4K業務對IP城域網建設的影響

許化棟 山東省郵電規劃設計院有限公司規劃研究院副院長，高級工程師

1 引言

4K的名稱得自其橫向分辨率約為4000像素，標準的4K分辨率為4096×2160的像素分辨率，其像素總數能夠達到高清分辨率1920×1080的4倍，畫質比人眼分辨率極限PPI高了近2倍。

根據ITU-RBT.2020建議，將屏幕的物理分辨率達到3840×2160（4K×2K）及以上的電視稱之為UHDTV（UltraHighDefinitionTelevision，超高清電視），即4K電視。另外，結合分辨率、幀率、量化精度、壓縮算法等發展不同，4K可分為偽準4K、真4K、極致4K（也為入門級4K、運營商級4K、極致4K）。

4K能給用戶帶來更清晰、更鮮艷、更流暢的視聽盛宴，其對承載網具有高帶寬、低時延和低丟包率的要求，電信運營商如何實現4K業務的承載是各大電信運營商面臨的主要問題，本文將探討4K業務對IP城域網的影響及面向4K業務承載的IP城域網優化建設策略。

2 4K業務產業鏈發展

4K業務產業鏈主要包括內容、終端和業務3方面。

（1）內容方面

4K內容制作包括了節目攝制和后期制作。4K節目攝制已經非常成熟，但后期制作由于采集、轉碼、剪輯、監看等均需支持4K的硬件來實現且需要處理和存儲的數據量顯著增長，故制作成本較高、制作能力建設發展較慢，但國內有線電視運營商和OTT廠商為搶占市場先機，已逐步引入和擴容4K后期制作系統和能力。

（2）終端方面

國內4K電視機2013年上市，2014年國內主要的各大電視廠商均已推出4K終端，價格已逼近了普通LED電視的“價格防線”；另外，由于4K超高清電視可以向下兼容1080P的片源（沒有4K的片源，在播放1080P視頻的時候，由于失真率低，也能模擬出4K的效果，清晰度比全高清狀態下要高出2～3倍左右），是否支持4K業務已是消費者選擇電視的重要影響因素，保守估計2015年將銷售1500萬臺4K電視終端。

（3）業務方面

2014年7月18日，江蘇有線率先成為國內第一家可提供高品質超高清直播、點播業務的廣電網絡公司；2014年12月26日，四川電信面向社會公眾宣布其4K超高清業務全球首發上市，正式啟動了國內4K業務的序幕。

總體來說，4K內容、終端和業務發展迅速，產業鏈已經基本成熟。

3 4K業務承載需求

根據RameshSitaraman總結的“2s法則”（如果視頻加載時間、快進快退時間超過2s，用戶會選擇關閉視頻節目；加載時間每增加1s，會增加6%的關閉率；如果觀看過程中出現卡頓，會有35.2%的用戶放棄觀看，每增加1s意味著6%的用戶放棄），4K用戶體驗的KQI（Key QualityIndex，關鍵質量指標）主要包括首次點播加載時間、快進快退時間和卡頓率，而對4K承載需求方面，物理帶寬是基礎，丟包、時延是影響體驗的關鍵因素。

根據理論算法，4K業務平均碼率=分辨率×每像素bit位×幀率/壓縮比/1024/1024（Mbit/s），結合各階段幀率、量化精度bits和壓縮算法（見表1），可推算出準4K平均比特率為15～20Mbit/s、真4K平均比特率為30～40Mbit/s、極致4K平均比特率為50～100Mbit/s。

表1 4K業務平臺比特率

針對視頻點播，根據TCP吞吐量理論，在一定的吞吐量條件下，丟包率和雙向時延相關（TCPThrouput<=minBW，WindowSize/RTT，MSS/RTT/） ，（RTT：Roundtrip Time delay，p：Packte Loss Rate，BW：Max.Bandwidth）；結合華為等試驗結果，真4K帶寬門限45Mbit/s、雙向時延門限35ms、真4K丟包率門限5×10-5；針對直播TV，根據基于UDP協議，花屏現象主要由丟包率引起，根據DSL Forum Technical Report TR-126，4K視頻直播花屏極限5.6×10-7。結合上述理論、數據和試驗結果，4K業務承載需求參見表2。

表2 4K業務承載需求

普通IPTV電視和視頻點播，如承載1080P視頻會議時要求：時延<50ms、丟包率<1/1000、帶寬要求>8Mbit/s（如僅標清電視直播、點播，要求：時延<1s、丟包率<1/1000、帶寬要求>2Mbit/s），相比較而言，4K業務承載時延、抖動、丟包率要求較高。當前的IP城域網需通過合理規劃、評估和優化，可提供滿足4K業務承載的QoS保證。

4 4K業務承載架構

4K業務平臺同IPTV業務平臺，其由內容提供方通過集成播控系統注入至IPTV省中心平臺，然后由區域中心節點、邊緣節點（用戶規模較小時初期可不建設）逐級實現業務推送與存儲，最終通過寬帶接入網分發到用戶，4K業務網絡承載架構見圖1。

根據城域網發展建設思路，電信運營商將城域網建成為綜合業務承載網，實現上網、電話、語音等業務的綜合承載，4K業務區域中心建設在城域網核心層設備側，邊緣節點建設在業務控制層節點SR或者MSE（Multi Service Edge，多業務邊緣路由器）設備側、且一般采用IPoE認證方式。

5 4K業務對IP城域網建設影響

進行4K業務部署，對城域網建設和影響主要包含如以下方面：設備是否需要升級、帶寬是否需要擴容、組播如何實現、QoS如何部署。

5.1 網絡設備與帶寬

為測算4K業務對網絡設備與帶寬需求影響，對城域網內發展4K業務進行建模，業務模型參見表3。

按照業務模型對業務控制點至核心路由器折合需求10G端口數、業務控制點設備折合需求10G端口總數等進行測算，得出網絡核心層、業務控制層設備及寬帶接入網影響與要求如下：

●核心層設備

由于核心層設備至業務控制點設備需由2×10GE或n×GE提升為2×10GE，核心路由器端口需求增至4倍，當用戶發展至一定規模或者希望核心路由器設備利用率較高時，建議核心路由器由原100G平臺設備升級400G平臺設備（見表4）。

●業務控制層

設備端口方面，由于4K業務每用戶帶寬需求較大，故承載6萬寬帶的業務控制點，當4K業務滲透率達到20%時，業務控制層設備需折合22個10G端口，當前40G平臺業務控制層設備整體利用率接近70%；當4K業務滲透率達到30%時，業務控制層設備需折合不小于32個10G端口，承載4K業務設備利用率達到100%及以上，故隨著4K業務和用戶的發展，當4K業務滲透率較高時，業務控制層設備需由原40G平臺設備需升級為100G平臺設備（見表5）。功能部署需求方面，如要實現4K業務的精確時長、流量等計費方式，需業務控制層設備支持Session級IPoE認證，但目前部分城域網業務控制層設備不支持Session級IPoE認證，故初期階段4K業務可先按照非Session級IPoE方式進行認證，但建議新增業務控制層設備需支持Session級IPoE認證，實現4K業務逐步由非Session級IPoE方式向Session級IPoE方式認證演進。

圖1 4K業務網絡承載架構圖

表3 4K業務模型

由于用戶接入帶寬需40～100M，故用戶接入方式將以FTTH、10GPON為主，規劃設計時應根據場景統籌規劃，確保用戶可獲得帶寬能力不小于100M，實現網絡平滑演進與升級，規避投資浪費；同時，結合網絡組播復制點的設置，測算并擴容大二層匯聚交換機、OLT的上下行帶寬，確保構建相對無阻塞的2層寬帶接入網。

5.2 組播實現

為減少直播對帶寬壓力，城域網內建議開啟組播功能。其中，城域網與骨干網跨域組播建議通過MSDP＋MPBGP協議實現，在城域網內部RP和骨干網的RP之間能夠形成MSDPSession并依此發現組播源，采用MPBGP完成流量轉發。城域網內部，建議部署專用的路由器作為RP，負責本區域內的組播源的注冊和控制，同時負責組播源的合法性檢查，拒絕接收未經授權的組播源的注冊報文。RP之間內部部署MSDP會話連接，運行AnycastRP，實現互為備份和負載均衡，增加可靠性和安全性。寬帶接入網層面，結合接入層設備的具體支持情況，選擇開啟IGMPSnooping或IGMPProxy協議，且盡量選擇在接入層設備開啟IGMPProxy，以減輕SR的壓力。由于當前寬帶接入網部分設備不支持IGMPProxy，此時可根據網絡設備具體情況適當上移IGMPProxy設備位置，初期組播復制點可設置在SR上，但應隨著寬帶接入網改造逐步下移到大二層、OLT或園區交換機設備上。

表4 4K業務時業務控制點到核心中由器折合需求10G端口數

表5 4K業務時業務控制點設備折合需求10G端口總數

5.3 QoS部署

為確保4K業務質量，城域網需進行QoS部署。考慮到QoS部署的可行性和可擴展性，結合現網已部署QoS策略，建議3層網絡仍采用DSCP（Differentiated ServicesCodePoint，差分服務代碼點）QoS標識，2層的寬帶接入網根據VLANID識別各類應用，使用802.1q的CoS字段，進行業務分類標記。

6 面向4K業務承載的IP城域網優化建設策略

運營商擬在城域網發展4K業務時，需首先確定用戶發展區域和規模，據此進行評估和測算，確定對IP城域網影響與要求。

評估城域網是否適合開展4K業務時，寬帶接入網現有接入能力和快速改造能力是基礎、關鍵，寬帶接入網能快速實現40～100M接入高帶寬能力、低時延和丟包率是發展4K業務的基礎保障。

確定IP城域網優化建設內容時，建議優先進行核心層、業務控制層及大二層匯聚設備的硬件升級與擴容、鏈路帶寬的優化，適度提前引入400G核心層設備、100G業務控制層設備；針對寬帶接入網進行優化時，建議結合擬發展用戶區域，成網格、片區地進行寬帶接入網規模改造、并在其中進行營銷與宣傳。

為了更好地保障4K業務用戶體驗和普及，城域網還需進行相應地配套營運能力的建設：城域網內應建設動態評估網絡的能力，確保能分析出擬開通業務用戶網絡是否具備相應承載能力、影響用戶4K業務KQI的因素及故障點位置，并能保障套餐用戶帶寬的快速動態提速、故障消除能力；同時，建議實時引入高通量路由器（HighThroughputRouter，HTR），打造端到端高通量網絡，最大化資源利用率。

7 結束語

本文對4K業務和產業鏈發展進行了闡述，并結合4K業務承載架構，給出了4K業務對IP城域網在網絡設備升級、中繼帶寬擴容、業務認證支持、組播實現和QoS部署等方面的建設影響，同時給出引入4K業務部署、發展及網絡建設策略。當然，4K業務的引入和IP城域網的建設，還需具體對市場業務需求、技術與設備的發展、建設成本、現網投資保護、網絡平滑演進、網管及運維流程等進行統籌分析與考慮。