4K业务对IP城域网建设的影响

许化栋 山东省邮电规划设计院有限公司规划研究院副院长，高级工程师

1 引言

4K的名称得自其横向分辨率约为4000像素，标准的4K分辨率为4096×2160的像素分辨率，其像素总数能够达到高清分辨率1920×1080的4倍，画质比人眼分辨率极限PPI高了近2倍。

根据ITU-RBT.2020建议，将屏幕的物理分辨率达到3840×2160（4K×2K）及以上的电视称之为UHDTV（UltraHighDefinitionTelevision，超高清电视），即4K电视。另外，结合分辨率、帧率、量化精度、压缩算法等发展不同，4K可分为伪准4K、真4K、极致4K（也为入门级4K、运营商级4K、极致4K）。

4K能给用户带来更清晰、更鲜艳、更流畅的视听盛宴，其对承载网具有高带宽、低时延和低丢包率的要求，电信运营商如何实现4K业务的承载是各大电信运营商面临的主要问题，本文将探讨4K业务对IP城域网的影响及面向4K业务承载的IP城域网优化建设策略。

2 4K业务产业链发展

4K业务产业链主要包括内容、终端和业务3方面。

（1）内容方面

4K内容制作包括了节目摄制和后期制作。4K节目摄制已经非常成熟，但后期制作由于采集、转码、剪辑、监看等均需支持4K的硬件来实现且需要处理和存储的数据量显著增长，故制作成本较高、制作能力建设发展较慢，但国内有线电视运营商和OTT厂商为抢占市场先机，已逐步引入和扩容4K后期制作系统和能力。

（2）终端方面

国内4K电视机2013年上市，2014年国内主要的各大电视厂商均已推出4K终端，价格已逼近了普通LED电视的“价格防线”；另外，由于4K超高清电视可以向下兼容1080P的片源（没有4K的片源，在播放1080P视频的时候，由于失真率低，也能模拟出4K的效果，清晰度比全高清状态下要高出2～3倍左右），是否支持4K业务已是消费者选择电视的重要影响因素，保守估计2015年将销售1500万台4K电视终端。

（3）业务方面

2014年7月18日，江苏有线率先成为国内第一家可提供高品质超高清直播、点播业务的广电网络公司；2014年12月26日，四川电信面向社会公众宣布其4K超高清业务全球首发上市，正式启动了国内4K业务的序幕。

总体来说，4K内容、终端和业务发展迅速，产业链已经基本成熟。

3 4K业务承载需求

根据RameshSitaraman总结的“2s法则”（如果视频加载时间、快进快退时间超过2s，用户会选择关闭视频节目；加载时间每增加1s，会增加6%的关闭率；如果观看过程中出现卡顿，会有35.2%的用户放弃观看，每增加1s意味着6%的用户放弃），4K用户体验的KQI（Key QualityIndex，关键质量指标）主要包括首次点播加载时间、快进快退时间和卡顿率，而对4K承载需求方面，物理带宽是基础，丢包、时延是影响体验的关键因素。

根据理论算法，4K业务平均码率=分辨率×每像素bit位×帧率/压缩比/1024/1024（Mbit/s），结合各阶段帧率、量化精度bits和压缩算法（见表1），可推算出准4K平均比特率为15～20Mbit/s、真4K平均比特率为30～40Mbit/s、极致4K平均比特率为50～100Mbit/s。

表1 4K业务平台比特率

针对视频点播，根据TCP吞吐量理论，在一定的吞吐量条件下，丢包率和双向时延相关（TCPThrouput<=minBW，WindowSize/RTT，MSS/RTT/） ，（RTT：Roundtrip Time delay，p：Packte Loss Rate，BW：Max.Bandwidth）；结合华为等试验结果，真4K带宽门限45Mbit/s、双向时延门限35ms、真4K丢包率门限5×10-5；针对直播TV，根据基于UDP协议，花屏现象主要由丢包率引起，根据DSL Forum Technical Report TR-126，4K视频直播花屏极限5.6×10-7。结合上述理论、数据和试验结果，4K业务承载需求参见表2。

表2 4K业务承载需求

普通IPTV电视和视频点播，如承载1080P视频会议时要求：时延<50ms、丢包率<1/1000、带宽要求>8Mbit/s（如仅标清电视直播、点播，要求：时延<1s、丢包率<1/1000、带宽要求>2Mbit/s），相比较而言，4K业务承载时延、抖动、丢包率要求较高。当前的IP城域网需通过合理规划、评估和优化，可提供满足4K业务承载的QoS保证。

4 4K业务承载架构

4K业务平台同IPTV业务平台，其由内容提供方通过集成播控系统注入至IPTV省中心平台，然后由区域中心节点、边缘节点（用户规模较小时初期可不建设）逐级实现业务推送与存储，最终通过宽带接入网分发到用户，4K业务网络承载架构见图1。

根据城域网发展建设思路，电信运营商将城域网建成为综合业务承载网，实现上网、电话、语音等业务的综合承载，4K业务区域中心建设在城域网核心层设备侧，边缘节点建设在业务控制层节点SR或者MSE（Multi Service Edge，多业务边缘路由器）设备侧、且一般采用IPoE认证方式。

5 4K业务对IP城域网建设影响

进行4K业务部署，对城域网建设和影响主要包含如以下方面：设备是否需要升级、带宽是否需要扩容、组播如何实现、QoS如何部署。

5.1 网络设备与带宽

为测算4K业务对网络设备与带宽需求影响，对城域网内发展4K业务进行建模，业务模型参见表3。

按照业务模型对业务控制点至核心路由器折合需求10G端口数、业务控制点设备折合需求10G端口总数等进行测算，得出网络核心层、业务控制层设备及宽带接入网影响与要求如下：

●核心层设备

由于核心层设备至业务控制点设备需由2×10GE或n×GE提升为2×10GE，核心路由器端口需求增至4倍，当用户发展至一定规模或者希望核心路由器设备利用率较高时，建议核心路由器由原100G平台设备升级400G平台设备（见表4）。

●业务控制层

设备端口方面，由于4K业务每用户带宽需求较大，故承载6万宽带的业务控制点，当4K业务渗透率达到20%时，业务控制层设备需折合22个10G端口，当前40G平台业务控制层设备整体利用率接近70%；当4K业务渗透率达到30%时，业务控制层设备需折合不小于32个10G端口，承载4K业务设备利用率达到100%及以上，故随着4K业务和用户的发展，当4K业务渗透率较高时，业务控制层设备需由原40G平台设备需升级为100G平台设备（见表5）。功能部署需求方面，如要实现4K业务的精确时长、流量等计费方式，需业务控制层设备支持Session级IPoE认证，但目前部分城域网业务控制层设备不支持Session级IPoE认证，故初期阶段4K业务可先按照非Session级IPoE方式进行认证，但建议新增业务控制层设备需支持Session级IPoE认证，实现4K业务逐步由非Session级IPoE方式向Session级IPoE方式认证演进。

图1 4K业务网络承载架构图

表3 4K业务模型

由于用户接入带宽需40～100M，故用户接入方式将以FTTH、10GPON为主，规划设计时应根据场景统筹规划，确保用户可获得带宽能力不小于100M，实现网络平滑演进与升级，规避投资浪费；同时，结合网络组播复制点的设置，测算并扩容大二层汇聚交换机、OLT的上下行带宽，确保构建相对无阻塞的2层宽带接入网。

5.2 组播实现

为减少直播对带宽压力，城域网内建议开启组播功能。其中，城域网与骨干网跨域组播建议通过MSDP＋MPBGP协议实现，在城域网内部RP和骨干网的RP之间能够形成MSDPSession并依此发现组播源，采用MPBGP完成流量转发。城域网内部，建议部署专用的路由器作为RP，负责本区域内的组播源的注册和控制，同时负责组播源的合法性检查，拒绝接收未经授权的组播源的注册报文。RP之间内部部署MSDP会话连接，运行AnycastRP，实现互为备份和负载均衡，增加可靠性和安全性。宽带接入网层面，结合接入层设备的具体支持情况，选择开启IGMPSnooping或IGMPProxy协议，且尽量选择在接入层设备开启IGMPProxy，以减轻SR的压力。由于当前宽带接入网部分设备不支持IGMPProxy，此时可根据网络设备具体情况适当上移IGMPProxy设备位置，初期组播复制点可设置在SR上，但应随着宽带接入网改造逐步下移到大二层、OLT或园区交换机设备上。

表4 4K业务时业务控制点到核心中由器折合需求10G端口数

表5 4K业务时业务控制点设备折合需求10G端口总数

5.3 QoS部署

为确保4K业务质量，城域网需进行QoS部署。考虑到QoS部署的可行性和可扩展性，结合现网已部署QoS策略，建议3层网络仍采用DSCP（Differentiated ServicesCodePoint，差分服务代码点）QoS标识，2层的宽带接入网根据VLANID识别各类应用，使用802.1q的CoS字段，进行业务分类标记。

6 面向4K业务承载的IP城域网优化建设策略

运营商拟在城域网发展4K业务时，需首先确定用户发展区域和规模，据此进行评估和测算，确定对IP城域网影响与要求。

评估城域网是否适合开展4K业务时，宽带接入网现有接入能力和快速改造能力是基础、关键，宽带接入网能快速实现40～100M接入高带宽能力、低时延和丢包率是发展4K业务的基础保障。

确定IP城域网优化建设内容时，建议优先进行核心层、业务控制层及大二层汇聚设备的硬件升级与扩容、链路带宽的优化，适度提前引入400G核心层设备、100G业务控制层设备；针对宽带接入网进行优化时，建议结合拟发展用户区域，成网格、片区地进行宽带接入网规模改造、并在其中进行营销与宣传。

为了更好地保障4K业务用户体验和普及，城域网还需进行相应地配套营运能力的建设：城域网内应建设动态评估网络的能力，确保能分析出拟开通业务用户网络是否具备相应承载能力、影响用户4K业务KQI的因素及故障点位置，并能保障套餐用户带宽的快速动态提速、故障消除能力；同时，建议实时引入高通量路由器（HighThroughputRouter，HTR），打造端到端高通量网络，最大化资源利用率。

7 结束语

本文对4K业务和产业链发展进行了阐述，并结合4K业务承载架构，给出了4K业务对IP城域网在网络设备升级、中继带宽扩容、业务认证支持、组播实现和QoS部署等方面的建设影响，同时给出引入4K业务部署、发展及网络建设策略。当然，4K业务的引入和IP城域网的建设，还需具体对市场业务需求、技术与设备的发展、建设成本、现网投资保护、网络平滑演进、网管及运维流程等进行统筹分析与考虑。