IPTV vyžaduje nejen šířku pásma, ale vysokou kvalitu II.

O tom, že zejména přenos videa v IP sítích vyžaduje určitou kvalitu, aby byl koncový uživatel spokojen, není pochyb. Ale měřit kvalitu a zajistit její potřebnou úroveň není snadné.

Změřit kvalitu videopřenosu po síti není zdaleka triviální záležitost. Nejenže není docela jednotná terminologie a vůbec přístup provozovatelů k testování ve vlastních sítích, ale běžné metriky pro hodnocení kvality služby v síti (QoS, Quality of Service) nestačí. Klíčové je totiž hodnocení kvality samotným koncovým uživatelem, tzv. QoE (Quality of Experience). Na ni má vliv nejen vlastní síť a její přenosové charakteristiky ovlivňující přenos video signálů a souvisejících audio signálů (ztráty paketů, zpoždění doručování paketů a jeho kolísání v čase), úroveň kódování, ale nepochybně také kvalita přenášeného obsahu.

Přitom zlepšení hodnot souvisejících s kvalitou přenosu videa v síti často znamená potřeby úpravy sítě, jinými slovy další investice. Takže pro udržení potřebné úrovně kvality videa za současné rozumné nákladové struktury sítě potřebují provozovatelé doplňkové prostředky pro hodnocení kvality videa vnímané uživatelem. Proto se vyvíjejí metriky video kvality (VQM, Video Quality Metrics) pro hodnocení právě kvality vnímané uživatelem jako základní součást QoE pro přenos videa.

Měření kvality videa

Základem by mohlo i u videa být podobně jako u hlasových služeb subjektivní průměrné hodnocení podle pětistupňové škály (MOS, Mean Opinion Score), od 1 jako nejhoršího hodnocení po 5 představující nejvyšší spokojenost. Jenomže provádění subjektivního hodnocení je v produkčních sítích víc než nepraktické, takže se vyvinuly objektivní metriky VQM, které lze algoritmicky spočítat, integrovat do automatizovaných testů a analyzovat. Mezi objektivní metriky patří MSE a PSNR, které lze snadno vypočítat. MSE (Mean Square Error) reprezentuje průměrnou druhou mocninu rozdílu mezi původním a přijatým video signálem. PSNR (Peak Signal-To-Noise Ratio) představuje poměr mezi nejvyšší hodnotou signálu vůči průměrné druhé odmocnině (RMS, Root Mean Square) šumu zjištěného mezi referenčním složeným video signálem a monitorovaným testovaným signálem. PSNR tak objektivně měří zejména zhoršení jasu signálu.

Protože kvalita audio signálu má zřejmý dopad na vnímanou kvalitu videa, vytvářejí se modely pokrývající měření jak audio a tak video kvality. Jimi se zabývají úzce zaměřené organizace jako Video Quality Experts Group (VQEG) a IPTV Interoperability Forum (IIF) Alliance for Telecommunications Industry Services (ATIS). Častým problémem s digitálním videem je desynchronizace audio signálu, které jsou pro uživatele značně nepříjemné. Další chyby jako ztráty paketů mají také vliv na kvalitu audio signálu a vyžadují nápravu, což může být složitější než udržení konstantního audio výstupu.

Monitorování výkonnosti sítě

Základem kvalitního přenosu videa je dobrá výkonnost (nejen kapacita) sítě, kterou je třeba průběžně v přenosové síti měřit. Pro monitorování výkonnosti související s IPTV lze využít řadu metrik získaných ze síťových prvků pracujících primárně na druhé nejnižší vrstvě (Gigabit Ethernet, ATM nebo IP/MPLS) a systémů pro management, včetně statistik ztrát paketů (loss), zpoždění (delay) a jeho kolísání (jitter).

Protokol pro management IP sítí, SNMP (Simple Network Management Protocol), se efektivně využívá také pro monitorování běžně používaného skupinového vysílání (multicast) v IPTV, a to na speciálních směrovačích podporujících skupinové vysílání. Současně se monitorují mapy dosažitelnosti v rámci multicast.

Na vyšších vrstvách je pro IPTV důležitá analýza toků MPEG a statistiky toků příslušejících protokolům RTP (Real-Time Protocol) a RTCP (Real-Time Control Protocol), které poskytují podrobnější pohled na přenos video toků a umožňují detekovat takové problémy, jako chybějící nebo zpožděné video rámce. Časové značky RTP (nebo MPEG) poskytují informace o zpoždění a kolísání a také o pořadí rámců. Mezi další metriky související s video službami patří zpoždění zpráv pro připojování a odpojování uživatelů do skupin a počty připojení, které lze získat analýzou práce a záznamů IPTV serverů zodpovědných za autorizace a zpracování požadavků na změny kanálu ze strany uživatelů.

Pro poskytování videa o vysoké kvalitě musí být zajištěna přísná kvalitativní měřítka: poměr ztracených paketů PLR (Packet Loss Ratio) minimálně 10^–4, latence v řádu stovek milisekund a kolísání (jitter) v řádu několika desítek milisekund. Přesné požadavky pro PLR nejsou zatím stanoveny, ale budou zapracovány hned do několika norem: DSL Forum WT-126, ITU-T Y.1541 a ATIS IIF.

Náprava chyb

Pro video přenosy je důležitá také náprava chyb (error concealment). Nejmodernější kompresní mechanismus H.264 (MPEG-4 část 10) nabízí možnosti překonání datových chyb nebo ztrát, ke kterým dochází při přenosu video paketů sítí, a to prostřednictvím síťové adaptační vrstvy (NAL, Network Adaptation Layer). Ztráta několika málo klíčových bitů (např. záhlaví video rámce) jinak totiž může mít velmi negativní dopad na proces dekódování. Proto se v H.264/MPEG-4 specifikuje možnost oddělit tyto klíčové informace a zpracovávat je speciálním způsobem.

Firemní software v IPTV STB přistupuje k řešení chyb velmi různorodě. Některé algoritmy nápravy ztrát paketů dokáží zamaskovat ztracené pakety vytvořením co nejlepšího obrazu z jiných video informací uložených v paměti a rychle resynchronizují video a audio toku. Použité algoritmy se ale ve svém dopadu na vnímanou kvalitu videa velmi liší, takže na jejich základě je vhodné vybírat příslušné STB.

Detekce chyb ve video toku a možnost jejich včasných náprav je velmi důležitá, protože je tento přístup lepší než nechat celý obrázek se zhoršenou kvalitou. Ztráta jednoho nebo dvou video rámců se může snadno napravit zmrazením obrázku nebo interpolací sousedními rámci. Naproti tomu nedetekovaná chyba může mít na obraz nepříznivý dopad nejrůznějšího charakteru. Dekodéry pro nápravu chyb, opětovné přenosy a dopředná oprava chyb (FEC, Forward Error Correction) řeší situace s občasnými ztracenými a chybovými pakety. Musí se ovšem používat opatrně na základě jejich potenciálních interakcí s obdobnými mechanizmy na nižších vrstvách.

FEC je obecný mechanizmus pro snížení dopadu ztrát paketů v sítích. Pokud se uplatňuje už na straně poskytovatele služby (video headend), může minimalizovat dopad ztrát paketů na jakémkoli místě v síti. Protože však FEC vyžaduje část kapacity sítě pro nadbytečné pakety, některým poskytovatelům se jej nechce implementovat. Někde se uplatňuje firemní přístup v rámci IPTV systému od Microsoftu, který se označuje jako resilient UDP (User Datagram Protocol). Tento mechanizmus používá značně objemné buffery jak na straně serveru tak STB, protože v případě chybějícího paketu STB žádá nejbližší server o jeho náhradu.

Monitorování sítí v popředí

Volba a správná implementace monitorování sítě pro kvalitu IPTV služby jsou velice důležité, neboť mohou rozhodovat o úspěchu rozjezdu celé služby a udržení zákazníků. Je potřeba zajistit, aby kvalita sledovaných video programů byla nejen vysoká z hlediska obsahu, ale zejména přenosu v síti až ke koncovému uživateli. Průběžné monitorování, testování a zajištění vysoké QoS je důležité v celé síti od distribuce videa až ke koncovému uživateli, kde ovlivňuje QoE. Souvisí s výkonnostními charakteristikami jednotlivých částí sítě, od páteřní přes přístupovou (místní smyčka) až k domácí síti (v současnosti nejbolavější místo z hlediska péče poskytovatele o zákazníka) a závisí také na spolehlivosti média (optika/měď). Kromě vlastních přenosových charakteristik ovlivňuje síťovou výkonnost třeba také řešení řízení přístupu uživatelů k síti. Navíc kapacitní možnosti sítě jsou stejně důležité jako kapacita služby i aplikačních serverů.

Monitorováním sítí, vývojem algoritmů i hardwarových prvků, nejen pro účely bezpečnostní a výkonnostní, ale právě s ohledem na QoS se u nás na špičkové úrovni zbývá CESNET. Ten je také postupně testuje a nasazuje ve své národní gigabitové páteřní síti pro vědu a výzkum, případně v dalších mezinárodních projektech superrychlých spolehlivých sítí. Mnohé prvky lze ale aplikovat i v sítích menšího rozsahu, na něž nejsou třeba při prvním pohledu kladeny tak vysoké nároky jako na CESNET2. Některé softwarové prostředky vyvinuté v CESNET (aplikace ABW, Available BandWidth, nebo prvky systému perfSonar) jsou volně k dispozici ke stažení přímo z jejich webu nebo ze stránek příslušných mezinárodních projektů (např. LOBSTER dokončující plně otevřenou pan-evropskou infrastrukturu pro pasivní monitorování Internetu nebo GN2 budující novou páteřní evropskou multigigabitovou síť určenou pro potřeby vědy a výzkumu).

8. 11. 2007

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA