廣電網絡IP化改造的思路及建設方案

魏 偉

（南京市高淳區融媒體中心，江蘇 南京 211300）

0 引 言

近年來，我國一直在加大對IP、移動網絡等方面的改造力度。2019年3月，工信部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯合印發了《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》[1]。從整個視頻產業的角度來看，隨著三網融合的深入和用戶需求的迅速增長，使得傳統的電視產業格局發生了劇烈的變化，出現了互聯網化和移動化兩種發展趨勢。

1 IP通信系統

IP通信系統的傳輸手段多種多樣，能夠將不同通信模式的優勢結合起來，實現集成式的通信。采用IP信號傳送技術，可以使廣電網絡的專業化水平得到進一步提升[2]。利用現有的視頻壓縮技術，可以有效改善廣電網絡信號傳輸的清晰度，同時也可以防止大量高清信號傳輸導致網絡堵塞。通過信號傳輸效率的提升，有效滿足電視節目和觀眾之間的互動需求。IP信號傳輸系統具有較高的靈活性，有利于擴展帶寬，滿足目前的智能傳輸要求，有效提高傳輸的穩定性、安全性以及實時性。

2 IP選擇技術在廣電網絡中的應用

IP化、光纖化是廣電網絡生存與發展的基礎，廣電網絡IP化、光纖化既要具備傳統廣電網絡的安全保障功能，滿足廣電用戶的個性化需求，同時又要兼顧4K、8K、VR以及AR等超高清視頻的高品質傳輸[3]。要想在新的環境下有效解決安全播出面臨的風險與挑戰，網絡傳輸方案的選取就顯得尤為重要，既要保證安全播出，又要保證運營商的可持續發展，提高超高清信號的傳輸質量[4]。

目前通信產業主流的光纖到戶業務中使用以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、吉比特無源光網絡（Gigabit-capable PON，GPON）、10 GEPON、XG-PON（下文簡稱xPON)，它們具備單纖到戶、視頻與互聯網共用基礎網絡的特性，主要使用交換機、路由器、xPON OLT等設備。在應用過程中，雙方的信息交互是必要的傳輸方式[5]。

OTT（Over The Top）視頻傳送技術是將視頻流分割為若干小的視頻文件，通過超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）或動態碼率自適應技術（HTTP Live Streaming，HLS）等基于文件瀏覽的協議將其傳送給接收方，然后由接收方對其進行譯碼和播放。實時視頻傳輸采用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）協議，包括單、多點傳送。目前，一些省級廣電運營商已經開始嘗試采用GPON IPTV的組網架構來建設光纖到戶。

I-PON技術是一種將IP網絡和光纖網絡結合起來，并融合無源光纖網絡（Passive Optical Network，PON）技術優勢的創新技術。I-PON技術的優勢在于保持了廣播電視網絡的特點，保證了有線電視網絡的安全播放和高品質的傳輸性能，并能滿足終端用戶的交互服務和寬帶網絡服務的要求[6]。要想充分實現全業務融合，可以使用雙纖三波或者單纖三波進行部署。I-PON體系的結構包括萬兆單通道IP廣播光網絡、IP雙向光網。萬兆單向廣播光網絡可以單獨組成一套單一的電視信號系統，獨立進行廣播服務和電視服務。通過對IP的端到端傳輸，打破了DVB-CRF/M技術中對點播資源的制約，在傳輸鏈路上達到10 Gb/s以上的傳輸速率。

3 網絡IP化改造相關問題分析

隨著4K/8K高清視頻服務的迅速發展，電視服務的帶寬需求呈幾何級的增加，對服務質量的要求也越來越高[7]。同時，國家“雙千兆”發展戰略也對廣電企業的寬帶業務提出了更高的要求。

如果選用超高清IP視頻，則會占用很大的帶寬。在高收視時段，每一位用戶都要使用一路視頻流，耗費大量的帶寬，導致網絡擁擠，影響廣電信號的傳輸安全[8]。與此同時，8K超高清電視對網絡的傳輸質量提出了極高的要求。測試結果顯示，TCP上行響應時間稍長，下行速率非常高，會導致TCP下行滑動窗口超時，造成下行鏈路報文的重發和視頻的停滯?；诖?，在UDP協議下通過點到多點的方式進行視頻傳送（組播或廣播），從而實現超高清信號的有效傳輸。

UDP是一種非連接的協議，由于接收方不會向發送方反饋消息，因此丟失的UDP數據包沒有第二次發送的機會。在視頻傳送中，數據包丟失與否完全依賴于網絡的設備和線路。雖然網絡設備都是按照工業標準來設計的，但是配置方式、突發情況以及路由阻塞等因素也會導致數據包丟失。廣電網絡的IP直播前端由編碼器、轉碼器、加擾器以及視頻服務器組成，通過UDP/IP包的多種碼率接入前端交換機進行聚合。當匯集開關的輸出速度達到10 Gb/s，盡管多個GE輸出端口都是滿載，但是在所有輸出口發送新一輪報文的時間仍然比所有接口接收的時間要短，此時就不會出現UDP報文包丟失的情況。如果一個網絡裝置的輸出接口線速度超過了輸入接口線速度的總和，那么無論哪一種輸入口的消息突發形式都不會導致UDP數據丟失。采用接口速率比輸入口速率更高的網絡結構，可以實現IP直播業務的高質量傳輸性能的要求。UDP丟包網絡結構如圖1所示。

圖1 UDP丟包網絡結構

為了最大限度地減少UDP數據丟失，網絡設備對每個視頻流都進行了預處理，不同的數字符號代表不同的節目，相同節目間的信息間隔也很大（但不可避免地會出現不同的突發）。輸出口1僅傳送經過處理的視頻流，并僅匯集6個節目。在突發事件中，當各分組的總長度小于網絡裝置的端口緩存隊列長度時，就不會出現UDP數據丟失。出口2與出口1比較，盡管僅有兩個節目匯集在一起，但它們的突發信息總和已超出了網絡設備的輸出緩存隊列，因此仍會出現數據丟失。但因為多個入口同時爆發的機率很低，所以數據丟失的可能性相對較低。出口3不僅要匯集視頻節目流，而且還要匯集網絡下行鏈路上的數據，這些都是在網絡上沒有經過處理，多個入口同時發生丟包的概率很大。當入口平均速度之和低于出口速度時，視頻流的平均入口流量越大，數據丟失的可能性也就越大。當網絡設備的輸出速度低于入口線速度的總和時，UDP數據包的丟失是不可避免的。在大量的視頻流中，即使事先對視頻流進行了處理，也無法防止數據流丟失。在數字有線電視廣播系統標準（Digital Video Broadcasting-C，DVB-C）服務的傳送中，一年內最多只能出現數秒鐘的故障。

如果單一設備故障，將會對大量的用戶造成影響。短時間內大量的訪問會造成設備故障，在重大活動、重要節日等電視播出活動時存在一定的安全隱患。在設備故障、線路故障、網絡受到攻擊的情況下，會出現重復的注冊和認證，從而導致設備過載，無法正常地向終端/用戶提供服務。除此之外，黑客網絡入侵用戶的智能終端，并將其用于攻擊服務器。如果終端頂盒或者用戶終端易于被黑客侵入（下載應用程序、插件、補丁）而變成“肉雞”，那么“肉雞”就會利用內部網攻擊平臺設備，產生大量的合法請求并發起分布式拒絕服務攻擊（Distributed Denial of Service attaok，DDoS）流量的攻擊，最終導致網絡設備崩潰。從一些IPTV和OTT節目中可以看出，使用xPON技術進行IP視頻傳輸，不但存在著安全問題，而且還會影響高清視頻的傳輸質量，難以為用戶提供高質量的服務。IP的控制和IP負載一般都是在同一包中進行的，其實質是一種隨路信令，可以方便地對負載和控制信息進行修改。

4 I-PON的傳輸性能

在網絡設備的輸出接口線速度超過輸入端線速度總和的情況下，無論在哪個輸入界面中，數據流發生突發情況都不會導致UDP數據丟失。I-PON IP廣播組網方式有一個突出特征，即全鏈路上最大帶寬的鏈路可以從前端直達最終用戶，中間僅有中繼器、放大器和分光器，不需要任何路由器和開關。從安全角度來看，I-PON光纖接入技術是兩纖三波模式，以寬帶網絡的形式將廣播和網絡信號分開，并不會受到網絡“風暴”的侵襲，也不會受到任何形式的攻擊，更好地保證了播出的安全。同時，在廣播節目的分發方面，I-PON使用了摻鉺光放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）、分光器等功率分布器件，可以輕松地滿足廣播電視的主備切換、災備等基本安全播出需求。

5 結 論

隨著IP網絡技術的普及，IP網絡在廣電網絡中的應用越來越廣泛。在IP網絡中，存在著UDP丟包現象，通過優化網絡架構和緩存機制，有效解決了丟包問題。I-PON廣播網不僅使用UDP協議，還使用了點對多點的全廣播，網絡結構剛好符合UDP不丟包的要求，是超高清視頻傳輸的理想選擇。