數(shù)字電視多業(yè)務(wù)傳輸平臺設(shè)計與實現(xiàn)

李 芳

（杭州市廣播電視科學(xué)技術(shù)研究所，浙江 杭州 310008）

數(shù)字電視、光通信技術(shù)、TCP/IP技術(shù)的飛速發(fā)展推動了電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)的融合。交互數(shù)字電視是一種利用寬帶有線電視網(wǎng)，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通信等多種技術(shù)于一體，向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式服務(wù)的嶄新技術(shù)。用戶在家中可以網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒+普通電視機(jī)方式享受IPTV服務(wù)，它能夠很好地適應(yīng)當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的趨勢，充分有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源[1]。

交互數(shù)字電視作為廣播電視未來發(fā)展的一項重要業(yè)務(wù)，正在日益普及，由于交互電視的傳輸隨用戶數(shù)量的增長，所需帶寬會急劇增長，其流量具有很強(qiáng)的隨機(jī)突發(fā)性，且占用巨大帶寬資源，網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的時延和誤碼，直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。原先以承載數(shù)字視頻廣播（DVB）業(yè)務(wù)為主的杭州地區(qū)數(shù)字電視傳輸網(wǎng)在容量和接口能力上已無法滿足交互電視業(yè)務(wù)的傳輸要求，也無法滿足用戶對服務(wù)品質(zhì)的需求。建設(shè)一個既滿足開展交互數(shù)字電視需要，又保障傳統(tǒng)數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)的發(fā)展，同時又能兼顧其他各項業(yè)務(wù)，具備較高投資收益比的廣域傳輸平臺的課題擺在面前。

1 建設(shè)需求

廣播電視傳輸網(wǎng)主要傳輸兩大類業(yè)務(wù):一類業(yè)務(wù)是廣播型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它的特點是所有的用戶共享一個數(shù)據(jù)流；另一類業(yè)務(wù)是交互型業(yè)務(wù)，這種業(yè)務(wù)的特點是一戶一個流，數(shù)據(jù)流不能共享，因而它需要交互型雙向交換網(wǎng)絡(luò)來支持。其流量具有很強(qiáng)的隨機(jī)突發(fā)性，隨著點播用戶數(shù)量的變化，所需帶寬會急劇變化。因此，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，既要滿足開展交互數(shù)字電視需要，又要兼顧傳統(tǒng)的直播業(yè)務(wù)。歸納如下：1）區(qū)縣交互用戶采用杭州的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）服務(wù)節(jié)點進(jìn)行服務(wù)，點對點傳輸以保障用戶的服務(wù)安全；2）利用RPR環(huán)的業(yè)務(wù)分類傳送、帶寬共享的特點，應(yīng)對突發(fā)流量，使二區(qū)五縣點播命中率提升至80%以上；3）搭建DVB傳輸通道，下傳中央、省市重要節(jié)目和高清節(jié)目，作為原有的阿爾卡特SDH傳輸網(wǎng)的DVB節(jié)目的備份，同時為新增DVB節(jié)目預(yù)留傳輸通道；4）搭建快速以太網(wǎng)通道，為保障杭州區(qū)縣分前端數(shù)字信號安全播出，監(jiān)測區(qū)縣分前端設(shè)備運行狀態(tài)和信號質(zhì)量監(jiān)督回傳鏈路等提供傳輸通道；5）預(yù)留一定帶寬，為開展“數(shù)字電視廣播、交互數(shù)字電視、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)”的全媒體做準(zhǔn)備。

2 技術(shù)方案設(shè)計

2.1 組網(wǎng)技術(shù)的選擇。

首先，分析了當(dāng)前傳輸技術(shù)：ATM（異步傳輸模式）、以太網(wǎng)技術(shù)、DWDM（波分復(fù)用）、OTN（光傳送網(wǎng)）、SDH、MSTP（多業(yè)務(wù)傳送節(jié)點）。由于ATM適用于多業(yè)務(wù)電信環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸效率低、成本高，不適合廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)。所以著重對以太網(wǎng)、DWDM、OTN和MSTP內(nèi)嵌RPR技術(shù)進(jìn)行了比較和論證。以太網(wǎng)（純IP）組網(wǎng)具有價格便宜、快速的按需配置、速率升級容易等優(yōu)勢，但它在端到端QoS保障機(jī)制、環(huán)形拓?fù)涞确矫娲嬖谌别W，特別是長距離傳輸受限。DWDM具有光纖利用率高、適合大顆粒數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的優(yōu)點，但其建網(wǎng)成本高、維護(hù)復(fù)雜、IP層面保護(hù)欠缺。OTN是下一代的骨干傳送網(wǎng)，它面向IP業(yè)務(wù)、適配IP業(yè)務(wù)的傳送需求，滿足大顆粒業(yè)務(wù)傳送的需要，但它同樣存在造價高、對小顆粒的業(yè)務(wù)調(diào)度欠缺、標(biāo)準(zhǔn)還在不斷完善等不足。MSTP是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛、成熟的光傳送平臺，近年來通過引入RPR，MPLS，EV?PLAN，EVPL等技術(shù)，在繼承SDH強(qiáng)大自愈能力的基礎(chǔ)上，提升了IP層面的保護(hù)能力，能實現(xiàn)大小顆粒的靈活調(diào)度[2]。對于發(fā)展階段的杭州地區(qū)交互數(shù)字電視區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，筆者認(rèn)為利用多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP）內(nèi)嵌彈性分組環(huán)（RPR）技術(shù)組網(wǎng)是最佳的選擇。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足直播數(shù)字電視和交互數(shù)字電視的傳輸需求，規(guī)劃傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，全網(wǎng)全部采用華為OSN傳輸設(shè)備。將杭州城區(qū)DVB總前端和杭州古蕩數(shù)據(jù)中心兩大前端機(jī)房與二區(qū)五縣機(jī)房組成新的傳輸網(wǎng)絡(luò)組成雙環(huán)。將杭州數(shù)字電視多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)劃分為A，B，C共3個邏輯組網(wǎng)，達(dá)到提高帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力的目的，組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 MSTP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖1中整個網(wǎng)絡(luò)劃分為2個相交的10 Gbit/s物理環(huán)（簡稱南環(huán)和北環(huán)）。以古蕩和富陽為交匯點，直播電視業(yè)務(wù)從凱旋門下傳至各區(qū)縣，交互電視業(yè)務(wù)從古蕩下傳至各區(qū)縣。

2.3 設(shè)計思路說明

1）增大傳輸容量

根據(jù)規(guī)劃，DVB業(yè)務(wù)占用16×VC4（每個VC4為155.52 Mbit/s）；RPR業(yè)務(wù)占用16×VC4；如果是一個單環(huán)網(wǎng)絡(luò)，就剩下32×VC4用來傳輸交互電視業(yè)務(wù)（GE），每個站點只有4有個站點，即622.08 Mbit/s數(shù)據(jù)流顯然不能滿足交互電視的業(yè)務(wù)需求。為了增大傳輸容量，設(shè)計用2個10 Gbit/s物理環(huán)來傳輸交互電視業(yè)務(wù)，每個站點可下傳32×VC4÷4站點=8×VC4，即1244.16 Mbit/s，容量增加1倍。

2）易擴(kuò)容性，性價比高

根據(jù)目前使用情況，淳安、建德、桐廬為交互電視業(yè)務(wù)設(shè)計的8×VC4的流量已經(jīng)滿負(fù)荷。今后可以很方便地再擴(kuò)容2個10 Gbit/s物理環(huán)。

3）根據(jù)杭州兩大前端布局

凱旋門是DVB業(yè)務(wù)前端，向各區(qū)縣站點傳輸數(shù)字電視前端業(yè)務(wù)；古蕩是數(shù)據(jù)中心，主要傳輸交互電視業(yè)務(wù)。兩個前端業(yè)務(wù)可以通過新建傳輸網(wǎng)調(diào)度數(shù)字電視信源。

2.4 邏輯子網(wǎng)說明

根據(jù)目前業(yè)務(wù)的需求可劃分為A，B，C共3個邏輯子網(wǎng)。

邏輯子網(wǎng)A：由10 Gbit/s環(huán)網(wǎng)上的9個站點組成，分配32個VC4。傳輸凱旋門站點下發(fā)的DS3，RPR，F(xiàn)E業(yè)務(wù)及其他業(yè)務(wù)（見圖1中外環(huán)虛線）。

邏輯子網(wǎng)B：由10 Gbit/s北環(huán)組成上的5個站點組成，分配32個VC4。傳輸古蕩至北環(huán)上站點的交互電視業(yè)務(wù)（見圖1中左邊內(nèi)環(huán)虛線）。

邏輯子網(wǎng)C：由10 Gbit/s南環(huán)上的5個站點組成（富陽算北環(huán)），分配32個VC4。傳輸古蕩至南環(huán)上站點的交互電視業(yè)務(wù)（見圖1中右邊內(nèi)環(huán)虛線）。

2.5 MSTP保護(hù)方式的選擇

MSTP的保護(hù)屬于物理層的技術(shù)，它通過冗余的帶寬和冗余的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)切換，使得因受光網(wǎng)絡(luò)失效而影響的業(yè)務(wù)能夠自動恢復(fù)[3]。MSTP保護(hù)分為子網(wǎng)連接保護(hù)環(huán)（SNCP）和復(fù)用段保護(hù)環(huán)（MSP-Ring）。下面將兩種保護(hù)方式進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

通過對比，筆者認(rèn)為SNCP保護(hù)更適合雙環(huán)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。SNCP具有可靠性高、倒換時間快、可實現(xiàn)雙節(jié)點互連（DNI）等特點，適合對MSTP網(wǎng)絡(luò)跨環(huán)傳輸業(yè)務(wù)的保護(hù)，其保護(hù)方式如圖2所示。

當(dāng)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)兩處光纜故障時，可以通過富陽至古蕩的鏈路，保護(hù)凱旋門DVB前端至各個站點的業(yè)務(wù)不中斷。整個網(wǎng)絡(luò)的安全等級大大提高。

3 RPR技術(shù)的應(yīng)用

RPR（Resilient Packet Ring）是彈性分組環(huán)。彈性指業(yè)務(wù)的傳輸可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況進(jìn)行靈活的適應(yīng)；分組數(shù)據(jù)指業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕締卧且粋€個的數(shù)據(jù)包，而不是像SDH使用固定幀的格式進(jìn)行處理；環(huán)是要求設(shè)備組網(wǎng)時形成“環(huán)形”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。RPR是一種新的MAC層協(xié)議，它吸收了千兆以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、SDH對延時和抖動的嚴(yán)格保障及可靠的時鐘和自愈保護(hù)環(huán)等優(yōu)點，大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)包的傳輸。RPR具有空間重用、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、帶寬公平、保護(hù)倒換、完善的質(zhì)量服務(wù)（QoS）機(jī)制等優(yōu)點，成為新一代光網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包的首選技術(shù)[4]。

表1 SNCP保護(hù)與MSP-Ring保護(hù)的比較

圖2 保護(hù)方式選擇

3.1 RPR組網(wǎng)方案

華為OSN3500的EGR2板支持IEEE 802.17標(biāo)準(zhǔn)定義的RPR特性。由9個節(jié)點的EGR2板組成RPR環(huán)路。各節(jié)點之間鏈路由8×VC4通道構(gòu)成。杭州數(shù)字電視RPR環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 RPR環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

從圖中可以看出：RPR為逆向雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，外環(huán)（Outer Ring，簡稱0環(huán)）和內(nèi)環(huán)（Inner Ring，簡稱1環(huán)）都傳送數(shù)據(jù)包和控制包，RPR的外環(huán)的傳送方向為順時針方向，內(nèi)環(huán)的傳送方向為逆時針方向。雙環(huán)同時工作，有效地利用所有帶寬。內(nèi)環(huán)的控制包攜帶外環(huán)數(shù)據(jù)包的控制信息，外環(huán)的控制包攜帶內(nèi)環(huán)數(shù)據(jù)包的控制信息，雙環(huán)互為備份和保護(hù)[3]。

3.2 RPR的時隙分配

RPR通過兩根反向光纖組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，RPR節(jié)點數(shù)據(jù)可以在環(huán)上有2個方向到達(dá)另一個節(jié)點。所以每個節(jié)點，都需要在VC4-xv（VC4虛級聯(lián)）級別上，進(jìn)行VC?trunk的綁定。以古蕩節(jié)點為例，將VCtrunk1綁定奇數(shù)VC4-1，3，5，7，9，11，13，15；VCtrunk2綁定偶數(shù)VC4-2，4，6，8，10，12，14，16（見圖4），通過環(huán)上節(jié)點共享VCtrunk通道，實現(xiàn)多點到多點的EVPLAN互聯(lián)。

圖4 VCtrunk綁定（截圖）

3.3 RPR的保護(hù)機(jī)制

RPR支持兩種保護(hù)機(jī)制，Wrapping（環(huán)回倒換）保護(hù)和Steering（源路由倒換）保護(hù)。RPR的兩種保護(hù)各有優(yōu)缺點：Wrapping保護(hù)方式是指當(dāng)環(huán)路上的某個地方發(fā)生故障時，則在故障附近的節(jié)點自動環(huán)回，把內(nèi)環(huán)和外環(huán)連在一起。Wrapping保護(hù)倒換的時間小于50 ms。這種保護(hù)方式的優(yōu)點是保護(hù)速度快、丟失數(shù)據(jù)少，缺點是環(huán)回浪費帶寬；Steering保護(hù)方式是指業(yè)務(wù)不需要從發(fā)生故障的的地方倒換，而是通過拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議生成故障后的新拓?fù)洌垂?jié)點直接按照新的拓?fù)浒l(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點。當(dāng)環(huán)上的節(jié)點數(shù)小于等于16時，Steering保護(hù)倒換的時間小于50 ms。這種保護(hù)方式的優(yōu)點是不浪費帶寬，缺點是當(dāng)組網(wǎng)規(guī)模較大時保護(hù)倒換的速度較慢，并且在新路徑建立之前部分?jǐn)?shù)據(jù)被丟棄[3]。根據(jù)華為OSN設(shè)備同時支持Wrapping和Steering兩種保護(hù)方式特性，決定采取先環(huán)回后源路由的保護(hù)方式。當(dāng)環(huán)路發(fā)生故障時，環(huán)網(wǎng)先采用繞回方式進(jìn)行倒換，保證環(huán)網(wǎng)倒換速度，減少丟包；當(dāng)通過拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議生成故障后的新環(huán)路拓?fù)洌俨捎迷绰酚煞绞剑箻I(yè)務(wù)按照新拓?fù)涞淖罴崖窂桨l(fā)送給目的節(jié)點，減少帶寬的浪費。以桐廬為例（見圖5、圖6）。

可以看出RPR的源路由保護(hù)和環(huán)回倒換，可以提供不同等級的服務(wù)和不同等級的環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能。但是由于RPR和SDH的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)類型、故障狀態(tài)不同，如何將兩種保護(hù)機(jī)制協(xié)調(diào)工作，最大程度提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和有效性方面，還需要繼續(xù)深入研究[3]。

3.4 RPR帶寬的空間重用技術(shù)

RPR是利用雙環(huán)結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有業(yè)務(wù)在目的節(jié)點剝離、空間重用等特點，在傳輸組播和廣播業(yè)務(wù)，環(huán)上只要用一個拷貝分組，便可大大節(jié)約帶寬[4]。

數(shù)字電視主要分為單播、組播和廣播業(yè)務(wù)。單播業(yè)務(wù)主要是用于直播電視，對于網(wǎng)絡(luò)的傳送時延及抖動比較敏感，這部分用點對點傳輸來解決。組播業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)都是點對多點的傳送。主要用于電視輪播和電視點播。為了使交互電視的數(shù)據(jù)流在目的節(jié)點能接收并剝離出來，劃分了VLAN，即將每個站點都劃分了VLAN號，古蕩數(shù)據(jù)中心向每個節(jié)點的VLAN發(fā)送數(shù)據(jù)（見圖7）。每個節(jié)點根據(jù)分配給的VLAN，接收從RPR環(huán)上來的數(shù)據(jù)報，將報文從環(huán)上剝離，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。比如在古蕩數(shù)據(jù)中心向建德的VLAN端口（4046，4047）傳輸數(shù)據(jù)，到了建德后，按建德的VLAN（4046，4047）的數(shù)據(jù)剝離，其余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。到了桐廬，按桐廬的VLAN（4048，4049）的數(shù)據(jù)剝離，其余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（見圖8）。

另外，也可以1個業(yè)務(wù)用1個VLAN號的。如杭州凱旋門向二區(qū)五縣傳送的移動電視業(yè)務(wù)，就是8個節(jié)點共用1個VLAN號。到了目的地，使VLAN為3011的移動電視的數(shù)據(jù)流在目的節(jié)點接收并剝離出來，同時繼續(xù)往下一個站點傳送。

3.5 完善的QoS機(jī)制

RPR可以提供對業(yè)務(wù)的分級服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)可以被劃分為3個業(yè)務(wù)級別：A，B和C。在RPR環(huán)路上，優(yōu)先級A又可以分為A0和A1兩個子類型。優(yōu)先級B也可以分為B_CIR（Committed Information Rate，承諾接入速率）和B_EIR（Excess Information Rate，超額信息速率）兩個子類型[4]。各優(yōu)先級的區(qū)別如表2所示。

表2 RPR業(yè)務(wù)優(yōu)先級劃分

利用RPR環(huán)共享2.5 Gbit/s的特性。首先，從古蕩下傳至各區(qū)縣節(jié)點的交互電視點播業(yè)務(wù)，選擇C類業(yè)務(wù)優(yōu)先級，通過建立VLAN表，進(jìn)行EVPLAN組網(wǎng)；然后，配置從凱旋門下傳到區(qū)縣的移動電視業(yè)務(wù)，采用B類優(yōu)先級，各個區(qū)縣采用相同VLAN號，到目的節(jié)點剝離業(yè)務(wù)，分配的帶寬可回收，承載業(yè)務(wù)繼續(xù)下傳；最后，余杭至蕭山的千兆以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)，為了保障業(yè)務(wù)沒有瞬斷，選擇A類業(yè)務(wù)優(yōu)先級，通過高優(yōu)先級，建立EVPL組網(wǎng)，保證余杭至蕭山連續(xù)性。多種不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)同時在RPR環(huán)上傳輸，實現(xiàn)了用戶共享鏈路帶寬（VCtrunk），在滿足多點到多點的數(shù)字電視點播及數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)的安全傳輸?shù)耐瑫r，又提高了系統(tǒng)投資回報率。

4 結(jié)束語

杭州數(shù)字電視運營商利用RPR技術(shù)建設(shè)的新一代數(shù)字電視多業(yè)務(wù)傳輸平臺。自運行以來，承載著大量的廣播式數(shù)字電視業(yè)務(wù)和數(shù)字電視增值業(yè)務(wù)，二區(qū)五縣用戶使用杭州的CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）服務(wù)器，交互電視點播命中率大大提升。有力推動了杭州二區(qū)五縣的數(shù)字直播電視、交互電視、增值業(yè)務(wù)的開展，滿足了杭州二區(qū)五縣用戶數(shù)量增長、用戶對影片的觀看質(zhì)量、服務(wù)響應(yīng)速度的要求，有效保證杭州地區(qū)數(shù)字電視用戶的發(fā)展計劃得以實現(xiàn)，極大促進(jìn)杭州地區(qū)數(shù)字電視從數(shù)量到質(zhì)量的發(fā)展。

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