超宽带IP 网络环境下的视频分组丢失修复技术研究

阮 科，邹 洁，朱永庆

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 视频服务的QoE分析

在三网融合背景下，传统广电运营商、电信运营商以及互联网运营商均以视频服务为重要的业务切入点，为用户提供高质量的视频体验是视频业务成功的关键因素之一。因此，不同网络环境下视频业务体验的提升成为业界重要的研究领域。QoE由宽带论坛提出，是以用户体验为衡量标准且与网络无关的业务质量指标。针对视频业务的特点，宽带论坛提出的相应指标见表1。

从表1可以看出，视频业务对网络分组丢失的要求最为严苛，而相较于标清节目，高清内容对分组丢失的承受力更弱，分组丢失率上升时用户体验快速下降。

运营商IP网络性能指标见表2。大多数物理网络都很难在端到端性能上符合这些指标要求，为提升用户体验，保证竞争力，必然需要引入一定的分组丢失和出错修复机制。

表2 运营商IP网络性能指标

2 视频封装特点

根据MPEG标准组织的建议，视频内容的数字化传送可分为 ES（elementary stream）流、MPEG-TS流、RTP 流和IP流等几个层面，如图1所示，每一层流媒体都对应特定的封装，实现特定的功能。

表1 视频业务QoE指标

图1 数字视频封装格式

ES流是音视频内容压缩后的原始数据，根据MPEG标准的定义，存在 I帧 （intra-coded frame，I-frame）、B 帧（bidirectional frame，B-frame） 和P 帧 （predicted frame，P-frame）3种帧格式。I帧是基准帧，包含完整图像的信息，其信息量最大，占的信息也最多；P帧是前向预知帧，需要根据I帧进行图像重建，和I帧同时作为重建B帧图像的基准帧之一；B帧是双向帧，需要参考I帧与P帧进行图像重建。一个完整的视频GoP（group of pictures）格式如图2所示。当I帧丢失时，整个GoP内容均无法重现，而B帧和P帧丢失时只会影响个别画面或者画面中的个别子块。

图2 视频GoP格式

为了适应视频内容的流化，需要将ES流分割成多个数据分组，方便其在网络上的传送。MPEG-TS是MPEG标准组织定义的格式，可通过PSI（program specification information）（包括PAT、PMT），帮助解码设备识别TS流中的视频、音频和数据内容。TS流中，单个报文统一为188 byte。在数字电视中，一般以MPEG-TS报文为最小传输单元。

为支持视频内容在IP网络上的传送，IETF定义了以RTP为基础的流媒体传送标准体系。一个RTP分组封装7个MPEG-TS报文，长度为1 500 byte；采用 UDP封装，以支持其在IP网络上的传递，也有部分视频流媒体系统采用直接UDP封装MPEG-TS报文的方式。

从封装格式可以看出，相对于传统广电网络，IP网络的分组丢失影响将更严重，影响范围更大。

一方面，由于一个IP报文中封装了更多的内容，IP报文丢失后出现I帧丢失的几率更高，将影响整个GoP。同时，IP报文分组丢失时丢失的信息过多，而压缩编码机制内部的冗余机制一般只能克服比特级的错误分组，终端无法修复IP网络中的分组丢失和出错事件。

另一方面，广电企业的同轴电缆网在分组丢失和出错的处理上与IP网络不同。当网络上出现比特级的错误分组时，同轴网络不会采取分组丢失处理方式，机顶盒则可以利用视频编码本身的一些冗余机制进行优化，从而大幅减少影响用户体验事件的发生几率；而在IP网络中，任何一个比特发生错误，底层传送层就会执行分组丢失动作，因此在IP网络中分组丢失事件的发生几率更高。

由上可见，为了在IP网络上呈现不低于数字电视的用户体验，IP视频流媒体系统更有必要部署分组丢失修复机制。

3 视频冗余技术

视频重传技术大致可分为3个主要类型。

3.1 FEC技术

FEC技术是指通过前向编码上的冗余来克服分组丢失和出错对视频解码的影响，其应用范围极其广泛。在视频传送领域，存在多种不同的应用机制，主要有应用层FEC（AL-FEC）、网络层FEC两种。AL-FEC透明地工作在IP层之上的应用层，其发送端在视频流媒体服务器处对所有或有选择的一组视频流进行冗余处理，处理后的AL-FEC流在终端设备的接收端进行后处理，分离出原始码流。FEC工作原理如图3所示。

基于IP网络的AL-FEC大致可分为两种：Raptor编码和Pro-MPEG CoP3编码。

Raptor码拥有很低的接收开销和系统码等特性。将Raptor码应用于视频业务成为一种很具吸引力的选择，数字视频广播(DVB)的IPTV应用和3GPP的多媒体广播多播业务(MBMS)都选择了Raptor码作为其AL-FEC规范。AL-FEC(Raptor)提供了应用层端到端的可靠性，能对抗高分组丢失率，同时拥有灵活的纠错能力(针对不同的文件及不同的分组丢失率设置不同的保护参数)和高效性，只需很少的修复数据即可保证重构源文件；但必须与物理层及链路层的FEC结合使用，且网络带宽代价一般为5%～10%。

Pro-MPEG CoP3编码其实是一种简单的奇偶检验码，它可以分为CoP3 1D(对行或列进行编码)和CoP3 2D(对行与列都编码)。当仅使用CoP3 1D时，生成的编码只能保护一行或一列中出现一个数据分组丢失的情况，如果原始数据分组序列中出现连续两个数据分组丢失(比如数据分组0和数据分组1或者数据分组0和数据分组L)，则丢失的两个数据分组将无法恢复。但当使用CoP3 2D时，这种情况将不会出现。

从实际的测试结果看，FEC技术大规模部署的难点在于如何克服分组丢失能力的有效性不足、效率偏低问题，在CoP3编码中，5%的分组丢失修复率需要额外占用30%的冗余带宽；同时，FEC技术只能修复具有特定特征的分组丢失事件。因此，将FEC技术应用在突发事件经常发生、网络存在异构环境的IP网络中存在一定的限制。

3.2 空域冗余技术

空域冗余技术是指同时建立两条或多条传送电路，利用两条链路互为冗余，可有效克服网络中单一节点/链路出现分组丢失和出错的场景。

MoFRR技术是目前业界正在研究的典型空域冗余技术。其实现原理是通过支持MoFRR技术的边缘路由器，接收到用户发起的IGMP join消息时，同时在两个独立接口上向视频源端发出PIM join消息，同时建立两条独立的多播转发路径。边缘路由器将两个RPF接口配置为主备模式，在正常环境下丢弃备用接口接收的多播报文。当路由器检测到网络发生故障时，自动地切换主备接口，保留备用接口的业务流量，通过缓存实现流统计模式下的无分组丢失收敛；当故障恢复时，网络可选择性切换回主用路径。

空域冗余应用的主要问题在于冗余路径的实现代价和多流之间的同步，在面向用户部署时存在扩展性问题，只适用于骨干网段单一多播流的场景。

图3 FEC工作原理

3.3 分组丢失重传技术

分组丢失重传（RET）技术是IP网络中应用范围最为广泛的分组丢失和出错修复技术，TCP协议是利用重传技术在IP网络中实现端到端分组丢失修复应用最广的协议；在应用于流媒体传输领域时，考虑到流媒体协议的实时性需求，普通的TCP协议栈效率偏低，IETF推荐采用RTP/RTCP协议栈，在UDP基础上实现分组丢失重传。

在实际实现时，大约可以分为两种方式：在流媒体服务器上实现，主要面向使用单播技术的点播用户；在IP网络中部署，主要面向使用多播技术的直播用户。后者的实现机制如图4所示。

图4 视频重传实现原理

实现流程如下。

（1）IP路由器上的视频业务板对多播方式传送的视频直播内容进行缓存，一般可以缓存视频流8～10 s，1～2个GoP；

（2）机顶盒检测传送接收多播报文中的RTP封装，通过RTP序列号连续性检测出分组丢失的序列号；

（3）发现分组丢失后，机顶盒发送重传请求（RTCP报文）给视频业务板；

（4）视频业务板把缓存的报文（RTCP报文）发送给机顶盒；

（5）机顶盒把重传过来的报文插入正常的视频流里面（STB有缓冲，可以等待一定时间内重传过来的报文）。

RET机制利用了RTP封装信息的Sequence Number参数，图5是一个RTP封装的报文头。

从实际的测试结果看，在标清码率环境下，分组丢失重传技术能克服超过10%的分组丢失行为，且适用于正态分布、平均分布、突发等不同的分组丢失特征；在高清码率环境下，分组丢失重传技术能克服4%左右的分组丢失行为。部署分组丢失重传技术，可以极大地降低网络中出现的随机分组丢失现象对用户体验的影响；同时，其只在网络出现分组丢失时才发生，重传时占用网络资源约20%，适用于目前电信运营商的大多数接入环境。因此，分组丢失重传技术是IP网络环境下行之有效的分组丢失修复技术。

图5 RTP封装报文头

4 分组丢失重传技术的应用场景

IPTV业务是电信运营商实现全业务运营的战略性业务，也是超宽带网络架构中的大带宽接入用户的主要填充业务。为优化IPTV业务的视频传送质量，提升IPTV用户的业务体验，可在网络上部署分组丢失重传技术。

·IPTV点播业务。在IPTV系统中，利用RTP协议族中内建的信令技术，通过IPTV机顶盒对视频流进行监控，发现分组丢失时，通过RTCP信令实现分组丢失重传。为了提升分组丢失重传效率，也可以在网络边缘节点上部署分组丢失重传技术，对热门片源进行缓存和重传。

·IPTV直播业务。为提高IPTV直播业务的承载质量，大多数电信运营商采用多播方式承载直播业务流，而多播技术本身无法提供分组丢失重传机制。在实际部署时，可在IP承载网上部署视频Cache设备，目前已有部分电信设备厂商提供支持集成Cache板卡的IP路由器设备。在超宽带网络架构下，可在IP城域网内部署该设备作为IPTV业务的接入控制点，直接对IPTV用户进行分组丢失重传和故障修复。

视频重传方案还支持视频单板的多级布署，如果视频单板之间发生分组丢失，下一级的视频单板可以作为RET的客户端向上一级视频单板请求重传丢弃的报文，也可以把IPTV系统作为RET的Server请求重传。在此情况下，下一级视频单板可以先用多播的方式向STB发送一个不发送重传请求的报文，避免大量的重传请求发送到视频单板。在视频单板收到重传过来的报文之后，再采取多播的方式把重传报文发送给STB。

重传机制的实现依赖于一些外部因素，一是需要RTP封装，二是要求STB支持重传的流程。对于要求一，运营商需要对IPTV系统的输出进行标准化，统一支持RTP封装；对于要求二，运营商可委托第三方的公司负责STB和IPTV以及FCC/RET的集成，解决双方的集成配套问题。

5 未来视频修复技术的主要发展方向

视频修复技术的发展是未来视频业务承载的重点之一，在超宽带IP网络架构下，未来分组丢失修复技术应主要关注以下几个方向。

·编码技术。传统的视频编码技术主要关注视频的压缩效率，在网络带宽日益丰富的背景下，视频编码技术应更加注意其在不同网络条件下的一致性体验的问题。通过引入多层次编码、FEC等技术，可以加强编码本身在网络劣化条件下的自修复能力。

·CDN层面。CDN是流媒体服务的主要提供者，目前电信运营商和互联网运营商各有其优化策略。电信运营商一般仍然以RTP/RTCP为主要的技术框架，以保障流媒体的传送质量为重点；而互联网运营商多以HTTP为基础技术，通过终端的缓存和平台的文件切割来保障视频流吞吐，未来这两种方式应逐步走向融合。

·IP承载网层面。随着芯片技术和虚拟化技术的发展，IP网络对业务和应用的感知和优化能力日益增加。电信运营商可发挥自身的网络优势，通过网络Cache、CDN以及DPI等技术，将IP网络打造成真正适合视频承载的基础设施。

6 结束语

基于宽带IP网络实现高质量视频传送是未来发展的方向，在超宽带环境下，传统的视频修复技术或者效果不佳，或者效率较低，不能完全适应新的网络环境和业务环境。电信运营商应充分利用超宽带网络中的各种优化技术，积极部署新型、更加适应IP网络环境的基于分组丢失重传机制的视频修复机制，提前占领高清内容传送的制高点，为最终构建可持续的超宽带盈利网络提供有效的工具。

1 Broadband Forum TR126.Triple-play Services Quality of Experience(QoE)Requirements,2006

2 ISO/IEC.13818-1(Systems)13818-2(Video Coding),2007

3 RFC3550. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications,2003

4 ETSI TS 102 472 V1.1.1.Digital Video Broadcasting(DVB),IP Datacast over DVB-H:Content Delivery Protocols,2005

5 SMPTE Specification 2022-1.Forward ErrorCorrection for Real-Time Video/Audio Transport over IP Networks,2007