IPTV端到端網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略研究

王 斌（中國聯(lián)通安徽分公司，安徽 合肥 230061）

0 前言

隨著IPTV 用戶規(guī)模增長、高清和4K 視頻節(jié)目數(shù)量不斷增多，網(wǎng)絡(luò)承載壓力劇增。同時，IPTV 業(yè)務(wù)流穿越用戶終端（機(jī)頂盒和光貓）、接入網(wǎng)、傳送網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和CDN，業(yè)務(wù)流程長且復(fù)雜，為快速定界故障點(diǎn)、提升視頻用戶業(yè)務(wù)感知工作帶來了困難。因此，識別網(wǎng)絡(luò)瓶頸、疏通網(wǎng)絡(luò)通道、保障用戶體驗成為IPTV 業(yè)務(wù)運(yùn)營的首要工作。本文通過深入研究分析安徽聯(lián)通IPTV 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備能力、網(wǎng)絡(luò)容量和家庭組網(wǎng)等現(xiàn)狀，著重分析了宿州、阜陽和池州3個地（市）的網(wǎng)絡(luò)配置、流量等采樣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了影響視頻體驗的網(wǎng)絡(luò)問題，提出了IPTV業(yè)務(wù)端到端網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議。

1 問題分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1.1 省網(wǎng)鏈路帶寬成為瓶頸

當(dāng)前安徽聯(lián)通IPTV 業(yè)務(wù)主要有2 張網(wǎng)承載：城域網(wǎng)（主要承載HSI、IPTV 等）和省網(wǎng)（主要承載認(rèn)證、計費(fèi)、IPTV 回源、省內(nèi)IDC 流量等）。IPTV 業(yè)務(wù)流規(guī)劃如圖1所示。

a）合肥IPTV 流量通過合肥城域CR 到合肥CDN分中心。

b）其他地（市）IPTV 業(yè)務(wù)優(yōu)先命中本市CDN 分中心；未命中本地CDN 時通過省網(wǎng)繞行到合肥IPTV 平臺。

安徽聯(lián)通CDN 命中率平均為90%左右，省網(wǎng)鏈路中視頻流量占比平均超過50%。目前省網(wǎng)到各地（市）帶寬為5～20G，后續(xù)隨著視頻用戶的增加及碼率的提升，省網(wǎng)鏈路帶寬將成為瓶頸。

圖1 IPTV業(yè)務(wù)流規(guī)劃

1.1.2 OLT上行通過匯聚交換機(jī)承載，容易導(dǎo)致?lián)砣?/p>

現(xiàn)網(wǎng)OLT 上行通過交換機(jī)匯聚接入占比88%，通過裸纖直連BRAS/SR 占比僅為12%。然而，用戶體驗取決于網(wǎng)絡(luò)通量，網(wǎng)絡(luò)通量和套餐帶寬、丟包、時延有著直接關(guān)系。

安徽聯(lián)通光改完成后城域網(wǎng)時延基本＜20 ms，滿足4K 視頻流暢播放對網(wǎng)絡(luò)時延要求（4K 視頻流暢播放要求時延＜20 ms，丟包率＜10-4；或時延＜10 ms，丟包率＜5×10-4）。但網(wǎng)絡(luò)丟包仍比較嚴(yán)重，導(dǎo)致TCP 下載速率降低一半，引起視頻卡頓或花屏?，F(xiàn)網(wǎng)匯聚交換機(jī)無緩存或緩存只有1 ms，更容易引發(fā)丟包，導(dǎo)致突發(fā)擁塞，成為影響視頻體驗的主要原因之一。

1.2 設(shè)備能力和網(wǎng)絡(luò)容量

1.2.1 CDN分中心設(shè)備處理能力是瓶頸

經(jīng)測試（帶寬按6 M/戶），現(xiàn)網(wǎng)單臺流媒體服務(wù)器支持的峰值并發(fā)用戶數(shù)約3 300戶。據(jù)統(tǒng)計，目前流媒體服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)帶寬峰值利用率達(dá)到80%～90%，內(nèi)存利用率達(dá)到59%～72%。部分CDN 分節(jié)點(diǎn)峰值并發(fā)用戶數(shù)已接近性能極限，影響了客戶視頻業(yè)務(wù)使用感知。

1.2.2 OLT承載網(wǎng)及上行鏈路帶寬均存在瓶頸

全省超過80%以上的OLT 上行承載網(wǎng)為IPRAN。2018 年春節(jié)，部分地（市）IPRAN 網(wǎng)絡(luò)帶寬峰值利用率出現(xiàn)預(yù)警（見表1），存在忙時不能容災(zāi)的隱患，直接影響了IPTV用戶和4G用戶業(yè)務(wù)感知。

同時，OLT 上聯(lián)帶寬主要以GE/2×GE 為主，部分LSW-OLT 端口利用率超過50%，網(wǎng)絡(luò)突發(fā)時產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，無法滿足未來3年的帶寬需求。

1.2.3 PON網(wǎng)絡(luò)的弱光和超距問題

表1 2018年春節(jié)期間部分地（市）IPRAN帶寬峰值利用率

宿州與池州兩市接收光功率異常（小于-27 dB）的ONU比例均超過5%，分別達(dá)到6.42%和8.05%。

池州現(xiàn)網(wǎng)32%的ONU 光距大于5 km，3.4%的ONU 光距大于10 km。宿州現(xiàn)網(wǎng)27%的ONU 光距大于5 km，3.5%的ONU光距大于10 km。

1.2.4 單口橋接型ONT 視頻和上網(wǎng)業(yè)務(wù)共用通道，無QoS保障

全省存量橋接ONT 約占總量的58%。該類ONT通常下掛一個家庭網(wǎng)關(guān)撥號上網(wǎng)，家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜、故障點(diǎn)增多。視頻和上網(wǎng)流量共通道，當(dāng)視頻或上網(wǎng)流量突發(fā)，瞬間流量超過用戶整體帶寬的時候，就會導(dǎo)致丟包。若無QoS 保障，一旦瞬間突發(fā)流量大于端口轉(zhuǎn)發(fā)速率，報文同樣會被隨機(jī)丟棄。對丟包敏感的視頻報文被丟棄時，會導(dǎo)致視頻卡頓或花屏。

1.3 家庭組網(wǎng)

通過分析95 082個（有效樣本94 971個）已經(jīng)部署探針的機(jī)頂盒數(shù)據(jù)，安徽聯(lián)通直播業(yè)務(wù)卡頓用戶占比小于1.6%，卡頓時間大于10 s 的直播業(yè)務(wù)卡頓用戶占比小于1.2%。標(biāo)桿運(yùn)營商質(zhì)差率為0.2%，安徽聯(lián)通視頻體驗需要繼續(xù)優(yōu)化。通過抽樣入戶調(diào)查，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分卡頓用戶的機(jī)頂盒是通過無線接入ONT，而家庭內(nèi)Wi-Fi覆蓋差，導(dǎo)致視頻業(yè)務(wù)體驗不佳，同時影響組播部署。

2 優(yōu)化策略

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1.1 部署組播

2.1.1.1 組播復(fù)制點(diǎn)的選擇

相比單播來說，使用組播方式傳遞信息，不需要此報文的用戶不會收到組播數(shù)據(jù)，用戶的增加不會顯著增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，減輕了CDN 服務(wù)器和省網(wǎng)鏈路的負(fù)荷。相比廣播來說，組播數(shù)據(jù)僅被傳輸?shù)接薪邮照叩牡胤剑瑴p少了冗余流量，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。因此可以說組播技術(shù)有效地解決了IPTV 單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問題。

經(jīng)比較分析（見表2），IPTV發(fā)展初期，每臺OLT組播用戶較少，OLT 組播復(fù)制不節(jié)省帶寬。但是IPTV 用戶規(guī)模發(fā)展后，再考慮將組播復(fù)制點(diǎn)下移至OLT，會帶來更多復(fù)雜的存量用戶改造工作，因此建議將組播點(diǎn)確定為OLT。

表2 組播復(fù)制點(diǎn)選擇比較分析

2.1.1.2 單/組播并存的適配方案

由于現(xiàn)網(wǎng)大部分存量ONT（單口ONT、多口橋接型ONT、機(jī)頂盒不具備有線接入多口路由型ONT 條件）無法開通組播業(yè)務(wù)，因此較長的一段時間內(nèi)現(xiàn)網(wǎng)組播和單播用戶并存。

新開通多口路由型ONT、存量路由型ONT（機(jī)頂盒有線接入ONT）使用組播方案。IPTV 組播業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 IPTV組播業(yè)務(wù)流程

a）ONT 創(chuàng)建橋接WAN，承載IPTV，STB 通過IPOE撥號連接網(wǎng)絡(luò)。

b）ONT 創(chuàng)建路由WAN，承載HSI 業(yè)務(wù)，并開啟DHCP，為接入路由WAN的設(shè)備（PC、家庭Wi-Fi終端）分配局域網(wǎng)IP。

c）IPTV和上網(wǎng)通道分離，通過VLAN隔離。

單口ONT、橋接多口ONT、路由型多口ONT 工作在橋接模式使用單播方案。IPTV 單播業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

a）ONT LAN口下掛路由器。

b）路由器PPPoE 撥號獲取IP 地址，開啟路由模式。

c）STB和PC 通過DHCP方式獲取局域網(wǎng)內(nèi)地址。

2.1.2 其他網(wǎng)元優(yōu)化

2.1.2.1 省網(wǎng)鏈路擴(kuò)容

全網(wǎng)啟用組播后，省網(wǎng)鏈路回源流量主要取決于點(diǎn)播業(yè)務(wù)的CDN 命中率。當(dāng)邊緣CDN 服務(wù)器出現(xiàn)宕機(jī)、節(jié)假日IPTV 并發(fā)用戶數(shù)激增、邊緣CDN 節(jié)點(diǎn)交換機(jī)脫網(wǎng)等情況，回源流量將突增，會出現(xiàn)嚴(yán)重的卡頓問題，因此必須將省網(wǎng)鏈路帶寬擴(kuò)容。

設(shè)單臺CDN 服務(wù)器支持峰值并發(fā)用戶數(shù)3 500戶，平均每戶帶寬8M，則需擴(kuò)容的帶寬量為（3 500戶×8M/戶）/70%=40G。即建議省網(wǎng)鏈路帶寬擴(kuò)容至40G及以上。

2.1.2.2 逐步取消匯聚交換機(jī)

OLT 上行流量大于4G 時取消匯聚交換機(jī)：優(yōu)先整改二級匯聚交換機(jī)，暫時保留一級匯聚，后續(xù)根據(jù)OLT上行流量再逐步取消一級匯聚交換機(jī)。

a）光纖資源充足地區(qū)：通過光纖直連BRAS，或通過一層交換機(jī)匯聚后接入BRAS。

b）光纖不足地區(qū)：OTN 波分下沉到OLT，通過波分接入。節(jié)省光纖資源，且便于維護(hù)。

c）光纖和波分不足的地區(qū)：通過IPRAN 接入或通過一層交換機(jī)匯聚后接入IPRAN。

2.2 設(shè)備能力及網(wǎng)絡(luò)容量

2.2.1 擴(kuò)容并優(yōu)化CDN服務(wù)器

圖3 IPTV單播業(yè)務(wù)流程

衡量流媒體服務(wù)器性能最關(guān)鍵的指標(biāo)是：流輸出能力、能同時支持的并發(fā)請求數(shù)量。影響流媒體服務(wù)器關(guān)鍵性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是：CPU 處理能力、內(nèi)存、磁盤讀取能力和網(wǎng)絡(luò)吞吐能力。因此，在CDN 服務(wù)器性能配置確定的情況下，采取如下措施。

增加邊緣CDN 服務(wù)器數(shù)量，提高邊緣節(jié)點(diǎn)的并發(fā)用戶數(shù)處理能力。據(jù)統(tǒng)計，IPTV 用戶并發(fā)率為25%～35%；在節(jié)假日、特別是春節(jié)期間，并發(fā)率將大幅度提高，為40%～55%，應(yīng)根據(jù)活躍用戶情況配置CDN 服務(wù)器的數(shù)量：邊緣節(jié)點(diǎn)CDN 服務(wù)器配置數(shù)量=（注冊用戶數(shù)×55%）÷（3 300×80%）。

出于投資效益考慮，邊緣CDN 節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器數(shù)不能無限制增大，中心CDN的存儲往往大于邊緣CDN節(jié)點(diǎn)。提高CDN 命中率的最佳方案就是優(yōu)化CDN 緩存策略。

a）新片源上線后，不立即下發(fā)到邊緣CDN 節(jié)點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)播該片源的用戶達(dá)到一定數(shù)量，才被允許下發(fā)至邊緣CDN節(jié)點(diǎn)。

b）長時間未點(diǎn)播的邊緣CDN 節(jié)點(diǎn)片源，予以刪除。

c）手工調(diào)整存儲策略。

2.2.2 UTN及OLT上聯(lián)鏈路帶寬擴(kuò)容

當(dāng)前IPRAN 承載移動回傳業(yè)務(wù)和OLT 上行業(yè)務(wù)，部分為GE 環(huán)。隨著OLT 上行流量增加，GE 環(huán)無法滿足帶寬需求，需要升級到10GE，在解決OLT 上行接入帶寬問題的同時，也提升了移動回傳帶寬。

根據(jù)用戶發(fā)展情況擴(kuò)容OLT 上行端口帶寬。需強(qiáng)調(diào)的是：OLT上行流量超過4GE后再投資GE口會造成浪費(fèi)，一方面上行光纖資源會急速消耗，另一方面OLT 上行板所占槽位也會大量消耗，且隨著視頻流量的增加，GE口需求急速增加，導(dǎo)致上行帶寬頻繁擴(kuò)容，增大維護(hù)工作量。建議替換為10GE 上行，存量的GE上行單板退網(wǎng)后可以利舊到業(yè)務(wù)量小的OLT。

2.2.3 PON弱光及超距問題整治

OLT 的發(fā)送光功率一般為2～7 dBm，接收光功率為-27～-6 dBm。ONU 的發(fā)送光功率一般為-1～4 dBm，接收光功率為-24 dBm左右。

安徽聯(lián)通FTTH 基本采用二級分光的模式。光從OLT 發(fā)出后，經(jīng)過光纜、接頭及分光器后，會產(chǎn)生不同程度的損耗（見表3）。產(chǎn)生弱光的原因大致分為三類：一是冷接頭損耗過大；二是光纜原因造成損耗過大；三是用戶挪動ONU 后沒有按照規(guī)范放置，尾纖彎曲過大、分光器或法蘭頭等原因產(chǎn)生弱光。

PON 弱光及超距問題應(yīng)遵循“先問題定位、后優(yōu)化調(diào)整”的原則。為保障IPTV 用戶正常業(yè)務(wù)體驗，建議二級分光器測試光功率不低于-25 dB。

如需進(jìn)行光纜割接，則尋找一條新的物理路由，在測通新路由后對業(yè)務(wù)進(jìn)行割接（路由長度不超過8 km）。

如無需進(jìn)行光纜割接，則將一級分光器輸入前端正在使用的纖芯斷開后，使用OTDR 對纖芯進(jìn)行掃描。若OTDR 掃描光衰耗曲線結(jié)果正常，可判定為分光器故障。若OTDR 掃描光衰耗曲線出現(xiàn)高衰耗位置，則對應(yīng)參考系統(tǒng)光路由距離查找具體的問題點(diǎn)，查找相應(yīng)的原因并處理。

表3 ODN各節(jié)點(diǎn)平均光衰耗參考值

a）若為光纜纖芯或接頭問題則重新熔接。

b）若為尾纖老化問題則更換尾纖。

c）若法蘭頭污損，利用擦纖器、酒精擦拭，然后檢查連接可靠性，確保安裝卡口到位。

因傳輸距離超過8 km 或者跳纖點(diǎn)過多導(dǎo)致的弱光問題，若采用a）和b）的方法無法完成改造，可更換CLASS C++模塊。

2.2.4 QoS部署

QoS 是一個系統(tǒng)工程，涉及到網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)。從QoS 動作看，有Remark 優(yōu)先級、CAR/Shaping、Schedule 3 種。在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要部署3 種動作的1 種到多種。表4列出了網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點(diǎn)的部署建議。

表4 設(shè)備QoS部署策略建議

2.3 推廣家庭組網(wǎng)服務(wù)

當(dāng)前家庭網(wǎng)絡(luò)對運(yùn)營商來說是黑盒子，用戶自組網(wǎng)場景非常普遍，客戶自購路由器品質(zhì)不一，導(dǎo)致家庭網(wǎng)絡(luò)問題較多。所以家庭網(wǎng)絡(luò)可視化、可管理顯得尤為重要。根據(jù)戶型、房屋面積、ONT 位置及承載的業(yè)務(wù)，靈活選擇家庭組網(wǎng)。推廣HGU 的光貓，并強(qiáng)制TV優(yōu)先采用有線方式接入，其次采用電力貓方式接入，屏蔽機(jī)頂盒采取無線方式接入。

2.4 將質(zhì)差率作為維護(hù)考核指標(biāo)

視頻清晰度、視頻加載速度和視頻流暢度是影響視頻體驗的關(guān)鍵因素。安徽聯(lián)通初步使用vMOS 評價指標(biāo)，通過綜合這幾項業(yè)務(wù)指標(biāo)，建立了這幾個指標(biāo)與用戶主觀感受指標(biāo)（MOS 1～5分）之間的映射關(guān)系。

根據(jù)視頻質(zhì)量可評為1～5 分，1 分質(zhì)量最差，5 分質(zhì)量最高，低于2.5分即定義為質(zhì)差用戶。質(zhì)差用戶占總用戶數(shù)的比率就是質(zhì)差率。質(zhì)差率是衡量IPTV 業(yè)務(wù)運(yùn)營很直觀的指標(biāo)。一般情況下，質(zhì)差率大于1%，可定義為該區(qū)域的IPTV 運(yùn)營質(zhì)量比較差。建議將質(zhì)差率作為IPTV 業(yè)務(wù)維護(hù)考核指標(biāo)，并對質(zhì)差率高的區(qū)域組織專項網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化整治。

3 結(jié)束語

本文主要從網(wǎng)元層面深入分析視頻類業(yè)務(wù)運(yùn)營存在的問題，如由于數(shù)據(jù)不完善，未深入分析機(jī)頂盒體驗問題，后續(xù)可重點(diǎn)關(guān)注；傳輸問題及需求未深入分析（包括移動前傳、回傳等）。后續(xù)工作還需將IPTV/CDN平臺的優(yōu)化納入研究范疇，提高安徽聯(lián)通視頻業(yè)務(wù)服務(wù)能力和質(zhì)量。