4K業(yè)務(wù)對IP城域網(wǎng)建設(shè)的影響

許化棟 山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司規(guī)劃研究院副院長，高級工程師

1 引言

4K的名稱得自其橫向分辨率約為4000像素，標準的4K分辨率為4096×2160的像素分辨率，其像素總數(shù)能夠達到高清分辨率1920×1080的4倍，畫質(zhì)比人眼分辨率極限PPI高了近2倍。

根據(jù)ITU-RBT.2020建議，將屏幕的物理分辨率達到3840×2160（4K×2K）及以上的電視稱之為UHDTV（UltraHighDefinitionTelevision，超高清電視），即4K電視。另外，結(jié)合分辨率、幀率、量化精度、壓縮算法等發(fā)展不同，4K可分為偽準4K、真4K、極致4K（也為入門級4K、運營商級4K、極致4K）。

4K能給用戶帶來更清晰、更鮮艷、更流暢的視聽盛宴，其對承載網(wǎng)具有高帶寬、低時延和低丟包率的要求，電信運營商如何實現(xiàn)4K業(yè)務(wù)的承載是各大電信運營商面臨的主要問題，本文將探討4K業(yè)務(wù)對IP城域網(wǎng)的影響及面向4K業(yè)務(wù)承載的IP城域網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)策略。

2 4K業(yè)務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

4K業(yè)務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括內(nèi)容、終端和業(yè)務(wù)3方面。

（1）內(nèi)容方面

4K內(nèi)容制作包括了節(jié)目攝制和后期制作。4K節(jié)目攝制已經(jīng)非常成熟，但后期制作由于采集、轉(zhuǎn)碼、剪輯、監(jiān)看等均需支持4K的硬件來實現(xiàn)且需要處理和存儲的數(shù)據(jù)量顯著增長，故制作成本較高、制作能力建設(shè)發(fā)展較慢，但國內(nèi)有線電視運營商和OTT廠商為搶占市場先機，已逐步引入和擴容4K后期制作系統(tǒng)和能力。

（2）終端方面

國內(nèi)4K電視機2013年上市，2014年國內(nèi)主要的各大電視廠商均已推出4K終端，價格已逼近了普通LED電視的“價格防線”；另外，由于4K超高清電視可以向下兼容1080P的片源（沒有4K的片源，在播放1080P視頻的時候，由于失真率低，也能模擬出4K的效果，清晰度比全高清狀態(tài)下要高出2～3倍左右），是否支持4K業(yè)務(wù)已是消費者選擇電視的重要影響因素，保守估計2015年將銷售1500萬臺4K電視終端。

（3）業(yè)務(wù)方面

2014年7月18日，江蘇有線率先成為國內(nèi)第一家可提供高品質(zhì)超高清直播、點播業(yè)務(wù)的廣電網(wǎng)絡(luò)公司；2014年12月26日，四川電信面向社會公眾宣布其4K超高清業(yè)務(wù)全球首發(fā)上市，正式啟動了國內(nèi)4K業(yè)務(wù)的序幕。

總體來說，4K內(nèi)容、終端和業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟。

3 4K業(yè)務(wù)承載需求

根據(jù)RameshSitaraman總結(jié)的“2s法則”（如果視頻加載時間、快進快退時間超過2s，用戶會選擇關(guān)閉視頻節(jié)目；加載時間每增加1s，會增加6%的關(guān)閉率；如果觀看過程中出現(xiàn)卡頓，會有35.2%的用戶放棄觀看，每增加1s意味著6%的用戶放棄），4K用戶體驗的KQI（Key QualityIndex，關(guān)鍵質(zhì)量指標）主要包括首次點播加載時間、快進快退時間和卡頓率，而對4K承載需求方面，物理帶寬是基礎(chǔ)，丟包、時延是影響體驗的關(guān)鍵因素。

根據(jù)理論算法，4K業(yè)務(wù)平均碼率=分辨率×每像素bit位×幀率/壓縮比/1024/1024（Mbit/s），結(jié)合各階段幀率、量化精度bits和壓縮算法（見表1），可推算出準4K平均比特率為15～20Mbit/s、真4K平均比特率為30～40Mbit/s、極致4K平均比特率為50～100Mbit/s。

表1 4K業(yè)務(wù)平臺比特率

針對視頻點播，根據(jù)TCP吞吐量理論，在一定的吞吐量條件下，丟包率和雙向時延相關(guān)（TCPThrouput<=minBW，WindowSize/RTT，MSS/RTT/） ，（RTT：Roundtrip Time delay，p：Packte Loss Rate，BW：Max.Bandwidth）；結(jié)合華為等試驗結(jié)果，真4K帶寬門限45Mbit/s、雙向時延門限35ms、真4K丟包率門限5×10-5；針對直播TV，根據(jù)基于UDP協(xié)議，花屏現(xiàn)象主要由丟包率引起，根據(jù)DSL Forum Technical Report TR-126，4K視頻直播花屏極限5.6×10-7。結(jié)合上述理論、數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果，4K業(yè)務(wù)承載需求參見表2。

表2 4K業(yè)務(wù)承載需求

普通IPTV電視和視頻點播，如承載1080P視頻會議時要求：時延<50ms、丟包率<1/1000、帶寬要求>8Mbit/s（如僅標清電視直播、點播，要求：時延<1s、丟包率<1/1000、帶寬要求>2Mbit/s），相比較而言，4K業(yè)務(wù)承載時延、抖動、丟包率要求較高。當前的IP城域網(wǎng)需通過合理規(guī)劃、評估和優(yōu)化，可提供滿足4K業(yè)務(wù)承載的QoS保證。

4 4K業(yè)務(wù)承載架構(gòu)

4K業(yè)務(wù)平臺同IPTV業(yè)務(wù)平臺，其由內(nèi)容提供方通過集成播控系統(tǒng)注入至IPTV省中心平臺，然后由區(qū)域中心節(jié)點、邊緣節(jié)點（用戶規(guī)模較小時初期可不建設(shè)）逐級實現(xiàn)業(yè)務(wù)推送與存儲，最終通過寬帶接入網(wǎng)分發(fā)到用戶，4K業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)承載架構(gòu)見圖1。

根據(jù)城域網(wǎng)發(fā)展建設(shè)思路，電信運營商將城域網(wǎng)建成為綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，實現(xiàn)上網(wǎng)、電話、語音等業(yè)務(wù)的綜合承載，4K業(yè)務(wù)區(qū)域中心建設(shè)在城域網(wǎng)核心層設(shè)備側(cè)，邊緣節(jié)點建設(shè)在業(yè)務(wù)控制層節(jié)點SR或者MSE（Multi Service Edge，多業(yè)務(wù)邊緣路由器）設(shè)備側(cè)、且一般采用IPoE認證方式。

5 4K業(yè)務(wù)對IP城域網(wǎng)建設(shè)影響

進行4K業(yè)務(wù)部署，對城域網(wǎng)建設(shè)和影響主要包含如以下方面：設(shè)備是否需要升級、帶寬是否需要擴容、組播如何實現(xiàn)、QoS如何部署。

5.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與帶寬

為測算4K業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與帶寬需求影響，對城域網(wǎng)內(nèi)發(fā)展4K業(yè)務(wù)進行建模，業(yè)務(wù)模型參見表3。

按照業(yè)務(wù)模型對業(yè)務(wù)控制點至核心路由器折合需求10G端口數(shù)、業(yè)務(wù)控制點設(shè)備折合需求10G端口總數(shù)等進行測算，得出網(wǎng)絡(luò)核心層、業(yè)務(wù)控制層設(shè)備及寬帶接入網(wǎng)影響與要求如下：

●核心層設(shè)備

由于核心層設(shè)備至業(yè)務(wù)控制點設(shè)備需由2×10GE或n×GE提升為2×10GE，核心路由器端口需求增至4倍，當用戶發(fā)展至一定規(guī)?；蛘呦Ｍ诵穆酚善髟O(shè)備利用率較高時，建議核心路由器由原100G平臺設(shè)備升級400G平臺設(shè)備（見表4）。

●業(yè)務(wù)控制層

設(shè)備端口方面，由于4K業(yè)務(wù)每用戶帶寬需求較大，故承載6萬寬帶的業(yè)務(wù)控制點，當4K業(yè)務(wù)滲透率達到20%時，業(yè)務(wù)控制層設(shè)備需折合22個10G端口，當前40G平臺業(yè)務(wù)控制層設(shè)備整體利用率接近70%；當4K業(yè)務(wù)滲透率達到30%時，業(yè)務(wù)控制層設(shè)備需折合不小于32個10G端口，承載4K業(yè)務(wù)設(shè)備利用率達到100%及以上，故隨著4K業(yè)務(wù)和用戶的發(fā)展，當4K業(yè)務(wù)滲透率較高時，業(yè)務(wù)控制層設(shè)備需由原40G平臺設(shè)備需升級為100G平臺設(shè)備（見表5）。功能部署需求方面，如要實現(xiàn)4K業(yè)務(wù)的精確時長、流量等計費方式，需業(yè)務(wù)控制層設(shè)備支持Session級IPoE認證，但目前部分城域網(wǎng)業(yè)務(wù)控制層設(shè)備不支持Session級IPoE認證，故初期階段4K業(yè)務(wù)可先按照非Session級IPoE方式進行認證，但建議新增業(yè)務(wù)控制層設(shè)備需支持Session級IPoE認證，實現(xiàn)4K業(yè)務(wù)逐步由非Session級IPoE方式向Session級IPoE方式認證演進。

圖1 4K業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)承載架構(gòu)圖

表3 4K業(yè)務(wù)模型

由于用戶接入帶寬需40～100M，故用戶接入方式將以FTTH、10GPON為主，規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)根據(jù)場景統(tǒng)籌規(guī)劃，確保用戶可獲得帶寬能力不小于100M，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑演進與升級，規(guī)避投資浪費；同時，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)組播復制點的設(shè)置，測算并擴容大二層匯聚交換機、OLT的上下行帶寬，確保構(gòu)建相對無阻塞的2層寬帶接入網(wǎng)。

5.2 組播實現(xiàn)

為減少直播對帶寬壓力，城域網(wǎng)內(nèi)建議開啟組播功能。其中，城域網(wǎng)與骨干網(wǎng)跨域組播建議通過MSDP＋MPBGP協(xié)議實現(xiàn)，在城域網(wǎng)內(nèi)部RP和骨干網(wǎng)的RP之間能夠形成MSDPSession并依此發(fā)現(xiàn)組播源，采用MPBGP完成流量轉(zhuǎn)發(fā)。城域網(wǎng)內(nèi)部，建議部署專用的路由器作為RP，負責本區(qū)域內(nèi)的組播源的注冊和控制，同時負責組播源的合法性檢查，拒絕接收未經(jīng)授權(quán)的組播源的注冊報文。RP之間內(nèi)部部署MSDP會話連接，運行AnycastRP，實現(xiàn)互為備份和負載均衡，增加可靠性和安全性。寬帶接入網(wǎng)層面，結(jié)合接入層設(shè)備的具體支持情況，選擇開啟IGMPSnooping或IGMPProxy協(xié)議，且盡量選擇在接入層設(shè)備開啟IGMPProxy，以減輕SR的壓力。由于當前寬帶接入網(wǎng)部分設(shè)備不支持IGMPProxy，此時可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具體情況適當上移IGMPProxy設(shè)備位置，初期組播復制點可設(shè)置在SR上，但應(yīng)隨著寬帶接入網(wǎng)改造逐步下移到大二層、OLT或園區(qū)交換機設(shè)備上。

表4 4K業(yè)務(wù)時業(yè)務(wù)控制點到核心中由器折合需求10G端口數(shù)

表5 4K業(yè)務(wù)時業(yè)務(wù)控制點設(shè)備折合需求10G端口總數(shù)

5.3 QoS部署

為確保4K業(yè)務(wù)質(zhì)量，城域網(wǎng)需進行QoS部署?？紤]到QoS部署的可行性和可擴展性，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)已部署QoS策略，建議3層網(wǎng)絡(luò)仍采用DSCP（Differentiated ServicesCodePoint，差分服務(wù)代碼點）QoS標識，2層的寬帶接入網(wǎng)根據(jù)VLANID識別各類應(yīng)用，使用802.1q的CoS字段，進行業(yè)務(wù)分類標記。

6 面向4K業(yè)務(wù)承載的IP城域網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)策略

運營商擬在城域網(wǎng)發(fā)展4K業(yè)務(wù)時，需首先確定用戶發(fā)展區(qū)域和規(guī)模，據(jù)此進行評估和測算，確定對IP城域網(wǎng)影響與要求。

評估城域網(wǎng)是否適合開展4K業(yè)務(wù)時，寬帶接入網(wǎng)現(xiàn)有接入能力和快速改造能力是基礎(chǔ)、關(guān)鍵，寬帶接入網(wǎng)能快速實現(xiàn)40～100M接入高帶寬能力、低時延和丟包率是發(fā)展4K業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)保障。

確定IP城域網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)內(nèi)容時，建議優(yōu)先進行核心層、業(yè)務(wù)控制層及大二層匯聚設(shè)備的硬件升級與擴容、鏈路帶寬的優(yōu)化，適度提前引入400G核心層設(shè)備、100G業(yè)務(wù)控制層設(shè)備；針對寬帶接入網(wǎng)進行優(yōu)化時，建議結(jié)合擬發(fā)展用戶區(qū)域，成網(wǎng)格、片區(qū)地進行寬帶接入網(wǎng)規(guī)模改造、并在其中進行營銷與宣傳。

為了更好地保障4K業(yè)務(wù)用戶體驗和普及，城域網(wǎng)還需進行相應(yīng)地配套營運能力的建設(shè)：城域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)建設(shè)動態(tài)評估網(wǎng)絡(luò)的能力，確保能分析出擬開通業(yè)務(wù)用戶網(wǎng)絡(luò)是否具備相應(yīng)承載能力、影響用戶4K業(yè)務(wù)KQI的因素及故障點位置，并能保障套餐用戶帶寬的快速動態(tài)提速、故障消除能力；同時，建議實時引入高通量路由器（HighThroughputRouter，HTR），打造端到端高通量網(wǎng)絡(luò)，最大化資源利用率。

7 結(jié)束語

本文對4K業(yè)務(wù)和產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展進行了闡述，并結(jié)合4K業(yè)務(wù)承載架構(gòu)，給出了4K業(yè)務(wù)對IP城域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級、中繼帶寬擴容、業(yè)務(wù)認證支持、組播實現(xiàn)和QoS部署等方面的建設(shè)影響，同時給出引入4K業(yè)務(wù)部署、發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)策略。當然，4K業(yè)務(wù)的引入和IP城域網(wǎng)的建設(shè)，還需具體對市場業(yè)務(wù)需求、技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展、建設(shè)成本、現(xiàn)網(wǎng)投資保護、網(wǎng)絡(luò)平滑演進、網(wǎng)管及運維流程等進行統(tǒng)籌分析與考慮。