广电有线网络IP化升级路径——传输质量与成本分析

  摘要：随着超高清视频产业的快速发展，千兆光宽带入户需求不断增长，迫切需要广电有线网络向IP化、光纤化和大带宽升级，尤其是直播业务传输方案的选择，决定着广电网络传输质量和网络升级成本。本文将IPTV组播技术方案和保留独立广播通道的IP广播技术方案进行对比，从传输质量和成本两方面分析，探寻更适合广电有线网络IP化升级的路径。
关键词：IP化  光纤化  组播  广播  10G PON
1  广电有线网络发展光纤化的背景
市场竞争方面，面对大数据技术和超高清视频内容的迅速发展，传统的DVB广播网络受限于射频调制技术和捉襟见肘的频点资源，已经难以满足日益增加的业务需求，甚至无法完成8K超高清节目传输，因此，广电有线网络迫切需要进行IP化和光纤化改造。
政策方面，2021年3月，工信部印发了《“双千兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年)》，预计到2021年底，千兆光纤网络具备覆盖2亿户家庭的能力，万兆无源光网络（10G- PON）及以上端口规模超过500万个，千兆宽带用户突破1000万户；预计到2023年底，全国建成100个以上千兆城市，实现城市家庭千兆光网覆盖率超过80%，每万人拥有5G基站数超过12个。这意味着千兆光网入户速度会进一步加快。
综合来看，无论是出于市场竞争需要，还是政策要求，广电有线网络向着光纤化、IP化发展是势在必行。
2  广电有线网络光纤化的两种方案
广电有线网络向全光纤化、IP化发展的路径，目前主要有2种可选的技术方案：一种是采用无源光网络技术（PON）建设下一代广电固网，即电信运营商当前采用的GPON/EPON/10G GPON/10G EPON光纤接入方案，其中的直播电视视频业务采用组播技术传输，也就是IPTV组播技术方案；另一种同样是以GPON/10GPON技术为基础，直播电视视频业务采用保留独立广播通道的IP广播技术，即保留独立通道的IP广播技术方案。
2.1 IPTV组播技术方案
     IPTV组播技术方案是指采用xPON(GPON/EPON/10G PON)光纤接入网络，将电视直播业务通过组播技术进行传输，依托于双向交互的优势，采用单纤到户方式，实现直播业务、视频点播业务与互联网共用基础网络的技术方案。
2.2 保留独立通道的IP广播技术方案
保留独立通道的IP广播技术方案是指在将有线电视网络IP化、光纤化的同时，把IP广播技术与交互PON网络技术相融合的创新技术，其优点是既保留了有线电视网络广播特性，确保有线电视网络安全播出政治属性和高质量传输特性，又满足了终端用户交互业务和宽带互联网业务的需求，实现了超大带宽双向接入，实现全业务融合的创新技术，可以采用双纤三波或单纤三波方式进行部署。
保留独立通道的IP广播技术方案由万兆单向IP广播光网络和IP双向光网络（EPON/GPON等）构成，其中，万兆单向IP广播光网络可以单独构成一个单向广播系统，独立运行开展广播电视业务，采用万兆广播交换机或万兆IP广播分发机的IP广播功能，通过光纤分配网络传输，终端利用IP广播接收芯片接收IP广播数据，实现端到端全IP化承载，摆脱DVB-C射频调制解调技术中频点资源的限制，实现广播链路上不低于10Gbps的带宽。网络架构如图1所示。 2.2 方案选择
在建设新一代全IP广电光纤接入网时，同样是以GPON/10G PON技术为基础，为了满足广电有线网络对直播传输的高要求，直播电视业务需要在IPTV组播技术与保留独立IP广播通道技术两种方案中进行选择。
为此，我们重点从视频传输质量、经济成本两个维度将IPTV组播方案与保留独立通道的IP广播技术方案进行了详细对比和分析。
3  两种方案视频传输质量对比分析
3.1 广电行业对视频传输质量的要求
误码率方面，广电总局发布的《有线数字电视系统技术要求和测量方法》（GY/T 221-2006）对有线电视网络HFC的要求是纠错后误码率低于1E-11。按照一般数字电视领域行业经验，视频流畅清晰时，误码率典型目标值是 1E-9，偶然局部马赛克时的误码率是2E-4，大量马赛克时的误码率是1E-3。
传输协议方面，如果采用基于TCP的HLS协议等，业务高并发时势必会造成网络拥堵，因为4K、8K等超高清节目对网络传输有着超高QoS要求，TCP上行应答报文稍微超时，就会直接引起TCP下行滑动窗口超时，从而导致下行报文重传，出现视频卡顿现象。因此，只有采用UDP协议，并且采用点到多点的传输方法（组播或广播），才是超高清视频传输唯一可行的方式。
UDP是无连接的协议，没有重发的机会，因此，传输过程中是否丢包完全取决于传输路径上的网络设备和网络线路，而网络设备，即使是标准设备，由于配置方法、突发程度以及路由拥塞等变化，都可能会引起丢包。
基于此，当网络设备的输出接口线速度大于输入接口线速度之和时，任何输入接口的报文突发形态，在机制上都不足以造成UDP丢包。此网络结构用于IP直播业务前端时，几乎可以满足任何苛刻的传输性能要求。华为的《体验驱动的4K承载网白皮书》中同样提到了“98.7%的突发丢包发生在从高带宽向低带宽过度的汇聚节点”，旁证了上述观点。
3.2 IPTV组播方案的直播传输质量
工信部发布的《IPTV质量监测系统技术要求》（YD/T 2367-2011）规定对IPTV系统高清数字电视业务丢包率“可接受的”标准是0.0005，即5E-4。以太网一个报文通常封装7个TS包，从机顶盒收视角度来看，信道误码率和以太网丢包率最终在机顶盒TS丢包率上体现收视效果。
HFC信道误码率是1E-11，作为突发错误，1个无法纠正的比特错误将引起纠错后整个TS包的错误标记为“1”，即该TS包被完全丢弃，所以该误码率对应的机顶盒TS丢包率就是1.5E-8。二者的信道指标在收视终端上的最终呈现就是1.5E-8与5.0E-4。
广电有线电视网的误码率指标是工信部IPTV误码率指标的33333倍（5.0E-4/1.5E-8）。工信部IPTV误码率指标可以保证通过协议层（HLS/TCP）的预存和重传机制的互联网视频可以正常运行，但对于标准更高的广电超高清广播业务（以无重传的UDP协议和并发不受限的组播/广播视频），则完全行不通。
以一个码率36Mbps的4K节目为例，每秒UDP包数量大约为3304个包，丢包率千分之一，相当于每秒丢了3个UDP包，压缩视频码流的特点是每一个bit的错误都可能造成马赛克（宏块、条带解码错误），每秒丢3个包的结果一定是无法正常收看。以这样的要求来传输广电直播业务，其结果无法想象的。
IPTV组播直播视频传输存在一定的隐患，IP网络通常无法满足丢包率极低的性能要求,从IP协议族和IP网络基础设施的原理分析，UDP传输缺少网络上层协议的丢包重传机制，UDP传输容易丢包。IP网络不丢包是很难做到的，丢包是常态。 10G交换机的数据流如图2所示，为了尽可能减少UDP丢包，我们已经将各视频节目流进行了预先流量整形，不同数字标号的方块表示不同的节目，可以看到，同一节目的报文间隔大且均匀（但不同节目之间存在突发是难以避免的），出口1只用于传输经过流量整形的视频节目流，并且只汇聚6个节目，这种情况下，只要突发节目每一个包的长度之和小于网络设备的出口缓存队列容量，就不会发生UDP丢包。出口2和出口1相比，虽然只是多汇聚了2个节目，但这些不同节目的突发报文长度之和已经超过了网络设备出口缓存容量，会导致丢包，而多个入口完全同一时间突发报文的概率较小，因此，丢包可能比较轻微。出口3不但要汇聚视频节目流，还要汇聚无法事先流量整形的互联网下行数据（入口3），可以预料，这种情况下，多入口并行突发的概率是较高的，因此，丢包会比较严重。此外，在入口平均速率之和小于出口速率的情况下，入口平均流量越大，丢包概率越大。
由此可得出结论：只要网络设备出口线速度小于入口线速度之和，则UDP报文丢失难以避免；如果节目数量大，即使预先对节目流进行流量整形，也只能改善丢包，并不能避免丢包。 10G PON（包括GPON/XG-PON） OLT数据流如图3所示，其出口是下联口（PON口），速度是10Gbps，每台设备有大量的PON口，每个PON口带64或128户，而设备多个上联口需要提供所有PON口的下行流量，因此，这是典型的“出口线速度小于入口线速度之和”的场景，UDP丢包仍然难以避免。10G PON场景下宽带互联网业务流量更大，互联网数据报文的突发性更加不可预测，互联网业务多基于TCP，有丢包重传机制，而UDP丢包必然会造成广电直播业务质量劣化，受损的是广电核心业务。
通常，交换机内部为无阻塞网络。交换机内部背板总线带宽远大于输入端口速率，所以输入端口不会发生拥塞导致丢包。因此，丢包主要发生在输出端口上。
我们通过实验室测试OLT（组播报文高优先级）在“纯直播业务”和“直播+宽带混合业务”两种场景下丢包率与带宽利用率之间的关系（视频业务网络平均抖动30ms），实验数据结论：只有链路利用率远低于70%时，丢包率才可忽略不计，这与华为《体验驱动的4K承载网白皮书》中的结论极为相似。
目前，采用GPON IPTV系统的大部分广电省、市网络，4K节目数量少，8K节目几乎没有，宽带互联网的渗透率也很低，其流量特点是平均带宽利用率常常不到5%，属于典型的极轻载网络，因此，尚未遇到严重问题，但考虑到未来3～5年的发展，这种轻载情况不会一直维持。
纵观现实运营中没有独立广播通道的GPON/10G GPON网络视频业务系统，能够正常运营视频业务的必是下述三种情况之一：一是采用HLS等基于TCP的传输协议，利用重传解决丢包问题，但并发收视率低，这是互联网视频服务商的做法；二是采用UDP协议组播，视频节目码率低，质量要求低，丢包容忍度高，这是三大运营商常见做法，容忍网络丢包率达E-3水平；三是采用UDP协议，轻载网络，带宽利用率极低（平均小于5%），这是部分广电网络运营商常见做法。
3.3 保留独立通道的IP广播技术方案的传输质量
广电总局2017年发布的《有线电视网络光纤到户系统技术规范 第1部分：总体技术要求》提出保留广播通道的全IP光纤接入网方案。这种保留独立通道的IP广播方案，其直播传输质量不但完全可以满足广电有线电视网HFC直播业务1E-11的误码率要求，误码率指标甚至达到了1E-12(广电总局广播电视计量检测中心测试结果)，远高于IPTV要求。
保留独立通道的IP广播技术具备如此高的传输质量，源自其以下特性：一是广播传输主要采用信号中继和功率分配方法，极少网络交换，最大程度避免了IP设备的丢包和延时、抖动等影响QoS劣化的因素，满足超高清8K/VR等高质量视频传输的要求；二是使用10Gbps速率的广播传输信道，直播带宽为传统有线电视的4～10倍，目前已具备稳定、可靠传输H.265编码标准的至少200套4K高清或至少60套8K超高清节目的能力；三是广播前端汇聚交换机进行IP流量汇聚，可满足“输出接口线速度大于输入接口线速度之和”的要求，能彻底解决IP网络“UDP丢包”问题，实现传输误码率保持在1E-12以下，真正做到“广播级传输”。
保留独立通道IP广播技术方案既全面继承了功率分配的传统广播技术，又在基带信号处理上全面实现了数字化、IP化，因此，它能保证每个家庭用户或网络终端都有相同的带宽，独立的大带宽（10G、25G）下行通道可以从容应对广播电视直播业务向4K、8K、AR、VR演进发展，并可通过浅压缩从根本上保证超高清视频业务的画面质量，进而保持广电网络在视频业务上的竟争优势。
4  两种方案的经济成本对比分析
IPTV组播方案和保留独立通道的IP广播技术方案在干线部分成本基本相当，只有到城域分配网时才会出现成本差异。
4.1 IPTV组播方案成本分析
目前，我国大部分有线电视网络的直播节目总带宽约2Gbps，其中4K高清节目少，8K节目几乎没有，而网络规划和建设至少需要考虑未来5～10年的需求，未来随着4K和8K节目的增加，直播节目总带宽预估为3Gbps～5Gbps。
对10G PON网络来说，每个PON口应预留30%的空闲带宽即3Gbps,再加上每PON口直播业务本身的带宽占用（常规并发计300Mbps～500Mbps，高峰并发计1Gbps～1.5Gbps，取中值1Gbps），带宽总共占用4Gbps。因此，10G PON网络留给宽带互联网业务的带宽也只剩下6Gbps，即60%左右。投入巨资建设的10G PON系统，其珍贵的数据带宽资源被低价值直播电视业务挤占40%，可用带宽已和2.5G GPON的32分光的场景相当。
4.2 保留独立通道的IP广播技术方案成本分析
保留独立通道的IP广播技术方案，其直播、VOD、OTT点播业务均通过万兆独立通道传输，提供高达10Gbps的带宽，具备至少200套4K或60套8K节目的稳定传输能力，且这种传输能力是无区别到达每一个用户家中。
采用独立通道的IP广播技术方案，无论有线网络运营商选择GPON、EPON还是XG-PON建设双向光纤接入网，该双向网都全部用于“丢包可重传、误码不敏感”的互联网业务，其宽带网络设施均可发挥全部效能（带宽利用率可达90～95%），充分用于高收益的宽带接入业务，几乎没有额外损耗。
4.3 成本综合比较
按照一万用户接入网模型计算，XG-PON+IPTV组播系统的户均成本为393元，其中，IPTV组播方案挤占了约40%的总资源（自身带宽+预留空闲），核算成本为157.2元，宽带业务的户均成本为235.8元。
XG-PON+IP广播方案的户均成本为456元，其中，独立通道IP广播成本为70元，宽带业务的户均成本为386元。
GPON+IP广播方案的户均成本为286元，其中，独立通道IP广播成本为70元，宽带业务的户均成本为216元。
综合比较，基于XG-PON双向接入网，“独立通道广播方案”相比“IPTV组播方案”，总户均成本高出63元，而直播电视业务部分却低了87.2元；在宽带业务的投入上，独立通道广播方案比IPTV组播方案高出150.2元。这些增加的投入使得每PON口增加了约4Gbps带宽，相当于提高了67%的可用带宽，因此，这些增加的投入是值得的。
  采用IPTV组播方案，虽然通过细心运维，可提供中等体验水平的电视业务质量，但提供给宽带互联网业务的PON口可用带宽只剩下5Gbps～6Gbps，与GPON 32分光效果几乎一样，或者说“用XG-PON的成本建了一套GPON”。而融合独立IP广播通道的GPON方案，户均总成本286元，比“IPTV组播方案”低107元。同等性能下，独立通道IP广播方案系统成本远低于与IPTV组播方案系统成本。
除此之外，其他方面的一些经济效益对比具体如下：在高性能直播接入带宽方面，独立通道IP广播方案提供额外到户的10Gbps广播接入带宽，且具备优异的视频传输性能，具有很大的现实和潜在经济价值；在投资收益周期方面，独立通道IP广播方案的电视业务独享10Gbps到户带宽，不但可满足中期未来需求，甚至可满足长期未来需求，宽带可用带宽也更大，扩容空间也更大，因此，网络设备生命周期更长，减少了升级换代的次数；在业务拓展和收益方面，独立通道IP广播技术方案有余量充沛的IP广播带宽，通过合理设计，可开展特色“广播”型业务，获取额外收益，同时，更大的宽带业务可用带宽也能提升服务质量，增加套餐类型，收获更多的业务利润；在运维成本方面，独立通道IP广播通道拓扑结构简单，容易维护，且宽带业务只运行“丢包重传”的互联网数据业务，对网络QoS性能要求降低，降低了维护成本。
5  结语
通过上述对比分析，IPTV组播方案无论从视频质量还是经济可延展性上，都不能与独立通道IP广播方案相提并论。从近期看，IPTV组播方案虽然成本略低，但其挤占了户均价值157元的珍贵数据带宽资源，牺牲了视频传输质量、安全性和投资的延展性；从长远角度看，IPTV组播方案投资成本必然随用户规模和业务带宽的增加而急剧上升，同时会加剧对数据带宽的消耗，高成本运行在所难免。相比之下，GPON/XG-PON加上IP广播不仅能提供更优、更安全的业务，而且运行成本更低。正因如此，广电总局在2020年颁发的《有线电视网络升级改造技术实施指南（2020-2023年）》中明确了“网络新建采用FTTH双纤入户方式，1芯光纤用于承载广播业务和VOD业务，另外1芯用于承载宽带业务和互动信令”。