关于IP化视频在广电接入网段的带宽保证策略的研究

赵伟

【摘要】在这个三网融合、多屏融合的时代，要想满足未来业务的发展需要，广电网络IP化建设势在必行，而广电双向接入网是承载各种IP业务的管道，直接影响广电的投资方向和投资回报率，因此广电双向接入网必须具备对各类IP业务足够的支撑能力。本文针对不同码率的IP化视频在江苏省广电有线信息网络股份有限公司苏州分公司（下文简称“苏州分公司”）双向接入网段的应用展开分析，研究在CMTS和FTTH两种主流的接入技术场景下的带宽保证策略，提出了接入网在应对不同码率IP化视频时的合理解决方案。

【关键字】IP化视频;接入网;带宽保证;CMTS FTTH

1. IP化视频带宽控制的目标

当前OTT视频泛滥，互联网OTT视频传输对通道能力考虑较少，在有限带宽环境下经常出现画面停滞、断线重传、降质传输等情况，只有无限制提升宽带能力才能尽量避免上述情况的发生。而运营商由于对通道有绝对的掌控能力，视频传输通道可以独立于其他宽带应用单独设置，因此其推广的IP化视频业务质量不以高宽带产品订购为前提，并且可通过对带宽的调度尽量降低传输通道对视频传输质量的影响（如IPTV等）。

苏州分公司自双向网改造以来，坚持采用标准化程度高的“CMTS+CM”接入技术。近几年在“宽带中国”战略下，各大网络运营商加快光纤到户网络建设的步伐，自2018年起苏州分公司已在新建网和农网中启用光纤到户建设，因此目前苏州分公司接入网共有CMTS和FTTH两种接入方式。

综上所述，IP化视频带宽控制的目标是：一方面针对现有Docsis通道和FTTH通道的特性实现稳定的视频流量传输;另一方面通过合理规划通道容量保证尽可能多的用户享用与QAM传输同等视频质量IP化视频。

2. 保证IP化视频传输的难点

当前苏州分公司IP化视频主要分为组播视频业务和点播视频业务，组播视频通常为CBR（恒定码率），传输通道呈现平缓稳定持续的数据流量;点播视频通常为VBR（可变码率），按照码率和播放器缓存大小的不同在传输通道呈现启播阶段集中传输流量和正常播放阶段持续分片流量的特点。

图1为机顶盒芒果专区点播IP视频流截图，图中可看出在启播阶段约36秒时长中客户端持续向服务器申请TS流文件填充播放器缓存，峰值流量30Mbps与芒果3Mbps码率和约10秒分片文件传输大小基本一致。

图2为机顶盒央视专区点播16M的IP视频流截图，图中可看出在启播阶段约12秒时长中客户端持续向服务器申请TS流文件填充播放器缓存，由于机顶盒百兆网口限制了通道最大带宽为100Mbps，所以流量图形显示为类似削波状流量图。

启播阶段结束后HLS模式下各终端时间上呈现离散请求分片文件的特性，因此只要传输通道能够承载启播阶段的视频传输，在通道稳定的基础上也可以承载后续正常视频分片文件传输的需求。

通过上述分析，IP化视频内网传输控制的难点有：

（1） 启播阶段如何通过通道调度实现尽可能高的用户并发承载？

（2） 如何制定合理的通道策略以保证IP化视频流量不受其他IP应用的干扰？

（3） Docsis3.0模式下负载均衡策略。

3. 启播阶段的高用户并发承载

苏州市公司当前有FTTH和CMTS两种接入网络，其中FTTH采用EPON，单PON口有效带宽950Mbps，按照1：32的接入方式，单PON口只接入32户，带宽较为充裕;CMTS单下行口通道容量与可用通道数有关，且覆盖约1600户，按入户率0.5、渗透率1、并发率0.1计算至少需要支持80户用户并发点播。因此承载力分析的重点为CMTS网络的承载。

（1） CMTS网络高用户并发承载通道容量分析

当前主要IP化视频码率如下表;

HLS系统实质是TS文件的HTTP请求和下载，一般OTT视频按照10S进行分片，播放器一般要求至少收到3个分片文件开始播放，因此TS分片文件的大小、启播时间要求、服务器和宽带通道承载能力共同影响了IP化视频的体验。

一般OTT视频启播时间在5～10s，较长的启播时间影响用户的观看体验，由于是内网IP视频，因此我们将启播时间设定为5s进行分析。

下表为10s切片和5s切片对带宽的要求

按照不同视频规格并发占比计算通道容量如下表;

根据上述分析10s切片需要59个通道才能滿足并发要求，5s切片只需要29个通道即可满足要求。

综上所述，IP化视频启播时间按5秒设定，视频分片应不大于5秒，CMTS通道配置约29个，即可基本满足IP化视频传输需求。

（2） 2.0CM在2.0CMTS下的承载策略

苏州分公司当前大量存在CM2.0终端，在CMTS3.0环境下2.0终端无法实现多通道数据流调度能力，降低了通道使用率。

根据上述分析，标清码率需要不低于9Mbps，高清码率需要不低于18Mbps，4K超高清码率需要不低于48Mbps，其中4K点播业务2.0CM无法承载。根据终端能力不同，我们计算单通道50Mbps下最大并发承载如下表;

3.0终端使用能力 单通道50M并发承载终端数

可以看出如果高清点播业务限定3.0CM承载可有效提高单通道承载能力，3.0CM下行绑定通道数越多越能发挥通道调度优势。

泊松公式主要针对小概率、相互独立、具有稳定特性的事件进行概率分析。我们利用泊松分布公式计算在4通道、8通道、16通道、24通道和32通道下发生拥塞的概率（当前苏州分公司的点播行为满足泊松分布小概率、相互独立和用户点播行为具有惯性稳定的三个特点），我们得到如下表数据：

从上表可看出若高清用3.0CM承载，只需要24通道;若高清用2.0CM承载，需要使用32通道，仍有18.56%发生拥塞。所以从网络的角度建议2.0CM支撑在标清点播业务。

（3） FTTH网络

苏州分公司目前在FTTH建设中采用EPON技术，现网OLT设备的业务板卡既有1G EPON板卡，也有10G EPON业务板卡。1G EPON板卡单PON口带宽为1.25Gbps，有效带宽950Mbps。

按照苏州分公司FTTH规划，1G EPON板卡单PON口接入32户。按IP点播互动并发率10%计算，即使全部按16Mbps的4K超高清点播，并发流量大约在640Mbps，因此FTTH网络可以完全支撑IP化视频点播。

4. 不受影响的IP化视频通道

当前双向接入网通道中流量主要包括：IP化视频流量，互联网宽带流量、互动信令流量等，未来可能会有家庭智慧类业务流量加入，上述流量中互联网宽带流量具有数据量大、突发性强的特点，其他业务流量基本属于低流量业务。

不论在在FTTH網中还是在Docsis网中，一是对IP化视频通道不做限速处理;二是设置IP化视频通道优先级都高于普通宽带业务的优先级。如此可基本保证IP化视频业务不受其他业务流量影响。

5. Docsis3.0的负载均衡策略

由于2.0CM在Docsis3.0头端下呈现通道间流量不均衡，需要启用均衡策略保证通道的最大承载能力，当前的均衡策略是CMTS每30秒进行负载均衡监测，通道流量之间相差10%启动信道搬移进行负载均衡，以尽量平衡通道流量。

综上所述，针对采用FTTH和CMTS接入技术的双向接入网，在承载不同码率的IP化视频时，建议注意以下几点：

· IP化视频分片限制在5s以内;

· 播放器启播时间至少需要5秒;

· 高清IP点播业务限定用3.0CM承载;

· 应尽量规划32以上通道用于Docsis3.0下行使用。

6. 总结

基于上述内容，主要对苏州分公司双向接入网中CMTS和FTTH两种接入技术下在承载IP化视频时带宽保证策略做了研究，并提出解决方案。广电双向接入网除本文提出的两种接入技术外，还有EOC、C-Docsis等多种接入技术，也可依据本文的测算方式进行保证带宽测算。通过本文对接入网带宽保证策略的研究，为其他广电网络公司在接入网段承载IP化视频时提供了一定的借鉴。