网视频流质量监控对故障隔离和自动纠错措施也极为重要。就目前的互联网视频监控技术来说，还不能实现低成本交付保证。
智能配置技术使用Multicast CAC1和RSVP2等协议。(如果现有设备不能满足上述协议要求的话，可以考虑采用专用设备。)上述协议旨在确保网络基础架构能在添加更多流量之前解决带宽问题。请求／保留策略还允许网络管理员监控网络容量，避免超额认购造成服务拒绝问题。一般说来，这种解决方案需要传输网络、编码器／内容服务器功能，以及宽带接入／无线接入网络共同发挥作用。尽管这种方法会在初始流量设置阶段检查带宽的可用性，但这些协议一般都不会涉及终端设备。在内容交付期间，不能控制资源，因此也不能确保互联网视频的质量。
另一种QoE工具是最后一英里的IP数据包交付保证机制，这种机制涉及的协议包括丢失数据包重传方案等，这对于确保最后一英里的数据包交付非常有效。重传延迟必须足够低，这样才能确保重传数据包能在终端用户设备需要该数据包之前抵达。正由于此，这种技术通常用于DSLAM设备或移动基站的业务边缘设备上。不过，数据包丢失如果发生在最后一英里传输之前，那么上述技术将不能检测到数据包丢失问题，也就不能采取纠错措施了。
3视频质量监控——填补空缺
互联网视频质量监控对建立互联网视频服务感知型网络至关重要。互联网视频质量监控的目的旨在及时将故障隔离，并经济、快速地纠正，确保端对端QoE。为了在服务感知型网络中实现上述目标，必须确保每个互联网视频流都支持故障隔离，而且还应检测出究竟故障发生在网络的什么位置。及时故障隔离需要有效的告警汇聚与报告机制。
视频质量通常采用运动图像质量评价标准(MPQM)3来衡量。
MPQM建立了视频质量感知的标准，对视频质量的打分从5.0(无损)到1.0(彻底损坏)不等。可在MPQM标准分的基础上设置高／中／低质量视频的域值，并据此发出告警信息。通过及时报警，能迅速隔离支持视频分发的接入网络中的故障。
互联网视频质量监控在视频分发网络的不同节点有着不同的要求。就视频编码器或转码器而言，要将输入视频与编码转码后所得视频进行比较，以确保数据丢失在可容许的限度范围内。视频网络运营中心(V-NOC)中，视频监控设备与编码器和转码器协同工作。V-NOC通常部署容量极高的视频服务器，因此可以满足独立机架式视频监控设备的更多空间与功耗要求。
视频离开V-NOC之后，会通过实时网络传输抵达用户。该网络可能受到诸如故障转移等瞬态事件，或超额认购及不当配置QoS策略等各种不定负载影响，很可能出现数据包丢失和抖动的问题。不管是什么原因，最后都会导致互联网视频质量不佳，最终用户的QoE下降。目前，我们还不能前瞻性地监控上述问题，甚至直到用户举报，网络供应商才能发现问题的存在。因此，这会让用户充当实际的服务供应商质量监控员，很容易导致用户不满。即便用户举报了，由于缺乏自动故障隔离机制，服务供应商也很难找到发生问题的根本原因。服务供应商往往没有别的办法，只能让现场技术人员上门服务，手动隔离问题，这样做成本极高。
除了昂贵地动用人力手动进行故障隔离之外还有别的办法吗？办法就是在接入节点采用视频监控机制实施自动故障隔离，将最后一英里的问题和客户端设备(CPE)问题与上游网络问题隔离开来。
4接入网络视频质量监控面临的挑战
互联网视频质量监控设备已推出几年了，但一些因素仍然制约着有关设备在接入节点发挥故障隔离的作用。接入设备部署不仅在数量上要求非常多，而且部署位置可能远离网络运营中心，经常位于环境不可控的小地方，比方说室外电信箱乃至大型建筑物的地下室等。目前的视频监控设备体积太大，价格太贵，而且在接入节点的大规模部署耗电量也非常大。只有解决了接入节点上视频监控面临的上述问题，才能建设低成本的互联网视频服务感知型网络。
唯一能够应对上述挑战的解决方案就是在接入节点本身嵌入相关功能。监控功能嵌入接入节点之后，就能跟着接入节点部署到任何位置，运营商也避免了部署和维护专用监控设备的成本，也省去了额外的支架空间费用。嵌入式监控技术还能帮助服务供应商避免专用监控硬件的成本及功耗释放的碳足迹。
5 LSI推出嵌入式体验质量监控技术(eQoETM)
LSI 推出了一款高效能、成本优化、低功耗的互联网视频监控解决方案，能广泛部署高质量的互联网视频服务。eQoE解决方案可与 LSI APP3300 Advanced PayloadPlus®网络处理器配套使用，该处理器采用现有APP3300网络处理器系列中嵌入的视频质量监控技术，广泛部署于无线接入、宽带接入和企业应用中。
APP3300网络处理器系列支持多种性能以及广泛的功耗范围。它采用90纳米的工艺技术制造而成，功耗仅为5W。APP网络处理器目前广泛用于众多室外和空间受限的部署中，比方说远程DSLAM、Node-B和中小型企业(SMB) 网关应用等。在上述部署情况下，APP实施传输和控制层操作，包括TR-101 DSLAM、LTE和W-CDMA Node-B，以及SMB网关等。在同一处理器上实施eQoE可确保在不增加额外芯片或设备成本、功耗和支架空间的情况下实现视频质量监控。此外，为了进一步缩短设计周期，LSI提供了应用优化软件包，可支持控制和数据层功能，满足多种接入应用的要求。通过在同一网络处理器上实施eQoE并提供相应的软件，LSI能帮助实现接入网络中互联网视频监控功能的快速部署。
6 eQoE将支持的功能
由于eQoE在成本、空间占用和功耗方面都有很大的优势，因此互联网视频监控几乎能在接入网络中实现无所不在的部署，这有助于加强故障隔离、自动纠错措施、智能网络部署和前瞻性高级服务向上销售工作。这些优势有助于降低运营开支，促进客户保有率，并为服务供应商带来新的增收机遇。
6.1 故障隔离
利用eQoE，服务供应商能监控接入设备的视频质量。如果用户举报视频交付出了问题，那么网络运营商能在视频提交给用户前检查接入设备和接入视频质量。如果视频质量在接入节点本身已经比较差了，那么根本问题不是出在最后一英里的设备上，而是应该在网络上更深入地查找问题。网络运营商可向用户指出，这个问题即便派技术人员上门维修也解决不了，这样省去了服务供应商成本高昂的上门服务费。如果视频质量在接入设备处没问题，但用户却表示视频质量很差，那么就需要上门维护了。在上述两种情况下，运营商都能告诉客户，智能设备监控着相关问题，而这在目前还不能实现。由于仅在必需时才派技术人员上门服务，这样服务供应商不仅降低了无谓的上门服务次数，也直接缩减了运营开支。
6.2 自动纠错措施
故障隔离后接下来就应采取纠正措施。最快的纠错行动应该是自动纠错。嵌入式体验质量监控技术可根据MPQM打分为视频质量创建服务级别告警。然后通过视频质量告警隔离问题并采取自动纠错措施。在告警体系中，视频质量告警是服务级别告警，属于系统化的各种低层告警之列。在对互联网视频服务采取行动之前，应先清除低层告警。一旦检测到互联网视频服务告警后，V-NOC中的运营支持系统(OSS)设备可自动检查上游设备。如果该视频流在上游设备网络端没有出现互联网视频告警，那么说明问题肯定发生在上游设备中。
我们可在该设备上采取纠错措施，比方说确保适当的QoS策略配置，或查找可疑的数据包丢失等。可在用户举报问题之前，甚至用户意识问题存在之前进行自动纠错措施。由于减少了用户举报、意识出现问题的情况，因此可提高客户满意度，进而提高客户保有率。
6.3 智能网络部署
建立低成本的嵌入式互联网视频质量监控机制将在整个网络的更多节点上支持eQoE功能。这种可视化程度对外部设备来说是不可能实现的，因为外部设备面临着巨大的成本、空间占用和功耗压力。V-NOC中的运营商会了解整个网络所有接入节点上的当前视频质量。如果新增了新的视频流，eQoE会汇报该视频流对其他视频流的影响；在新增内容服务器时区域会如何响应，以及网络在新增用户或新的接入设备时会有何变化等。如果网络供应商掌握了上述数据，那么就能对新网络的部署、新增客户以及在哪里部署新的内容服务器等制定智能的计划。
7 高端服务的前瞻性向上销售
只要我们能确保互联网视频质量，就能在服务供应商网络中创建更高端的服务。服务供应商可通过推出高度监控的付费欣赏或VOD服务，或每月提供一定时限的、严格监控的高质量视频会议服务，来实现特色化服务。如果没有互联网视频监控技术的广泛部署的话，上述增收服务是不可能实现的。
8结论
互联网视频向专业制作的高带宽内容方向发展。互联网视频已在传输和接入网络上得到部署，使上述网络成为了视频发布网络。针对互联网视频面临的种种挑战，人们正在积极研发相关技术，不过现有的技术还有很大的局限性。请求／预留协议只能对流量设置发挥作用，而最后一英里的IP数据包交付保证技术也仅能满足最后一英里的传输要求。各自独立的监控设备不能部署在接入设备环境中。
嵌入式体验质量技术则为接入设备提供了成本更低、更加节能的嵌入式视频监控机制，有助于降低运营成本，改善客户保有率，并为服务供应商带来新的增收机遇。
参考文献
[1] 摘自Seng Kyoun Jo Guha、D. Jun Kyun Choi、Seong Gon Choi以及Jae Hum Lee 在第八届国际会议ICACT 2006(2006 年先进通信技术)上发表的题为“适用于多播环境的阈值接入控制法”的文章。ISBN: 89-5519-129-4
[2] 摘自R. Braden、L. Zhang、S. Berson、S. Herzog 以及 S. Jamin共同编著的“资源预留协议(RSVP)——版本1：功能规范”， RFC 2205， 1997年9月。
[3] 摘自Andrea Basso、Ismail Dalgic、Fouad A.Tobagi以及 Christian J. van den Branden Lambrecht在1996年3月13至15于澳大利亚墨尔本举办的图像编码处理技术的学术报告会上发布的“基于感知质量标准的MPEG-2编码性能分析”一文。
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