超高清產業加速發展帶來的家庭網絡環境變革

郭春華

Abstract：2019年在廣州市舉辦的“世界超高清視頻（4K/8K）產業發展大會”上，我國向世界展出了帶有中國特色的超高清視頻成果，超高清視頻產業一躍成為通信領域的新貴。而今超高清視頻產業發展迅速，其內涵不再是國際電信聯盟批準的信息顯示“4K分辨率（3840X2160）”的正式名稱，而已然形成硬件產品不斷突破、交互資源逐步豐富的市場鏈條化產業體系。在互聯網極速發展的今天，視頻消費已成為我國社會生活的核心需求。這使得下一代網絡（NGN）已經脫離了純技術驅動的模式，正在走向技術與業務結合和互動的新模式【1】。網絡視頻的用戶滲透率已達到了79.1%，為了滿足用戶更高質量和更強體驗的需求，超高清視頻點播的內容被深度加工，同時這也增添了家庭網絡的負擔，從接入端到終端的硬件水平和拓撲結構被提出了新的要求，這勢必給現代家庭網絡環境帶來全新的變革。

一、相關資料

2012年LG推出了全球首款84寸超高清屏幕，高清畫質的硬屏4K電視標志著4K影音時代的到來【2】。緊接著HDR圖像處理技術的橫空問世，增加了原彩電視的亮度，使電視播放的內容可以更清晰和真實，這樣的視覺技術使視頻用戶更容易接受，更熱衷享受，也更增添感受。這使得視頻用戶更親近4K/UHD圖像畫質，而疏遠了傳統的SD和HD畫質。最近幾年，國內超高清產業迅速發展，央視總臺共計完成超過4000小時的節目制作，以廣東省為首的地方衛視4K節目累計播放時長超過30000小時，全國高清和超高清有線電視實際用戶數突破1億人次【3】。同時，全國4K超高清電視滲透率也自2015開始持續走高，這使得曾經被束之高閣的4K/8K樣機成為了如今家庭娛樂休閑的必備產品。

Virtual Reality，VR（虛擬現實）技術是通信技術的新興領域，能通過360°全景視頻給予視頻用戶全新的沉浸式體驗【4】。VR技術具有沉浸性，交互性，多感知性，構想性，自主性的特點，VR視頻用戶在使用時會十分容易接受虛擬中的現實，從資料顯示，VR技術發展至今，VR設備在市場上熱銷的產品有三種，分別是移動端頭顯設備，外接式頭顯設備，以及一體化式頭顯設備【5】。后疫情時代的引領下，非接觸式娛樂逐漸成為主流，2020年統計VR市場收入達到1500億美元，預計到2025年VR頭顯設備銷量會達到5億臺，VR的應用領域幾乎涵蓋了教育，醫療，辦公，旅行，娛樂等生活場景，而VR在居家娛樂的比例逐年提升，隨著技術的再次革新，VR勢必將成為IPTV重點攻關的技術難題。

傳統的MPEG-2壓縮標準在17.5Mbps的碼率下，圖像質量性價比比較高，而IPTV普遍采用H.264視頻編碼協議，一個高清節目的組播碼率一般可以控制在8～12Mbps【6】，這樣相比傳統的IPQAM傳輸的TS流一個頻點大約38Mbps可以有效的節省碼率開銷，更有利于提高視頻質量。這也是數字電視從射頻向網絡組播轉變的重要過程，在這個過程中，視頻用戶能更清晰的感受到影像技術視頻編碼（解碼）技術發揮的作用，為了壓縮后解碼的損失率可以降低，甚至可以考慮H.265/HEVC提供更多不同的工具來降低碼率【7】。

由于現代光纖技術的普及化，使FTTH真正實現了網絡無源化，這使得上層設備對視頻用戶的影響幾乎降到最低，直接影響用戶體驗的是用戶的家庭網絡。外部環境和上層設備固定的條件下，家庭網絡的優化主要集中在物理拓撲的合理化，物理鏈路的調優化，及終端設備的軟、硬件系統的更新換代上。

二、兩種網絡拓撲結構的探討

單跳網絡：在家庭網絡中，最常見的就是單跳網絡，由一個或者多個AP形成的組網。在中小戶型中，一個AP可以覆蓋大多數區域，對于大戶型，則需要AC+多AP的組網方式，進行全屋網絡覆蓋，其優點是單點路徑穩定，只要入戶信號沒有問題，就可以持續傳輸數據，缺點也很明顯就是單一AP的覆蓋范圍和傳輸通道會使得網絡有很明顯的局限性，AC+多AP的組網則成本較高，無法做到普及。

多跳網絡：家庭網絡中另一種拓撲是基于多點Mesh的組網結構，其采用網狀Mesh結構，是一種多點到多點的拓撲，一個節點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節點轉發信息，隨著更多節點的相互連接和可能的路徑數量的增加，總的帶寬也大大增加。只是現實中的復雜程度決定了無線多跳結構在家庭網絡中的尷尬境地。其優點是安裝簡單方便，易操作;缺點也很明顯，那就是中低端產品的單點覆蓋率和無線穩定性不足，這樣會大大降低無線Mesh的回程吞吐量，即使用有線回程方式帶動，在組網的設備數量上也會被限制，如果采用高端的無線Mesh組網，成本會更大。

三、主流家庭布線的對比分析

家庭網絡的布線中，若只考慮快速以太網和千兆以太網的話，CAT5E是成本最低的方案，與CAT5相比其理論傳播速度能達到1000Mbps，它的近端串音、衰減串擾比和回波損耗等指標都比CAT5有很大的提高。并且滿足低綜合近端串擾的要求，有足夠的性能余量，在100MH的頻率下運行時，為應用系統提供8dB近端串擾的余量， 應用系統設備受到的干擾只有CAT 5電纜的1/4，使應用系統具有更強的獨立性和可靠性【8】。

CAT 6雙絞電纜的傳輸頻率為1～250MHz，在200MHz時綜合衰減串擾比（ PS-ACR ）有較大的余量， 它提供2倍于CAT5e電纜的帶寬。 CAT 6電纜的傳輸性能遠遠高于超五類標準，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應用?？梢院苤庇^的發現，CAT6的性能要比CAT5E強很多，從傳輸穩定性到傳輸帶寬冗余再到傳輸頻率都有成倍的增長，綜合性價比應該是最高的。

四、終端設備的選比

考慮到視頻用戶對于超高清產品的流暢度的需求，家庭組網的最小帶寬應該不低于100Mbps。傳統的網絡分發方式是以運營商提供的最大網速為基礎為用戶提供傳輸通道，在網速充足的時候，網絡壓力小，各終端或者應用程序都可以有效工作，但是當網絡壓力大，產生局部通道擁塞時，無法有效釋放網絡壓力，只能重啟設備重新分配。過去的研究中有關利用SDN（軟件定義網絡）技術優化網絡的方式，利用隊列和優先級的方式提升網絡QoS（服務質量）【10】。基于此，不妨再做一種假設，把一個固定帶寬的網絡實體，除去超高清視頻任務，再分為兩類，一類是網頁，一類是應用。由于超高清視頻所占用帶寬比例最大，則可以分發60%～80%的帶寬，網頁類所需帶寬資源比較低，可以分發5%～10%的帶寬，剩下分發到應用類，即按固定比例分發網絡方式可以有效減少隊列的計算時間，進一步提升網絡應用效率。

五、結語

我國超高清產業的日益發展，給家庭網絡提出了更高的要求，傳統的STB在硬件上需要優化，至少能支持到8K分辨率解碼，才能實現家庭VR體驗，本就稀缺的芯片市場如何能大量供應更高端的市場需求，是一個嚴肅而深遠的課題。家庭網絡布線以CAT6甚至CAT6E類雙絞電纜為主流，局端交換設備以有線Mesh或者多單點AP覆蓋為常規布局，各種技術的成熟會使得家庭網絡的局限性降低，自由度提升，以SDN為基礎的軟件網絡優化還會出現更多智能化方案，隨著超高清產業標準體系完善建立、行業應用加快落使用戶能跳脫出清晰度的格柵，在EPG中加入更豐富的交互式項目，旨在為視頻用戶帶來更多的娛樂選擇和更真實的沉浸體驗。