超高清產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展帶來的家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變革

郭春華

Abstract：2019年在廣州市舉辦的“世界超高清視頻（4K/8K）產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會”上，我國向世界展出了帶有中國特色的超高清視頻成果，超高清視頻產(chǎn)業(yè)一躍成為通信領(lǐng)域的新貴。而今超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其內(nèi)涵不再是國際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)的信息顯示“4K分辨率（3840X2160）”的正式名稱，而已然形成硬件產(chǎn)品不斷突破、交互資源逐步豐富的市場鏈條化產(chǎn)業(yè)體系。在互聯(lián)網(wǎng)極速發(fā)展的今天，視頻消費(fèi)已成為我國社會生活的核心需求。這使得下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）已經(jīng)脫離了純技術(shù)驅(qū)動的模式，正在走向技術(shù)與業(yè)務(wù)結(jié)合和互動的新模式【1】。網(wǎng)絡(luò)視頻的用戶滲透率已達(dá)到了79.1%，為了滿足用戶更高質(zhì)量和更強(qiáng)體驗(yàn)的需求，超高清視頻點(diǎn)播的內(nèi)容被深度加工，同時(shí)這也增添了家庭網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，從接入端到終端的硬件水平和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出了新的要求，這勢必給現(xiàn)代家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶來全新的變革。

一、相關(guān)資料

2012年LG推出了全球首款84寸超高清屏幕，高清畫質(zhì)的硬屏4K電視標(biāo)志著4K影音時(shí)代的到來【2】。緊接著HDR圖像處理技術(shù)的橫空問世，增加了原彩電視的亮度，使電視播放的內(nèi)容可以更清晰和真實(shí)，這樣的視覺技術(shù)使視頻用戶更容易接受，更熱衷享受，也更增添感受。這使得視頻用戶更親近4K/UHD圖像畫質(zhì)，而疏遠(yuǎn)了傳統(tǒng)的SD和HD畫質(zhì)。最近幾年，國內(nèi)超高清產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，央視總臺共計(jì)完成超過4000小時(shí)的節(jié)目制作，以廣東省為首的地方衛(wèi)視4K節(jié)目累計(jì)播放時(shí)長超過30000小時(shí)，全國高清和超高清有線電視實(shí)際用戶數(shù)突破1億人次【3】。同時(shí)，全國4K超高清電視滲透率也自2015開始持續(xù)走高，這使得曾經(jīng)被束之高閣的4K/8K樣機(jī)成為了如今家庭娛樂休閑的必備產(chǎn)品。

Virtual Reality，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)是通信技術(shù)的新興領(lǐng)域，能通過360°全景視頻給予視頻用戶全新的沉浸式體驗(yàn)【4】。VR技術(shù)具有沉浸性，交互性，多感知性，構(gòu)想性，自主性的特點(diǎn)，VR視頻用戶在使用時(shí)會十分容易接受虛擬中的現(xiàn)實(shí)，從資料顯示，VR技術(shù)發(fā)展至今，VR設(shè)備在市場上熱銷的產(chǎn)品有三種，分別是移動端頭顯設(shè)備，外接式頭顯設(shè)備，以及一體化式頭顯設(shè)備【5】。后疫情時(shí)代的引領(lǐng)下，非接觸式娛樂逐漸成為主流，2020年統(tǒng)計(jì)VR市場收入達(dá)到1500億美元，預(yù)計(jì)到2025年VR頭顯設(shè)備銷量會達(dá)到5億臺，VR的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涵蓋了教育，醫(yī)療，辦公，旅行，娛樂等生活場景，而VR在居家娛樂的比例逐年提升，隨著技術(shù)的再次革新，VR勢必將成為IPTV重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)的MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)在17.5Mbps的碼率下，圖像質(zhì)量性價(jià)比比較高，而IPTV普遍采用H.264視頻編碼協(xié)議，一個(gè)高清節(jié)目的組播碼率一般可以控制在8～12Mbps【6】，這樣相比傳統(tǒng)的IPQAM傳輸?shù)腡S流一個(gè)頻點(diǎn)大約38Mbps可以有效的節(jié)省碼率開銷，更有利于提高視頻質(zhì)量。這也是數(shù)字電視從射頻向網(wǎng)絡(luò)組播轉(zhuǎn)變的重要過程，在這個(gè)過程中，視頻用戶能更清晰的感受到影像技術(shù)視頻編碼（解碼）技術(shù)發(fā)揮的作用，為了壓縮后解碼的損失率可以降低，甚至可以考慮H.265/HEVC提供更多不同的工具來降低碼率【7】。

由于現(xiàn)代光纖技術(shù)的普及化，使FTTH真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)無源化，這使得上層設(shè)備對視頻用戶的影響幾乎降到最低，直接影響用戶體驗(yàn)的是用戶的家庭網(wǎng)絡(luò)。外部環(huán)境和上層設(shè)備固定的條件下，家庭網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化主要集中在物理拓?fù)涞暮侠砘锢礞溌返恼{(diào)優(yōu)化，及終端設(shè)備的軟、硬件系統(tǒng)的更新?lián)Q代上。

二、兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的探討

單跳網(wǎng)絡(luò)：在家庭網(wǎng)絡(luò)中，最常見的就是單跳網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)或者多個(gè)AP形成的組網(wǎng)。在中小戶型中，一個(gè)AP可以覆蓋大多數(shù)區(qū)域，對于大戶型，則需要AC+多AP的組網(wǎng)方式，進(jìn)行全屋網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其優(yōu)點(diǎn)是單點(diǎn)路徑穩(wěn)定，只要入戶信號沒有問題，就可以持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)也很明顯就是單一AP的覆蓋范圍和傳輸通道會使得網(wǎng)絡(luò)有很明顯的局限性，AC+多AP的組網(wǎng)則成本較高，無法做到普及。

多跳網(wǎng)絡(luò)：家庭網(wǎng)絡(luò)中另一種拓?fù)涫腔诙帱c(diǎn)Mesh的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其采用網(wǎng)狀Mesh結(jié)構(gòu)，是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)洌粋€(gè)節(jié)點(diǎn)不僅能傳送和接收信息，還能充當(dāng)路由器對其附近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，隨著更多節(jié)點(diǎn)的相互連接和可能的路徑數(shù)量的增加，總的帶寬也大大增加。只是現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜程度決定了無線多跳結(jié)構(gòu)在家庭網(wǎng)絡(luò)中的尷尬境地。其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單方便，易操作;缺點(diǎn)也很明顯，那就是中低端產(chǎn)品的單點(diǎn)覆蓋率和無線穩(wěn)定性不足，這樣會大大降低無線Mesh的回程吞吐量，即使用有線回程方式帶動，在組網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量上也會被限制，如果采用高端的無線Mesh組網(wǎng)，成本會更大。

三、主流家庭布線的對比分析

家庭網(wǎng)絡(luò)的布線中，若只考慮快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的話，CAT5E是成本最低的方案，與CAT5相比其理論傳播速度能達(dá)到1000Mbps，它的近端串音、衰減串?dāng)_比和回波損耗等指標(biāo)都比CAT5有很大的提高。并且滿足低綜合近端串?dāng)_的要求，有足夠的性能余量，在100MH的頻率下運(yùn)行時(shí)，為應(yīng)用系統(tǒng)提供8dB近端串?dāng)_的余量， 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備受到的干擾只有CAT 5電纜的1/4，使應(yīng)用系統(tǒng)具有更強(qiáng)的獨(dú)立性和可靠性【8】。

CAT 6雙絞電纜的傳輸頻率為1～250MHz，在200MHz時(shí)綜合衰減串?dāng)_比（ PS-ACR ）有較大的余量， 它提供2倍于CAT5e電纜的帶寬。 CAT 6電纜的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超五類標(biāo)準(zhǔn)，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應(yīng)用。可以很直觀的發(fā)現(xiàn)，CAT6的性能要比CAT5E強(qiáng)很多，從傳輸穩(wěn)定性到傳輸帶寬冗余再到傳輸頻率都有成倍的增長，綜合性價(jià)比應(yīng)該是最高的。

四、終端設(shè)備的選比

考慮到視頻用戶對于超高清產(chǎn)品的流暢度的需求，家庭組網(wǎng)的最小帶寬應(yīng)該不低于100Mbps。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)方式是以運(yùn)營商提供的最大網(wǎng)速為基礎(chǔ)為用戶提供傳輸通道，在網(wǎng)速充足的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)壓力小，各終端或者應(yīng)用程序都可以有效工作，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)壓力大，產(chǎn)生局部通道擁塞時(shí)，無法有效釋放網(wǎng)絡(luò)壓力，只能重啟設(shè)備重新分配。過去的研究中有關(guān)利用SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的方式，利用隊(duì)列和優(yōu)先級的方式提升網(wǎng)絡(luò)QoS（服務(wù)質(zhì)量）【10】。基于此，不妨再做一種假設(shè)，把一個(gè)固定帶寬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，除去超高清視頻任務(wù)，再分為兩類，一類是網(wǎng)頁，一類是應(yīng)用。由于超高清視頻所占用帶寬比例最大，則可以分發(fā)60%～80%的帶寬，網(wǎng)頁類所需帶寬資源比較低，可以分發(fā)5%～10%的帶寬，剩下分發(fā)到應(yīng)用類，即按固定比例分發(fā)網(wǎng)絡(luò)方式可以有效減少隊(duì)列的計(jì)算時(shí)間，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效率。

五、結(jié)語

我國超高清產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，給家庭網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的STB在硬件上需要優(yōu)化，至少能支持到8K分辨率解碼，才能實(shí)現(xiàn)家庭VR體驗(yàn)，本就稀缺的芯片市場如何能大量供應(yīng)更高端的市場需求，是一個(gè)嚴(yán)肅而深遠(yuǎn)的課題。家庭網(wǎng)絡(luò)布線以CAT6甚至CAT6E類雙絞電纜為主流，局端交換設(shè)備以有線Mesh或者多單點(diǎn)AP覆蓋為常規(guī)布局，各種技術(shù)的成熟會使得家庭網(wǎng)絡(luò)的局限性降低，自由度提升，以SDN為基礎(chǔ)的軟件網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化還會出現(xiàn)更多智能化方案，隨著超高清產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系完善建立、行業(yè)應(yīng)用加快落使用戶能跳脫出清晰度的格柵，在EPG中加入更豐富的交互式項(xiàng)目，旨在為視頻用戶帶來更多的娛樂選擇和更真實(shí)的沉浸體驗(yàn)。