广电网络IP化改造的思路及建设方案

时间：2024-07-28

魏伟

（南京市高淳区融媒体中心，江苏南京 211300）

0 引言

近年来，我国一直在加大对IP、移动网络等方面的改造力度。2019年3月，工信部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合印发了《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》[1]。从整个视频产业的角度来看，随着三网融合的深入和用户需求的迅速增长，使得传统的电视产业格局发生了剧烈的变化，出现了互联网化和移动化两种发展趋势。

1 IP通信系统

IP通信系统的传输手段多种多样，能够将不同通信模式的优势结合起来，实现集成式的通信。采用IP信号传送技术，可以使广电网络的专业化水平得到进一步提升[2]。利用现有的视频压缩技术，可以有效改善广电网络信号传输的清晰度，同时也可以防止大量高清信号传输导致网络堵塞。通过信号传输效率的提升，有效满足电视节目和观众之间的互动需求。IP信号传输系统具有较高的灵活性，有利于扩展带宽，满足目前的智能传输要求，有效提高传输的稳定性、安全性以及实时性。

2 IP选择技术在广电网络中的应用

IP化、光纤化是广电网络生存与发展的基础，广电网络IP化、光纤化既要具备传统广电网络的安全保障功能，满足广电用户的个性化需求，同时又要兼顾4K、8K、VR以及AR等超高清视频的高品质传输[3]。要想在新的环境下有效解决安全播出面临的风险与挑战，网络传输方案的选取就显得尤为重要，既要保证安全播出，又要保证运营商的可持续发展，提高超高清信号的传输质量[4]。

目前通信产业主流的光纤到户业务中使用以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、吉比特无源光网络（Gigabit-capable PON，GPON）、10 GEPON、XG-PON（下文简称xPON)，它们具备单纤到户、视频与互联网共用基础网络的特性，主要使用交换机、路由器、xPON OLT等设备。在应用过程中，双方的信息交互是必要的传输方式[5]。

OTT（Over The Top）视频传送技术是将视频流分割为若干小的视频文件，通过超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）或动态码率自适应技术（HTTP Live Streaming，HLS）等基于文件浏览的协议将其传送给接收方，然后由接收方对其进行译码和播放。实时视频传输采用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）协议，包括单、多点传送。目前，一些省级广电运营商已经开始尝试采用GPON IPTV的组网架构来建设光纤到户。

I-PON技术是一种将IP网络和光纤网络结合起来，并融合无源光纤网络（Passive Optical Network，PON）技术优势的创新技术。I-PON技术的优势在于保持了广播电视网络的特点，保证了有线电视网络的安全播放和高品质的传输性能，并能满足终端用户的交互服务和宽带网络服务的要求[6]。要想充分实现全业务融合，可以使用双纤三波或者单纤三波进行部署。I-PON体系的结构包括万兆单通道IP广播光网络、IP双向光网。万兆单向广播光网络可以单独组成一套单一的电视信号系统，独立进行广播服务和电视服务。通过对IP的端到端传输，打破了DVB-CRF/M技术中对点播资源的制约，在传输链路上达到10 Gb/s以上的传输速率。

3 网络IP化改造相关问题分析

随着4K/8K高清视频服务的迅速发展，电视服务的带宽需求呈几何级的增加，对服务质量的要求也越来越高[7]。同时，国家“双千兆”发展战略也对广电企业的宽带业务提出了更高的要求。

如果选用超高清IP视频，则会占用很大的带宽。在高收视时段，每一位用户都要使用一路视频流，耗费大量的带宽，导致网络拥挤，影响广电信号的传输安全[8]。与此同时，8K超高清电视对网络的传输质量提出了极高的要求。测试结果显示，TCP上行响应时间稍长，下行速率非常高，会导致TCP下行滑动窗口超时，造成下行链路报文的重发和视频的停滞。基于此，在UDP协议下通过点到多点的方式进行视频传送（组播或广播），从而实现超高清信号的有效传输。

UDP是一种非连接的协议，由于接收方不会向发送方反馈消息，因此丢失的UDP数据包没有第二次发送的机会。在视频传送中，数据包丢失与否完全依赖于网络的设备和线路。虽然网络设备都是按照工业标准来设计的，但是配置方式、突发情况以及路由阻塞等因素也会导致数据包丢失。广电网络的IP直播前端由编码器、转码器、加扰器以及视频服务器组成，通过UDP/IP包的多种码率接入前端交换机进行聚合。当汇集开关的输出速度达到10 Gb/s，尽管多个GE输出端口都是满载，但是在所有输出口发送新一轮报文的时间仍然比所有接口接收的时间要短，此时就不会出现UDP报文包丢失的情况。如果一个网络装置的输出接口线速度超过了输入接口线速度的总和，那么无论哪一种输入口的消息突发形式都不会导致UDP数据丢失。采用接口速率比输入口速率更高的网络结构，可以实现IP直播业务的高质量传输性能的要求。UDP丢包网络结构如图1所示。

图1 UDP丢包网络结构

为了最大限度地减少UDP数据丢失，网络设备对每个视频流都进行了预处理，不同的数字符号代表不同的节目，相同节目间的信息间隔也很大（但不可避免地会出现不同的突发）。输出口1仅传送经过处理的视频流，并仅汇集6个节目。在突发事件中，当各分组的总长度小于网络装置的端口缓存队列长度时，就不会出现UDP数据丢失。出口2与出口1比较，尽管仅有两个节目汇集在一起，但它们的突发信息总和已超出了网络设备的输出缓存队列，因此仍会出现数据丢失。但因为多个入口同时爆发的机率很低，所以数据丢失的可能性相对较低。出口3不仅要汇集视频节目流，而且还要汇集网络下行链路上的数据，这些都是在网络上没有经过处理，多个入口同时发生丢包的概率很大。当入口平均速度之和低于出口速度时，视频流的平均入口流量越大，数据丢失的可能性也就越大。当网络设备的输出速度低于入口线速度的总和时，UDP数据包的丢失是不可避免的。在大量的视频流中，即使事先对视频流进行了处理，也无法防止数据流丢失。在数字有线电视广播系统标准（Digital Video Broadcasting-C，DVB-C）服务的传送中，一年内最多只能出现数秒钟的故障。

如果单一设备故障，将会对大量的用户造成影响。短时间内大量的访问会造成设备故障，在重大活动、重要节日等电视播出活动时存在一定的安全隐患。在设备故障、线路故障、网络受到攻击的情况下，会出现重复的注册和认证，从而导致设备过载，无法正常地向终端/用户提供服务。除此之外，黑客网络入侵用户的智能终端，并将其用于攻击服务器。如果终端顶盒或者用户终端易于被黑客侵入（下载应用程序、插件、补丁）而变成“肉鸡”，那么“肉鸡”就会利用内部网攻击平台设备，产生大量的合法请求并发起分布式拒绝服务攻击（Distributed Denial of Service attaok，DDoS）流量的攻击，最终导致网络设备崩溃。从一些IPTV和OTT节目中可以看出，使用xPON技术进行IP视频传输，不但存在着安全问题，而且还会影响高清视频的传输质量，难以为用户提供高质量的服务。IP的控制和IP负载一般都是在同一包中进行的，其实质是一种随路信令，可以方便地对负载和控制信息进行修改。

4 I-PON的传输性能

在网络设备的输出接口线速度超过输入端线速度总和的情况下，无论在哪个输入界面中，数据流发生突发情况都不会导致UDP数据丢失。I-PON IP广播组网方式有一个突出特征，即全链路上最大带宽的链路可以从前端直达最终用户，中间仅有中继器、放大器和分光器，不需要任何路由器和开关。从安全角度来看，I-PON光纤接入技术是两纤三波模式，以宽带网络的形式将广播和网络信号分开，并不会受到网络“风暴”的侵袭，也不会受到任何形式的攻击，更好地保证了播出的安全。同时，在广播节目的分发方面，I-PON使用了掺铒光放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）、分光器等功率分布器件，可以轻松地满足广播电视的主备切换、灾备等基本安全播出需求。