廣電有線網絡IP化升級路徑——傳輸質量與成本分析

  摘要：隨著超高清視頻產業的快速發展，千兆光寬帶入戶需求不斷增長，迫切需要廣電有線網絡向IP化、光纖化和大帶寬升級，尤其是直播業務傳輸方案的選擇，決定著廣電網絡傳輸質量和網絡升級成本。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  廣電有線網絡發展光纖化的背景
市場競爭方面，面對大數據技術和超高清視頻內容的迅速發展，傳統的DVB廣播網絡受限于射頻調制技術和捉襟見肘的頻點資源，已經難以滿足日益增加的業務需求，甚至無法完成8K超高清節目傳輸，因此，廣電有線網絡迫切需要進行IP化和光纖化改造。
政策方面，2021年3月，工信部印發了《“雙千兆”網絡協同發展行動計劃(2021-2023年)》，預計到2021年底，千兆光纖網絡具備覆蓋2億戶家庭的能力，萬兆無源光網絡（10G- PON）及以上端口規模超過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，實現城市家庭千兆光網覆蓋率超過80%，每萬人擁有5G基站數超過12個。這意味著千兆光網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，廣電有線網絡向著光纖化、IP化發展是勢在必行。
2  廣電有線網絡光纖化的兩種方案
廣電有線網絡向全光纖化、IP化發展的路徑，目前主要有2種可選的技術方案：一種是采用無源光網絡技術（PON）建設下一代廣電固網，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)光纖接入網絡，將電視直播業務通過組播技術進行傳輸，依托于雙向交互的優勢，采用單纖到戶方式，實現直播業務、視頻點播業務與互聯網共用基礎網絡的技術方案。
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絡IP化、光纖化的同時，把IP廣播技術與交互PON網絡技術相融合的創新技術，其優點是既保留了有線電視網絡廣播特性，確保有線電視網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務和寬帶互聯網業務的需求，實現了超大帶寬雙向接入，實現全業務融合的創新技術，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廣播光網絡和IP雙向光網絡（EPON/GPON等）構成，其中，萬兆單向IP廣播光網絡可以單獨構成一個單向廣播系統，獨立運行開展廣播電視業務，采用萬兆廣播交換機或萬兆IP廣播分發機的IP廣播功能，通過光纖分配網絡傳輸，終端利用IP廣播接收芯片接收IP廣播數據，實現端到端全IP化承載，擺脫DVB-C射頻調制解調技術中頻點資源的限制，實現廣播鏈路上不低于10Gbps的帶寬。網絡架構如圖1所示。 2.2 方案選擇
在建設新一代全IP廣電光纖接入網時，同樣是以GPON/10G PON技術為基礎，為了滿足廣電有線網絡對直播傳輸的高要求，直播電視業務需要在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 廣電行業對視頻傳輸質量的要求
誤碼率方面，廣電總局發布的《有線數字電視系統技術要求和測量方法》（GY/T 221-2006）對有線電視網絡HFC的要求是糾錯后誤碼率低于1E-11。按照一般數字電視領域行業經驗，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。
傳輸協議方面，如果采用基于TCP的HLS協議等，業務高并發時勢必會造成網絡擁堵，因為4K、8K等超高清節目對網絡傳輸有著超高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，出現視頻卡頓現象。因此，只有采用UDP協議，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是無連接的協議，沒有重發的機會，因此，傳輸過程中是否丟包完全取決于傳輸路徑上的網絡設備和網絡線路，而網絡設備，即使是標準設備，由于配置方法、突發程度以及路由擁塞等變化，都可能會引起丟包。
基于此，當網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形態，在機制上都不足以造成UDP丟包。此網絡結構用于IP直播業務前端時，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承載網白皮書》中同樣提到了“98.7%的突發丟包發生在從高帶寬向低帶寬過度的匯聚節點”，旁證了上述觀點。
3.2 IPTV組播方案的直播傳輸質量
工信部發布的《IPTV質量監測系統技術要求》（YD/T 2367-2011）規定對IPTV系統高清數字電視業務丟包率“可接受的”標準是0.0005，即5E-4。以太網一個報文通常封裝7個TS包，從機頂盒收視角度來看，信道誤碼率和以太網丟包率最終在機頂盒TS丟包率上體現收視效果。
HFC信道誤碼率是1E-11，作為突發錯誤，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就是1.5E-8與5.0E-4。
廣電有線電視網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議層（HLS/TCP）的預存和重傳機制的互聯網視頻可以正常運行，但對于標準更高的廣電超高清廣播業務（以無重傳的UDP協議和并發不受限的組播/廣播視頻），則完全行不通。
以一個碼率36Mbps的4K節目為例，每秒UDP包數量大約為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網絡通常無法滿足丟包率極低的性能要求,從IP協議族和IP網絡基礎設施的原理分析，UDP傳輸缺少網絡上層協議的丟包重傳機制，UDP傳輸容易丟包。IP網絡不丟包是很難做到的，丟包是常態。 10G交換機的數據流如圖2所示，為了盡可能減少UDP丟包，我們已經將各視頻節目流進行了預先流量整形，不同數字標號的方塊表示不同的節目，可以看到，同一節目的報文間隔大且均勻（但不同節目之間存在突發是難以避免的），出口1只用于傳輸經過流量整形的視頻節目流，并且只匯聚6個節目，這種情況下，只要突發節目每一個包的長度之和小于網絡設備的出口緩存隊列容量，就不會發生UDP丟包。出口2和出口1相比，雖然只是多匯聚了2個節目，但這些不同節目的突發報文長度之和已經超過了網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不但要匯聚視頻節目流，還要匯聚無法事先流量整形的互聯網下行數據（入口3），可以預料，這種情況下，多入口并行突發的概率是較高的，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；如果節目數量大，即使預先對節目流進行流量整形，也只能改善丟包，并不能避免丟包。 10G PON（包括GPON/XG-PON） OLT數據流如圖3所示，其出口是下聯口（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場景下寬帶互聯網業務流量更大，互聯網數據報文的突發性更加不可預測，互聯網業務多基于TCP，有丟包重傳機制，而UDP丟包必然會造成廣電直播業務質量劣化，受損的是廣電核心業務。
通常，交換機內部為無阻塞網絡。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生擁塞導致丟包。因此，丟包主要發生在輸出端口上。
我們通過實驗室測試OLT（組播報文高優先級）在“純直播業務”和“直播+寬帶混合業務”兩種場景下丟包率與帶寬利用率之間的關系（視頻業務網絡平均抖動30ms），實驗數據結論：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承載網白皮書》中的結論極為相似。
目前，采用GPON IPTV系統的大部分廣電省、市網絡，4K節目數量少，8K節目幾乎沒有，寬帶互聯網的滲透率也很低，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絡，因此，尚未遇到嚴重問題，但考慮到未來3～5年的發展，這種輕載情況不會一直維持。
縱觀現實運營中沒有獨立廣播通道的GPON/10G GPON網絡視頻業務系統，能夠正常運營視頻業務的必是下述三種情況之一：一是采用HLS等基于TCP的傳輸協議，利用重傳解決丟包問題，但并發收視率低，這是互聯網視頻服務商的做法；二是采用UDP協議組播，視頻節目碼率低，質量要求低，丟包容忍度高，這是三大運營商常見做法，容忍網絡丟包率達E-3水平；三是采用UDP協議，輕載網絡，帶寬利用率極低（平均小于5%），這是部分廣電網絡運營商常見做法。
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年發布的《有線電視網絡光纖到戶系統技術規范 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HFC直播業務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等高質量視頻傳輸的要求；二是使用10Gbps速率的廣播傳輸信道，直播帶寬為傳統有線電視的4～10倍，目前已具備穩定、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網絡“UDP丟包”問題，實現傳輸誤碼率保持在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廣播技術，又在基帶信號處理上全面實現了數字化、IP化，因此，它能保證每個家庭用戶或網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務向4K、8K、AR、VR演進發展，并可通過淺壓縮從根本上保證超高清視頻業務的畫面質量，進而保持廣電網絡在視頻業務上的竟爭優勢。
4  兩種方案的經濟成本對比分析
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，只有到城域分配網時才會出現成本差異。
4.1 IPTV組播方案成本分析
目前，我國大部分有線電視網絡的直播節目總帶寬約2Gbps，其中4K高清節目少，8K節目幾乎沒有，而網絡規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節目的增加，直播節目總帶寬預估為3Gbps～5Gbps。
對10G PON網絡來說，每個PON口應預留30%的空閑帶寬即3Gbps,再加上每PON口直播業務本身的帶寬占用（常規并發計300Mbps～500Mbps，高峰并發計1Gbps～1.5Gbps，取中值1Gbps），帶寬總共占用4Gbps。因此，10G PON網絡留給寬帶互聯網業務的帶寬也只剩下6Gbps，即60%左右。投入巨資建設的10G PON系統，其珍貴的數據帶寬資源被低價值直播電視業務擠占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節目的穩定傳輸能力，且這種傳輸能力是無區別到達每一個用戶家中。
采用獨立通道的IP廣播技術方案，無論有線網絡運營商選擇GPON、EPON還是XG-PON建設雙向光纖接入網，該雙向網都全部用于“丟包可重傳、誤碼不敏感”的互聯網業務，其寬帶網絡設施均可發揮全部效能（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模型計算，XG-PON+IPTV組播系統的戶均成本為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，寬帶業務的戶均成本為216元。
綜合比較，基于XG-PON雙向接入網，“獨立通道廣播方案”相比“IPTV組播方案”，總戶均成本高出63元，而直播電視業務部分卻低了87.2元；在寬帶業務的投入上，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務質量，但提供給寬帶互聯網業務的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廣播方案系統成本遠低于與IPTV組播方案系統成本。
除此之外，其他方面的一些經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，且具備優異的視頻傳輸性能，具有很大的現實和潛在經濟價值；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，網絡設備生命周期更長，減少了升級換代的次數；在業務拓展和收益方面，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”型業務，獲取額外收益，同時，更大的寬帶業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，且寬帶業務只運行“丟包重傳”的互聯網數據業務，對網絡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元的珍貴數據帶寬資源，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模和業務帶寬的增加而急劇上升，同時會加劇對數據帶寬的消耗，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、更安全的業務，而且運行成本更低。正因如此，廣電總局在2020年頒發的《有線電視網絡升級改造技術實施指南（2020-2023年）》中明確了“網絡新建采用FTTH雙纖入戶方式，1芯光纖用于承載廣播業務和VOD業務，另外1芯用于承載寬帶業務和互動信令”。