超高清产业加速发展带来的家庭网络环境变革

郭春华

Abstract：2019年在广州市举办的“世界超高清视频（4K/8K）产业发展大会”上，我国向世界展出了带有中国特色的超高清视频成果，超高清视频产业一跃成为通信领域的新贵。而今超高清视频产业发展迅速，其内涵不再是国际电信联盟批准的信息显示“4K分辨率（3840X2160）”的正式名称，而已然形成硬件产品不断突破、交互资源逐步丰富的市场链条化产业体系。在互联网极速发展的今天，视频消费已成为我国社会生活的核心需求。这使得下一代网络（NGN）已经脱离了纯技术驱动的模式，正在走向技术与业务结合和互动的新模式【1】。网络视频的用户渗透率已达到了79.1%，为了满足用户更高质量和更强体验的需求，超高清视频点播的内容被深度加工，同时这也增添了家庭网络的负担，从接入端到终端的硬件水平和拓扑结构被提出了新的要求，这势必给现代家庭网络环境带来全新的变革。

一、相关资料

2012年LG推出了全球首款84寸超高清屏幕，高清画质的硬屏4K电视标志着4K影音时代的到来【2】。紧接着HDR图像处理技术的横空问世，增加了原彩电视的亮度，使电视播放的内容可以更清晰和真实，这样的视觉技术使视频用户更容易接受，更热衷享受，也更增添感受。这使得视频用户更亲近4K/UHD图像画质，而疏远了传统的SD和HD画质。最近几年，国内超高清产业迅速发展，央视总台共计完成超过4000小时的节目制作，以广东省为首的地方卫视4K节目累计播放时长超过30000小时，全国高清和超高清有线电视实际用户数突破1亿人次【3】。同时，全国4K超高清电视渗透率也自2015开始持续走高，这使得曾经被束之高阁的4K/8K样机成为了如今家庭娱乐休闲的必备产品。

Virtual Reality，VR（虚拟现实）技术是通信技术的新兴领域，能通过360°全景视频给予视频用户全新的沉浸式体验【4】。VR技术具有沉浸性，交互性，多感知性，构想性，自主性的特点，VR视频用户在使用时会十分容易接受虚拟中的现实，从资料显示，VR技术发展至今，VR设备在市场上热销的产品有三种，分别是移动端头显设备，外接式头显设备，以及一体化式头显设备【5】。后疫情时代的引领下，非接触式娱乐逐渐成为主流，2020年统计VR市场收入达到1500亿美元，预计到2025年VR头显设备销量会达到5亿台，VR的应用领域几乎涵盖了教育，医疗，办公，旅行，娱乐等生活场景，而VR在居家娱乐的比例逐年提升，随着技术的再次革新，VR势必将成为IPTV重点攻关的技术难题。

传统的MPEG-2压缩标准在17.5Mbps的码率下，图像质量性价比比较高，而IPTV普遍采用H.264视频编码协议，一个高清节目的组播码率一般可以控制在8～12Mbps【6】，这样相比传统的IPQAM传输的TS流一个频点大约38Mbps可以有效的节省码率开销，更有利于提高视频质量。这也是数字电视从射频向网络组播转变的重要过程，在这个过程中，视频用户能更清晰的感受到影像技术视频编码（解码）技术发挥的作用，为了压缩后解码的损失率可以降低，甚至可以考虑H.265/HEVC提供更多不同的工具来降低码率【7】。

由于现代光纤技术的普及化，使FTTH真正实现了网络无源化，这使得上层设备对视频用户的影响几乎降到最低，直接影响用户体验的是用户的家庭网络。外部环境和上层设备固定的条件下，家庭网络的优化主要集中在物理拓扑的合理化，物理链路的调优化，及终端设备的软、硬件系统的更新换代上。

二、两种网络拓扑结构的探讨

单跳网络：在家庭网络中，最常见的就是单跳网络，由一个或者多个AP形成的组网。在中小户型中，一个AP可以覆盖大多数区域，对于大户型，则需要AC+多AP的组网方式，进行全屋网络覆盖，其优点是单点路径稳定，只要入户信号没有问题，就可以持续传输数据，缺点也很明显就是单一AP的覆盖范围和传输通道会使得网络有很明显的局限性，AC+多AP的组网则成本较高，无法做到普及。

多跳网络：家庭网络中另一种拓扑是基于多点Mesh的组网结构，其采用网状Mesh结构，是一种多点到多点的拓扑，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。只是现实中的复杂程度决定了无线多跳结构在家庭网络中的尴尬境地。其优点是安装简单方便，易操作;缺点也很明显，那就是中低端产品的单点覆盖率和无线稳定性不足，这样会大大降低无线Mesh的回程吞吐量，即使用有线回程方式带动，在组网的设备数量上也会被限制，如果采用高端的无线Mesh组网，成本会更大。

三、主流家庭布线的对比分析

家庭网络的布线中，若只考虑快速以太网和千兆以太网的话，CAT5E是成本最低的方案，与CAT5相比其理论传播速度能达到1000Mbps，它的近端串音、衰减串扰比和回波损耗等指标都比CAT5有很大的提高。并且满足低综合近端串扰的要求，有足够的性能余量，在100MH的频率下运行时，为应用系统提供8dB近端串扰的余量， 应用系统设备受到的干扰只有CAT 5电缆的1/4，使应用系统具有更强的独立性和可靠性【8】。

CAT 6双绞电缆的传输频率为1～250MHz，在200MHz时综合衰减串扰比（ PS-ACR ）有较大的余量， 它提供2倍于CAT5e电缆的带宽。 CAT 6电缆的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。可以很直观的发现，CAT6的性能要比CAT5E强很多，从传输稳定性到传输带宽冗余再到传输频率都有成倍的增长，综合性价比应该是最高的。

四、终端设备的选比

考虑到視频用户对于超高清产品的流畅度的需求，家庭组网的最小带宽应该不低于100Mbps。传统的网络分发方式是以运营商提供的最大网速为基础为用户提供传输通道，在网速充足的时候，网络压力小，各终端或者应用程序都可以有效工作，但是当网络压力大，产生局部通道拥塞时，无法有效释放网络压力，只能重启设备重新分配。过去的研究中有关利用SDN（软件定义网络）技术优化网络的方式，利用队列和优先级的方式提升网络QoS（服务质量）【10】。基于此，不妨再做一种假设，把一个固定带宽的网络实体，除去超高清视频任务，再分为两类，一类是网页，一类是应用。由于超高清视频所占用带宽比例最大，则可以分发60%～80%的带宽，网页类所需带宽资源比较低，可以分发5%～10%的带宽，剩下分发到应用类，即按固定比例分发网络方式可以有效减少队列的计算时间，进一步提升网络应用效率。

五、结语

我国超高清产业的日益发展，给家庭网络提出了更高的要求，传统的STB在硬件上需要优化，至少能支持到8K分辨率解码，才能实现家庭VR体验，本就稀缺的芯片市场如何能大量供应更高端的市场需求，是一个严肃而深远的课题。家庭网络布线以CAT6甚至CAT6E类双绞电缆为主流，局端交换设备以有线Mesh或者多单点AP覆盖为常规布局，各种技术的成熟会使得家庭网络的局限性降低，自由度提升，以SDN为基础的软件网络优化还会出现更多智能化方案，随着超高清产业标准体系完善建立、行业应用加快落使用户能跳脱出清晰度的格栅，在EPG中加入更丰富的交互式项目，旨在为视频用户带来更多的娱乐选择和更真实的沉浸体验。