關(guān)于IP化視頻在廣電接入網(wǎng)段的帶寬保證策略的研究

趙偉

【摘要】在這個(gè)三網(wǎng)融合、多屏融合的時(shí)代，要想滿足未來業(yè)務(wù)的發(fā)展需要，廣電網(wǎng)絡(luò)IP化建設(shè)勢(shì)在必行，而廣電雙向接入網(wǎng)是承載各種IP業(yè)務(wù)的管道，直接影響廣電的投資方向和投資回報(bào)率，因此廣電雙向接入網(wǎng)必須具備對(duì)各類IP業(yè)務(wù)足夠的支撐能力。本文針對(duì)不同碼率的IP化視頻在江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司蘇州分公司（下文簡稱“蘇州分公司”）雙向接入網(wǎng)段的應(yīng)用展開分析，研究在CMTS和FTTH兩種主流的接入技術(shù)場景下的帶寬保證策略，提出了接入網(wǎng)在應(yīng)對(duì)不同碼率IP化視頻時(shí)的合理解決方案。

【關(guān)鍵字】IP化視頻;接入網(wǎng);帶寬保證;CMTS FTTH

1. IP化視頻帶寬控制的目標(biāo)

當(dāng)前OTT視頻泛濫，互聯(lián)網(wǎng)OTT視頻傳輸對(duì)通道能力考慮較少，在有限帶寬環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)畫面停滯、斷線重傳、降質(zhì)傳輸?shù)惹闆r，只有無限制提升寬帶能力才能盡量避免上述情況的發(fā)生。而運(yùn)營商由于對(duì)通道有絕對(duì)的掌控能力，視頻傳輸通道可以獨(dú)立于其他寬帶應(yīng)用單獨(dú)設(shè)置，因此其推廣的IP化視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量不以高寬帶產(chǎn)品訂購為前提，并且可通過對(duì)帶寬的調(diào)度盡量降低傳輸通道對(duì)視頻傳輸質(zhì)量的影響（如IPTV等）。

蘇州分公司自雙向網(wǎng)改造以來，堅(jiān)持采用標(biāo)準(zhǔn)化程度高的“CMTS+CM”接入技術(shù)。近幾年在“寬帶中國”戰(zhàn)略下，各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商加快光纖到戶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的步伐，自2018年起蘇州分公司已在新建網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)中啟用光纖到戶建設(shè)，因此目前蘇州分公司接入網(wǎng)共有CMTS和FTTH兩種接入方式。

綜上所述，IP化視頻帶寬控制的目標(biāo)是：一方面針對(duì)現(xiàn)有Docsis通道和FTTH通道的特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的視頻流量傳輸;另一方面通過合理規(guī)劃通道容量保證盡可能多的用戶享用與QAM傳輸同等視頻質(zhì)量IP化視頻。

2. 保證IP化視頻傳輸?shù)碾y點(diǎn)

當(dāng)前蘇州分公司IP化視頻主要分為組播視頻業(yè)務(wù)和點(diǎn)播視頻業(yè)務(wù)，組播視頻通常為CBR（恒定碼率），傳輸通道呈現(xiàn)平緩穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)流量;點(diǎn)播視頻通常為VBR（可變碼率），按照碼率和播放器緩存大小的不同在傳輸通道呈現(xiàn)啟播階段集中傳輸流量和正常播放階段持續(xù)分片流量的特點(diǎn)。

圖1為機(jī)頂盒芒果專區(qū)點(diǎn)播IP視頻流截圖，圖中可看出在啟播階段約36秒時(shí)長中客戶端持續(xù)向服務(wù)器申請(qǐng)TS流文件填充播放器緩存，峰值流量30Mbps與芒果3Mbps碼率和約10秒分片文件傳輸大小基本一致。

圖2為機(jī)頂盒央視專區(qū)點(diǎn)播16M的IP視頻流截圖，圖中可看出在啟播階段約12秒時(shí)長中客戶端持續(xù)向服務(wù)器申請(qǐng)TS流文件填充播放器緩存，由于機(jī)頂盒百兆網(wǎng)口限制了通道最大帶寬為100Mbps，所以流量圖形顯示為類似削波狀流量圖。

啟播階段結(jié)束后HLS模式下各終端時(shí)間上呈現(xiàn)離散請(qǐng)求分片文件的特性，因此只要傳輸通道能夠承載啟播階段的視頻傳輸，在通道穩(wěn)定的基礎(chǔ)上也可以承載后續(xù)正常視頻分片文件傳輸?shù)男枨蟆?/p>

通過上述分析，IP化視頻內(nèi)網(wǎng)傳輸控制的難點(diǎn)有：

（1） 啟播階段如何通過通道調(diào)度實(shí)現(xiàn)盡可能高的用戶并發(fā)承載？

（2） 如何制定合理的通道策略以保證IP化視頻流量不受其他IP應(yīng)用的干擾？

（3） Docsis3.0模式下負(fù)載均衡策略。

3. 啟播階段的高用戶并發(fā)承載

蘇州市公司當(dāng)前有FTTH和CMTS兩種接入網(wǎng)絡(luò)，其中FTTH采用EPON，單PON口有效帶寬950Mbps，按照1：32的接入方式，單PON口只接入32戶，帶寬較為充裕;CMTS單下行口通道容量與可用通道數(shù)有關(guān)，且覆蓋約1600戶，按入戶率0.5、滲透率1、并發(fā)率0.1計(jì)算至少需要支持80戶用戶并發(fā)點(diǎn)播。因此承載力分析的重點(diǎn)為CMTS網(wǎng)絡(luò)的承載。

（1） CMTS網(wǎng)絡(luò)高用戶并發(fā)承載通道容量分析

當(dāng)前主要IP化視頻碼率如下表;

HLS系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是TS文件的HTTP請(qǐng)求和下載，一般OTT視頻按照10S進(jìn)行分片，播放器一般要求至少收到3個(gè)分片文件開始播放，因此TS分片文件的大小、啟播時(shí)間要求、服務(wù)器和寬帶通道承載能力共同影響了IP化視頻的體驗(yàn)。

一般OTT視頻啟播時(shí)間在5～10s，較長的啟播時(shí)間影響用戶的觀看體驗(yàn)，由于是內(nèi)網(wǎng)IP視頻，因此我們將啟播時(shí)間設(shè)定為5s進(jìn)行分析。

下表為10s切片和5s切片對(duì)帶寬的要求

按照不同視頻規(guī)格并發(fā)占比計(jì)算通道容量如下表;

根據(jù)上述分析10s切片需要59個(gè)通道才能滿足并發(fā)要求，5s切片只需要29個(gè)通道即可滿足要求。

綜上所述，IP化視頻啟播時(shí)間按5秒設(shè)定，視頻分片應(yīng)不大于5秒，CMTS通道配置約29個(gè)，即可基本滿足IP化視頻傳輸需求。

（2） 2.0CM在2.0CMTS下的承載策略

蘇州分公司當(dāng)前大量存在CM2.0終端，在CMTS3.0環(huán)境下2.0終端無法實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)流調(diào)度能力，降低了通道使用率。

根據(jù)上述分析，標(biāo)清碼率需要不低于9Mbps，高清碼率需要不低于18Mbps，4K超高清碼率需要不低于48Mbps，其中4K點(diǎn)播業(yè)務(wù)2.0CM無法承載。根據(jù)終端能力不同，我們計(jì)算單通道50Mbps下最大并發(fā)承載如下表;

3.0終端使用能力 單通道50M并發(fā)承載終端數(shù)

可以看出如果高清點(diǎn)播業(yè)務(wù)限定3.0CM承載可有效提高單通道承載能力，3.0CM下行綁定通道數(shù)越多越能發(fā)揮通道調(diào)度優(yōu)勢(shì)。

泊松公式主要針對(duì)小概率、相互獨(dú)立、具有穩(wěn)定特性的事件進(jìn)行概率分析。我們利用泊松分布公式計(jì)算在4通道、8通道、16通道、24通道和32通道下發(fā)生擁塞的概率（當(dāng)前蘇州分公司的點(diǎn)播行為滿足泊松分布小概率、相互獨(dú)立和用戶點(diǎn)播行為具有慣性穩(wěn)定的三個(gè)特點(diǎn)），我們得到如下表數(shù)據(jù)：

從上表可看出若高清用3.0CM承載，只需要24通道;若高清用2.0CM承載，需要使用32通道，仍有18.56%發(fā)生擁塞。所以從網(wǎng)絡(luò)的角度建議2.0CM支撐在標(biāo)清點(diǎn)播業(yè)務(wù)。

（3） FTTH網(wǎng)絡(luò)

蘇州分公司目前在FTTH建設(shè)中采用EPON技術(shù)，現(xiàn)網(wǎng)OLT設(shè)備的業(yè)務(wù)板卡既有1G EPON板卡，也有10G EPON業(yè)務(wù)板卡。1G EPON板卡單PON口帶寬為1.25Gbps，有效帶寬950Mbps。

按照蘇州分公司FTTH規(guī)劃，1G EPON板卡單PON口接入32戶。按IP點(diǎn)播互動(dòng)并發(fā)率10%計(jì)算，即使全部按16Mbps的4K超高清點(diǎn)播，并發(fā)流量大約在640Mbps，因此FTTH網(wǎng)絡(luò)可以完全支撐IP化視頻點(diǎn)播。

4. 不受影響的IP化視頻通道

當(dāng)前雙向接入網(wǎng)通道中流量主要包括：IP化視頻流量，互聯(lián)網(wǎng)寬帶流量、互動(dòng)信令流量等，未來可能會(huì)有家庭智慧類業(yè)務(wù)流量加入，上述流量中互聯(lián)網(wǎng)寬帶流量具有數(shù)據(jù)量大、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其他業(yè)務(wù)流量基本屬于低流量業(yè)務(wù)。

不論在在FTTH網(wǎng)中還是在Docsis網(wǎng)中，一是對(duì)IP化視頻通道不做限速處理;二是設(shè)置IP化視頻通道優(yōu)先級(jí)都高于普通寬帶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。如此可基本保證IP化視頻業(yè)務(wù)不受其他業(yè)務(wù)流量影響。

5. Docsis3.0的負(fù)載均衡策略

由于2.0CM在Docsis3.0頭端下呈現(xiàn)通道間流量不均衡，需要啟用均衡策略保證通道的最大承載能力，當(dāng)前的均衡策略是CMTS每30秒進(jìn)行負(fù)載均衡監(jiān)測(cè)，通道流量之間相差10%啟動(dòng)信道搬移進(jìn)行負(fù)載均衡，以盡量平衡通道流量。

綜上所述，針對(duì)采用FTTH和CMTS接入技術(shù)的雙向接入網(wǎng)，在承載不同碼率的IP化視頻時(shí)，建議注意以下幾點(diǎn)：

· IP化視頻分片限制在5s以內(nèi);

· 播放器啟播時(shí)間至少需要5秒;

· 高清IP點(diǎn)播業(yè)務(wù)限定用3.0CM承載;

· 應(yīng)盡量規(guī)劃32以上通道用于Docsis3.0下行使用。

6. 總結(jié)

基于上述內(nèi)容，主要對(duì)蘇州分公司雙向接入網(wǎng)中CMTS和FTTH兩種接入技術(shù)下在承載IP化視頻時(shí)帶寬保證策略做了研究，并提出解決方案。廣電雙向接入網(wǎng)除本文提出的兩種接入技術(shù)外，還有EOC、C-Docsis等多種接入技術(shù)，也可依據(jù)本文的測(cè)算方式進(jìn)行保證帶寬測(cè)算。通過本文對(duì)接入網(wǎng)帶寬保證策略的研究，為其他廣電網(wǎng)絡(luò)公司在接入網(wǎng)段承載IP化視頻時(shí)提供了一定的借鑒。