淺談基于I-PON的下一代數(shù)字電視播出平臺方案

唐凡 江蘇有線泰州分公司

1.引言

如何建設(shè)下一代數(shù)字電視播出平臺，目前爭論較大，主要有標(biāo)準(zhǔn)之爭、選型之爭、協(xié)議之爭?！叭鬆帯钡慕裹c(diǎn)都圍繞播出平臺建設(shè)本身，并未從數(shù)字電視信號傳輸?shù)娜鞒炭紤]，并未從廣電網(wǎng)絡(luò)雙向化網(wǎng)改的發(fā)展趨勢考慮，更沒有從當(dāng)前播出平臺面臨的主要問題考慮。筆者在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，調(diào)研相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提出基于IPON的數(shù)字電視播出平臺建設(shè)方案。

基于IPON的數(shù)字電視平臺建設(shè)方案有利于徹底扭轉(zhuǎn)4K超高清節(jié)目傳輸能力不足的困境，有利于實現(xiàn)接入網(wǎng)各種標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，有利于弱化機(jī)頂盒對業(yè)務(wù)發(fā)展的掣肘，有利于實現(xiàn)多屏互動，是從前端到終端的一攬子解決方案，具有推廣普及的現(xiàn)實意義。

2.“三大爭”簡介

“三大爭”即下一代數(shù)字電視播出平臺建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)之爭，選型之爭，協(xié)議之爭。

（1）標(biāo)準(zhǔn)之爭

標(biāo)準(zhǔn)之爭的焦點(diǎn)是下一代數(shù)字電視播出平臺是采用DVB-C1標(biāo)準(zhǔn)還是采用DVB-C2標(biāo)準(zhǔn)。這種爭論類似電信4G與5G標(biāo)準(zhǔn)之爭。DVB-C2標(biāo)準(zhǔn)在信道糾錯編碼、頻帶利用率、調(diào)制方式等方面的優(yōu)勢明顯，完全滿足未來大量數(shù)字電視節(jié)目4K化乃至8K化的傳輸要求。如同電信5G必然取代4G一樣，很多人認(rèn)為下一代播出平臺標(biāo)準(zhǔn)必須采用DVB-C2標(biāo)準(zhǔn)。但是我們必須清醒的看到，電信由1G向2G演變用了15年，2G向3G演變用了10年，3G向4G演變用了8年。標(biāo)準(zhǔn)演變的背后，不僅僅是有新標(biāo)準(zhǔn)做依托，更重要的是自身實力強(qiáng)大能夠吸引大量的國內(nèi)外頂級設(shè)備研發(fā)單位做后盾。廣電DVB-C2標(biāo)準(zhǔn)2004年就發(fā)布了，至今未有一家設(shè)備研發(fā)單位拿出過可以商用的產(chǎn)品。認(rèn)清現(xiàn)實，立足現(xiàn)狀，下一代數(shù)字電視播出平臺必須也只能繼續(xù)沿用DVB-C1標(biāo)準(zhǔn)。

（2）選型之爭

選型之爭的焦點(diǎn)有兩個，一是下一代平臺設(shè)備是用國產(chǎn)的還是進(jìn)口的；二是下一代平臺設(shè)備選擇熟悉的型號還是陌生的型號。國產(chǎn)、進(jìn)口之爭源于在中美貿(mào)易沖突大背景下，貿(mào)易制裁可能導(dǎo)致設(shè)備零部件供應(yīng)中斷。熟悉、陌生之爭主要對平臺建設(shè)成本的考慮。選型之爭應(yīng)根據(jù)各地廣電網(wǎng)絡(luò)實際情況作出選擇。

（3）協(xié)議之爭

協(xié)議之爭即下一代數(shù)字電視播出平臺內(nèi)部信號調(diào)度是采用組播協(xié)議還是異步串行電接口協(xié)議。采用組播協(xié)議的平臺價格較高，采用異步串行電接口協(xié)議的平臺價格較低，協(xié)議之爭本質(zhì)上是成本之爭。

“三大爭”的焦點(diǎn)都圍繞播出平臺建設(shè)本身，并未從電視信號傳輸?shù)娜鞒炭紤]，并未從廣電網(wǎng)絡(luò)雙向化網(wǎng)改的發(fā)展趨勢考慮，更沒有從當(dāng)前播出平臺面臨的主要問題考慮。這種爭論產(chǎn)生的任何結(jié)果都是片面的，不能代表下一代數(shù)字電視播出平臺的建設(shè)方向。

3. 下一代數(shù)字電視播出平臺建設(shè)思路

平臺應(yīng)該怎么建，首先要分析當(dāng)前播出平臺面臨的主要問題是什么。當(dāng)前播出平臺面臨的主要問題，既不是設(shè)備使用年限長也不是操作界面不夠人性化，而是傳輸能力受限的問題，即能夠傳輸4K超高清節(jié)目的數(shù)量。這種限制源于三個因素。一是信源壓縮比；二是調(diào)制方式（頻帶利用率）；三是頻道數(shù)量。信源壓縮比取決于信源編碼的發(fā)展成果，壓縮比越高對編解碼設(shè)備的要求就越高，大批量更換4K機(jī)頂盒對廣電運(yùn)營商與用戶都是負(fù)擔(dān)，且4K之后有8K，硬件投入是個無底洞。采用高進(jìn)制的調(diào)制方式，提高頻帶利用率是解決4K超高清節(jié)目傳輸受限的好辦法，但是正如在標(biāo)準(zhǔn)之爭中談到的那樣，目前沒有可以商用的設(shè)備。頻道是不可再生資源，單向傳輸、雙向傳輸都希望占有更多的頻率資源，期望獲得更多的頻率資源傳輸更多4K超高清節(jié)目不現(xiàn)實。

要解決當(dāng)前面臨的主要問題必須立足現(xiàn)狀，另辟蹊徑。下一代數(shù)字電視播出平臺應(yīng)該徹底摒棄節(jié)目傳輸RF化，采用節(jié)目傳輸基帶化、IP化，這是解決當(dāng)前問題、提高傳輸能力的必由之路。在分析上述問題的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為下一代數(shù)字電視播出

平臺應(yīng)該具備三大特征：

（1）盡可能多的承載高清晰、高畫質(zhì)的視頻節(jié)目，特別是要支持越來越多的超高清4K乃至8K節(jié)目。（2）播出平臺要全面實現(xiàn)IP化，把各類視頻流推送到各類終端或者屏幕上。

（3）要構(gòu)建雙向通道，支持OTT TV等互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)。

節(jié)目傳輸基帶化、IP化不是單純的對電信模仿，走IPTV的老路，而是從電視信號傳輸?shù)娜鞒炭紤]，從廣電網(wǎng)絡(luò)雙向化網(wǎng)改的發(fā)展趨勢考慮，是從前端到終端的一攬子解決方案。

筆者在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出構(gòu)建基于I-PON的下一代數(shù)字電視播出平臺方案。

4. 下一代播出平臺建設(shè)為什么選擇基于IPON

4.1 什么是I-PON

I-PON是廣電總局《有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖到戶技術(shù)規(guī)范》三種方案之一，是萬兆IP廣播+XPON的雙向接入系統(tǒng)，其中“IP廣播”是將萬兆以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單向廣播傳輸網(wǎng)。雙向交互部分采用PON技術(shù)。

I-PON萬兆寬帶接入網(wǎng)絡(luò)是由10G IP廣播視頻通道與E/GPON高速數(shù)據(jù)通道的兩個通道融合組成的系統(tǒng)，主要特性是：全網(wǎng)統(tǒng)一構(gòu)建成一個基帶的IP數(shù)據(jù)平臺，構(gòu)建的是一張全I(xiàn)P網(wǎng)，基于IP化數(shù)字電視信號的基帶全網(wǎng)直播，單節(jié)目帶寬不受限制，可以支持4K、8K超高清節(jié)目，基于IP化數(shù)字電視信號的基帶全網(wǎng)直播，也能達(dá)到廣播級電視標(biāo)準(zhǔn)，保留了廣播電視的特色和優(yōu)勢。

4.2 I-PON系統(tǒng)架構(gòu)

I-PON網(wǎng)絡(luò)采用雙纖入戶的方式，一根光纖傳輸10G的直播視頻廣播數(shù)據(jù)，通過一體化家庭網(wǎng)關(guān)萬兆接收模塊處理后形成單節(jié)目流，通過千兆/百兆交換電路輸出至機(jī)頂盒。另一根光纖傳輸雙向數(shù)據(jù)信號，信號通過ONU模塊進(jìn)入千兆/百兆交換電路后提供給各數(shù)據(jù)終端I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

4.3 I-PON網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

圖1 I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）萬兆I-PON網(wǎng)絡(luò)能夠為每一個覆蓋用戶提供10G到戶的廣播帶寬，完全滿足未來5年內(nèi)4K/8K超高清視頻直播和互動點(diǎn)播的發(fā)展要求，也能適用極限狀況下的業(yè)務(wù)承載。

（2）在安全播出方面，萬兆I-PON網(wǎng)絡(luò)保留了有線電視單向廣播安全性好的優(yōu)勢，能夠避免病毒與黑客的侵害及其流氓ONU的攻擊，不存在安全播出的風(fēng)險。

（3）在視頻質(zhì)量上，萬兆I-PON網(wǎng)絡(luò)無論在視頻直播還是視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)上都支持大碼流高清晰、高動態(tài)的高畫質(zhì)視頻，其帶寬有效利用率不僅高于GPON，也好于10G的XGPON。

（4）在行業(yè)競爭方面，無論對于GPON IPTV架構(gòu)，還是對于10G的XGON網(wǎng)絡(luò)，萬兆I-PON網(wǎng)絡(luò)在帶寬和業(yè)務(wù)支撐能力上，都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，能夠形成非同質(zhì)化的競爭。

4.4 為什么不選用GPON

I-PON與電信GPON的IPTV模式相比有以下幾個優(yōu)點(diǎn)。首先，在性能上I-PON 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了GPON的IPTV技術(shù)構(gòu)建的FTTH網(wǎng)絡(luò)，后者只能承載當(dāng)下的視頻業(yè)務(wù)，幾乎無法支持即將到來的4K和未來8K超高清視頻業(yè)務(wù)（電信目前的所謂4K是碼率為17Mbps的入門級4K）。其次，相較于10G GPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雖然兩者都是萬兆網(wǎng)絡(luò)，但是I-PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有造價成本更低（系統(tǒng)造價幾乎只有10G GPON系統(tǒng)的一半以上）、QoS質(zhì)量保證和QoE用戶體驗更佳。最后，I-PON技術(shù)能夠?qū)⒁延械腅PON網(wǎng)絡(luò)以極低的投入平滑升級演進(jìn)到萬兆寬帶接入網(wǎng)，能極大地延伸EPON網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

4.5 基于I-PON的播出平臺傳輸能力

基于I-PON的節(jié)目播出平臺到底可以提供多大的節(jié)目傳輸能力，這里我們引用吉視傳媒在2018年9月份在《有線電視技術(shù)》雜志上提供的一組數(shù)據(jù)?！癐-PON 萬兆網(wǎng)絡(luò)巨大的帶寬，使吉視傳媒能極大地強(qiáng)化電視直播能力，可任性地傳輸高碼流的高畫質(zhì)電視節(jié)目和海量的直播電視，拉大了與IPTV直播電視業(yè)務(wù)的距離。電視直播業(yè)務(wù)有74套高清電視直播、115 套標(biāo)清電視、25套4K電視、200套2Mbps碼流的手機(jī)直播電視和256套輪播頻道與118 套時移回看節(jié)目，約3個Gbps的總碼流（隨著4K直播電視的大量引入，直播總碼流可達(dá) 4-5Gbps，至少能再支持50套標(biāo)準(zhǔn)4K電視直播）?！比绱素S富多彩的節(jié)目，是單純平臺改造不可能實現(xiàn)的。

5. 如何搭建基于I-PON的下一代數(shù)字電視播出平臺

要搭建基于I-PON的下一代數(shù)字的電視播出平臺，各個關(guān)鍵部分要采用不同的技術(shù)實現(xiàn)。

5.1 前端部分

（1）信源全面IP化

視音頻內(nèi)容可以按照MPEG-2、H.264、H.265或者AVS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，傳輸層TS包格式進(jìn)行第一次封裝，以PID作為不同業(yè)務(wù)的標(biāo)識。然后以UDP方式構(gòu)建單節(jié)目流，以UDP端口號作為節(jié)目區(qū)分。不同的組播地址可以進(jìn)一步區(qū)分不同類型節(jié)目或者應(yīng)用。

（2）前端設(shè)備全面IP化

新播出平臺前端設(shè)備全面IP化，用網(wǎng)絡(luò)來連接各前端設(shè)備，如視頻編碼器、加擾器、EPG服務(wù)器、VOD服務(wù)器等，最終在10G匯聚交換機(jī)通過光纖發(fā)送到分配網(wǎng)。ASI跳線架、QAM調(diào)制器、RF切換器、射頻光機(jī)等設(shè)備將會被成本更低、穩(wěn)定性更優(yōu)的交換機(jī)替代。

（3）加密方式更靈活

由于采用了IP化的廣播傳輸，取消了復(fù)用過程，加密技術(shù)的選擇將更加靈活，可以支持有卡或者無卡CA，乃至DRM。

（4）I-PON EPG系統(tǒng)

圖2 I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)前端

在I-PON系統(tǒng)規(guī)范中，業(yè)務(wù)信息可以有兩種傳輸方式。一種是兼容DVB-SI體系，主要是增加幾個表，比如用描述地址、端口列表的MIT表替換NIT表。另一種是完全采用XML文件方式傳輸業(yè)務(wù)信息，完全摒棄DVB-SI，由于解析XML文件非常容易實現(xiàn)，新一代機(jī)頂盒普遍具備這一能力。I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)前端構(gòu)成見圖2。

5.2 匯聚部分

（1）萬兆IP廣播分發(fā)系統(tǒng)

萬兆IP廣播分發(fā)系統(tǒng)一方面上聯(lián)匹配和分流各種業(yè)務(wù)（電視直播、VOD點(diǎn)播、OTT TV互聯(lián)網(wǎng)電視、寬帶上網(wǎng)等業(yè)務(wù)），另一方面下聯(lián)將10G廣播通道與EPON雙向接入通達(dá)融合在一起。I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)匯聚見圖3。

圖3 I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)匯聚

（2）分發(fā)系統(tǒng)運(yùn)營策略

有兩類可供參考。一類是萬兆廣播帶寬簡單占用策略，在保障直播電視流完全不受擠占的前提下，所有的雙向業(yè)務(wù)的下行碼流（VOD視頻點(diǎn)播、OTT TV、寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)等）首先由IP廣播通道下發(fā)廣播至用戶，當(dāng)萬兆IP廣播通道帶寬不夠時，則轉(zhuǎn)發(fā)1490nm的G/EPON的下行通道。第二類是視頻帶寬優(yōu)先策略，同樣在保障直播電視流完全不受擠占的前提下，所有的下行互動視頻業(yè)務(wù)（VOD視頻點(diǎn)播、OTT TV）由IP廣播通道分發(fā)廣播至用戶，其余的下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通常由G/EPON1490nm下行通道廣播到用戶處，當(dāng)萬兆IP廣播通道帶寬擁塞時，下行互動視頻將轉(zhuǎn)發(fā)至G/EPON 1490nm下行廣播通道。因為視頻占用的帶寬最大、對延時、抖動也最敏感，采用視頻帶寬優(yōu)先策略可極大地提高用戶體驗。

5.3 終端部分

（1）10G網(wǎng)絡(luò)接收模塊

10G光接收模塊相當(dāng)于傳統(tǒng)機(jī)頂盒的高頻頭。按照收看節(jié)目指令的控制，把被選擇的IP 節(jié)目流通過千兆/百兆交換電路送到IP解碼器，解出所要收看的節(jié)目。與傳統(tǒng)機(jī)頂盒的高頻頭相比，傳統(tǒng)機(jī)頂盒的高頻頭在選擇節(jié)目時，同一時間只能選擇一套節(jié)目，而10G廣播信道模塊在同一時間可選擇輸出50個節(jié)目流。

（2）PON ONU模塊

包括PON光模塊和PON處理器，為機(jī)頂盒提供千兆雙向數(shù)據(jù)通道。

（3）STB 解碼模塊

采用最新的處理器，支持4K 解碼和各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

（4）Wi-Fi（AP）模塊

為其他終端如手機(jī)、平板電腦等提供網(wǎng)絡(luò)接入，使得在這些終端上既可以觀看高質(zhì)量的直播視頻節(jié)目，又能高速連接到互聯(lián)網(wǎng)。

（5）千兆/ 百兆交換電路

圖4 I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端原理

為副終端和PC 提供網(wǎng)線接入。I-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端原理見圖4。

綜上所述，通過搭建基于I-PON 網(wǎng)絡(luò)的下一代播出平臺，可以為用戶提供10G的直播和點(diǎn)播視頻流，提供20Mbps的上網(wǎng)速率。通過10G廣播傳輸，支持4K/8K等廣播級QoS的大視頻業(yè)務(wù)，使G/EPON 雙向網(wǎng)絡(luò)專注于網(wǎng)絡(luò)瀏覽等雙向互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，在升級擴(kuò)容的成本和安全廣播上具有很大優(yōu)勢。圖5是基于I-PON網(wǎng)絡(luò)的播出系統(tǒng)全流程框圖。

這里引用吉視傳媒的一組數(shù)據(jù)：“引入I-PON技術(shù)后，吉視傳媒用戶流失得到了有效抑制，流失率巨幅下降，2018年用戶回9000戶，比年初增長0.7%，農(nóng)網(wǎng)數(shù)字化率達(dá)97.5%，繳費(fèi)率達(dá)70%，流失率增長的勢頭得到了抑制。農(nóng)村雙向網(wǎng)絡(luò)覆蓋率已達(dá)54.1%，數(shù)據(jù)雙向用戶也從光纖入戶改造前的一戶沒有，到目前的32萬多戶，滲透率到25%。活躍的點(diǎn)播用戶34萬多，經(jīng)濟(jì)效益普遍好轉(zhuǎn)，增值業(yè)務(wù)大幅上升，甚至翻番?！?/p>

圖5 基于I-PON網(wǎng)絡(luò)的播出系統(tǒng)全流程框圖

6. 結(jié)束語

I-PON網(wǎng)絡(luò)對廣電網(wǎng)絡(luò)意義重大，基于IPON的數(shù)字電視平臺建設(shè)方案是從前端到終端的一攬子解決方案，有利于徹底扭轉(zhuǎn)4K超高清節(jié)目傳輸能力不足的困境，有利于實現(xiàn)接入網(wǎng)各種標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，有利于弱化機(jī)頂盒對業(yè)務(wù)發(fā)展的掣肘，有利于實現(xiàn)多屏互動，有利于維系用戶，改變用戶流失的頹勢，具有推廣普及的現(xiàn)實意義。