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廣電有線網(wǎng)絡IP化升級路徑——傳輸質量與成本分析
本文將IPTV組播技術方案和保留獨立廣播通道的IP廣播技術方案進行對比,從傳輸質量和成本兩方面分析,探尋更適合廣電有線網(wǎng)絡IP化升級的路徑。
廣電有線網(wǎng)絡IP化升級路徑——傳輸質量與成本分析
歐陽捷 張學軍 李敬 王燕飛 北京吉視匯通科技有限責任公司
摘要:
隨著超高清視頻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,千兆光寬帶入戶需求不斷增長,迫切需要廣電有線網(wǎng)絡向IP化、光纖化和大帶寬升級,尤其是直播業(yè)務傳輸方案的選擇,決定著廣電網(wǎng)絡傳輸質量和網(wǎng)絡升級成本。本文將IPTV組播技術方案和保留獨立廣播通道的IP廣播技術方案進行對比,從傳輸質量和成本兩方面分析,探尋更適合廣電有線網(wǎng)絡IP化升級的路徑。
關鍵詞:
IP化 光纖化 組播 廣播 10G PON
1
廣電有線網(wǎng)絡發(fā)展光纖化的背景
市場競爭方面,面對大數(shù)據(jù)技術和超高清視頻內容的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的DVB廣播網(wǎng)絡受限于射頻調制技術和捉襟見肘的頻點資源,已經(jīng)難以滿足日益增加的業(yè)務需求,甚至無法完成8K超高清節(jié)目傳輸,因此,廣電有線網(wǎng)絡迫切需要進行IP化和光纖化改造。
政策方面,2021年3月,工信部印發(fā)了《“雙千兆”網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展行動計劃(2021-2023年)》,預計到2021年底,千兆光纖網(wǎng)絡具備覆蓋2億戶家庭的能力,萬兆無源光網(wǎng)絡(10G- PON)及以上端口規(guī)模超過500萬個,千兆寬帶用戶突破1000萬戶;預計到2023年底,全國建成100個以上千兆城市,實現(xiàn)城市家庭千兆光網(wǎng)覆蓋率超過80%,每萬人擁有5G基站數(shù)超過12個。這意味著千兆光網(wǎng)入戶速度會進一步加快。
綜合來看,無論是出于市場競爭需要,還是政策要求,廣電有線網(wǎng)絡向著光纖化、IP化發(fā)展是勢在必行。
2
廣電有線網(wǎng)絡光纖化的兩種方案
廣電有線網(wǎng)絡向全光纖化、IP化發(fā)展的路徑,目前主要有2種可選的技術方案:一種是采用無源光網(wǎng)絡技術(PON)建設下一代廣電固網(wǎng),即電信運營商當前采用的GPON/EPON/10G GPON/10G EPON光纖接入方案,其中的直播電視視頻業(yè)務采用組播技術傳輸,也就是IPTV組播技術方案;另一種同樣是以GPON/10GPON技術為基礎,直播電視視頻業(yè)務采用保留獨立廣播通道的IP廣播技術,即保留獨立通道的IP廣播技術方案。
2.1 IPTV
組播技術方案
IPTV組播技術方案是指采用xPON(GPON/EPON/10G PON)光纖接入網(wǎng)絡,將電視直播業(yè)務通過組播技術進行傳輸,依托于雙向交互的優(yōu)勢,采用單纖到戶方式,實現(xiàn)直播業(yè)務、視頻點播業(yè)務與互聯(lián)網(wǎng)共用基礎網(wǎng)絡的技術方案。
2.2
保留獨立通道的IP廣播技術方案
保留獨立通道的IP廣播技術方案是指在將有線電視網(wǎng)絡IP化、光纖化的同時,把IP廣播技術與交互PON網(wǎng)絡技術相融合的創(chuàng)新技術,其優(yōu)點是既保留了有線電視網(wǎng)絡廣播特性,確保有線電視網(wǎng)絡安全播出政治屬性和高質量傳輸特性,又滿足了終端用戶交互業(yè)務和寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的需求,實現(xiàn)了超大帶寬雙向接入,實現(xiàn)全業(yè)務融合的創(chuàng)新技術,可以采用雙纖三波或單纖三波方式進行部署。
保留獨立通道的IP廣播技術方案由萬兆單向IP廣播光網(wǎng)絡和IP雙向光網(wǎng)絡(EPON/GPON等)構成,其中,萬兆單向IP廣播光網(wǎng)絡可以單獨構成一個單向廣播系統(tǒng),獨立運行開展廣播電視業(yè)務,采用萬兆廣播交換機或萬兆IP廣播分發(fā)機的IP廣播功能,通過光纖分配網(wǎng)絡傳輸,終端利用IP廣播接收芯片接收IP廣播數(shù)據(jù),實現(xiàn)端到端全IP化承載,擺脫DVB-C射頻調制解調技術中頻點資源的限制,實現(xiàn)廣播鏈路上不低于10Gbps的帶寬。網(wǎng)絡架構如圖1所示。
圖1 保留獨立通道的IP廣播技術方案
2.2
方案選擇
在建設新一代全IP廣電光纖接入網(wǎng)時,同樣是以GPON/10G PON技術為基礎,為了滿足廣電有線網(wǎng)絡對直播傳輸?shù)母咭?,直播電視業(yè)務需要在IPTV組播技術與保留獨立IP廣播通道技術兩種方案中進行選擇。
為此,我們重點從視頻傳輸質量、經(jīng)濟成本兩個維度將IPTV組播方案與保留獨立通道的IP廣播技術方案進行了詳細對比和分析。
3
兩種方案視頻傳輸質量對比分析
3.1
廣電行業(yè)對視頻傳輸質量的要求
誤碼率方面,廣電總局發(fā)布的《有線數(shù)字電視系統(tǒng)技術要求和測量方法》(GY/T 221-2006)對有線電視網(wǎng)絡HFC的要求是糾錯后誤碼率低于1E-11。按照一般數(shù)字電視領域行業(yè)經(jīng)驗,視頻流暢清晰時,誤碼率典型目標值是 1E-9,偶然局部馬賽克時的誤碼率是2E-4,大量馬賽克時的誤碼率是1E-3。
傳輸協(xié)議方面,如果采用基于TCP的HLS協(xié)議等,業(yè)務高并發(fā)時勢必會造成網(wǎng)絡擁堵,因為4K、8K等超高清節(jié)目對網(wǎng)絡傳輸有著超高QoS要求,TCP上行應答報文稍微超時,就會直接引起TCP下行滑動窗口超時,從而導致下行報文重傳,出現(xiàn)視頻卡頓現(xiàn)象。因此,只有采用UDP協(xié)議,并且采用點到多點的傳輸方法(組播或廣播),才是超高清視頻傳輸唯一可行的方式。
UDP是無連接的協(xié)議,沒有重發(fā)的機會,因此,傳輸過程中是否丟包完全取決于傳輸路徑上的網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡線路,而網(wǎng)絡設備,即使是標準設備,由于配置方法、突發(fā)程度以及路由擁塞等變化,都可能會引起丟包。
基于此,當網(wǎng)絡設備的輸出接口線速度大于輸入接口線速度之和時,任何輸入接口的報文突發(fā)形態(tài),在機制上都不足以造成UDP丟包。此網(wǎng)絡結構用于IP直播業(yè)務前端時,幾乎可以滿足任何苛刻的傳輸性能要求。華為的《體驗驅動的4K承載網(wǎng)白皮書》中同樣提到了“98.7%的突發(fā)丟包發(fā)生在從高帶寬向低帶寬過度的匯聚節(jié)點”,旁證了上述觀點。
3.2 IPTV
組播方案的直播傳輸質量
工信部發(fā)布的《IPTV質量監(jiān)測系統(tǒng)技術要求》(YD/T 2367-2011)規(guī)定對IPTV系統(tǒng)高清數(shù)字電視業(yè)務丟包率“可接受的”標準是0.0005,即5E-4。以太網(wǎng)一個報文通常封裝7個TS包,從機頂盒收視角度來看,信道誤碼率和以太網(wǎng)丟包率最終在機頂盒TS丟包率上體現(xiàn)收視效果。
HFC信道誤碼率是1E-11,作為突發(fā)錯誤,1個無法糾正的比特錯誤將引起糾錯后整個TS包的錯誤標記為“1”,即該TS包被完全丟棄,所以該誤碼率對應的機頂盒TS丟包率就是1.5E-8。二者的信道指標在收視終端上的最終呈現(xiàn)就是1.5E-8與5.0E-4。
廣電有線電視網(wǎng)的誤碼率指標是工信部IPTV誤碼率指標的33333倍(5.0E-4/1.5E-8)。工信部IPTV誤碼率指標可以保證通過協(xié)議層(HLS/TCP)的預存和重傳機制的互聯(lián)網(wǎng)視頻可以正常運行,但對于標準更高的廣電超高清廣播業(yè)務(以無重傳的UDP協(xié)議和并發(fā)不受限的組播/廣播視頻),則完全行不通。
以一個碼率36Mbps的4K節(jié)目為例,每秒UDP包數(shù)量大約為3304個包,丟包率千分之一,相當于每秒丟了3個UDP包,壓縮視頻碼流的特點是每一個bit的錯誤都可能造成馬賽克(宏塊、條帶解碼錯誤),每秒丟3個包的結果一定是無法正常收看。以這樣的要求來傳輸廣電直播業(yè)務,其結果無法想象的。
IPTV組播直播視頻傳輸存在一定的隱患,IP網(wǎng)絡通常無法滿足丟包率極低的性能要求,從IP協(xié)議族和IP網(wǎng)絡基礎設施的原理分析,UDP傳輸缺少網(wǎng)絡上層協(xié)議的丟包重傳機制,UDP傳輸容易丟包。IP網(wǎng)絡不丟包是很難做到的,丟包是常態(tài)。
圖2 典型的UDP丟包網(wǎng)絡結構
10G交換機的數(shù)據(jù)流如圖2所示,為了盡可能減少UDP丟包,我們已經(jīng)將各視頻節(jié)目流進行了預先流量整形,不同數(shù)字標號的方塊表示不同的節(jié)目,可以看到,同一節(jié)目的報文間隔大且均勻(但不同節(jié)目之間存在突發(fā)是難以避免的),出口1只用于傳輸經(jīng)過流量整形的視頻節(jié)目流,并且只匯聚6個節(jié)目,這種情況下,只要突發(fā)節(jié)目每一個包的長度之和小于網(wǎng)絡設備的出口緩存隊列容量,就不會發(fā)生UDP丟包。出口2和出口1相比,雖然只是多匯聚了2個節(jié)目,但這些不同節(jié)目的突發(fā)報文長度之和已經(jīng)超過了網(wǎng)絡設備出口緩存容量,會導致丟包,而多個入口完全同一時間突發(fā)報文的概率較小,因此,丟包可能比較輕微。出口3不但要匯聚視頻節(jié)目流,還要匯聚無法事先流量整形的互聯(lián)網(wǎng)下行數(shù)據(jù)(入口3),可以預料,這種情況下,多入口并行突發(fā)的概率是較高的,因此,丟包會比較嚴重。此外,在入口平均速率之和小于出口速率的情況下,入口平均流量越大,丟包概率越大。
由此可得出結論:只要網(wǎng)絡設備出口線速度小于入口線速度之和,則UDP報文丟失難以避免;如果節(jié)目數(shù)量大,即使預先對節(jié)目流進行流量整形,也只能改善丟包,并不能避免丟包。
圖3 10G PON OLT數(shù)據(jù)流
10G PON(包括GPON/XG-PON) OLT數(shù)據(jù)流如圖3所示,其出口是下聯(lián)口(PON口),速度是10Gbps,每臺設備有大量的PON口,每個PON口帶64或128戶,而設備多個上聯(lián)口需要提供所有PON口的下行流量,因此,這是典型的“出口線速度小于入口線速度之和”的場景,UDP丟包仍然難以避免。10G PON場景下寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量更大,互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報文的突發(fā)性更加不可預測,互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務多基于TCP,有丟包重傳機制,而UDP丟包必然會造成廣電直播業(yè)務質量劣化,受損的是廣電核心業(yè)務。
通常,交換機內部為無阻塞網(wǎng)絡。交換機內部背板總線帶寬遠大于輸入端口速率,所以輸入端口不會發(fā)生擁塞導致丟包。因此,丟包主要發(fā)生在輸出端口上。
我們通過實驗室測試OLT(組播報文高優(yōu)先級)在“純直播業(yè)務”和“直播+寬帶混合業(yè)務”兩種場景下丟包率與帶寬利用率之間的關系(視頻業(yè)務網(wǎng)絡平均抖動30ms),實驗數(shù)據(jù)結論:只有鏈路利用率遠低于70%時,丟包率才可忽略不計,這與華為《體驗驅動的4K承載網(wǎng)白皮書》中的結論極為相似。
目前,采用GPON IPTV系統(tǒng)的大部分廣電省、市網(wǎng)絡,4K節(jié)目數(shù)量少,8K節(jié)目幾乎沒有,寬帶互聯(lián)網(wǎng)的滲透率也很低,其流量特點是平均帶寬利用率常常不到5%,屬于典型的極輕載網(wǎng)絡,因此,尚未遇到嚴重問題,但考慮到未來3~5年的發(fā)展,這種輕載情況不會一直維持。
縱觀現(xiàn)實運營中沒有獨立廣播通道的GPON/10G GPON網(wǎng)絡視頻業(yè)務系統(tǒng),能夠正常運營視頻業(yè)務的必是下述三種情況之一:一是采用HLS等基于TCP的傳輸協(xié)議,利用重傳解決丟包問題,但并發(fā)收視率低,這是互聯(lián)網(wǎng)視頻服務商的做法;二是采用UDP協(xié)議組播,視頻節(jié)目碼率低,質量要求低,丟包容忍度高,這是三大運營商常見做法,容忍網(wǎng)絡丟包率達E-3水平;三是采用UDP協(xié)議,輕載網(wǎng)絡,帶寬利用率極低(平均小于5%),這是部分廣電網(wǎng)絡運營商常見做法。
3.3
保留獨立通道的IP廣播技術方案的
傳輸質量
廣電總局2017年發(fā)布的《有線電視網(wǎng)絡光纖到戶系統(tǒng)技術規(guī)范 第1部分:總體技術要求》提出保留廣播通道的全IP光纖接入網(wǎng)方案。這種保留獨立通道的IP廣播方案,其直播傳輸質量不但完全可以滿足廣電有線電視網(wǎng)HFC直播業(yè)務1E-11的誤碼率要求,誤碼率指標甚至達到了1E-12(廣電總局廣播電視計量檢測中心測試結果),遠高于IPTV要求。
保留獨立通道的IP廣播技術具備如此高的傳輸質量,源自其以下特性:一是廣播傳輸主要采用信號中繼和功率分配方法,極少網(wǎng)絡交換,最大程度避免了IP設備的丟包和延時、抖動等影響QoS劣化的因素,滿足超高清8K/VR等高質量視頻傳輸?shù)囊?;二是使?0Gbps速率的廣播傳輸信道,直播帶寬為傳統(tǒng)有線電視的4~10倍,目前已具備穩(wěn)定、可靠傳輸H.265編碼標準的至少200套4K高清或至少60套8K超高清節(jié)目的能力;三是廣播前端匯聚交換機進行IP流量匯聚,可滿足“輸出接口線速度大于輸入接口線速度之和”的要求,能徹底解決IP網(wǎng)絡“UDP丟包”問題,實現(xiàn)傳輸誤碼率保持在1E-12以下,真正做到“廣播級傳輸”。
保留獨立通道IP廣播技術方案既全面繼承了功率分配的傳統(tǒng)廣播技術,又在基帶信號處理上全面實現(xiàn)了數(shù)字化、IP化,因此,它能保證每個家庭用戶或網(wǎng)絡終端都有相同的帶寬,獨立的大帶寬(10G、25G)下行通道可以從容應對廣播電視直播業(yè)務向4K、8K、AR、VR演進發(fā)展,并可通過淺壓縮從根本上保證超高清視頻業(yè)務的畫面質量,進而保持廣電網(wǎng)絡在視頻業(yè)務上的竟爭優(yōu)勢。
4
兩種方案的經(jīng)濟成本對比分析
IPTV組播方案和保留獨立通道的IP廣播技術方案在干線部分成本基本相當,只有到城域分配網(wǎng)時才會出現(xiàn)成本差異。
4.1 IPTV
組播方案成本分析
目前,我國大部分有線電視網(wǎng)絡的直播節(jié)目總帶寬約2Gbps,其中4K高清節(jié)目少,8K節(jié)目幾乎沒有,而網(wǎng)絡規(guī)劃和建設至少需要考慮未來5~10年的需求,未來隨著4K和8K節(jié)目的增加,直播節(jié)目總帶寬預估為3Gbps~5Gbps。
對10G PON網(wǎng)絡來說,每個PON口應預留30%的空閑帶寬即3Gbps,再加上每PON口直播業(yè)務本身的帶寬占用(常規(guī)并發(fā)計300Mbps~500Mbps,高峰并發(fā)計1Gbps~1.5Gbps,取中值1Gbps),帶寬總共占用4Gbps。因此,10G PON網(wǎng)絡留給寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的帶寬也只剩下6Gbps,即60%左右。投入巨資建設的10G PON系統(tǒng),其珍貴的數(shù)據(jù)帶寬資源被低價值直播電視業(yè)務擠占40%,可用帶寬已和2.5G GPON的32分光的場景相當。
4.2
保留獨立通道的IP廣播技術方案
成本分析
保留獨立通道的IP廣播技術方案,其直播、VOD、OTT點播業(yè)務均通過萬兆獨立通道傳輸,提供高達10Gbps的帶寬,具備至少200套4K或60套8K節(jié)目的穩(wěn)定傳輸能力,且這種傳輸能力是無區(qū)別到達每一個用戶家中。
采用獨立通道的IP廣播技術方案,無論有線網(wǎng)絡運營商選擇GPON、EPON還是XG-PON建設雙向光纖接入網(wǎng),該雙向網(wǎng)都全部用于“丟包可重傳、誤碼不敏感”的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務,其寬帶網(wǎng)絡設施均可發(fā)揮全部效能(帶寬利用率可達90~95%),充分用于高收益的寬帶接入業(yè)務,幾乎沒有額外損耗。
4.3
成本綜合比較
按照一萬用戶接入網(wǎng)模型計算,XG-PON+IPTV組播系統(tǒng)的戶均成本為393元,其中,IPTV組播方案擠占了約40%的總資源(自身帶寬+預留空閑),核算成本為157.2元,寬帶業(yè)務的戶均成本為235.8元。
XG-PON+IP廣播方案的戶均成本為456元,其中,獨立通道IP廣播成本為70元,寬帶業(yè)務的戶均成本為386元。
GPON+IP廣播方案的戶均成本為286元,其中,獨立通道IP廣播成本為70元,寬帶業(yè)務的戶均成本為216元。
綜合比較,基于XG-PON雙向接入網(wǎng),“獨立通道廣播方案”相比“IPTV組播方案”,總戶均成本高出63元,而直播電視業(yè)務部分卻低了87.2元;在寬帶業(yè)務的投入上,獨立通道廣播方案比IPTV組播方案高出150.2元。這些增加的投入使得每PON口增加了約4Gbps帶寬,相當于提高了67%的可用帶寬,因此,這些增加的投入是值得的。
采用IPTV組播方案,雖然通過細心運維,可提供中等體驗水平的電視業(yè)務質量,但提供給寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的PON口可用帶寬只剩下5Gbps~6Gbps,與GPON 32分光效果幾乎一樣,或者說“用XG-PON的成本建了一套GPON”。而融合獨立IP廣播通道的GPON方案,戶均總成本286元,比“IPTV組播方案”低107元。同等性能下,獨立通道IP廣播方案系統(tǒng)成本遠低于與IPTV組播方案系統(tǒng)成本。
除此之外,其他方面的一些經(jīng)濟效益對比具體如下:在高性能直播接入帶寬方面,獨立通道IP廣播方案提供額外到戶的10Gbps廣播接入帶寬,且具備優(yōu)異的視頻傳輸性能,具有很大的現(xiàn)實和潛在經(jīng)濟價值;在投資收益周期方面,獨立通道IP廣播方案的電視業(yè)務獨享10Gbps到戶帶寬,不但可滿足中期未來需求,甚至可滿足長期未來需求,寬帶可用帶寬也更大,擴容空間也更大,因此,網(wǎng)絡設備生命周期更長,減少了升級換代的次數(shù);在業(yè)務拓展和收益方面,獨立通道IP廣播技術方案有余量充沛的IP廣播帶寬,通過合理設計,可開展特色“廣播”型業(yè)務,獲取額外收益,同時,更大的寬帶業(yè)務可用帶寬也能提升服務質量,增加套餐類型,收獲更多的業(yè)務利潤;在運維成本方面,獨立通道IP廣播通道拓撲結構簡單,容易維護,且寬帶業(yè)務只運行“丟包重傳”的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務,對網(wǎng)絡QoS性能要求降低,降低了維護成本。
5
結語
通過上述對比分析,IPTV組播方案無論從視頻質量還是經(jīng)濟可延展性上,都不能與獨立通道IP廣播方案相提并論。從近期看,IPTV組播方案雖然成本略低,但其擠占了戶均價值157元的珍貴數(shù)據(jù)帶寬資源,犧牲了視頻傳輸質量、安全性和投資的延展性;從長遠角度看,IPTV組播方案投資成本必然隨用戶規(guī)模和業(yè)務帶寬的增加而急劇上升,同時會加劇對數(shù)據(jù)帶寬的消耗,高成本運行在所難免。相比之下,GPON/XG-PON加上IP廣播不僅能提供更優(yōu)、更安全的業(yè)務,而且運行成本更低。正因如此,廣電總局在2020年頒發(fā)的《有線電視網(wǎng)絡升級改造技術實施指南(2020-2023年)》中明確了“網(wǎng)絡新建采用FTTH雙纖入戶方式,1芯光纖用于承載廣播業(yè)務和VOD業(yè)務,另外1芯用于承載寬帶業(yè)務和互動信令”。
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更新時間:2022-07-26 15:04:44
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