摘要：隨著我國3G網絡部署工作的日益深入，移動流媒體業務的得到了飛速發展，電信運營商對于流媒體業務服務質量監測的需求也日益迫切。本文通過對電信運營商移動流媒體業務質量監測的需求分析，結合所使用流媒體傳輸協議特點，綜合利用手持客戶終端與網絡探針等測試手段，提出了一種針對客觀QoS數據和主觀QoE指標的3G流媒體質量監測數據的采集方法。用以實現對3G流媒體業務質量的監測，以及對網絡故障點的判定。

關鍵詞：3G；流媒體；QoS；QoE；RTSP       

中圖分類號：TP393        文獻標識碼：A        文章編號：

 

 Design of Collection methods for 3G Streaming Media Quality Monitoring Data

 MEI Jia-qi，WU Qiang

（College of Electronic and Control Engineering Beijing University of Technology，Beijing 100124）

Abstract：Along with further deployment of 3G communication network in China, mobile stream media business has been experiencing rapid development. The demands for service quality control from telecom operators become increasingly urgent. According to analyses of service quality control requirement of telecom operators, and characteristics of stream media transport protocol，this paper introduces a methodology to collect objective QoS data and subjective QoE data of 3G streaming media quality data for the realization of the 3G streaming media services quality monitoring, and detecting network failure.

Key words：3G；stream media；QoS；QoE；RTSP       

1 引言

隨著移動通信技術的飛速發展，第三代移動通信網絡在我國的部署工作已全面展開，并于2009年正式投入商業化運營。人們在享受3G網絡提供的更高的帶寬接入能力和更加豐富的移動業務的同時，對于3G網絡所提供業務的體驗感受也更加關注。業務質量體驗結果的好壞將直接影響到增值業務的推廣與發展。因此電信運營商正逐步從關注網絡平均質量（QoS）轉為注重用戶感知的業務質量（QoE）。激烈的市場競爭使運營商意識到：提高終端用戶的滿意度，是留住用戶、擴大用戶規模并最終取得盈利的關鍵所在，所以，能否及時準確地測量、掌握服務質量數據就成為3G運營成功與否的重要考量標準 ^[1]。

本文根據目前3G運營商的實際需求。通過分別部署于無線側的手持客戶終端和運營商網絡中的網絡探針等設備，提出了一套3G流媒體服務質量監測數據的計算方法。

2 流媒體傳輸協議

RTP/RTCP協議棧^[2]，如下圖所示：

  

  圖1流媒體協議棧

對于流媒體點播和流媒體直播業務，其本質是一種流式傳輸，IETF（Internet Engineer Task Force）定義了幾種流式傳輸協議，主要有：RTSP（Real-Time Streaming Protocol，實時流媒體協議）和RTP/RTCP（Real-Time Transport Protocol/RTP Control Protocol，實時傳輸協議/實時傳輸控制協議）^[3]。

SDP（Session Description Protocol）是服務器端生成的，描述媒體文件的編碼信息以及所在服務器鏈接等信息的文件，客戶端通過它來設置播放軟件的參數。SDP內容包括：會話名稱和目的、會話持續時間、媒體類型、傳輸協議、媒體編碼格式、接收媒體的相關信息等^[4]。

RTSP是應用級協議，RTSP本身不被用于傳輸媒體數據，而是用于流媒體服務器和終端播放器之間的媒體流會話的建立和控制。RTSP通過定義一些“Method”來實現會話的控制，其主要的Method有：DESCRIBE、SETUP、PLAY、PAUSE、RECORD、REDIRECT、TEARDOWN等。同時，RTSP利用會話描述協議（SDP）來協商雙方的媒體格式、傳輸協議等^[5]。

RTP是針對多媒體數據流的傳輸協議，能夠提供時間信息并提供流同步，但本身并不能提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務 ^[6]。

3 3G流媒體服務質量監測數據

3.1流媒體服務質量監測數據分析

進行服務質量監測的主要目的，是為運營商提供服務質量監測數據，用以改進服務質量，從而為用戶提供更為人性化、更為舒適的服務。所以，獲取網絡服務性能參數，以及用戶觀看視頻后的感受，就顯得尤為重要。因此，可以將所需數據劃分為影響用戶使用可靠性的參數，和影響用戶使用舒適度的參數。

對于不同的網絡應用目的，以上兩類數據所涉及的網絡指標有所不同。通過分析流媒體服務的特點，可知該類服務對于網絡帶寬的要求較高，對于網絡抖動、延時較為敏感，客戶對于內容訪問的成功率、播放質量較為敏感。

因此，針對3G流媒體業務特點，我們主要對以下參數進行采集。

影響用戶使用可靠性的參數，主要包括內容訪問成功率、網絡時延。

影響用戶使用舒適度的參數，主要包括丟包率、丟包量、單位時間內數據包接收量、數據包接收總量、單位時間內接收到的數據量、數據接受總量、包間隔、延時、抖動、等。

此外，雖然目前已經可以根據可量化的網絡性能參數對網絡服務質量的主觀感受做出評定，例如運用量化算法計算網絡服務質量^[8]。但是目前該類算法的研究還不成熟，尤其是對于視頻傳輸效果評定這樣的工作，由于主觀因素對評定結果影響極大，通過客觀網絡性能參數量化網絡服務質量工作就更顯艱巨。所以若想達到獲取用戶在觀看3G視頻服務后真實感受的目的。根據目前的研究狀況，結合系統的實際部署情況和使用目的，可以綜合量化算法和主觀評定兩類指標。即在提取相關舒適度和可靠性參數的同時，提取監測工作人員的主觀感受評價。藉此為運營商提供更為合理客觀的網絡評價參數，為利用網絡服務性能參數預測用戶感受算法提供便利。此類參數主要包括視頻播放流暢度、視頻馬賽克大小、馬賽克嚴重程度等。

3.2 監測數據采集

目前開展的服務質量監測數據采集工作，其主要目的在于，為移動運營商在業務部署初期掌握服務質量狀況，并為網絡策略的調整提供依據。所以對于監測數據的采集，采用主動式測量的方法。即通過在手持客戶終端，產生實際的業務數據注入通信網絡中，并在網絡關鍵節點布設探針，對相應的業務流量進行監測。其總體部署情況如下圖：

 

  

  圖2 數據采節點部署集示意圖

對于數據包的實際發送數量、數據的實際發送數量、包間隔、數據包實際接收量、數據實際接收量等數據，在手持客戶終端處進行采集。手持測試終端作為客戶端，產生實際的業務數據，進行視頻點播、直播或下載。在接收到流媒體服務器的RTP數據包后，客戶端對以上關鍵指標數據進行采集。并通過進一步的計算，得出丟包率、抖動、單位時間內數據包接收量、單位時間內數據接收量等網絡指標。

傳輸過程中的時延主要通過網絡探針來捕捉。網絡探針通過對特定源地址和目的地址的流媒體數據包的采集，計算出網絡中各個分段內的時延數據。

4 主要質量監測數據的采集方法

4.1 影響用戶使用可靠性的主要參數

●內容訪問成功率：手持客戶終端進行視頻點播時，與流媒體服務器間的連接成功率。

該測試主要驗證手持客戶終端在發送RTSP協議中的PLAY方法后是否能夠得到流媒體服務器的OK應答和RTP負載包。從而檢測視頻服務器的相關流媒體數據是否可以獲取。檢測流程如下圖：

  

圖3 一次內容訪問測試流程

如果手持客戶終端可以接收到OK應答并在“PLAY”動作后收到RTP負載包，則判定手持客戶終端與流媒體服務器連接成功。所需的流媒體數據可以獲得。

利用多次內容訪問測試，通過對從流媒體服務器端獲取的反饋信息，判定連接是否成功，并通過成功與失敗的次數，獲取內容訪問成功率。

●網絡時延：網絡中數據包傳輸時延。

可以利用網絡探針和手持客戶終端共同完成。在點播視頻服務后，系統首先通過手持客戶終端發布校時指令。各個網絡探針、和手持客戶終端，可以根據所設定的校時服務器，進行統一校時。

此后由網絡探針，對由特定流媒體服務器向特定的手持客戶終端地址發送的RTP數據進行嗅探，并根據RTP時間戳信息以及本地時間，確定本段網絡的數據延時狀況。

4.2 影響用戶使用舒適性的主要參數

●數據包接收量：手持客戶終端分別接收到的，音、視頻數據包個數。

當每一個音、視頻包到達手持客戶終端時，觸發計數函數，在該函數中利用計數器別記錄音、視頻數據包的接收數量。

●數據包丟失量：手持客戶終端進行流媒體業務播放時，音、視頻數據流分別丟失的數據包個數。

通過在每個視頻RTP數據包到達時，利用接收到的視頻RTP數據包中的Seq號，與當前記錄中的Seq號進行比較，如果視頻數據包中的Seq號大于記錄中的Seq號，則更新記錄，從而得到當前應接收到的視頻數據包個數。在整個流媒體數據傳輸結束后，運用記錄中應接收到的視頻數據包個數與實際接收到的視頻數據包個數做差，得到視頻數據包丟包數量。

音頻數據包丟失量的計算方法和視頻數據包丟失量的計算方法相同。

●單位時間內數據接收量：手持客戶終端進行流媒體業務播放過程中，每秒鐘分別接收到的音、視頻數據流的數據量。

利用整個測試流程期間接收到的音、視頻數據量除以接收時間，分別計算出音、視頻數據每秒鐘接收量。

●包間隔（最小/最大）：手持客戶終端進行流媒體業務播放時，每兩個音頻數據包之間的最小/最大包間隔，每兩個視頻數據包之間的最小/最大包間隔。

通過在每個視頻數據包到達時，利用當前時間與先前視頻數據包到達時間的差值，獲取當前視頻RTP數據包的包間隔。

再通過與先前記錄的視頻數據包最大、最小包間隔的比較，對視頻數據的最大最小包間隔記錄進行更新。

音頻數據包最小/最大包間隔的計算方法與視頻數據包最小/最大包間隔的計算方法相同。

●包間隔（平均）：手持客戶終端進行流媒體業務播放時，每兩個音頻數據包之間的平均包間隔，每兩個視頻數據包之間的平均包間隔。

分別利用所獲得的總的音、視頻數據包間隔，除以音、視頻數據各自接收到的數據包數量，從而獲得音、視頻數據各自的平均數據包間隔。

●丟包率（最小/最大）：手持客戶終端進行流媒體業務播放時，分別偵測到的音、視頻流數據流的最小/最大丟包率。

根據所設定測試時間粒度信息，在時間上將整個測試過程均勻地劃分成若干測試子段。在一個測試子段內，通過所記錄的視頻RTP數據包中的Seq域信息，獲取當前測試子段內服務器端發送出的視頻數據包數量。并利用程序記錄的當前測試子段內視頻數據包的實際接收數量，得到實際收到的視頻數據包量和服務器端發送的視頻數據包量的比值，即計算該測試子段內視頻數據包的接收率。用1減去視頻數據包接收率得到該測試子段內視頻數據包的丟包率。通過與已記錄的最大/最小丟包率進行比較，決定是否將最大/最小丟包率更新為當前值。

音頻數據包最小/最大丟包率的計算方法和視頻數據包最小/最大丟包率的計算方法相同。

●丟包率（平均）：手持客戶終端進行流媒體業務播放時，分別偵測到的音、視頻流數據流的平均丟包率。

利用在整個測試流程期間接收到的視頻數據包個數，與服務器端發送的數據包數量的比值。得到視頻數據包的接收率。用1減去接收率得到針對整個測試流程期間的視頻數據包丟失率。

音數據包平均丟包率的計算方法和視頻數據包平均丟包率的計算方法相同

●抖動：抖動是指數據包從媒體服務器到達手持客戶終端所經歷時延的長短變化。抖動產生有多種原因，視頻解碼器/服務器性能變化，網絡線路出現擁擠，網絡設備性能變化都可以導致視頻流的抖動變化。觀測視頻流的抖動變化可以提前發現視頻傳輸質量惡化的趨勢。

抖動計算方法如下，假設Si是包i的RTP時間戳，Ri是接收方從（本地）RTP時鐘得到的接收時間。則相對傳輸時間是（Ri – Si）。相應的對于兩個包i和j，相對傳輸時間的變化通過如下公式計算獲得。

                         

                           

（4-1）

 

在每次數據包到達時計算D（i，j）。此后通過以下公式進行計算得出抖動值：

                         

                             

（4-2）

4.3 流媒體業務播放效果主觀評價參數

●主觀評測指標：通過在手持客戶終端中播放音視頻節目，由撥測人員對諸如流暢度、清晰度、馬賽克程度、等指標給出主觀評級。根據目前常用的分級方法，可以用5個級別界定,即優秀、好、一般、差、極差。

5 結論

通過部署在骨干網中的網絡探針和手持客戶終端。利用所獲取的數據，首先可以提高運營商對網絡服務的掌控能力，運用分布于網絡各處的網絡探針，可以對網絡進行分段檢測，從而提高偵測和應對網絡故障的能力。其次，可以為目前在研的由網絡服務客觀性能指標，量化用戶播放主觀感受算法提供有力的支持，為算法相關參數（如權重）的設定提供事實依據。從而為今后運營商根據網絡服務客觀性能指標，判定流媒體業務實際播放實際效果提供幫助。第三，利用該系統所獲取的各項數據，可以快速直觀的反應網絡運營商對網絡調試結果，提高管理效率。并最終為運營商提高對網絡的控制能力，提高用戶的使用感受提供技術保證。

 

參考文獻 (References)