家庭網(wǎng)絡(luò)圍繞U-vMOS視頻體驗(yàn)

1 簡介

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

一般來說，家庭網(wǎng)絡(luò)指的是從寬帶進(jìn)入家庭的ONT或者MODEM開始，到用戶最終用來上網(wǎng)的終端設(shè)備的這一段連接網(wǎng)絡(luò)。主要通過Wi-Fi來連接各種設(shè)備，少量通過以太接口連接，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家庭Wi-Fi路由器來聯(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越大。以往功能單一的Wi-Fi路由器也開始進(jìn)入更新?lián)Q代期，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)從802.11bg升級到11n到11ac，從單頻到雙頻等等。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)開始受到重視，快速發(fā)展。本文主要介紹通過基于U-vMOS 的監(jiān)測，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)等問題。

2 U-vMOS視頻體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 視頻基礎(chǔ)知識

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)測幀，根據(jù)前一個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)測幀，根據(jù)前一個I幀或者P幀和后一個I幀或者P幀恢復(fù)自身圖像

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

圖 2  IPTV視頻流的報文封裝

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

碼率一般可以通過接收到的視頻流數(shù)據(jù)量和時間計算出來。

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

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

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，基于RTP序列號，可以計算IP丟包率。

2.2  華為U-vMOS視頻體驗(yàn)評價標(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，用來評價不同網(wǎng)絡(luò)、不同屏幕、不同場景應(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、互動體驗(yàn)、播放體驗(yàn)三要素來得出一個統(tǒng)一的OTT視頻評估指標(biāo)來衡量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個層次，對應(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)，對其中的各項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Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行單點(diǎn)覆蓋，距離Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)近的地方信號強(qiáng)，連接速率高，距離遠(yuǎn)或者有墻壁隔離的地方信號很弱，存在Wi-Fi覆蓋問題，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。覆蓋差就會必然帶來網(wǎng)絡(luò)性能/吞吐量的變差，在4K電視和家庭存儲場景，Wi-Fi性能不達(dá)標(biāo)，影響視頻和文件傳輸體驗(yàn)，同時2.4G頻段無線干擾非常大，不適合高帶寬需求如承載4K視頻等場景。

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出現(xiàn)觀看視頻時出現(xiàn)丟包或者卡頓等現(xiàn)象，影響用戶體驗(yàn)，U-vMOS 得分都不會超過4。

按照U-vMOS 的評價標(biāo)準(zhǔn)，我們對家庭網(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)能隨時隨地的擁有良好的視頻體驗(yàn)，需對家庭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景。同時，智能ONT能夠把各種類型的擴(kuò)展AP聯(lián)接并管理起來，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)聽多址接入/碰撞避免)機(jī)制規(guī)定Wi-Fi設(shè)備在偵聽到其他信號時，設(shè)備都會暫緩傳輸數(shù)據(jù)直到該信號消失。Wi-Fi工作在2.4GHz和5GHz這兩個免授權(quán)頻段，由于是免授權(quán)頻段，因此射頻干擾幾乎能來自于所有能發(fā)出電磁信號的裝置——無繩電話、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 三個互不干擾的信道，即使是在5GHz頻段上，在排除了動態(tài)頻率選擇后，也僅有4個互不重疊的40MHz寬的信道。

因此，在有干擾的環(huán)境下，任何的無線干擾源都容易對Wi-Fi信號產(chǎn)生干擾和影響，輕則是信號失真，重則令數(shù)據(jù)包丟失，傳輸?shù)艟�中斷。Wi-Fi的性能會發(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2.4G Wi-Fi承載，視頻業(yè)務(wù)通過5G Wi-Fi承載。通過將視頻業(yè)務(wù)固定通過5G頻段來承載，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之間電力線長度保持在10m的距離內(nèi)，以免影響互聯(lián)效果。
• 每個房間內(nèi)僅布置1個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1臺電視及1部PAD同時接入5G Wi-Fi觀看4K視頻的情況。且同時看視頻的終端數(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Wi-Fi產(chǎn)生額外的干擾。

3.3 減少時延和抖動（家庭網(wǎng)絡(luò)時延<5ms）

減少視頻傳輸?shù)亩秳�，主要是靠外部網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。對家庭網(wǎng)絡(luò)來說，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)先級調(diào)度，也可以有效減少抖動。

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)，可以對用戶的U-vMOS質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

當(dāng)前接入網(wǎng)對視頻業(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）對接，從而MQMC可以對頭端、機(jī)頂盒以及接入網(wǎng)絡(luò)同時進(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U-vMOS 得分為4分以上為目標(biāo)，通過對家庭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個方面都會得到提升，是一種提升用戶滿意度的好方法。

縮略語表/Acronyms and Abbreviations