面向千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的高質(zhì)量用戶體驗(yàn)研究

宿娟 王澤玨 黨梅梅

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

近年來，我國(guó)寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成果顯著，建成了全球規(guī)模最大的寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，寬帶網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)廣泛普及。從接入能力來看，光纖寬帶接入已成為我國(guó)固定寬帶的主要接入方式，光纖寬帶用戶在寬帶用戶中占比超過94%，處于全球領(lǐng)先水平。從接入速率來看，百兆及以上接入用戶不斷增長(zhǎng)。截至2021年3月，100 Mbit/s及以上接入速率用戶達(dá)4.5億戶，占總用戶數(shù)的90.6%；1 000 Mbit/s及以上接入速率用戶達(dá)945萬戶，比上年末凈增305萬戶。我國(guó)寬帶網(wǎng)絡(luò)正邁入“千兆時(shí)代”，為用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的持續(xù)提升奠定了良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，我國(guó)家庭寬帶業(yè)務(wù)也逐漸開始進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和超寬帶等技術(shù)的飛速發(fā)展，以及各類智能終端的廣泛普及應(yīng)用，4K/8K高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)(AR)以及在線游戲等新業(yè)務(wù)逐漸進(jìn)入商業(yè)階段，不斷出現(xiàn)的創(chuàng)新性極強(qiáng)的相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景給業(yè)務(wù)注入了源源不斷的活力。2017年年底，全國(guó)首個(gè)4K超高清電視直播頻道在廣州通過系統(tǒng)測(cè)試。此后，全國(guó)多個(gè)省市頻道進(jìn)行了4K超高清節(jié)目直播，4K超高清時(shí)代全面到來。2018年，Cloud VR技術(shù)在福建舉行的首屆數(shù)字中國(guó)建設(shè)峰會(huì)中亮相。2020年，全球VR/AR銷售額達(dá)到188億美元[1]，Cloud VR業(yè)務(wù)已經(jīng)進(jìn)入商用階段。與此同時(shí)，我國(guó)也開始加緊推動(dòng)部署上述新型寬帶業(yè)務(wù)的普及應(yīng)用。此外，在各類垂直行業(yè)中，以各類高清視頻傳輸為主的寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷成熟并普及。各類家庭寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用和垂直行業(yè)應(yīng)用的興起與普及，促進(jìn)了寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展，以滿足新興業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求。

寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及新業(yè)務(wù)的普及應(yīng)用，推動(dòng)高質(zhì)量的業(yè)務(wù)體驗(yàn)成為用戶關(guān)注焦點(diǎn)，各種業(yè)務(wù)的體驗(yàn)質(zhì)量日益受到社會(huì)關(guān)注。日前，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》將“提升用戶體驗(yàn)”作為推動(dòng)“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)工作任務(wù)和專項(xiàng)行動(dòng)之一[2]。在網(wǎng)絡(luò)層面，對(duì)于不同業(yè)務(wù)應(yīng)用來說，業(yè)務(wù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)傳輸過程不盡相同，而對(duì)于高質(zhì)量業(yè)務(wù)的體驗(yàn)來說，對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求也不一樣。本文梳理了面向個(gè)人用戶和垂直行業(yè)的千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)未來典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，分析了典型業(yè)務(wù)應(yīng)用特性以及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求，提出了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量用戶體驗(yàn)的端到端網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，為推動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供一定的參考。

1 典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景與網(wǎng)絡(luò)能力要求

當(dāng)前，家庭寬帶業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用逐漸從上一時(shí)代帶寬受限的單一即時(shí)文本通信、語音業(yè)務(wù)等向高帶寬低時(shí)延的在線娛樂、生活服務(wù)等更加多元化的需求擴(kuò)展，即文件下載與上傳成為了家庭寬帶的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，而Cloud VR、網(wǎng)絡(luò)游戲等需求較高的應(yīng)用正逐漸普及并成為家庭寬帶的增值業(yè)務(wù)，智慧家庭、平安城市、智能制造等新時(shí)代新興業(yè)務(wù)也將逐漸應(yīng)用[3]。本章梳理了當(dāng)前典型的寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用，并給出不同類型業(yè)務(wù)所對(duì)應(yīng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求。

1.1 文件下載與上傳

文件下載是指從互聯(lián)網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)到用戶本機(jī)上的操作，屬于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型內(nèi)容分發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景，主要有網(wǎng)頁(yè)下載(文件、圖片、視頻、音樂等)、電子郵件下載、軟件下載、APP應(yīng)用下載等。文件上傳是指由本機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上的操作，主要在網(wǎng)絡(luò)硬盤和云存儲(chǔ)服務(wù)中使用。目前，隨著云存儲(chǔ)的應(yīng)用普及，個(gè)人用戶和商業(yè)機(jī)構(gòu)都開始使用云存儲(chǔ)保存各類數(shù)據(jù)。

文件下載/上傳業(yè)務(wù)通常方式是客戶端/瀏覽器從服務(wù)器下載/上傳數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)下載/上傳速率與用戶接入帶寬、客戶端到服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、客戶端及服務(wù)器性能相關(guān)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求主要以帶寬、時(shí)延和丟包率等指標(biāo)來衡量。網(wǎng)絡(luò)帶寬由用戶與運(yùn)營(yíng)商的簽約帶寬決定，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般要求10 ms以內(nèi)，對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膩G包率則要求小于0.01%。

1.2 Cloud VR

Cloud VR(Cloud Virtual Reality，Cloud VR)結(jié)合了VR和云計(jì)算技術(shù)，VR業(yè)務(wù)應(yīng)用中用戶終端不需要進(jìn)行計(jì)算任務(wù)處理，而是通過高速通信網(wǎng)絡(luò)將部署在云端的VR業(yè)務(wù)經(jīng)過壓縮后傳輸?shù)接脩艚K端，VR內(nèi)容的渲染處理等過程在云上實(shí)現(xiàn)。對(duì)比單獨(dú)VR的行動(dòng)受限性，Cloud VR無繩化的突出優(yōu)勢(shì)使得其不僅輕便，而且可以使更多不同的終端得以接入，同時(shí)，Cloud VR使用戶體驗(yàn)得到提升、消費(fèi)成本降低及內(nèi)容的版權(quán)得到保護(hù)，極大地加速了VR的各類商業(yè)場(chǎng)景的普及。從用戶和虛擬環(huán)境之間的交互體驗(yàn)角度進(jìn)行分類，Cloud VR業(yè)務(wù)可分為強(qiáng)交互VR和弱交互VR，強(qiáng)交互主要是游戲，弱交互主要是VR視頻。

1.2.1 Cloud VR強(qiáng)交互(游戲業(yè)務(wù))

Cloud VR強(qiáng)交互類業(yè)務(wù)以VR游戲業(yè)務(wù)為典型代表，該類業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求主要關(guān)注時(shí)延和帶寬。在業(yè)務(wù)應(yīng)用部署初期，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求為80 Mbit/s帶寬、20 ms時(shí)延。隨著VR游戲業(yè)務(wù)市場(chǎng)不斷成熟發(fā)展，滿足用戶舒適體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)需要帶寬大于130 Mbit/s、時(shí)延小于20 ms。未來理想的用戶體驗(yàn)需要達(dá)到的性能指標(biāo)要求為560 Mbit/s、10 ms時(shí)延。強(qiáng)交互VR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求如表1所示。

表1 強(qiáng)交互VR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求

1.2.2 Cloud VR弱交互(視頻業(yè)務(wù))

Cloud VR弱交互類業(yè)務(wù)以VR視頻業(yè)務(wù)為典型代表，該類業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)時(shí)延要求較為寬松，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)帶寬指標(biāo)。在實(shí)施的起步階段需要100 Mbit/s帶寬，而隨著視頻業(yè)務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展，未來提高用戶體驗(yàn)則需要大于1 Gbit/s帶寬。弱交互VR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求如表2所示。

表2 弱交互VR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求

1.3 智慧家庭

智慧家庭以家庭為載體，結(jié)合寬帶網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、感應(yīng)與控制、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的智能控制以及家庭環(huán)境感知、家人健康感知、家居安全感知，滿足超高清視頻娛樂、信息交流、消費(fèi)服務(wù)等家居生活需求。目前比較典型的業(yè)務(wù)包括智能語音識(shí)別和智能家居環(huán)境控制等。目前智能家庭設(shè)備之間Wi-Fi、Zigbee及藍(lán)牙等幾種連接協(xié)議應(yīng)用比較廣泛，因?yàn)樯婕暗酱髷?shù)量級(jí)的與智慧家庭云服務(wù)器及互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)連接的寬帶和穩(wěn)定性以及對(duì)大量數(shù)據(jù)的承載力將是關(guān)鍵。

智慧家庭業(yè)務(wù)主要包括：安防報(bào)警、家電控制、家庭多媒體存儲(chǔ)、家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等。家庭開通4個(gè)典型業(yè)務(wù)為例，顯然合計(jì)至少需要270 Mbit/s下行帶寬，而接入時(shí)延要保證在20～40 ms以內(nèi)。智慧家庭業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求如表3所示。

表3 智慧家庭業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求

1.4 平安城市

“平安城市”建設(shè)目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)特大型、綜合性極強(qiáng)的管理系統(tǒng)，用于城市管理、災(zāi)難預(yù)警和安全生產(chǎn)監(jiān)控等。目前，平安城市建設(shè)已成為智慧城市的重要組成部分，因?yàn)楸O(jiān)控視頻質(zhì)量關(guān)系著國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全，因此對(duì)畫面、傳輸質(zhì)量、施工周期等都具有極高的要求，也對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬和時(shí)延提出了新要求。而視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)逐漸向超高清以及智能化方向發(fā)展，接入網(wǎng)絡(luò)必然需要持續(xù)升級(jí)以滿足日益增長(zhǎng)的寬帶要求。

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)具體網(wǎng)絡(luò)要求方面，4K視頻監(jiān)控以其廣角和高清晰的特性，可以滿足更高端的智能分析需要，但同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)也有更高的要求，在每秒25幀時(shí)，一般要求不可收斂帶寬25 Mbit/s，在實(shí)現(xiàn)多攝像頭同時(shí)應(yīng)用時(shí)，更需要大帶寬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行支撐。在通信設(shè)施部署領(lǐng)域，云和邊緣計(jì)算服務(wù)器的部署要求支持更多的人工智能輔助監(jiān)控應(yīng)用，同時(shí)需要保證支持長(zhǎng)時(shí)不間斷的(7 D×24 h)視頻采集，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。平安城市業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求具體如表4所示。

表4 平安城市業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的要求

1.5 智能制造

智能工廠利用先進(jìn)的信息處理、通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)，使工廠的辦公、管理及生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加強(qiáng)規(guī)范企業(yè)管理、提升生產(chǎn)流程工藝、進(jìn)行安全生產(chǎn)并可以提供決策參考，從而降低運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬產(chǎn)品市場(chǎng)，提升企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力。隨著信息通信產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展和工業(yè)需求不斷變化，智能工廠目前已成為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的主要方式，從不同程度上實(shí)現(xiàn)了制造上的提質(zhì)增效，提供了不斷向智能制造演進(jìn)的最佳路徑。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造的重要基礎(chǔ)[3]。在網(wǎng)絡(luò)層面，無論是工廠內(nèi)的設(shè)備互聯(lián)和信息交互，還是工廠外信息的云端處理和互聯(lián)，都對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力提出較高要求。

同步實(shí)時(shí)的控制機(jī)器，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延要求是微秒級(jí)。當(dāng)前工業(yè)通信有線連接方式占94%份額。相對(duì)于以太網(wǎng)接入方式，在工業(yè)制造領(lǐng)域采用10G PON為支撐的千兆光纖網(wǎng)絡(luò)，可以不受電磁干擾，可靠性高；光纖網(wǎng)絡(luò)相對(duì)其他傳送技術(shù)支持超大帶寬，超低時(shí)延，可以更好滿足尖端精密制造的要求。

2 高質(zhì)量用戶體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

用戶是千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用主體，為保障用戶獲得滿意的服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)，對(duì)于上述各類應(yīng)用業(yè)務(wù)的寬帶網(wǎng)絡(luò)能力要求，需要從家庭網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)等角度考慮端到端網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的方案。以AR游戲?yàn)槔?，寬帶業(yè)務(wù)體驗(yàn)主要體現(xiàn)在接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)3部分網(wǎng)絡(luò)性能，如圖1所示。針對(duì)千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高質(zhì)量業(yè)務(wù)體驗(yàn)要求，從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度探討了端到端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。

圖1 面向AR游戲業(yè)務(wù)的端到端網(wǎng)絡(luò)

(1)在城域網(wǎng)層面

不斷提升城域網(wǎng)容量，將城域網(wǎng)設(shè)備的總?cè)萘亢退俾蕩捝?jí)到更大、更高，以支撐高質(zhì)量業(yè)務(wù)對(duì)于帶寬的需求，接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到城域網(wǎng)后續(xù)升級(jí)使用更高速率的接口。

優(yōu)化城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮通過簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少城域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，減少業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點(diǎn)，使得城域網(wǎng)更加扁平化，從而降低高速率、突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)流量擁塞概率。

寬帶業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)和支撐內(nèi)容服務(wù)器在城域網(wǎng)內(nèi)適當(dāng)下移，在網(wǎng)絡(luò)條件允許的情況下，部署在盡可能靠近用戶的位置，從而保障用戶對(duì)于內(nèi)容源的就近訪問。

利用光傳送網(wǎng)專用管道來傳輸和承載超高清的視頻業(yè)務(wù)，提供直接的端到端管道，是可以考慮的一種解決方案。

(2)在接入網(wǎng)層面

加大接入網(wǎng)擴(kuò)容和技術(shù)改造力度，加快從傳統(tǒng)的GPON向10G PON的演進(jìn)力度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)千兆帶寬入戶的支撐能力，滿足新業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求。

研究和推動(dòng)部署可感知業(yè)務(wù)的差異化QoS能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活分配，以保障對(duì)時(shí)延丟包敏感的關(guān)鍵業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。

基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建智能運(yùn)維系統(tǒng)，主動(dòng)預(yù)測(cè)故障和體驗(yàn)的劣化，提前修復(fù)，從而最大程度保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

(3)在業(yè)務(wù)網(wǎng)層面

業(yè)務(wù)服務(wù)器需要部署在盡量靠近用戶的城域網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得用戶可以就近訪問各項(xiàng)業(yè)務(wù)內(nèi)容源，從而保障業(yè)務(wù)高質(zhì)量體驗(yàn)，后續(xù)可以考慮進(jìn)一步下移至盡可能靠近用戶的區(qū)域云或者邊緣區(qū)中，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

要注重業(yè)務(wù)服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)及熱點(diǎn)內(nèi)容源均衡，尤其加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻等用戶訪問量較大的業(yè)務(wù)內(nèi)容源優(yōu)化，合理調(diào)配運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)流量分布，從而保障用戶高質(zhì)量的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

(4)在家庭網(wǎng)絡(luò)層面

選擇高的家庭寬帶簽約速率，并使用帶有高速業(yè)務(wù)接口的光纖接入終端(光貓)。

優(yōu)化家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，使用高速高質(zhì)量Wi-Fi6確保家庭信號(hào)覆蓋。

有條件的情況下盡可能部署光纖到每個(gè)房間，實(shí)現(xiàn)FTTR，為各類業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)保障。

3 結(jié)束語

本文梳理了面向千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，給出了不同業(yè)務(wù)所對(duì)應(yīng)的保證用戶服務(wù)質(zhì)量所需的網(wǎng)絡(luò)能力要求，提出了端到端網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方案。在未來千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，為提升用戶體驗(yàn)，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面要充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不斷提升云計(jì)算關(guān)鍵核心技術(shù)能力，提升網(wǎng)絡(luò)承載能力，同時(shí)推動(dòng)多接入邊緣計(jì)算邊緣云的建設(shè)，加快實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同、云網(wǎng)融合等新模式新技術(shù)的應(yīng)用，探索更加智能、靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為未來寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用提供高質(zhì)量服務(wù)體驗(yàn)以及端到端網(wǎng)絡(luò)性能保證。