VoIP视频流质量的测量和监控的实例

2008-05-23 17:12:39来源: 电子工程专辑

 VoIP是一种正在形成的崭新技术,为了提高视频流的质量,需要对终端进行测量并监控抖动数据包丢失及有效载荷的质量,本文介绍了几种观察的方法,重点介绍了如何评价缓冲器和网络的边界限制对视频质量的影响。

  VoIP技术的传输要通过具有视频流的交换包网络,当今针对VoIP的标准还不多,因此要测量VoIP流的质量问题。在确定测量内容前,必须对定义VoIP流质量的基本特性有一个充分的了解。

  与通过IP传输的数据不同,视频流质量需在现场,并且是在TV终端进行测量。终端视频的质量既非仅指网络带宽的某个功能也非仅指MPEG-2的某个功能。事实上,许多有关终端视频质量的问题是MPEG-2质量与确定性的IP包网络传输水平的结合问题。这一点与数据通信不同,数据通信通过稳定吞吐量的速度测量质量,而较少关注负载的特性,视频对网络传送的的要求更高。

  设计用来传送视频流的网络必须考虑它们所能传送的有效载荷,此外正在被传送的MPEG-2流的类型也会对影响网络数据包传输的最小或最大边界特征,并且整个系统必须与终端的视频流质量保持一致。

  测量及监控这些流将涉及对第三层、协议层的以太网数据包到达时间、这些到达时间的平均时间及瞬时时刻的测量,并最终通过解码第7层的一部分及MPEG-2内容来测量系统边界。与系统缓冲器限制相结合的MPEG-2内容会对传输边界造成影响。本文以视频点播(VoD)为实例,讨论目前VoIP技术,然后看看VoD系统每一个阶段会面临的问题,以及对哪一部分的质量需要进行测量。最终我们将会找到在VoIP视频流的终端确定视频流质量的关键字节,这个过程采用了对网络性能测定的系统论方法。

  基于IP的MPEG传送流

  什么是VoIP流?VoIP流是一种客户可以接近实时或通过IP网络浏览视频内容的技术。虽然有多种基于IP移动视频内容的应用,最普遍的VoIP流的实例是一种服务,该服务由被称为VoD的电视公司所提供,VoD通过IP网络得以实现,是VoIP流最典型的例子。

 

  在VoD系统中,用户可在其客厅通过IP网络点播由遥远位置所提供的电影。电视图像(磁盘服务器提供)被产生并包裹在用户数据报协议(UDP)/IP数据包中,然后传送到用户的家中供观看。图1是一个简化的VoD网络方框图,该图从位于电缆服务器设备开始到当地电缆集线器,然后最终进入用户家庭。对该技术的概括了解,我们可探究系统的重要参数。

  人们可以提出许多问题:如何知道视频信号在用户的电视上能够正确显示?如果存在错误的话,错误原因又是什么?是MPEG出现了故障,还是交换丢失了数据包或造成视频流出错?视频流故障会持续多久?且不提可能被问及的有关缩放比例的问题,如果一些家庭的几个用户在同一时间购买了几台电视,又会发生什么问题?用户的邻居如果正在观看视频点播的电影,这会影响用户的视频质量吗?

  影响VoIP质量的关键参数

  开始回答这些问题时,我们需要简化以上实例的模型,图1同样显示了基于千兆以太网的视频流的概念模型。

  来自VoD服务器的MPEG-2数据被打包并以恒定的MPEG-2 TS速率传送,该速率与MPEG-2 TS的比率相一致。例如,电影1是以3.75 Mb/s编码的MPEG-2视频流,意味着视频解码器必须每秒识别3.75Mb的数据,MPEG-2数据包容许的抖动是±500ns。由于VoD服务器的每个以太网数据包由7 个MPEG-2 TS组成,并且(理论上)以平均和连续的速率将这一数据包发送出以太网端口,以简化终端的3.75 Mb/s接收电路设计

  由于在该系统中有多重时钟域,缓冲有助于平滑时钟并加速变化。图2显示了VoIP视频流质量的基本流程图。作为来自VoD服务器和交换网的以太网数据包,MPEHG-2 TS 数据包被缓冲并以平稳的3.75 Mb/s速率流向解码器,然后MPEG-2被解码并显示在电视上。这种模型不执行特定的缓冲器大小,但会利用缓冲器的容量。无论缓冲器容量为多少,均会出现使缓冲器过流或下溢的传输状况,从而导致由于MPEG-2数据包丢失而造成的视频质量变差。在这种模型中,理解流的行为很重要,观察最小和最大的实例将确定有效的缓冲器容量及/或达到质量要求的VoIP视频流的传输行为。

  为了确保VoIP传送质量,建议对五种特性进行测试和监控:

1) 造成延迟的数据包间到达抖动


2) 造成突发错误的数据包间到达抖动


3) 以太网数据包丢失


4) 由MPEG-2数据传输率得到的以太网数据包间到达平均漂移/偏差。


5) 由于网络、MPEG-2编码错误或MPEG-2数据包丢失产生的数据包中断对MPEG-2质量的影响。

  解释上述测量对象的最好方式是从测量的角度出发以图表来反映对系统的影响,图3表明这五个特性对终端视频质量的影响。

  造成大量延迟的以太网数据包抖动会造成终端缓冲器资源耗尽,产生解码器没有内容可解的时段,这会导致电视上所见的视频质量下降。在许多情况下,电视会显示大量块状视频或显示的仅仅是空白。包括交换机服务质量(QoS)设置、交换汇聚和/或服务器问题在内的问题均会造成抖动延迟。

  以太网数据包长期速率变化也会造成缓冲器以相同的方式资源耗尽。当平均以太网数据包间时隙造成MPEG视频速率小于3.75 Mb/s数据传输率时,在此情形下,假定服务器发送到网络外的MPEG以太网数据包保持数据率为3.50 Mb/s,那么,缓冲器资源将最终被耗尽。

  与前一例类似,造成数据包突发错误的以太网抖动可能造成缓冲器溢出,由于数据丢失会在网络上的若干点上出现,且形成原因有着显著的不同,这种情形更难以监控。在这种情况下,以太网数据包造成缓冲器溢出的速度更快,下一个以太网数据包就会在网络中丢失,这既可能是某种传输问题也可能是潜在的带宽问题,可能正在突发以太网帧或网络拥塞的服务器正造成网络交换单元开始突发帧错误,因此测量TV显示的质量不可能反映出错的原因。当由于数据包突发导致的溢出引起丢包时,无论MPEG解码器的缓冲能力如何,都可能导致MPEG编码器溢出。之所以如此,是因为MPEG解码器的缓冲器间歇地耗尽,且某些MPEG数据包几乎没有进入解码器的缓冲器。因此,实际上可能存在上溢(overflow)和下溢(underflow)同时出现在编码器/服务器和解码器之间的路径上,与最后一个实例相似,以太网数据包长期速率变化会造成缓冲器上溢,从而导致MPEG数据包丢失。

  图4中以太网数据包在网络中丢失,这是一个观察其效果的简单例子,如果数据没有到达,它将会导致视频质量变差。

  在所有的实例中,均有一个对MPEG质量如何理解的重要问题。如果MPEG编码不当或MPEG有效载荷在传输路径的任何一个地方被破坏,包括直接由RAID所导致的数据中断,视频质量均会遭到损失。此外,还要考虑网络动态特性及其对视频流的影响。由于以太网是一个共享网络,视频流越多,网络交换元件不得不缓冲、重调流量的机会就越大,从而产生抖动、延迟、突发和数据包丢失现象。

  本文小结

  VoIP是一种尚无标准定论且正处于形成阶段的崭新技术,由于它与系统中的缓冲器极限有关,VoIP流的终端质量需要测量并监控抖动、数据包丢失及有效载荷质量,因而该技术成为一种测量视频网络性能的新方法。

  要确保传送质量,可能需要对沿系统结构所分布的几个点进行测量和监控,同时也需要对网络行为和MPEG质量都进行测量和监控。

  有几种对这种模型进行观察的方法,这种测量VoIP终端视频质量的系统方法重点在于视频及网络传输的设置,MPEG速率越快,对网络的边界的限制就更多。由于对网络的要求完全不同, 采用相同的缓冲器终端的DVD质量的MPEG-2与具有的高清晰度质量的MPEG-2的差异可能很大。实际情况就是如此,即使数据率的增加仍在以太网的边界范围内。

  DVD质量的MPEG-2速率约为3.75 Mb/s,高清晰度质量的MPEG-2速率约为19.3Mb/s。这一速率约为网速的5倍,并表示缓冲器能够处理1/5的网络抖动及数据包间到达时间漂移。一个30ms的抖动/延迟可能对DVD不会造成影响,因为缓冲器的耗尽率比硬盘(HD)小。由于高清晰度质量会对缓冲器进行处理(如耗尽)的速度快得多,相同的网络抖动/延迟就可能是不可接受的。

  给定缓冲器的耗尽率就其本身而言,有利有弊,然而,它确实对网络传送造成了实际限制和行为轮廓,同样地,对缓冲器容量的设定也有相同的影响。事实上,就网络传输而言,耗尽率和缓冲器有着直接的关系,例如,如果上例中缓冲器容量与DVD MPEG-2对HD MPEG-2间的速率都增加相同的因子,那么,行为差异将会最小化。注意,在服务器中和/或贯穿整个网络的其它系统参数都可能受到较快或较慢的视频流的影响。

  由此可以推断,随着这一技术的不断成熟,更多的视频流将能够通过IP网运行,但对系统测量与监控的要求也必须予以考虑以确保终端的视频产品质量。

关键字:MPEG-2  缓冲器  抖动  数据包  载荷  终端  负载

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0523/article_146.html
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