支持超高清業(yè)務(wù)的基于G.HN的家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

茍書智 史航 曹小波 卓安生

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 1000191)

0 引言

隨著新業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，用戶對(duì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的追求持續(xù)提升，更高的清晰度、更多的屏幕、更多的觀看方式都在推動(dòng)視頻新興技術(shù)發(fā)展以及流量的不斷增長(zhǎng)。運(yùn)營(yíng)商期望以視頻業(yè)務(wù)為引領(lǐng)，通過大流量、高速率、全共享模式滿足家庭基本通信需求。4K等超高清(Ultra HD，UHD)視頻的承載網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)，除了滿足當(dāng)前高品質(zhì)、易運(yùn)維的需求外，還應(yīng)當(dāng)能夠支撐未來VR等業(yè)務(wù)品質(zhì)提升的需求，這也是支撐電信運(yùn)營(yíng)商數(shù)字化轉(zhuǎn)型和未來網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的重要需求。由國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)組織制定的G.HN[1-5]協(xié)議為接入網(wǎng)提供了一種高速有線載波通信方案，傳輸媒介包括多種金屬導(dǎo)線，例如電力線、同軸線、電話線等。本文對(duì)G.HN功能性能的要求進(jìn)行了建議，并對(duì)G.HN的后續(xù)技術(shù)發(fā)展作出展望。

1 家庭網(wǎng)絡(luò)中的視頻業(yè)務(wù)及應(yīng)用場(chǎng)景

隨著4K的逐步普及以及8K的興起，各方加強(qiáng)了對(duì)于UHD視頻業(yè)務(wù)的相關(guān)研究，各種典型分辨率視頻的指標(biāo)參數(shù)、壓縮技術(shù)、帶寬需求如表1所示[1]，運(yùn)營(yíng)級(jí)UHD視頻業(yè)務(wù)的場(chǎng)景如表2所示[1]。

1.1 直播

直播視頻是互聯(lián)網(wǎng)視頻迅猛發(fā)展的重要分支，用戶通過網(wǎng)絡(luò)在線收看對(duì)話訪談、在線培訓(xùn)和產(chǎn)品銷售等相關(guān)視頻。在直播過程中，若不主動(dòng)更換頻道，用戶只能觀看所選頻道內(nèi)的推送內(nèi)容而無法任意切換。

當(dāng)使用組播方式承載IP網(wǎng)絡(luò)直播時(shí)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，傳輸網(wǎng)絡(luò)通過組播路由協(xié)議建立組播樹，頭端系統(tǒng)使用組播樹將編碼封裝后的流媒體分發(fā)至處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的組播復(fù)制點(diǎn)；當(dāng)用戶設(shè)備發(fā)出收看某一頻道的請(qǐng)求后，會(huì)向組播復(fù)制點(diǎn)發(fā)送組播加入消息，在請(qǐng)求被正常接受后，組播復(fù)制點(diǎn)會(huì)復(fù)制流媒體數(shù)據(jù)到用戶設(shè)備中。

表1 不同類型視頻業(yè)務(wù)帶寬需求表

表2 運(yùn)營(yíng)級(jí)UHD視頻業(yè)務(wù)場(chǎng)景

現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)商自建的IP直播網(wǎng)絡(luò)大部分都采用組播+用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Data Protocol，UDP)承載傳輸，在頭端系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)之間采用組播方式傳送可以節(jié)省城域網(wǎng)的帶寬資源，在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)到用戶設(shè)備之間可采用組播或者單播模式。整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)沒有業(yè)務(wù)層的交互控制，如果在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或者丟包，不會(huì)觸發(fā)重傳操作，因此在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)較難確保用戶的觀看體驗(yàn)。

如圖2所示，單播模式主要存在于運(yùn)營(yíng)商中心節(jié)點(diǎn)到區(qū)域或邊緣節(jié)點(diǎn)，以及邊緣節(jié)點(diǎn)到用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而內(nèi)容提供商的直播數(shù)據(jù)流到運(yùn)營(yíng)商中心節(jié)點(diǎn)大部分還是采用組播方式。

目前流行的互聯(lián)網(wǎng)直播屬于IP網(wǎng)絡(luò)直播的一種應(yīng)用，用戶使用互聯(lián)網(wǎng)電視一體機(jī)、機(jī)頂盒+電視或者移動(dòng)終端向公共互聯(lián)網(wǎng)發(fā)起直播視頻觀看請(qǐng)求后公共互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供視頻傳送服務(wù)。

互聯(lián)網(wǎng)視頻的數(shù)據(jù)流傳輸主要有兩種方式：HTTP漸進(jìn)下載(HTTP Progressive Download，HPD)和HTTP自適應(yīng)流媒體(HTTP Adaptive Streaming，HAS)。當(dāng)用戶使用基于HPD技術(shù)的終端播放視頻時(shí)，播放終端首先會(huì)下載和緩沖媒體文件最開始的數(shù)據(jù)，隨后便可以播放與下載同時(shí)進(jìn)行。HPD技術(shù)存在較多局限性，初始播放等待時(shí)間較長(zhǎng)；網(wǎng)絡(luò)帶寬不穩(wěn)定時(shí)容易出現(xiàn)播放卡頓；若用戶在播放中途放棄觀看，由于播放過程中會(huì)持續(xù)下載文件并實(shí)質(zhì)占用帶寬資源，因此會(huì)造成已經(jīng)下載文件的浪費(fèi)。HAS技術(shù)采用視頻分片和自適應(yīng)碼率(Adaptive Bit Rate，ABR)技術(shù)從一定程度上克服了HPD的局限性，當(dāng)播放終端的屏幕大小不同時(shí)，HAS可以提供適應(yīng)不同屏幕分辨率的視頻文件，而且可以在不同網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下流暢播放視頻。

1.2 點(diǎn)播

對(duì)于普通家庭用戶的娛樂類視頻服務(wù)，通常稱為視聽點(diǎn)播服務(wù)，是由內(nèi)容提供商和服務(wù)提供商向多個(gè)普通用戶提供視頻節(jié)目觀看服務(wù)或者文本、圖形、圖片和音頻瀏覽服務(wù)，用戶可在提供的節(jié)目或者內(nèi)容中選擇觀看或者查看。點(diǎn)播是用戶和機(jī)器(視聽資源)之間不對(duì)稱的互動(dòng)多媒體通信，通過電信網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)間為用戶提供視聽信息。用戶可以在導(dǎo)航子系統(tǒng)協(xié)助下查找所需信息。用戶選擇確定服務(wù)模式后，視聽點(diǎn)播服務(wù)平臺(tái)發(fā)送具有一些QoS保證等級(jí)的內(nèi)容信息。用戶可使用類似VCR功能，以查看接收到的信息。

如圖3所示，用戶發(fā)起點(diǎn)播服務(wù)時(shí)所處位置可以是固定的家庭、辦公室，也可以是移動(dòng)的火車，使用的播放終端包括PC、機(jī)頂盒+電視機(jī)、手機(jī)、PDA或其他設(shè)備，用戶可以根據(jù)自己的需求任意選擇相應(yīng)的視頻進(jìn)行收看，而非被動(dòng)接收某個(gè)特定的廣播視頻，其中點(diǎn)播的視頻包括運(yùn)營(yíng)商提供的IPTV內(nèi)容或者內(nèi)容提供商提供的視頻內(nèi)容。

圖2 直播視頻單播架構(gòu)示意圖[1]

圖3 點(diǎn)播視頻架構(gòu)示意圖

點(diǎn)播系統(tǒng)一般采用單播方式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括視頻前端處理系統(tǒng)、服務(wù)器、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和播放客戶端，點(diǎn)播的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程為：用戶使用播放客戶端發(fā)起點(diǎn)播請(qǐng)求，請(qǐng)求到達(dá)服務(wù)器經(jīng)過驗(yàn)證后，服務(wù)器把存儲(chǔ)子系統(tǒng)中片源庫(kù)的節(jié)目信息檢索出來，用戶根據(jù)自己的喜好選中相應(yīng)的節(jié)目，節(jié)目業(yè)務(wù)流以視頻和音頻流文件形式通過分發(fā)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)播放終端進(jìn)行播放。

2 支持視頻的網(wǎng)絡(luò)能力要求

UHD視頻業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)提出了高帶寬、低時(shí)延、低誤碼、少丟包的要求，隨著視頻業(yè)務(wù)流量占比增加，傳統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)面臨了更多的挑戰(zhàn)。

(1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)模型具有多層次、高收斂比的特點(diǎn)，應(yīng)簡(jiǎn)化電信網(wǎng)絡(luò)模型以及考慮如何在家庭網(wǎng)絡(luò)中匹配視頻流量低收斂比的特點(diǎn)。

(2)對(duì)帶寬的挑戰(zhàn)。運(yùn)營(yíng)商提供給固定寬帶用戶承諾接入帶寬，家庭網(wǎng)絡(luò)需明確各類物理媒質(zhì)的接入帶寬是否能滿足UHD視頻的帶寬要求。

(3)對(duì)時(shí)延的挑戰(zhàn)。該時(shí)延即客戶端與視頻分片文件所在服務(wù)器之間的雙向時(shí)延，該指標(biāo)可同時(shí)適用于固定寬帶互聯(lián)網(wǎng)用戶和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶。從E2E鏈路來看，擁塞的位置多發(fā)生于城域骨干和控制層，從而帶來時(shí)延和抖動(dòng)的增加，在家庭網(wǎng)絡(luò)里應(yīng)明確時(shí)延對(duì)于網(wǎng)絡(luò)物理媒質(zhì)等的要求。

(4)對(duì)丟包率的挑戰(zhàn)。該丟包率即客戶端與視頻分片文件所在服務(wù)器之間鏈路的雙向丟包率，該指標(biāo)同時(shí)適用于固定寬帶互聯(lián)網(wǎng)用戶和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶。從E2E鏈路來看，在城域核心與匯聚節(jié)點(diǎn)，也存在突發(fā)丟包的風(fēng)險(xiǎn)，家庭WLAN接入的丟包率需要研究。網(wǎng)關(guān)和機(jī)頂盒等設(shè)備的緩存較小，可能易出現(xiàn)突發(fā)丟包。同時(shí)，還需要注意運(yùn)維和成本的挑戰(zhàn)。如果以傳統(tǒng)擴(kuò)容方式適配視頻業(yè)務(wù)流量的成倍增加，成本較高。視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)敏感，實(shí)時(shí)性較高，承載網(wǎng)絡(luò)要能夠快速感知用戶體驗(yàn)和快速處理故障。

對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)KPI建議值要求參見表3。

運(yùn)營(yíng)商期望家庭網(wǎng)絡(luò)能夠通過有線(同軸、電話線、電力線等)+無線的綜合方式，確保高速網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋以支撐UHD視頻業(yè)務(wù)。同時(shí)，還需要滿足以下要求：一是支持電視、手機(jī)等不同的終端在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)對(duì)UHD視頻直播、點(diǎn)播業(yè)務(wù)內(nèi)容的無縫分享；二是UHD視頻內(nèi)容在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)安全傳輸；三是家庭組網(wǎng)需具備QoS自檢、自分析及傳輸自適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸?shù)膯栴}，并能有一定的自適應(yīng)能力。以上要求對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)提出了多方面的研究需求。

3 家庭網(wǎng)絡(luò)中的高清視頻部署及業(yè)務(wù)要求

基于有線的家庭網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，能夠在包括電話線、同軸電纜和電力線等室內(nèi)布線上運(yùn)行。隨著以太網(wǎng)線和光纖成本日益下降，部署日益普及。基于這些媒介的傳輸技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展中，同時(shí)相關(guān)的UHD業(yè)務(wù)的技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展中，需對(duì)各類家庭網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)是否滿足承載UHD的要求進(jìn)行分析，并分析E2E承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、帶寬、丟包率和時(shí)延，可擴(kuò)展研究可靠性和運(yùn)維要求。

表3 UHD視頻(4K)優(yōu)良體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)要求

傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)(HSI)，HSI業(yè)務(wù)的特點(diǎn)包括大帶寬、低并發(fā)和低感知，對(duì)時(shí)延要求不高，因此承載HSI業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)分組電信網(wǎng)絡(luò)具有高收斂比、多級(jí)匯聚、盡力服務(wù)的特征。視頻流量具有高并發(fā)、低收斂的特征，只有具備高通量、扁平化、易運(yùn)維特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)才可能為用戶提供最佳體驗(yàn)，高通量要求大帶寬、低時(shí)延、零丟包。扁平化即簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層次；易運(yùn)維即體驗(yàn)可視、快速定界、精確定位。體驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的UHD視頻需要高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)支撐，這對(duì)物理帶寬、端到端時(shí)延和丟包率方面都提出了明確的要求。

UHD中的4K視頻相關(guān)的比特率在15～100 Mbit/s之間，具體取決于質(zhì)量。這對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有重大影響，并對(duì)RG本身提出了其他要求。一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素是將需要多少個(gè)同步流以及這些流將在家庭中終止的位置。對(duì)于與RG在同一房間中的固定設(shè)備上的單個(gè)流，可能沒有問題，因?yàn)榭梢允褂枚痰囊蕴W(wǎng)電纜連接STB/TV，只要RG可以提供(備用)千兆位以太網(wǎng)港口。當(dāng)需要支持多個(gè)支持UHD的設(shè)備，并且/或者RG和終端設(shè)備不在同一房間時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。

迄今為止，無線是最常見的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是所有終端設(shè)備的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接。給定家庭中的無線覆蓋范圍和性能主要取決于端點(diǎn)的位置(例如RG)。RG和終端的質(zhì)量和設(shè)計(jì)也會(huì)影響WLAN的實(shí)際性能?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)其他接入點(diǎn)來擴(kuò)展覆蓋范圍，但是每個(gè)接入點(diǎn)都需要某種類型的有線或無線骨干網(wǎng)連接到RG中的主AP，具有更高速率的WLAN將需要每個(gè)房間一個(gè)AP，以及一個(gè)非常大容量的有線骨干網(wǎng)，例如G.HN，但G.HN面臨一些挑戰(zhàn)，例如電力線系統(tǒng)和高速訪問技術(shù)(特別是G.fast，還有VDSL2)之間的干擾，因?yàn)樗鼈兪褂昧四承┫嗤念l率。最高質(zhì)量的高清電視除了需要其他非電視應(yīng)用程序(20 Mbit/s+)所需的容量外，還需要在整個(gè)家庭中提供超過100 Mbit/s(最壞的情況)的家庭分發(fā)功能。最初可能只有1 個(gè)高質(zhì)量高清電視，但是其他較低質(zhì)量流會(huì)將其提高到200 Mbit/s +。

4 G.HN支持高清視頻的設(shè)備、功能及性能要求建議

在傳統(tǒng)接入網(wǎng)架構(gòu)中，RG北向連接接入網(wǎng)絡(luò)，通過基于PON、DSL等協(xié)議的管道進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，南向提供必要的組網(wǎng)接口，若使用支持G.HN協(xié)議的接口形成家庭組網(wǎng)的回傳骨架，承載家庭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，AP設(shè)備一般通過WLAN等南向接口連接終端設(shè)備。為支持UHD協(xié)議的業(yè)務(wù)需求，考慮高清視頻在實(shí)際家庭中布放的場(chǎng)景，需要在家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中滿足相應(yīng)的功能要求：RG設(shè)備具備家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中心控制功能，負(fù)責(zé)維護(hù)家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓?fù)?，設(shè)備注冊(cè)等基礎(chǔ)功能；RG設(shè)備應(yīng)能支持下掛至少一個(gè)以上的AP設(shè)備，建議支持兩個(gè)以上；家庭組網(wǎng)應(yīng)支持G.HN的MESH組網(wǎng)功能。另外，建議對(duì)家庭組網(wǎng)設(shè)備應(yīng)提出必要的設(shè)備要求，具體參見表4。

5 結(jié)束語

本文從應(yīng)用場(chǎng)景以及高清視頻業(yè)務(wù)層面探討G.HN承載高清視頻業(yè)務(wù)所需的技術(shù)要求，更多的技術(shù)細(xì)節(jié)有待后續(xù)進(jìn)一步研究。其中，在豐富其他業(yè)務(wù)應(yīng)用(如游戲、VR、IoT)及分區(qū)域(如中國(guó)區(qū)、海外)部署場(chǎng)景方面，需要考慮支持家寬業(yè)務(wù)類型識(shí)別機(jī)制(基于視頻服務(wù)器地址、網(wǎng)絡(luò)切片、增加字段等)，基于業(yè)務(wù)在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略，同時(shí)家庭網(wǎng)絡(luò)能夠從拓?fù)?鏈路/多介質(zhì)等進(jìn)行業(yè)務(wù)的切片適配，相關(guān)接口與標(biāo)準(zhǔn)尚需要展開討論；在低時(shí)延或時(shí)延敏感業(yè)務(wù)方面，需要從標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)一步挖掘，完善適配機(jī)制和可行性分析。例如，開通時(shí)敏業(yè)務(wù)專用通道，通過流控制把業(yè)務(wù)與專用通道進(jìn)行綁定，并確保專用通道的業(yè)務(wù)穩(wěn)定度以及時(shí)延抖動(dòng)最小，也可以考慮采用全雙工機(jī)制替代半雙工機(jī)制，減少多級(jí)中繼系統(tǒng)中收發(fā)等待的時(shí)延；在家庭網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，無線/Cable/電力線/光纖等多介質(zhì)并存的情況下，對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)/Mesh組網(wǎng)等需要進(jìn)行協(xié)議層的深入研究與融合，以提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)；在家庭網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，抑制和規(guī)避家庭設(shè)備工作產(chǎn)生的電磁干擾，如MAC上通過時(shí)分、頻分或空分調(diào)度規(guī)避電磁干擾，PHY上噪聲抵消抑制電磁干擾，以提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

表4 設(shè)備要求

G.HN在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在已有的雙絞線、同軸電纜以及電源線(電力線)進(jìn)行資源整合和數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸，由于無需新建傳輸線路，可以盡可能地利用現(xiàn)有的已布設(shè)的各種常見線纜，因此大幅降低了安裝和運(yùn)營(yíng)成本，從而節(jié)省了接入網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本和工期，可以在根本上跨越大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙，推動(dòng)G.HN技術(shù)在接入網(wǎng)場(chǎng)景中的不斷演進(jìn)。