家庭網(wǎng)絡(luò)圍繞U-vMOS視頻體驗(yàn)

1 簡(jiǎn)介

隨著智能手機(jī)帶動(dòng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對(duì)帶寬的要求與時(shí)俱進(jìn)，提速呼聲不斷，這推動(dòng)了百兆帶寬快速普及，同時(shí)越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商為了能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)，開(kāi)始從提供基礎(chǔ)類帶寬服務(wù)轉(zhuǎn)變成聚焦用戶體驗(yàn)的經(jīng)營(yíng)，借助業(yè)務(wù)體驗(yàn)提升網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營(yíng)能力。為了能提供更好的視頻體驗(yàn)，出現(xiàn)了多種對(duì)視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，U-vMOS 便是華為提出的一種主動(dòng)評(píng)價(jià)視頻給用戶帶來(lái)主觀體驗(yàn)的技術(shù)手段。作為停留時(shí)間最長(zhǎng)的家，家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)直接影響到用戶體驗(yàn)。

一般來(lái)說(shuō)，家庭網(wǎng)絡(luò)指的是從寬帶進(jìn)入家庭的ONT或者MODEM開(kāi)始，到用戶最終用來(lái)上網(wǎng)的終端設(shè)備的這一段連接網(wǎng)絡(luò)。主要通過(guò)Wi-Fi來(lái)連接各種設(shè)備，少量通過(guò)以太接口連接，智能設(shè)備如手機(jī)、PAD和機(jī)頂盒等多樣化的家庭終端要求有一個(gè)家庭Wi-Fi路由器來(lái)聯(lián)接這些設(shè)備，并且保證高性能高可靠，因?yàn)閿?shù)據(jù)流量不僅是內(nèi)外網(wǎng)間的縱向流量，家庭網(wǎng)絡(luò)終端間的橫向流量也越來(lái)越大。以往功能單一的Wi-Fi路由器也開(kāi)始進(jìn)入更新?lián)Q代期，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)從802.11bg升級(jí)到11n到11ac，從單頻到雙頻等等。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始受到重視，快速發(fā)展。本文主要介紹通過(guò)基于U-vMOS 的監(jiān)測(cè)，為了達(dá)到令人滿意的視頻體驗(yàn)，家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，其中有哪些關(guān)鍵點(diǎn)等問(wèn)題。

2 U-vMOS視頻體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí)

圖 1  視頻壓縮中的I幀、B幀和P幀

◆MPEG-2視頻壓縮編碼定義視頻流主要由I、P、B三個(gè)幀組成

◆I幀含有所在圖像所有的信息，采用幀內(nèi)編碼恢復(fù)自身圖像；P幀是前向預(yù)測(cè)幀，根據(jù)前一個(gè)I幀或者P幀結(jié)合算法恢復(fù)自身圖像；B幀是雙向預(yù)測(cè)幀，根據(jù)前一個(gè)I幀或者P幀和后一個(gè)I幀或者P幀恢復(fù)自身圖像

◆GoP長(zhǎng)度（相鄰兩個(gè)I幀之間的長(zhǎng)度）決定了壓縮比，GoP長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壓縮比越高，視頻流需要的帶寬也越小。

圖 2  IPTV視頻流的報(bào)文封裝

Frame幀內(nèi)容包括：I/B/P幀標(biāo)記、圖像分辨率、幀率等。

碼率一般可以通過(guò)接收到的視頻流數(shù)據(jù)量和時(shí)間計(jì)算出來(lái)。

每個(gè)Frame一般采用一個(gè)PES頭封裝，在PES頭中會(huì)記錄該幀在視頻播放時(shí)呈現(xiàn)的時(shí)間。

每個(gè)PES包按照TS幀來(lái)切割和封裝，一個(gè)TS幀為188字節(jié)（包括4字節(jié)幀頭），TS頭中包括TS序列號(hào)，基于TS序列號(hào)可以計(jì)算媒體幀丟包率。

IPTV視頻流采用UDP承載，一般都采用RTP封裝協(xié)議，RTP頭中包括RTP序列號(hào)，基于RTP序列號(hào)，可以計(jì)算IP丟包率。

2.2  華為U-vMOS視頻體驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)介紹

華為提出了以用戶體驗(yàn)為中心的視頻體驗(yàn)指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)U-vMOS，用來(lái)評(píng)價(jià)不同網(wǎng)絡(luò)、不同屏幕、不同場(chǎng)景應(yīng)用下的視頻體驗(yàn)的好壞。U-vMOS視頻體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)從視頻質(zhì)量、互動(dòng)體驗(yàn)、播放體驗(yàn)三要素來(lái)得出一個(gè)統(tǒng)一的OTT視頻評(píng)估指標(biāo)來(lái)衡量OTT視頻的質(zhì)量。

圖1 U-vMOS建模方法

圖2 sQuality的影響因子

圖3 sInteraction的影響因子

圖4 sView 的影響因子

U-vMOS值用于不同的業(yè)務(wù)體驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的用戶主觀感知量化成統(tǒng)一的客觀取值。 U-vMOS值將視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)的主觀感受分為5個(gè)層次，對(duì)應(yīng)分值如下表。

表2-1 U-vMOS值與視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)主觀感受對(duì)應(yīng)關(guān)系

通常情況下，U-vMOS大于4分，認(rèn)為體驗(yàn)質(zhì)量非常好。

基于U-vMOS標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中的各項(xiàng)KQI進(jìn)一步分解，可以得出某一目標(biāo)U-vMOS得分的條件下，網(wǎng)絡(luò)需要提供的KPI：

基于U-vMOS 5分標(biāo)準(zhǔn)，分解出的網(wǎng)絡(luò)要求已經(jīng)大大超出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的能力，我們認(rèn)為，5分的標(biāo)準(zhǔn)需要依賴云/管/管革新的技術(shù)&方案才能達(dá)成。

中短期內(nèi)，U-vMOS達(dá)到4分已經(jīng)代表了較好的體驗(yàn)，我們將U-vMOS 4分設(shè)置為家庭網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化達(dá)成的目標(biāo)：帶寬>100M、時(shí)延<20ms、丟包率<10-6

3 家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)建議

家庭網(wǎng)絡(luò)首要關(guān)注的就是Wi-Fi組網(wǎng)，但是絕大多數(shù)家庭Wi-Fi覆蓋是依賴于單點(diǎn)的覆蓋，提供的是一種盡力而為的體驗(yàn)，其網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的優(yōu)劣依賴家里的地形、格局，甚至墻的厚度，比如下圖所示，這是一個(gè)目前典型的家庭Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

圖 3  當(dāng)前典型家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前絕大多數(shù)家庭Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行單點(diǎn)覆蓋，距離Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)近的地方信號(hào)強(qiáng)，連接速率高，距離遠(yuǎn)或者有墻壁隔離的地方信號(hào)很弱，存在Wi-Fi覆蓋問(wèn)題，三房及以上戶型單設(shè)備很難做到完美覆蓋，除非違規(guī)加大功率。覆蓋差就會(huì)必然帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)性能/吞吐量的變差，在4K電視和家庭存儲(chǔ)場(chǎng)景，Wi-Fi性能不達(dá)標(biāo)，影響視頻和文件傳輸體驗(yàn)，同時(shí)2.4G頻段無(wú)線干擾非常大，不適合高帶寬需求如承載4K視頻等場(chǎng)景。

在這樣的家庭Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)情況下，除了靠近Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)的客廳等地點(diǎn)，其他的大部分地方比如房間等會(huì)出現(xiàn)觀看視頻時(shí)出現(xiàn)丟包或者卡頓等現(xiàn)象，影響用戶體驗(yàn)，U-vMOS 得分都不會(huì)超過(guò)4。

按照U-vMOS 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，我們對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義是U-vMOS 的值在4以上，為了保證用戶在家庭內(nèi)能隨時(shí)隨地的擁有良好的視頻體驗(yàn)，需對(duì)家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 保證大接入帶寬（家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬>100M）

為了在家庭內(nèi)任何地點(diǎn)能達(dá)到100M以上的連接速度，家庭的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將從集中式部署方式走向分布式，家庭部署多個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)(即AP)，滿足家庭不同終端在任意位置的多樣需求。Wi-Fi Repeater、PLC Wi-Fi AP和網(wǎng)口聯(lián)接AP等三種分布式AP，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活擴(kuò)展、即插即用，以及支持無(wú)縫切換體驗(yàn)，配合作為核心的智能ONT可以覆蓋絕大部分場(chǎng)景。同時(shí)，智能ONT能夠把各種類型的擴(kuò)展AP聯(lián)接并管理起來(lái)，并協(xié)同各AP為Wi-Fi設(shè)備分配資源。

圖 4  家庭Wi-Fi覆蓋解決方案

3.2 減少傳輸過(guò)程的丟包（家庭網(wǎng)絡(luò)丟包率<10-6）

Wi-Fi技術(shù)定義的MAC層CSMA/CA(載波監(jiān)聽(tīng)多址接入/碰撞避免)機(jī)制規(guī)定Wi-Fi設(shè)備在偵聽(tīng)到其他信號(hào)時(shí)，設(shè)備都會(huì)暫緩傳輸數(shù)據(jù)直到該信號(hào)消失。Wi-Fi工作在2.4GHz和5GHz這兩個(gè)免授權(quán)頻段，由于是免授權(quán)頻段，因此射頻干擾幾乎能來(lái)自于所有能發(fā)出電磁信號(hào)的裝置——無(wú)繩電話、藍(lán)牙手機(jī)、微波爐乃至智能儀表。而更大的干擾源則來(lái)自于Wi-Fi本身，在使用最為廣泛的2.4GHz頻段上，僅有1、6、11 三個(gè)互不干擾的信道，即使是在5GHz頻段上，在排除了動(dòng)態(tài)頻率選擇后，也僅有4個(gè)互不重疊的40MHz寬的信道。

因此，在有干擾的環(huán)境下，任何的無(wú)線干擾源都容易對(duì)Wi-Fi信號(hào)產(chǎn)生干擾和影響，輕則是信號(hào)失真，重則令數(shù)據(jù)包丟失，傳輸?shù)艟�中斷。Wi-Fi的性能會(huì)發(fā)生急劇的下降。在家庭網(wǎng)絡(luò)中，為了減少在的干擾而導(dǎo)致的視頻業(yè)務(wù)丟包，首要的就是要減少干擾。建議做到如下幾點(diǎn)：

• 業(yè)務(wù)區(qū)分承載: 普通上網(wǎng)/下載業(yè)務(wù)通過(guò)2.4G Wi-Fi承載，視頻業(yè)務(wù)通過(guò)5G Wi-Fi承載。通過(guò)將視頻業(yè)務(wù)固定通過(guò)5G頻段來(lái)承載，有效減少2.4G頻段的干擾，減少丟包。
• 跨房間互聯(lián)采用G.hn PLC方案，通過(guò)有線承載，減少AP間的干擾。但是注意PLC不能插在防雷插排上，主、從PLC之間電力線長(zhǎng)度保持在10m的距離內(nèi)，以免影響互聯(lián)效果。
• 每個(gè)房間內(nèi)僅布置1個(gè)AP（天線數(shù)目大于2為佳），Wi-Fi 覆蓋固定選擇5G，且設(shè)置信道帶寬為40MHz。
• 不同房間AP的頻點(diǎn)不同。減少同頻帶Wi-Fi 信號(hào)之間的干擾。
• 為保證Wi-Fi的發(fā)送接收效果，建議AP與STB/電視距離保持在10m以內(nèi)，STB/電視的Wi-Fi天線數(shù)目為2以上。
• 從帶寬的角度考慮，每房間內(nèi)建議避免超過(guò)1臺(tái)電視及1部PAD同時(shí)接入5G Wi-Fi觀看4K視頻的情況。且同時(shí)看視頻的終端數(shù)小于3。
• 家庭內(nèi)不能使用未經(jīng)EMI認(rèn)證的家電，避免對(duì)Wi-Fi產(chǎn)生額外的干擾。

3.3 減少時(shí)延和抖動(dòng)（家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)延<5ms）

減少視頻傳輸?shù)亩秳?dòng)，主要是靠外部網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，除了前面提到的減少丟包的措施要實(shí)現(xiàn)外，在家庭網(wǎng)關(guān)上部署Qos，將視頻業(yè)務(wù)作為最高優(yōu)先級(jí)調(diào)度，也可以有效減少抖動(dòng)。

3.4 在接入設(shè)備上部署基于U-vMOS的視頻質(zhì)量監(jiān)控端

在接入網(wǎng)解決方案中，視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)控探針內(nèi)置在OLT和ONT上，OLT上上行板和PON板都可以作為監(jiān)控點(diǎn)，ONT上是在ONT以太出口上作為監(jiān)控點(diǎn)，可以對(duì)用戶的U-vMOS質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

當(dāng)前接入網(wǎng)對(duì)視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)控的管理系統(tǒng)為U2000/N2510，后續(xù)可以和IPTV產(chǎn)品的MQMC（媒體質(zhì)量監(jiān)控中心）對(duì)接，從而MQMC可以對(duì)頭端、機(jī)頂盒以及接入網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

圖 5  接入網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)U-vMOS解決方案

4 總結(jié)

家庭網(wǎng)絡(luò)直接連接客戶，直接影響客戶體驗(yàn)，而視頻業(yè)務(wù)又是當(dāng)前的主流業(yè)務(wù)，所以保證用戶體驗(yàn)很有必要，通過(guò)U-vMOS 得分為4分以上為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化后，用戶Wi-Fi連接帶寬帶寬更高，網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，丟包/抖動(dòng)情況更少，在影響U-vMOS得分的視頻質(zhì)量、操作體驗(yàn)、播放體驗(yàn)3個(gè)方面都會(huì)得到提升，是一種提升用戶滿意度的好方法。

縮略語(yǔ)表/Acronyms and Abbreviations