IPTV承载网相关问题及解决方案

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  [摘要]阐述IPTV系统的需求分析、相关技术,总结实践过程中,IPTV对承载网的要求及优化建议。
  [关键词]IPTV 承载网 骨干网 城域网 接入网Qos 组播 ADSL FTTX GPON
  中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)0710041-02
  随着宽带接入的发展,用户不再满足简单的Internet上网,对通过Internet提供更多的宽带增值业务已显得越来越迫切。 近来,一个新兴的热点--IPTV正在吸引着越来越多的目光。开展IPTV业务,能以简单的方式为运营商带来宽带用户的大幅度增长。为了迎接这一变革时代的到来,运营商应着眼长远,把握时机,建设面向IPTV等下一代网络应用的承载网。
  
  一、IPTV业务对承载网提出了新的要求
  
  IPTV承载的最主要内容包括视频点播(VOD)和电视频道(TV)节目。为了保证IPTV的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当,IPTV承载网要求能在带宽、频道切换时延、网络QoS等方面提供保证。
  
  (一)用户接入带宽
  如果为用户提供DVD效果的IPTV业务,利用现有广泛使用的编码技术,用户至少需要3~4Mbit/s(使用MPEG-2编码)或2Mbit/s(使用MPEG-4或更高压缩率的编码)的下行接入带宽。
  
  (二)IP网络对组播技术的支持
  有线电视网的频道切换非常快,IPTV也应尽量减少端到端的时延,据IPTV用户调查,用户可接受1s的TV频道切换时间及10s以下的VOD切换时间。为了保证IPTV用户在不同频道之间的切换具有和普通电视切换相同的性能,IPTV业务的广泛部署至少要求DSLAM设备支持IP组播技术。根据IPTV不同的部署策略以及节约城域网带宽的考虑,核心网、城域网必须支持IP组播技术。
  
  (三)网络QoS
  丢包、抖动等都会严重影响IPTV的收看质量,会让用户觉得IPTV比不上有线电视。在IPTV业务中,网络服务质量的保证一方面通过IP组播+核心网(CDN)的方式来实现,另一方面就要通过现在普遍使用的区分服务、流量工程等技术来实现。
  为了保证用户连续、不中断地收看视频节目,需要保证网络传送的可靠性,在出现故障的情况下,应在<1s的时间内进行恢复,对可视电话来说,故障恢复时间应<50ms。在BTV业务中,为了获得与传统电视一样的用户体验,在节目切换时,获得新的节目的时间应<2s。
  
  二、现有承载网存在的问题
  
  IPTV承载网必须为IPTV业务的运营提供强大的网络支撑,如内容的分发等。因此,承载网的好坏直接影响到业务本身及其QoS。目前,宽带IP承载网络技术还存在许多不足之处,主要表现在以下几方面:
  
  (一)网络架构不合理、带宽不足
  现有宽带网络大多是集中式外挂BAS的网络架构,单个BAS需要集中处理几千乃至几万用户的业务流,同时接入层DSLAM或LANSwitch均采用多级汇聚,带宽收敛比很大,每用户实际平均带宽仅100k左右,与IPTV所需的兆(Mbps)级带宽差距较大。
  
  (二)无法支持全程全网组播
  由于历史原因,现有城域网L2、L3、路由器组播能力参差不齐,无法全程全网支持组播。虽然单播方式也可提供直播电视服务,但视频服务器、网络设备将不堪重负,网络扩容跟不上用户的发展,导致网络拥塞、服务质量下降。同时,国内电信宽带接入主要采用ADSL技术,受线路质量及DSLAM设备的影响,该技术存在以下缺点:速率低,有选线率问题;有效传输距离短;丢包率高,QoS无法保证;安全性差;ADSL对组播功能支持有限,大多数只支持IPv4协议的路由器,不支持组播。
  
  (三)缺乏端到端的QoS保证
  早期的城域网设备在DiffServ、802.1P等QoS保障机制方面的能力参差不齐,无法保障端到端的QoS,导致视频不稳定、用户体验差。
  
  (四)缺乏有效的安全控制
  面对城域网的Internet业务、IPTV业务等的统一承载需求,现有城域网对业务安全、网络安全、资源安全和终端安全的控制都要加强。
  
  (五)缺乏运营能力
  大量城域网设备可控组播支持能力差,缺乏对业务、用户的控制能力,非法用户可轻而易举地盗用业务,甚至恶意插播非法内容等。
  IPTV承载网的技术要求对国内电信运营商的宽带网络提出了新的挑战,如果不在目前的宽带网络上应用组播/CDN等新技术,以目前的宽带网络的性能是无法满足大规模开展商用IPTV业务的要求的。目前,组播技术在国内电信运营商还没大规模应用,但它的特点使其特别适合IPTV这类用户量大,消耗大带宽的业务,在宽带IP承载网络建设演进中必将大放异彩。
  
  三、IPTV承载网建设建议
  
  (一)骨干网建设建议
  骨干网一般采用网状或网状+星形结构,对各种方向的流量进行调度,使之以最短的路径、最少的跳数通过骨干网。承载IPTV业务时,在目前只有一张数据网络的情况下有两种策略,一是对现有网络进行优化改造,使之满足IPTV业务的要求;二是新建一个物理平面,满足包括IPTV、NGN、3G业务在内的多种业务的要求,两种策略的优劣比较见表1。
  


  可以看出,承载网优化方案适合于小规模、实验性开展IPTV业务,无法满足IPTV业务对承载网接口、带宽、QoS、安全和转发能力的要求,无法支撑大规模商用。新建第二承载平面虽然建网初期成本相对较大,但是可以彻底解决IPTV业务规模开展的系列问题。此外,还能够满足NGN、MPLSVPN、3G等电信级业务的大规模商用,是面向未来的、满足丰富的宽带增值业务发展需求的建网模式,投资性价比高。
  
  (二)城域网及接入网建设建议
  在城域网组网上,可采用星形+环形的结构,星形结构承载单播(VOD)、环形结构承载组播(BTV),保障业务安全和效率。组播业务采用专用链路,环网不必复制多份内容,节省带宽。在接入网部分,为更好地支持组播业务开展,需减少DSLAM、L2级联级数,BAS节点逐步下移,大容量的DSLAM、L2设备尽量与BAS直连,以消除带宽瓶颈和安全隐患。此外,目标城域网除了提供IPTV业务承载之外,还要满足未来NGN、3G分组语音等电信级业务的承载需求,进而对城域网BRAS设备和DSLAM、LanSwitch设备提出了更高的功能和性能要求。
  1.新建BRAS的技术要求
  必须支持IGMPV1与V2、PIM-SM与DM等组播路由协议;支持802.1P、DiffServ映射;支持面向端口及面向用户(PVC、VLAN、PPPoE)的组播报文复制;支持对大量的STB以及IAD等终端的身份认证;提供高密度的接口特性以满足扁平化组网需求;提供强大的组播转发能力和业务控制能力,能够感知和识别普通上网、IPTV、NGN等多种业务并进行分流,保障不同业务的服务质量;BRAS需要保障IPTV等多业务的运营安全,营造安全稳定的运营环境。
  2.对DSLAM、Lanswitch的技术要求
  必须支持基本的组播协议,如IGMPSnooping和IGMPProxy;支持802.1p,支持至少4个优先级队列;支持可控组播,实现组播权限控制;支持两级组播复制,以保障组播业务复制效率;支持模块化的多FE、GE上行接口,以保障随业务发展灵活地从FE升级到GE;IP上行接口提供足够的组播复制性能,至少提供400Mbps以上的转发能力;支持频道快速切换,以获得与普通电视一样的体验;支持多PVC,提供丰富的PVC、VLAN资源,以支持不同业务的隔离与分流;DSLAM作为组播复制点和控制点,建议支持组播视频业务的自动发放功能。
  
  四、IPTV承载网的几大主流宽带接入技术
  
  IPTV宽带IP承载网络涵盖内容网络、汇聚网络、接入网络与家庭网络各层次,承载网的分发能力及接入带宽直接影响网络的性能和用户的体验。目前IP网中的流量,特别是IPTV视频流量主要以单播或者广播的形式向下发送,对网络造成了巨大的压力,因此,各种网络分发技术,如组播、CDN等方式将逐渐在网络中被引入,并且随着网络复杂程度的提高和解决网络分发技术的发展,靠近用户侧的接入网逐渐成为影响网络分发,特别是IPTV视频流分发的重要瓶颈。
  
  (一)ADSL、ADSL2/2+
  ADSL作为国内最主要的固定宽带接入网技术,正呈现蓬勃发展的态势,但由于受到本身技术的制约,因而在距离、速率和出线率等方面还存在不少问题。
  为全面构建高带宽、稳定性强的ADSL宽带接入网络,实现服务的差异化和规模化,满足IPTV业务开展。运营商尚需对规模庞大的ADSL接入网实施优化建设:一是开展“带宽加速”行动,包括对用户线路、DSLAM、汇聚网络和BRAS以及网管的全面提速;二是大量采用ADSL2/2+技术的IP内核的DSLAM;三是要求新建DSLAM设备具备:实现高性能硬件组播处理;具备充足的N*FE、N*GE的上行带宽;实现可控组播,支持频道权限控制、统计、用户管理等;支持单PVC方案和多PVC方案,保证组播业务的QoS;支持成百个组播频道,频道切换时间〈100ms;支持IGMPProxy功能,减轻上层组播路由器的IGMP处理负担。
  
  (二)FTTX
  随着网络的迅猛发展,面对电信运营商扩充容量、提供IPTV等新的可赢利的增值应用服务、简化部署、降低运营成本的需求,光网络和光纤通讯由于其具有的大容量、高速的特点,已逐渐成为网络基础建设中主角。同时接入网交换机对组播业务的支持性能日趋成熟、稳定,价格不断下降。FTTB+LAN和GPON都是基于以太网技术的光纤接入手段。因以太网技术的成熟和简单,且都采用廉价稳定高速的光纤作为传输介质,这两种方式已经渐渐脱颖而出,成为IPTV宽带接入手段中的有效方式。
  FTTB+LAN宽带接入是基于以太网技术的,采用光纤高速网络实现千兆到社区,结合一般双绞线实现百兆到楼宇,十兆到用户。FTTB+LAN接入方式技术的实质是采用一种二层的媒质访问控制技术,直接向用户提供基于IP业务的传送通道。
  FTTB+LAN作为一种高速的宽带接入方式,开展IPTV宽频业务时简单易用,成本较低,用户无需添加专用的调制解调器,但是缺点我们也应该看到,尤其是其带来的楼内综合布线的问题和采用双绞线造成的传输距离的限制。在宽带接入的多种方式中,PON是后起之秀。在PON系统中,下行数据以TDM广播方式从OLT发送到所有ONU,而上行数据则采用TDMA(时分多址接入)方式,从各个ONU统一汇聚到中心局端OLT。而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构(典型结构为树形结构)。
  GPON支持多种速率等级,可支持上下行不对称速率,上行不一定要支持1Gbit以上速率。能在PON网络上传送高速以太数据,视频和TDM业务,同时能获得令人满意的E1抖动和延迟性能。国内运营商已将GPON技术成功应用于宽带接入网络,证明了GPON技术已经成为一种可靠且具有成本效益的IPTV宽带接入技术。
  FTTH是将光纤作为物理媒介实现用户和运营商连接的一种技术。FTTH这种能够提供高带宽的接入方式则可以轻松提供以上功能,并能够实现对称的双向传输,这是其他接入方式无法相比的。
  从技术角度考虑,FTTH采用的技术方案与用户的地理分布有关,通常FTTH可采用两类网络结构。一是无源光网PON结构,二是点对点PtoP结构。FTTH的两种实现方式的上下行都可以达到100Mbit/s。在未来家庭中,IPTV以及高清晰度数字电视对接入带宽都有着明确的高要求,实现100Mbit/s接入将是很有必要的,要达到这样的高带宽,别的手段都难以实现,唯有FTTH。然而目前有关试验的结果表明,用户通过FTTH方式使用IPTV等宽带多媒体业务的成本还比较高。
  
  五、结束语
  
  对于承载多业务的IP网络而言,IPTV提出了更高的要求,即在提供原有通信功能的基础上,还需要更高的带宽、更强的控制能力以及更高的传输连续性和稳定性。提供IPTV的应用需求对于宽带IP网的发展而言,无疑具有重要意义。
  
  参考文献:
  [1]美.格拉斯画、姚永成,《ADSL/DSL技术与工程实践》(第2版):清华大学出版社.
  [2]许永明,《IPTV技术与应用实践》,电子工业出版社.
  [3]李学军等,《宽带IP城域网的优化策略与实践》: 人民邮电出版社.
  [4]刘有信,《宽带接入网络工程》:国防工业出版社.
  
  作者简介:
  毛利,男,重庆市沙坪坝区,助理通信工程师,大学本科,主要从事局端宽带接入及NGN设备调测。
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