体验驱动的4K承载网白皮书

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1 体验驱动的 4K 承载网白皮书 文档版本 1.1 发布日期 ` 华为技术有限公司

2 版权所有 华为技术有限公司 2016 保留一切权利 非经本公司书面许可, 任何单位和个人不得擅自摘抄 复制本文档内容的部分或全部, 并不得以任何形式传播 商标声明 和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标 本文档提及的其他所有商标或注册商标, 由各自的所有人拥有 注意您购买的产品 服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束, 本文档中描述的全部或部分产品 服务或特性可能不在您的购买或使用范围之内 除非合同另有约定, 华为公司对本文档内容不做任何明示或默示的声明或保证 由于产品版本升级或其他原因, 本文档内容会不定期进行更新 除非另有约定, 本文档仅作为使用指导, 本文档中的所有陈述 信息和建议不构成任何明示或暗示的担保 华为技术有限公司 地址 : 深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼邮编 : 网址 : 客户服务邮箱 : support@huawei.com 客户服务电话 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 2

3 目录 1 前言 基于体验的 4K 承载网 以体验为中心的建网理念 视频体验衡量体系评价标准 U-vMOS 体验驱动的 4K 承载网 点播业务 U-vMOS 4.0 分时对网络的要求 直播业务 U-vMOS 4.0 分时对网络的要求 体验驱动的 4K 承载网的关键特征 体验驱动的 4K 承载网 体验驱动的 4K 承载网目标架构 传统网络架构面临挑战 最佳体验的 4K 承载网目标架构 K 承载网的逐步演进 家庭网络 : 高速 高性能 Wi-Fi 覆盖的家庭网络 接入网 基于 FTTH 光纤到户解决方案最佳 4K 体验接入设计参考 基于超宽铜线解决方案最佳 4K 体验接入网设计参考 基于同轴解决方案最佳 4K 体验接入网设计参考 城域 / 骨干 IP 层次简化 OTN 到 CO 与业务规模匹配的分布式 CDN TCP 加速提升网络通量 运维 : 可视化用户视频体验管理 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 3

4 4.1 视频体验感知 运营商视频体验感知 OTT 视频体验感知 视频故障定位 展望 附录 A 参考资料 附录 B 缩略语 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 4

5 附表目录 表 2-1 4K 视频的三种等级对比 表 2-2 典型屏幕的不同分辨率 squality 的最大值 表 2-3 szapping 典型分值与频道切换时长 表 2-4 sloading 典型分值与初始加载时长 表 2-5 卡顿典型取值及质量 ( 统计周期 1 分钟 ) 表 2-6 卡顿典型取值及质量 ( 统计周期 45 分钟 ) 表 2-7 花屏典型取值及质量 表 2-8 不同 RTT 对应 TCP 通量要求 表 2-9 U-vMOS 4.0 的网络要求分解汇总 表 3-1 各类接入技术的典型网络 KPI 表 3-2 目标架构 1 流量模型 表 3-3 目标架构 3 流量模型 表 3-4 目标架构 3 流量模型 表 3-5 TCP 加速效果对比 (100M 带宽,4ms 时延, 丢包率递增 ) 表 3-6 TCP 加速效果对比 (100M 带宽,0.01% 丢包, 时延递增 ) 表 3-7 两种加速方式的对比 表 4-1 视频质量监控系统部署方式 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 5

6 附图目录 图 2-1 U-vMOS 建模方法 图 2-2 squality 的影响因子 图 2-3 sinteraction 的影响因子 图 2-4 视频中间停顿的实时质量分数图 图 2-5 sview 的影响因子 图 2-6 HLS 初始缓冲时长构成 图 2-7 UDP 初始缓冲时长构成 图 3-1 最佳体验的 4K 承载网目标网络架构图 图 3-2 两种典型户型的 4K 家庭网络部署建议 图 3-3 不同业务收敛比对比 图 3-4 时延和链路利用率关系 图 3-5 丢包率和链路利用率关系 图 3-6 扁平化架构方案 图 3-7 虚拟接入解决方案概念图 图 3-8 虚拟接入解决方案的典型应用 图 3-9 有无 LSW 的 TCO 分析对比 图 3-10 典型城域模型 (80 万用户 ) 图 3-11 典型 OTN 到 CO 组网 图 3-12 请求内容离散率和用户数关系 图 3-13 CDN 下移后的 CDN 建设成本对比 图 3-14 CDN 下移后的网络成本对比 图 4-1 体验驱动的 4K 承载网运维架构图 图 4-2 视频故障定位流程图 图 5-1 最终用户对更好业务体验的追求是永无止境的 图 5-2 向未来架构平滑演进 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 6

7 体验驱动的 4K 承载网白皮书 关键词 :4K, Experience, U-vMOS, Bearer Network, High Throughput, 100M, 20ms, 10-5, Wi-Fi, FTTH, Flatten, HTR, OTN, CDN, KQI 摘要 : 视频持续驱动超宽带的发展, 也逐渐改变用户的行为和需求, 而运营商也开始从关注 connection( 连接 ) 转向关注 experience( 体验 ), 网络建设思路也向业务和体验驱动转变 为了给用户提供最佳的 4K 视频体验, 需打造以用户体验为中心的超宽网络 本文主要介绍了体验驱动的 4K 承载网的定义 目标网络架构及部署建议, 运营商可根据自身网络基础和业务发展策略选择最合适的部署方案 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 7

8 1 前言 长期以来, 运营商都在寻找一个既能满足用户需求 又能充分展现超宽带网络能力 同时还能实现商业价值的关键业务, 而 4K 的到来, 解决了这一难题 单路 4K 视频需要 30Mbps~50Mbps 的带宽通量, 伴随着 4K 终端价格的持续下滑, 一个家庭多 4K 终端会是一个必然趋势, 这意味着 100M 甚至 1000M 带宽需求将成为新时期家庭宽带用户的基本需求 4K 视频让超宽带的价值得到释放, 同时 4K 可为最终用户提供更好的业务体验, 而消费者是愿意为更好的体验买单的, 所以说, 4K+ 超宽带 实现了消费者 运营商和 4K 内容提供商的三方受益, 形成了超宽带的商业正循环 正是看到 4K 技术给运营商视频业务带来的新机遇, 全球超过 60 多家运营商发布了视频战略, 视频已成为运营商的基础业务 随着视频兴起的还有对业务体验的关注 据 Conviva 用户视频报告的数据,35% 的用户把视频观看体验作为选择视频服务的首要条件 ( 超过视频内容本身 ) 当视频卡顿时, 三分之一的用户会感到难以忍受, 立即放弃观看 ;84% 的用户会在体验变差一分钟内, 停止观看 因此, 能否为最终用户提供更好的视频体验成为了商业成功的关键 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 8

9 2 基于体验的 4K 承载网 2.1 以体验为中心的建网理念 业务和体验驱动 随着宽带成为人们生产 生活必需的基础资源, 消费者对宽带的诉求也将从单纯的带宽大小逐渐转移到对业务体验和服务质量的要求上 ; 运营商也开始从关注 connection( 连接 ) 转向关注 experience( 体验 ), 网络建设思路也向业务和体验驱动转变 4K 视频时代已经到来全球众多运营商已将视频业务作为 ICT 时代转型的战略机会, 伴随 4K 终端的普及及内容的丰富,4K 业务已经逐步成为运营商构建差异化竞争力的关键手段 例如 : 德国电信认为 4K 视频业务使其获得了能真正与付费电视竞争的机会 ; 英国电信则通过建设 NGA 超宽网络并发布 BT Sport 视频业务实现了 23% 的业务增长 ; 中国四川电信的视频用户超 500 万, 其中 4K 视频用户超 120 万, 且还在快速增长中 4K 视频对网络提出更高要求 4K 不仅仅是视频分辨率的提升, 还带来了视频质量的 4 大优化 : 首先是画面更清晰,4K 的分辨率为 3840*2160 是高清(HD) 的 4 倍 ; 其次是画面更流畅, 从高清时代的每秒 24 帧提升到每秒 50 帧 60 帧 甚至 120 帧 ; 再次是色彩更真实, 色阶从 8bit 到 10bit 12bit; 最后是色彩更自然,4K 视频的色域比高清增大约 50%;4K 视频流的码率是高清视频流的 5-10 倍 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 9

10 4K 可分为三个等级 : 入门 4K 运营级 4K 极致 4K 不同等级的 4K 对画面帧率 抽样比 压缩比 网络传输带宽等都有不同要求, 要求越高, 体验到的色彩丰富性 画面生动性就越精彩 目前, 运营级 4K 被认为是当前商用部署较合适的选择 表 2-1 4K 视频的三种等级对比 入门级 4K 运营级 4K 极致 4K 8K 分辨率 Resolution 3840* * * *4320 帧率 Frame rate 25/30P 50/60P 100/120P 120P 抽样 bits 压缩 HEVC main profile HEVC main 10 HEVC Range Extension HEVC Range Extension 平均比特率 运营速率 点播 12~16Mbps 20~30Mbps 30~45Mbps 70~90Mbps 直播 25~30Mbps 25~35Mbps 40~55Mbps 80~100Mbps 点播 18~24Mbps 30~45Mbps 45~67.5Mbps 105~135Mbps 直播 25~30Mbps 32.5~45.5Mbps 52~71.5Mbps 104~130Mbps 备注 : 点播多采用 VBR 可变码率, 考虑到码率波动因素, 流畅播放所需的运营带宽应当至少是平均码率的 1.5 倍 组播多采用 CBR 恒定码率, 运营速率考虑快速频道切换 FCC 部署, 最小带宽 = 恒定码率 x1.3 倍 2.2 视频体验衡量体系评价标准 U-vMOS U-vMOS 是华为从视频体验和网络优化角度出发, 建立的视频体验标准 华为 2012 创新实验室开展针对视频的人因工程实验, 通过眼动仪 生理仪等设备追踪人体在看视频时候的反应, 根据测试仪器收集和测试人员报告的信息, 进行分析建立数学模型, 制定 U-vMOS 的评分标准, 以求客观的反应用户主观视频体验 U-vMOS 的评价模型主要分为三个部分, 即视频质量 (squality), 操作体验 (sinteraction) 和播放体验 (sview), 范围覆盖视频片源分辨率 片源数量 播放屏幕尺寸 操作体验 播放流畅度等方面, 得分为 1-5 分 (5: 优秀 ;4: 良好 ;3: 一般 ;2: 较差 ;1: 差 ) 屏幕越大 内容分辨率越高 观看流畅, 得分就越高 U vmos f squality, sinteraction, sview Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 10

11 图 2-1 U-vMOS 建模方法 视频质量 squality 视频的显示屏幕尺寸被记为 DisplaySize, 视频内容复杂度被记为 VideoComplexity, 视频分辨率被记为 Resolution, 码率被记为 BitRate, 编码类型 被记为 CodecType, 帧率被记为 VideoFrameRate 具体的典型分值如下表所示 : 图 2-2 squality 的影响因子 表 2-2 典型屏幕的不同分辨率 squality 的最大值 操作体验 sinteraction 直播被记为 Zapping time, 初始加载时长被记为 Loading time Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 11

12 具体的典型分值如下表所示 : 图 2-3 sinteraction 的影响因子 表 2-3 szapping 典型分值与频道切换时长 表 2-4 sloading 典型分值与初始加载时长 观看体验 sview 在视频播放的中间, 视频由于数据包未能按时到达而进行缓冲, 造成卡顿效果, 也对视频体验影响较大 视频质量变差主要跟停顿时间的长短及多次停顿之间的间隔有关, 在一个长视频观看的过程中, 视频质量变差主要跟卡顿次数有关 当发生视频停顿现象时, 停顿的时间越长, 体验越差 当停顿结束恢复正常播放时, 对于视频的质量体验就逐渐的缓慢恢复 假如后续一直能持续正常播放, 实时的质量体验会恢复到正常值 ; 但是如果在质量恢复过程中又出现一次停顿, 则质量体验不仅跟本次停顿 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 12

13 时长有关, 还跟前一次停顿的时间距离有关 一个具体的实时质量分数变化如下图所 示 图 2-4 视频中间停顿的实时质量分数图 多次停顿的平均卡顿时长被记为 Duration, 相邻两次卡顿间隔的平均值被记为 Interval, 卡顿事件的次数被记为 Frequency 具体的典型分值如下表所示 : 图 2-5 sview 的影响因子 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 13

14 表 2-5 卡顿典型取值及质量 ( 统计周期 1 分钟 ) 表 2-6 卡顿典型取值及质量 ( 统计周期 45 分钟 ) 表 2-7 花屏典型取值及质量 2.3 体验驱动的 4K 承载网 最佳体验的 4K 承载网定义 : 以体验为中心建网, 能为用户提供 U-vMOS 4.0 分的 4K 业务体验的端到端网络 4K 视频想要实现 U-vMOS 值 4.0 分,sInteraction 4,sView=5( 流 畅播放体验非常重要 ) Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 14

15 2.3.1 点播业务 U-vMOS 4.0 分时对网络的要求 I. 点播 squality 的网络要求分解 对 4K 视频来说, 要保证 squality 4, 要求点播视频的平均码率 25Mbps( 基 于 H.265 当前的编码能力, 可变码率 VBR) II. 点播 sinteraction 的网络要求分解对点播业务来说,sInteraction=sLoading 要保证 sinteraction 4, 则要保证初始加载时长 1 秒 目前业界最主流的视频流化技术是 HLS(HTTP Live Streaming), 其初始缓冲主要分为 : 信令交互阶段 (X1:~9 个 RTT) 最小解码缓冲媒体报文( 业界主流实现一般是 2 秒的视频 ) 下载阶段 (Y), 以及播放器播放加载准备阶段 (Z: 一般需要 ms) 要保证初始加载时长 1 秒, 则要保证 X1+Y+Z 1 秒 图 2-6 HLS 初始缓冲时长构成考虑到 TCP 慢起动需要 6 个 RTT, 在此期间下载速率一般较低, 所以整个下载时长至少需 7 个 RTT; 初始缓冲时长 =9*RTT+(6+1)*RTT+200ms 1000ms, 需要 RTT 50ms 另外, 在 T=1000ms-9*RTT-6*RTT-200ms=800ms-15RTT 的时间内 ( 按最差的情况, 慢起动阶段下载的数据量忽略不计, 播放准备时长按 200ms 典型值计算 ), 单 TCP 线程需要下载 25Mbits * 2s=50Mbits 的媒体数据量 取不同的的 RTT 值 ( 50ms), 得到相应的 TCP 吞吐量要求 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 15

16 表 2-8 不同 RTT 对应 TCP 通量要求 E2E RTT 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms TCP 通量要求 77Mbps 100Mbps 143Mbps 250Mbps 1Gbps 考虑到 10ms 的 E2E 时延目前太严格, 而每用户超过 100Mbps 的通量要求也太严 格, 所以选取 E2E 时延 20ms, 每用户单 TCP 吞吐量 100Mbps 作为 sloading 4 的要求 参考 TCP 通量评估的经典公式 : Throughput min(max(bw), WSS RTT, MSS RTT 1 p ) 在 100Mbps 通量,20ms RTT 的要求下, 可得到网络要求为 : 带宽 100Mbps,PLR 3.4*10-5 说明 : 目前 HTTP Streaming 技术方案也在不断优化处理流程, 提升业务体验的 同时尽可能减少对网络的要求 比如某主流 OTT 的交互信令采用了基于 UDP 的 QUIC 协议, 把交互过程压缩到 5 个 RTT 以内, 同时还将片头部分的码率控制得比较低, 降低了网络 RTT 要求和最低解码数据的下载量 典型情况下该 OTT 视频在保证流量观看的网络条件下, 即可保证 ~1 秒的初始加载体验 但是如果用户选择手工快进快退, 视频加载时间就会超过 1 秒 是 : 若不考虑 端 + 云 的特殊优化,HTTP 点播业务 sinteraction 4 对网络的要求 E2E 带宽 100Mbps RTT 20ms PLR 3.4*10-5 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 16

17 III. 点播 sview 的网络要求分解 对点播业务来说,sView=sStalling 流畅观看的体验对用户最重要, 所以 U-vMOS 4 的网络要求 sview=5, 也就是播 放全程无卡顿 基于华为 ilab 测试发现, 单 TCP 吞吐量 平均码率的 1.5 倍, 可保证 95% 以上的 4K 视频流畅播放 按 squality=4 的要求,4K@H.265 平均码率 25Mbps, 对应 sview=5 的 TCP 吞吐量要求 >37.5Mbps 参考 TCP 吞吐量评估的经典公式 : Throughput min(max(bw), WSS RTT, MSS RTT 1 p ) 在 20ms RTT 的要求下, 可得到网络要求为 : 带宽 37.5Mpbs,PLR 2.4*10-4 综上所述, 对点播业务来说, 如果不考虑云 + 端的特殊优化, 满足 U-vMOS 4 分 的网络要求是 : E2E 带宽 100Mbps RTT 20ms PLR 3.4*10-5 如果云 + 端进行了特殊优化, 可不考虑初始加载对网络的要求, 则满足 U-vMOS 4 分的要求是 : 带宽 37.5Mpbs RTT 20ms PLR 2.4*10-4 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 17

18 2.3.2 直播业务 U-vMOS 4.0 分时对网络的要求 I. 直播 squality 的网络要求分解根据目前业界主流的视频编码水平, 视频直播一般都采用 UDP 的实时流传输, 为了防止突发造成网络丢包, 一般都采用 CBR(Constant Bit Rate) 编码方式 对 4K 视频来说, 要保证 squality 4, 要求直播视频的平均码率 30Mbps( 基于 H.265 当前的编码能力, 固定码率 CBR) II. 直播 sinteraction 的网络要求分解对直播业务来说,sInteraction=sZapping 如果要保证 szapping 4, 则需要保证直播频道切换时长 500ms 对主流的 UDP 直播系统来说, 频道切换分为 : 信令交互阶段 (X:1*RTT) 1 个完整的 I 帧下载阶段 (Y), 以及播放器播放加载准备阶段 (Z: 一般需要 ms) 要保证频道时长 500ms, 则要保证 X+Y+Z 500ms 图 2-7 UDP 初始缓冲时长构成在 T=500ms-RTT-200ms=300ms-RTT 的时间内, STB 通过 UDP 需要下载 30Mb/s*2s*25%=15Mbps 的媒体数据量 ( 直播流的典型 GoP 为 2 秒,I 帧大小一般占一个 GoP 的 ~25%) UDP 直播系统对时延一般不敏感,E2E RTT 比点播业务要求宽松, 取典型 E2E RTT=30ms, 要求单用户带宽 56Mbps Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 18

19 另外, 为加快直播频道切换速度, 一般都会部署 FCC(Fast Channel Change) 方案, 为保证 FCC 方案可正常工作, 还需要保证每用户 E2E 带宽 平均码率的 1.3 倍 (30Mbps*1.3=39Mbps) 综上所述,UDP 直播业务 sinteraction 4 对网络的要求 :E2E 带宽 56Mbps III. 直播 sview 的网络要求分解对直播业务来说,sView=sBlocking 无花屏损伤的观看体验对用户最重要, 所以我们认为 U-vMOS 4 的网络要求 sview=5, 也就是播放全程无花屏 参考 TR-126 的标准要求,4K 直播无花屏要求的网络丢包率 <10-6 目前业界在应用层通过 RET 丢包重传等技术降低视频对丢包率的要求, 可以降到 10-4 左右 综上所述, 对 4K 直播业务来说, 满足 U-vMOS 4 分的网络要求是 : E2E 带宽 56Mbps PLR 10-6 ( 不考虑 RET, 考虑 RET 则为 10-4 ) 体验驱动的 4K 承载网的关键特征 表 2-9 U-vMOS 4.0 的网络要求分解汇总 点播业务 直播业务 不考虑云端优化考虑云端优化不考虑 RET 考虑 RET 4K 视频平均码率 25Mbps 25Mbps 30Mbps 30Mbps 网络指标 E2E 带宽 100Mbps 37.5Mbps 56Mbps 56Mbps RTT 20ms 20ms PLR 3.4* * 综合考虑, 如果要保证视频业务体验的 U-vMOS 值 4 分, 则需要网络 E2E 100Mbps,RTT 20ms,PLR 10-5 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 19

20 同时, 运维也是视频体验保障不可或缺的一环, 具有高感知特点的 4K 业务在业务体验监控, 故障处理上提出了更高的要求 从运维视角来看,4K 承载网必须是可感知 可管理的网络 因此, 最佳体验的 4K 承载网的关键特征为 : 体验 U-vMOS 4.0:E2E 100Mbps,RTT 20ms,PLR 10-5 运维 : 体验可感知 故障快速定界定位 在部分场景下, 由于接入网络带宽限制, 也可以考虑按照 U-vMOS 3.5 (sview=5 分,sInteraction 3 分 ) 来设计网络, 其关键特征为 : 体验 U-vMOS 3.5:E2E 50Mbps,RTT 40ms,PLR 10-5 在这种场景下, 如需开通 4K 业务, 有两种选择 :1) 降低视频码率 ;2) 确保流畅播 (sview=5 分 ), 暂时牺牲快启动 / 快进快退 ( 降低 sinteraction 要求, 例如 3 分 ), 或由云 + 端特殊优化来保障快启动 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 20

21 3 体验驱动的 4K 承载网 3.1 体验驱动的 4K 承载网目标架构 传统网络架构面临挑战 业务决定架构 : 传统 HSI 业务 ( 如网页浏览 ) 业务特点 : 低并发 低感知 时延要求不高 网络 KPI: SLA= 带宽 网络架构特点 : 高收敛 多级汇聚 4K 视频 业务特点 : 高带宽 高并发 高突发 高感知 低时延 网络 KPI: SLA= 带宽, 时延 丢包率 随 4K 业务的规模发展, 传统的网络在转向体验驱动的 4K 承载网网络架构过程中, 有两个关键点需要跨越 : 传统高收敛, 多层次的网络模型需简化, 以适应 4K 业务模式 ; 4K 的网络体验是端到端的, 无边界的, 需 E2E 的体验保障 具体如下 : 家庭网络高带宽无缝覆盖存在瓶颈, 不能满足多屏用户的体验以 DSL 为代表的低速铜线接入网存在带宽瓶颈城域汇聚层多级收敛, 拥塞点多, 扩展性差, 运维复杂视频作为基础业务, 却无法感知用户视频体验, 难以定位体验问题 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 21

22 3.1.2 最佳体验的 4K 承载网目标架构 要支撑 4K 规模发展, 架构调整势在必行 体验驱动的 4K 承载网目标架构应具备 高通量 扁平化 易运维的特点 : 图 3-1 最佳体验的 4K 承载网目标网络架构图高通量 : 带宽 (E2E 带宽 100M/ 屏 ) 家庭网络 : 100M 无缝覆盖 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 22

23 接入网络 : 每用户开通带宽 100M OLT 到边缘 CDN: 按照一定的用户规模 4K 渗透率 4K 并发率假设, 根据不同的收敛比规划带宽 但网络设备要具备向不收敛演进的能力 时延 (RTT 20ms) CDN 主要部署在城域 (<200 公里 ), 时延由家庭网络时延 接入网时延 城域网时延构成 其中家庭网络 城域网时延非拥塞情况下影响较小, 时延主要来自接入网 FTTH,G.FAST 接入网时延 <6ms, 可以满足要求 VDSL2,Vectoring,Super Vector 时延 10ms~20ms, 叠加家庭 城域的少量时延后存在风险 因此这样的网络要部署时延优化方案 ( 如 : TCP 加速 ) 丢包率 (PLR 10-5 ) 丢包的原因主要有 : 线路质量差 网络节点拥塞 其中网络节点拥塞是架构设计时需要重点考虑的 由于 OLT 下行到用户侧是无阻塞的, 拥塞主要发生在 OLT 上行到 CDN 之间, 规划要点 :1) 部署 QOS;2) 轻载 低收敛比 (1:5---1:2); 同时, 由于突发拥塞难以避免, 设备缓存能力是必要的, 以吸收瞬间突发流量, 避免 / 减少对客户体验的影响 设备应确认具备足够的缓存, 尤其是二层网络设备 网络 设备平台升级 : 接入光改, 大容量 OLT 路由器 传送平台升级 扁平化 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 23

24 为确保网络 KPI 达标, 必须采用低收敛的网络设计 如果还保留过多层次汇聚网 络, 在用户规模发展阶段, 建网成本会快速攀升, 同时过多层次汇聚也会导致拥塞节 点过多 因此, 城域网架构需要扁平化, 以改善网络性能, 优化网络成本 : CDN & BNG 下沉到边缘 减少网络层次 (5 层 3 层 ) OTN 到 CO 易运维 体验可视 快速定界 精确定位 3.2 4K 承载网的逐步演进 罗马不是一日建成的, 最佳体验的 4K 承载网 也不是必须一步到位的, 运营商可结合自身实际业务发展情况, 逐步向 最佳体验的 4K 承载网 演进 4K 视频业务初期 : 重点是快速吸引用户, 逐步建立商业正循环, 保障基本的体验 4K 业务开得通 是最重要的, 因此首要关注的是 4K 流畅播放, 即 sview 达到 5.0 分标准,sInteraction 3, 加载 2s( 与 cable 体验一致 ) 对网络的要求是 E2E 50Mbps,RTT 40ms,PLR K 视频业务发展阶段 : 随着用户增多, 商用正循环建立起来, 需进一步提升业务体验, 即在 sview 达到 5.0 分的基础上, 4K 交互体验 sinteraction 也要达到 4.0 分 ( 首次加载和每次拖动加载时间 1 秒 ), 对应到网络上的具体要求就是 E2E 100Mbps 和 RTT 20ms 4K 视频业务规模发展阶段 : 用户数量庞大,4K 视频高带宽 高并发的特点给传统网络带来巨大的挑战, 单纯靠传统网络扩容不但成本高且不能解决体验劣化问题 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 24

25 因此, 在视频用户开始规模上量的阶段, 网络必须要考虑架构性优化, 向 最佳体验 的 4K 承载网 的高效网络转型 3.3 家庭网络 : 高速 高性能 Wi-Fi 覆盖的家庭网络 家庭 Wi-Fi 网络承载 4K 业务的关键挑战 业务相互影响 : 其他视频, 下载, 上网业务对 4K 的影响 ; 家庭内部全覆盖问题 : 房屋结构千差万别,Wi-Fi 信号穿墙的衰减, 导致在房 屋装修时都无法保证 100% 覆盖到每个房间 ; 无线信号的干扰 :2.4G 频段本身无线干扰非常大, 另外其他家电如果占用 Wi-Fi 频段也会导致对通过 Wi-Fi 播放 4K 视频造成干扰 ; 高速 高性能 Wi-Fi 家庭网络解决方案 业务区分承载 : 通过 Wi-Fi 双频网关提供双 SSID, 普通上网 / 下载业务通过 2.4G Wi-Fi 承载, 视频业务通过 5G Wi-Fi 承载 通过将视频业务固定通过 5G 频段来承载, 有效减少 2.4G 频段的干扰, 减少丢包 ; 分布式 Wi-Fi 方案 : 为了在家庭内任何地点能达到 100M 以上的连接速度, 家 庭的 Wi-Fi 网络将从集中式部署方式走向分布式, 家庭部署多个 Wi-Fi 接入点 ( 即 AP), 满足家庭不同终端在任意位置的多样需求 Wi-Fi Repeater PLC Wi-Fi AP 和以太网级联路由器等三种分布式接入方式实现灵活扩展 即插即用, 以及支持无缝切换体验 ; 在家庭网络中, 为了减少无线信号的干扰, 建议做到如下几点 : 家庭面积较大时, 家庭网关不能通过网线 Wi-Fi 直接为机顶盒提供 4K 视频时, 可以通过网线 电力线 同轴电缆或 Wi-Fi 的方式外接 AP 等设备扩大家庭网络的覆盖范围, 使得家庭内任意位置均可开展 4K 视频业务 ; 跨房间互联采用 G.hn PLC 电力线方案, 减少 AP 间的干扰,PLC 不能插在 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 25

26 防雷插排上, 主 从 PLC 之间电力线长度保持在 10m 的距离内 ; 每个房间内仅布置 1 个 AP( 天线数目大于 2 为佳 ),Wi-Fi 覆盖固定选择 5G, 且设置信道带宽为 40MHz, 不同房间 AP 的频点不同, 建议 AP 与机顶盒及电视距离保持在 10m 以内 ; 从带宽的角度考虑, 每房间内建议避免超过 1 台电视及 1 部 PAD 同时接入 5G Wi-Fi 观看 4K 视频的情况 且同时看视频的终端数小于 3; 家庭内不能使用未经 EMI 认证的家电, 避免对 Wi-Fi 产生额外的干扰 ; 下图是 2 个典型用户户型的 4K 家庭网络部署建议方案, 供参考 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 26

27 小结 :4K 业务对家庭 Wi-Fi 网络的要求 图 3-2 两种典型户型的 4K 家庭网络部署建议 业务相互不影响, 家庭网关提供双 SSID,4K 和其他业务分离 家庭 Wi-Fi 全覆盖, 保证 50M~100M 的带宽可达 家电 /Wi-Fi 无线信号去干扰, 不能使用未经 EMI 认证的家电, 最好使用 5G 频段承载 4K 3.4 接入网 基于 FTTH 光纤到户解决方案最佳 4K 体验接入设计参考 FTTH 网络开 4K 业务的关键挑战 FTTH 部署 4K 业务的主要挑战来自于带宽是否满足,OLT 架构影响, 能否有快速 频道切换方案, 出现故障时如何准确的定位故障点 针对 EPON GPON 10G PON 等不同的光纤接入技术, 不同分光比下如何能提 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 27

28 供 100M 保证带宽的用户占比, 建议如下 : EPON 接入网络设计 : 单接口的下行总带宽按 1G 计算, 如果按 50% 的同时在线率, 以 50M 每个节目来计算, 每户可以同时看 2 个节目, 则每个 EPON 接口下面最多带 21 个用户 因此建议的分光比不超过 1:32 上行可以按 50% 的流量保留接口能力, 如果每块 EPON 板是 16 口, 则每板上行需要配置 8G 的带宽能力, 实际部署中通过监视上行流量来决定是否扩容, 建议上行流量超过 60% 时, 就增加上行接口 假设 OLT 为 16 个业务槽位, 则建议配置 14 个业务板, 提供最大 14*16*32 = 7168 个 EPON 用户 保留 2 块板为上行接口, 提供最大 112G 的上行接口能力 GPON 接入网络设计 : 对于采用 GPON 技术的 FTTH, 单个接口的下行带宽按 2.5G 计算, 同样按上述假设, 则每个 GPON 下面最多可以带 51 个用户, 可以配置 1:64 分光比 上行按 50% 收敛需要配置 20G 的带宽, 假设 GPON OLT 为 16 个槽位, 则建议配置 14 个槽位的业务板, 提供最大 14*16*64=14336 个 GPON 用户 保留 2 个上行接口板, 提供最大 280G 的上行接口能力 在不少国家或者区域有网络设备安全的要求, 超过一定数量的用户需要异地容灾设计, 比如超过 1 万用户最好分在 2 台设备上, 放置在不同的地方, 以前语音业务有硬性容灾设计要求 另外考虑到 ODN 网络的共用和长远发展, 建议 GPON 网络采用 1:32 分光比, 这样按上述配置, 则单框 OLT 最多接 14*16*32=7168 用户, 上行带宽保留 280G 的接口能力 10G PON+LAN 最佳 4K 接入网设计 : 上行为 10G PON,LAN 接口用户为 100M 速率, 可以满足 4K 视频的要求, 关键是上行接口的设计, 如果同样按每节目 50M, 则每个 10G PON 下面最大可以带 8 个 LAN 设备 建议按 1:8 的分光比设计 每个 10G PON 接口下面最多带 256 个用户同时在线 OLT 架构的建议 : 传统 OLT 架构是集中式架构, 在大视频时代, 主控的交换 芯片已经成为整个系统性能的瓶颈 建议采用分布式架构的 OLT 设备 分布式缓存实现频道切换 : 传统集中式架构 OLT 的缓存在主控板上, 一般容 量受限, 只能应对低突发场景 ; 分布式架构, 将缓存分布到业务单板上,OLT 系统上下行接口的总体缓存能力随业务板扩展同步增长, 处理能力超出集中 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 28

29 式架构 10 倍以上, 更好的满足了 4K 视频的高突发 低时延和低丢包率要求 4K 业务对 FTTH 网络的要求 EPON: 每接口下最多带 21 个 4K 用户, 分光比不超过 1:32, 上行按 50% 收敛 16 口每板上行需要配置 8G 的带宽能力 ; GPON: 每接口下面最多可以带 51 个用户, 分光比可配置 1:64, 上行按 50% 收敛 16 口每板上行需要配置 20G 的带宽能力 ; 10GPON: 则每个 10G PON 下面最大可以带 8 个 LAN 设备 建议按 1:8 的分光 比设计 每个 10G PON 接口下面最多带 256 个用户同时在线 ; OLT: 建议采用分布式架构 OLT, 业务单板具有缓存能力 ; 基于超宽铜线解决方案最佳 4K 体验接入网设计参考 铜线技术影响 4K 业务的关键是带宽, 影响铜线上带宽的关键因素主要有所采用的铜线技术, 铜线距离最终用户的距离, 铜线线路质量造成的丢包 时延等 : 表 3-1 各类接入技术的典型网络 KPI Bandwidth (DS) RTT(ms) PLR VDSL2 50M@<1000m 10~ ~-5 Vectoring 50~120M@<800m 10~ ~-5 Super Vector 100~300M@300~500m 10~ ~-5 G.Fast 200M~1.2G@100~500m 2~6 10-4~-5 ADSL2+ 提供最高 24Mbps 的接入带宽, 目前不建议在 ADSL2+ 开 4K 业务 VDSL2 可达到 100M 下载带宽, 通过远端串扰抵消来提升线路速率的 Vectoring 技术,0.5mm 线径铜线在 300 米的接入距离内, 可提供高达 120Mbps 的接入 带宽, 在 500 米的典型接入距离下仍可提供 100Mbps 的接入带宽 SuperVector 将工作频段从 17MHz 扩展到 35MHz, 在采用 Vectoring 串扰抵消 后,SuperVector 进一步提升到 300 米 300M,700 米 100M,300~700 米推荐 使用 SuperVector Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 29

30 G.fast 技术将铜线带入千兆时代,300 米可以达到 400M 带宽, 推荐 0~300 米 距离推荐采用 G.fast 超宽铜线丢包率 双向时延达标, 确保 4K 业务最优体验 实验室条件下, 丢包率可以达到 10-5 ~10-7, 现网条件端到端丢包率在 10-3 ~10-5 不等 DSL 信号在线路上传输速度大约是真空光速的 64%, 因此线路延时很小 例如 :VDSL2/Vectoring 双向时延 10-20ms;SuperVector 双向时延 10-20ms; G.fast 2-6ms 实际 4K 视频业务部署中, 建议采用重传和块交织功能后, 丢包率还将进一步降低 基于 FTTC/B 站点下移的最佳 4K 网络设计 假设 FTTC 站点为 384 线用户, 假设是 VDSL2 技术, 只开通一个节目, 上行接 口按 50% 收敛, 建议保留 384*38M/2, 约 7.3G 的能力 ; 对于 G.fast 技术, 通常由于作用距离更短, 通常采用 FTTB 的形式, 下面带的用户数也更少, 目前最大容量是 96 线的 G.fast 设备, 由于 G.fast 带宽更宽, 其上行接口需要考虑保证每用户的最低带宽不低于 100M, 显然观看 4K 视频不存在带宽的压力 由于铜线性能受距离 串扰等因素影响较大, 建议铜线网络需要安装线路诊断系统, 开通业务前先进行线路性能预评估, 确定能开通的速率, 再来决定客户应该选择的套餐包 小结 : 4K 业务对铜线网络的要求 安装铜线线路诊断系统, 开通业务前先进行线路性能预评估, 确定能开通的 速率, 再来决定客户应该选择的套餐包 采用 VDSL2,SuperVector,G.fast 技术, 铜线距离满足至少 50M 带宽 启用重传和块交织功能, 降低时延到 8~12ms 铜线带宽不足时, 可采用 FTTC/FTTB 站点下移的方式 铜线物理带宽可达但通量不足时, 可通过 TCP 加速技术解决 ( 详见 章节 ) Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 30

31 3.4.3 基于同轴解决方案最佳 4K 体验接入网设计参考 由于传统电信运营商纷纷发布视频和 4K 业务, 给 MSO 带来非常大的压力 从技术发展来看, 传统广播式电视正在受到越来越大的挑战, 广播方式频谱资源占用大, 甩屏等基于 IP 的新业务无法支持, 因此不少 Cable 运营商开始在向 IPTV 转型 基于 DOCSIS 3.0 分布式 D-CCAP 设计参考 DOCSIS3.0 最大可以提供 32 个通道 1.6G 的下行带宽, 如果按 50M 每个节目和 50% 的开通率, 则每个分布式 D-CCAP 下面建议最多带 66 个用户 从目前来看, 多数采用 DOCSIS3.0 网络的 Cable 运营商只是用于上网, 电视节目仍然走的是传统的广播方式 由于 DOCSIS3.0 大量频谱资源仍保留给了广播视频, 因此原则上不建议用 DOCSIS3.0 的网络开通大量 4K 视频, 当然少量节目可以考虑 基于 DOCSIS 3.1 分布式 D-CCAP 设计参考 DOCSIS3.1 目前可以提供下行 4G 的带宽, 未来频谱施放后可以支持 10G 的下行带宽, 显然非常合适 IPTV 和 4K 视频, 如果仍按 50M 每个节目和 50% 的开通率, 则每个 D-CCAP 下面可以接 个用户, 与目前远端光节点带的用户数也非常吻合 当然现在标准也在讨论 G.fast 技术应用到同轴电缆, 因此未来的趋势就是无论铜线还是同轴都只是宽带接入的媒介资源, 所有频谱都将用于带宽的扩展, 传统的广播式视频必将让位于基于 IP 的组播和点播 小结 :4K 业务对同轴网络的要求 不建议用 DOCSIS3.0 的网络开通大量 4K 视频 基于 DOCSIS 3.1 分布式 D-CCAP 设计每个 D-CCAP 下面可以接 个 4K 用户 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 31

32 3.5 城域 / 骨干 随着 4K 视频业务发展, 城域网流量呈现超常规增长, 基于业界 4K 视频发展经验, 4K 业务启动 2-3 年, 将使城域网流量增长 3-7 倍 ;5 年将使城域网流量增长 10 倍或更多 4K 视频业务发展促使流量暴增的同时, 降低了网络流量的收敛比 相对于网页浏览等家庭宽带传统业务, 视频业务的流量波形波动小, 相同并发率下, 视频业务的收敛比相对较小 图 3-3 不同业务收敛比对比流量急剧增长和收敛模型的改变, 使传统的高汇聚 高收敛网络面临 4K 视频承载的挑战 : 网络效率低 : 视频流量增长后, 端到端网络设备都需要扩容, 汇聚层次越多, 收敛比越低, 同步扩容的端到端设备规模就越大 ;CDN 部署位置高, 内容远离最终用户, 业务流经过的网络设备众多, 占用大量的网络资源 用户体验差 : 多种业务并发时, 随着网络利用率的提升, 丢包和时延会同步 提升, 降低视频业务体验 ; 在轻载网络中,98.7% 的突发丢包发生在从高带宽 向低带宽过度的汇聚节点, 丢包率的提升, 降低视频业务体验 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 32

33 图 3-4 时延和链路利用率关系 图 3-5 丢包率和链路利用率关系 减少网络层次, 简化网络, 合理部署 CDN 将会显著提升网络效率 : IP 网络层级简化 OTN 网络延伸到 CO 与业务规模匹配的分布式 CDN 提升视频业务对网络时延 丢包等指标的容忍度, 优化网络质量指标, 将会显著 提升业务体验 : TCP 加速提升网络通量 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 33

34 3.5.1 IP 层次简化 随着视频 4K 业务的深度部署, 高挂 BRAS 的组网方案对终端用户体验影响及运营商部署成本成为关键阻碍 视频体验 : 视频业务时延敏感, 报文在网络中逐跳转发时均会产生自然延迟, 网络设备在不拥塞时, 自然时延小于 50us, 但一旦网络发生拥塞, 即使是高优先级业务, 单台设备的时延也会增大到毫秒级甚至秒级, 因此减少 CDN 到终端间的跳数可降低拥塞发生的概率, 通过网络扁平化或者 CDN 下沉可减少层次,BNG 作为用户网关设备需要保持与 CDN 同层次, 或者在 CDN 下方 部署成本 : CDN 高挂对推广 4K 成本的影响 :CDN 高挂, 除了对体验有不利影响外, 对成本也有不利影响 CDN 高挂将导致所有视频流量穿越骨干网, 在 4K 深入部署阶段, 骨干网扩容压力太大 以 D 运营商为例, 如果 5% 的宽带用户开 4K 业务, 只有 10% 的 4K 用户看 4K 时, 骨干网的流量将达到 3T 因此通过 CDN 下沉来减少骨干网扩容投资, 同理 BNG 将随着 CDN 的下移而下移, 因为流量必须经过 BNG 才到 CDN 多级汇聚对推广 4K 成本的影响 :BNG 高挂场景下, 在 BNG 与接入网之间还存在多层汇聚, 这在 internet 为主体业务的时代, 成本更优, 因为 internet 业务存在统计复用的特点, 网页的访问或者文件下载一般是在短暂的时间内完成, 因此不同用户对网络的资源分时使用的, 因此从用户到接入网, 再到 IP 网关 再到 CR 是存在流量逐跳收敛的, 从而传统网络设计时, 会在接入网与 BNG 间增加一层或多层汇聚设备, 进行收敛, 来降低 BNG 带宽要求 ( 因为 BNG 的端口带宽成本高于交换机的带宽成本 ); 而在 4K 时代, 视频业务成为为流量主体, 而视频业务的特点是长时间稳定在线, 不同用户间的错峰特征减弱, 导致 BNG 上的带宽可统计复用度降低 ; 此时大二层汇聚价值缩小, 达到一定程度成本还会不降反升 还有一个情况, 当前现网还有很多局点直播业务在使用 PPPOE 承载, 而 BNG 作为 PPPOE 用户的最后一跳组播复制点, Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 34

35 其位置越高, 端对端带宽要求越高, 整网建网成本越高 下面重点针对几种扁平化架构方案展开探讨 : 图 3-6 扁平化架构方案目标架构 1:BNG 下沉到 Metro 边缘, 网络层次由五层演进为三层 BNG 下沉到 Metro 位置, 与二层 Metro 网络的 NPE 网元物理合一, 同时集成上游的 PE 设备, 从而城域网从原来传统的五层架构减少到三层架构该架构对 BNG 的要求是能够终结 Metro 网络的二层 VPN, 并且完成用户业务终结, 然后根据用户业务特征进行流量向上游网络的分发 : 进入网络侧的 L3VPN 或者 internet 该架构目标城域网模型评估 : OLT 上下行收敛比 :1:2 CO 上下行收敛比 :1:2 BNG 上下行收敛比 :1:2 CR 上下行收敛比 :1:2 每个 OLT 4000 用户 每个 CO 带 4 个 OLT Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 35

36 每个 BNG 带 10 个 CO 每个 CR 带 10 个 BNG 表 3-2 目标架构 1 流量模型 入门级 4K 运营级 4K 极致 4K 8K 用户带宽需求 (Mbps) 渗透率 30% 45% 60% 75% 并发率 20% 30% 40% 55% 带宽需求 CR 上行 (G) CR 下行 (G) BNG 上行 (G) BNG 下行 (G) CO 上行 (G) CO 下行 (G) CR(G) BNG(G) CO(G) 基于参考模型的各设备带宽要求 : CO: 整机能力至少 100G, 建议 200G, 最好 400G, 未来可平滑演进到 2T BNG: 单板能力至少 100G, 建议 200G, 最好 400G, 未来可平滑演进到 2T CR: 单板能力至少 400G, 建议 1T, 最好 2T, 未来可平滑演进到 8T 功能要求 : BNG 具备 FMC 综合接入能力, 承载专线业务, 家宽业务, 视频业务, 提供终结 L2VPN 接入 L3VPN INTERNET 新的 L2VPN 的功能目标架构 2: 在目标架构 1 的基础上, 通过虚拟接入 (nv satellite) 技术, 将 CO 设备映射成 BNG 的拉远单板, 对外不独立呈现 BNG 下沉到 Metro 边缘后, 仍然存在二层汇聚网络, 汇聚的网元依然很多, 需要运营商管理这些网元, 维护工作量很大 nv-satellite 技术可以进一步简化网络架构, 将 CO 设备当成 BNG 的拉远单板进行管理,CO 设备将不再独立对网管可见, 从而整体上减少了运营商管理的设备数量, 将网络层次在逻辑上减少到 2 层 ; Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 36

37 详细方案如下图所示, 部署该方案后, 所有 CO 设备都可以看做是 BNG 放在远端的一个板卡, 而 CO 设备部面向客户侧的业务接口都可以看做 BNG 的接口 这样, 用户就可以只在 BNG 上配置和管理业务了, 极大的简化了业务部署和网络运维 在虚拟接入方案中, 上述 CO 设备称为 AP(Access Point), 原有的 BNG 节点称为 Master, Master+AP 构成整体的业务网关实体 BNG AP: 虚拟接入系统的接入节点, 可以看作是 Master 的一个板卡, 由 Master 自动发现并管理 AP 接受 Master 下发的配置和转发表项, 对外提供业务外联 接口 Master: 虚拟接入系统的控制节点, 负责虚拟接入系统内部的隧道建立 业 务下发和流量控制, 并可以对连接的 AP 进行管理 边缘 PE 汇聚 PE 客户侧网络 AP AP Master 服务侧网络 AP 实际网络 用户视角 客户侧网络 Master 服务侧网络 业务接口 图 3-7 虚拟接入解决方案概念图 部署虚拟接入解决方案可以为用户带来如下好处 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 37

38 简化网络规划 采用虚拟接入方案后, 整个虚拟接入系统内部的转发路径计算和表项下发都由 Master 自动完成, 无需用户参与路径规划 同时, 虚拟接入系统内部的拓扑信息由 IS-IS 自动收集,Master 与 AP 之间的接口无需配置 IP 地址, 因此用户也无需规划 IP 地址 简化业务部署 虚拟接入系统的控制和管理平面都集中到了 Master 上, 部署业务的配置和查询操作都在 Master 或网管上完成, 用户无需再到边缘站点进行配置和管理 同时, 由于控制平面的集中, 虚拟接入系统内部无需运行 BGP LDP RSVP-TE 等动态协议, 极大地减少了配置工作量 简化运维和管理 虚拟接入支持 AP 的即插即用, 在 AP 上线后, 可以被 Master 自动发现并管理, 无需用户手动干预, 降低了网络运维和管理的复杂度 同时, 虚拟接入系统的业务告警通过 Master 集中上报给网管,AP 只上报设备自身的故障告警, 减少了告警数量, 使故障定位更容易 虚拟接入解决方案的可覆盖固定宽带 (FBB) 的各种业务接入, 包括 4K 视频业务, 一起城域网上的其他业务 :VoIP IP VPN 和 E-Line internet 等, 作为综合承载方案的组网图逻辑图如下 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 38

39 虚拟接入场景关键设备能力要求 : 图 3-8 虚拟接入解决方案的典型应用 在目标架构 1 对 BNG/CR/CO 设备的要求能力之上,BNG+CO 配合提供 nv-satellite 的虚拟化能力, 对外呈现唯一的逻辑网元 目标架构 3: 网络扁平化,BNG 下沉到边缘, 五层网络演进到两层该架构在目标架构 1 的基础上进一步扁平化,OLT 直驱 BNG, 中间无收敛 无汇聚 如前面的介绍, 在 internet 时代, 增加交换机来增加网络收敛, 从而可以减少路由器的端口数量需求, 因为路由器成本远高于交换机, 从而整体上节省 TCO; 然而, 伴随着视频业务深度部署, 带宽收敛比越来越小, 交换机汇聚对路由器的端口节省帮助越来越小, 根据中国 C 运营商 Y 省份的 TCO 计算, 在 OLT 上行带宽与 BRAS 上行带宽收敛比等于三分之一的情况下, 增加一层交换机与 OLT 直驱 BRAS 的 TCO 刚好持平, 然后随着收敛比进一步降低, 直驱组网成本的优势将持续加大, 如下图所示 另外, 当前主流 OLT 的上行物理口带宽可以达到 10G, 与 BNG 的下行口带宽匹配, 不必须依赖汇聚设备进行小带宽到大带宽的适配 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 39

40 图 3-9 有无 LSW 的 TCO 分析对比 BNG 下沉有两种方式, 第一种方式是 BNG 物理位置不变, 保持在传统 POP 点,OLT 直驱 BNG, 去除汇聚层 ; 该架构目标城域网模型评估 : OLT 上下行收敛比 :1:2 BNG 上下行收敛比 :1:2 CR 上下行收敛比 :1:2 每个 OLT 4000 用户 每个 BNG 带 20 个 OLT 每个 CR 带 10 个 BNG 表 3-3 目标架构 3 流量模型 1 入门级 4K 运营级 4K 极致 4K 8K 用户带宽需求 (Mbps) 渗透率 30% 45% 60% 75% 并发率 20% 30% 40% 55% 带宽需求 CR 上行 (G) CR 下行 (G) BNG 上行 (G) BNG 下行 (G) OLT 上行 (G) Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 40

41 OLT 下行 (G) CR(G) BNG(G) OLT(G) 基于参考模型的各设备带宽要求 : BNG: 单板能力至少 100G, 建议 200G, 最好 400G, 未来可平滑演进到 2T CR: 单板能力至少 400G, 建议 1T, 最好 2T, 未来可平滑演进到 8T 功能要求 : BNG 具备 FMC 综合接入能力, 承载专线业务, 家宽业务, 视频业务 提供终结 L2VPN 的同时接入 L3VPN INTERNET 新的 L2VPN 的功能 BNG 下沉的另一种方式是 BNG 的布放物理位置下沉, 由 POP 点下沉到 CO 站点, 与 接入设备共机房部署, 由于接入位置的下沉, 会面临大量不同的接入网设备, 不同的 接入端口类型, 具体对下沉后 BNG 的要求 : 该架构目标城域网模型评估 : OLT 上下行收敛比 :1:2 BNG 上下行收敛比 :1:2 CR 上下行收敛比 :1:2 每个 OLT 4000 用户每个 BNG 带 5 个 OLT 每个 CR 带 40 个 BNG 带宽要求参考能力模型 表 3-4 目标架构 3 流量模型 2 入门级 4K 运营级 4K 极致 4K 8K 用户带宽需求 (Mbps) 渗透率 30% 45% 60% 75% 并发率 20% 30% 40% 55% 带宽需求 CR 上行 (G) CR 下行 (G) Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 41

42 BNG 上行 (G) BNG 下行 (G) OLT 上行 (G) OLT 下行 (G) CR(G) BNG(G) OLT(G) 基于参考模型的各设备带宽要求 : BNG: 整机能力至少 100G, 建议 200G, 最好 400G, 未来可平滑演进到 2T CR: 单板能力至少 400G, 建议 1T, 最好 2T, 未来可平滑演进到 8T 尺寸要求 :300 毫米深, 与 OLT 可共机柜 随着 BNG 位置的下沉, 对接入能力有更高的要求 : 提供 Any Access 的接入能 力 (E1/ATM/POS/GE/10GE/40GE) OTN 到 CO 传统城域网 BNG 到 CR 之间 OLT 到 BNG 之间采用以太或者 MPLS 交换机收敛 + 光纤直驱的方案, 在 4K 视频业务快速发展的情况下会面临挑战 : 挑战 1: 中继光纤资源有限, 难以满足 4K 业务城域带宽增长的需求参考表 3-4, 在基础 4K 阶段, 考虑多屏等预留负载率 城域 80 万用户模型计算如下图,OLT 上行 GEN*10GE, 汇聚层容量可达 640G, 核心层容量 3.2T: Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 42

43 图 3-10 典型城域模型 (80 万用户 ) 采用传统光纤直连的网络, 按照 10G 端口计算,OLT 与 BNG 之间, 每 BNG 下连 OLT 需 20*4=80 对光纤, 共需要 10*80=800 对光纤 挑战 2: 光纤铺设和连接调整周期长, 难以支撑 4K 视频快速带宽发放的诉求城域流量拓扑是树形, 而实际从 OLT 到 BNG BNG 到 CR 之间的城域光缆网络一般分层次沿道路建设, 从下层节点到上层节点通常是环形光缆, 每个综合接入点都要经过多跳中继点光纤跳接 视频业务流量每年高速增长, 如果采用光纤直连方式, 每次业务调整或扩容都需要协调光纤资源 如果有现成的光纤, 只需要人工改变光纤连接, 时间也长达数周 如果是新铺设光纤, 周期更是在数月以上, 传统的光纤扩容节奏已经不能匹配视频流量快速增长的要求 OTN 到 CO: 解决 4K 承载网大流量 海量连接的问题业界部分运营商已经将 OTN 部署到 CO 站点, 用于承载 4K 视频业务, 例如中国电信 中国移动等 由于视频业务驱动下网络层次扁平化 (5 层变 3 层 ), 导致 OLT 到 BNG BNG 到 CR 之间距离拉远 互联带宽和连接数倍增, 部署 OTN 到 CO 来提供单纤超大带宽 最佳适配距离 流量无收敛 快速按需带宽的互联基础管道, 其典型组网如下 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 43

44 图 3-11 典型 OTN 到 CO 组网 OTN 到 CO 的价值 : n*tbps 在一对光纤传送 : 每个汇聚环只需 1 对光纤, 大幅节省光纤 PnP(Plug and Play, 即插即用 ) 带宽池 :OTN 给 OLT/BNG/CR/CDN 之间 提供高品质硬管道连接, 方向和带宽可以灵活调整 通过引入基于波长级别的 ROADM 和数 T 大容量 OTN 光电混合调度技术, 满足视频南北流量和东西流量按需发放, 每次业务开通, 只需增加业务端口连接, 即插即用, 远程配置, 分钟级完成传输网络业务调度和带宽扩容 L0/L1 层硬管道 ( 波长 /ODUk 子波长 ):OTN 组网在业务穿通节点基于 L0/L1 层硬管道穿通, 确保 100% 重载下 0 丢包, 时延可保证单节点 <50us, 并且支持 P2MP 连接, 满足广播视频业务的需求 OTN 下沉到 CO 的功能要求 : 承载不同网络层级 OLT/IP 业务的 OTN 设备需求 ( 参考表 3-4,OTN 容量 保持 50% 以上裕量 ) CO 站点的 OTN: 城区大型 CO 站系统容量 >3Tbps; 郊县中型 CO 站系统容量 >600Gbps; 乡镇小型 CO 站系统容量 >100Gbps BNG 站点的 OTN: 单槽位容量 400G, 系统容量 6Tbps 以上 CR 站点的 OTN: 单槽位容量 400G, 系统容量 12Tbps 以上 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 44

45 城域 100G 波分支持可插拔 CFP 光模块 : 对比 100G MSA 模块, 降低功耗 50%+ PID(Photonic Integration Device) 光子集成 : 通过硅光技术将传统 WDM 光层 OA/MUX/DCM 等分离板卡整合在单一板卡, 光层配置自动化, 简 化运维 可编程 100/200/400G OTN 接口 (FlexRate), 基于统一硬件, 通过软件 配置即可实现快速带宽提速, 覆盖不同带宽需求 ; 在线光性能 光纤质量监控 OD/FD(Optical Doctor/Fiber Doctor), 配 合 U-vMOS 支持物理层故障定位 与业务规模匹配的分布式 CDN 合理规划的分布式 CDN 提升业务体验, 降低建设成本视频的兴起也对边缘存储 计算提出了要求 为了保证视频体验, 通常会按需建设多级 CDN( 核心 CDN 边缘 CDN 区域 CDN) CDN 越靠近用户, 用户体验越好 CDN 部署位置决定视频流的流量流向 时延 丢包, 影响 4K 业务的建设成本 存储换带宽, 是业界常有的思路, 但实际部署中, 并非在任何条件下都成立,CDN 部署需要和网络紧密协同, 才能达到整体成本最优 CDN 承载的用户数影响 CDN 命中率和利用率 CDN 成本可拆分为流化服务器成本 存储服务器成本以及配套建设成本三个部分, 并和 CDN 利用率直接相关,CDN 的利用率越低,CDN 整体建设成本越高 CDN 利用率由 CDN 的命中率决定,CDN 命中率 =(1- 回源次数 / 总请求次数 )*100% 如果本 CDN 节点已经缓存了用户请求的内容,CDN 节点直接提供业务流, 则 CDN 命中, 回源次数不变, 总请求次数加一 ; 如果本 CDN 节点上没有缓存用户请求的内容,CDN 节点会到上级 CDN 获取内容, 提供给用户, 同时把内容缓存, 则 CDN 没有命中, 回源次数和总请求次数都加一 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 45

46 基于经验数据分析,CDN 命中率和并发用户数相关, 用户数较少时, 用户请求的 内容离散度较高 ; 随着用户数的增加, 内容离散度逐步降低 ; 用户数达到一定数量后, 内容离散度维持在相对稳定的值 图 3-12 请求内容离散率和用户数关系在用户规模较少时, 如果 CDN 部署位置过低, 将显著降低 CDN 的命中率 CDN 下移降低网络建设成本的同时, 拉高了 CDN 的建设成本 CDN 部署位置下移后, 受流化服务器等设备利用率降低, 新建存储服务器及服务器配套等,CDN 的成本将会上升 图 3-13 CDN 下移后的 CDN 建设成本对比 CDN 部署位置下移后, 减少了流量的转发跳数和经过的网络设备, 相应地减少网 络扩容成本 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 46

47 图 3-14 CDN 下移后的网络成本对比 综合评估网络节省的成本和 CDN 建设增加的成本,CDN 下移在 4K 用户达到一定规 模后才会有更低的综合成本 基于经验数据分析, 触发 CDN 分级部署的用户规模如下 : 视频业务总用户数超过 15 万, 开始建设二级 CDN; 每个二级 CDN 节点承载的 用户数 3 万 视频业务总用户数超过 40 万, 开始建设三级 CDN; 每个三级 CDN 节点承载的 用户数 8 万 TCP 加速提升网络通量在网络质量指标 ( 丢包 时延 抖动 ) 不足的条件下,TCP 加速能够有效提升网络通量, 提升 4K 点播视频业务的用户使用体验, 延缓网络扩容周期, 降低网络扩容规模和成本 序号 表 3-5 TCP 加速效果对比 (100M 带宽,4ms 时延, 丢包率递增 ) 时延 (ms) 丢包 FTP 下载速率 Mbps ( 没有加速 ) FTP 下载速率 Mbps ( 有加速 ) % % % % % % % % Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 47

48 序号 表 3-6 TCP 加速效果对比 (100M 带宽,0.01% 丢包, 时延递增 ) 时延 (ms) 丢包 FTP 下载速率 Mbps ( 没有加速 ) FTP 下载速率 Mbps ( 有加速 ) % % % % % % % % 业界有两种主流的 TCP 加速方式, 分别为网络加速和 CDN 自加速 网络加速 在网络中部署 TCP 加速设备 ( 部署位置可以灵活选择 ), 实现对视频业务流的 TCP 加速 网络加速过程全透明, 终端和业务服务器不感知加速设备和加速过程的存在 在有效边界范围内,TCP 加速能够有效降低网络时延和丢包对通量的冲击, 持续保持高通量 支持运营商对指定用户或指定业务提供商进行 TCP 加速, 实现差异化服务能力货币化 CDN 自加速 在业务服务器上安装自研 TCP 加速算法, 或者购买安装商用 TCP 加速软件插 件, 在业务服务器上实现对视频业务流的 TCP 加速 自研算法 : 需要每个业务提供商分别研发 TCP 加速算法, 确保算法的有效性, 逐个业务服务器进行软件升级 商用插件 : 需要每个业务提供商分别购买商用的 TCP 加速软件插件, 逐个业务服务器进行插件安装 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 48

49 表 3-7 两种加速方式的对比 对比项 网络加速 CDN 自加速 可为指定用户或指定业务进行加速, 实 可以实现业务级的 TCP 加速业务增现精细化的用户通量管理, 提供用户体验 难以实现用户粒度的精细化管理和多值运营差异化服务业务协同控制 方案部 网络加速设备可以被多业务共享, 按需署成本扩容 加速功能单业务服务器业务独享 只需网络改造, 终端和服务器无需改动 提供业务的所有服务器都要升级, 部署方案部 网络加速设备独立部署, 和业务无耦合, 周期长署难度部署简单, 周期短 部分方案需要终端同步升级, 方案复杂 网络加速方案和 CDN 自加速方案在具体的细分场景中, 各有优势, 可以基于具体 的需求, 从运营 成本和部署三个维度, 结合现网条件和业务目标进行评估, 灵活选 择 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 49

50 4 运维 : 可视化用户视频体验管理 从运维视角, 体验驱动的 4K 承载网必须是可感知 可管理的网络 可感知 :4K 视频用户的最终体验可感知 ; 可管理 : 网络导致视频体验劣化时, 可以快速定界定位 ; 建设 4K 精品网的同时, 必须配套建设相应运维架构支撑可感知 可管理的目标 图 4-1 体验驱动的 4K 承载网运维架构图 视频质量监控系统, 支撑媒体业务运营中心 (SOC): 用户视频 U-vMOS/KQI 监控预警节目源质量监控预警, 多维度分析呈现平台 / 机顶盒设备运行情况监控, 多维度分析呈现 STB/ 平台 / 节目源问题定位 ; 质量类问题群障分析 网络质量监控系统, 支撑网络操作维护中心 (NOC): 城域 / 骨干网端口秒级性能监控预警 ( 重点区域 ), 多维度分析呈现 用户视频路径自动发现, 路径上逐跳 KPI 检测 ( 时延 / 丢包 / 流量 ), 多维度分 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 50

51 析呈现 接入设备 ONU 的流量 / 丢包 光功率例行监控, 多维度分析呈现 视频体验劣化质量问题定界定位 4.1 视频体验感知 视频体验 U-vMOS/KQI 可感知, 是体验驱动的 4K 承载网维的最基础能力要求 对单个用户 对单个直播频道, 都应当可感知 U-vMOS 卡顿次数/ 时长 初始启动时长 快进退响应时长 切换频道时长 端到端时延 / 丢包 / 抖动 / 吞吐率等关键指标, 并能够根据区域 归属设备 各种时间维度进行汇总 / 趋势分析 运营商视频体验感知对于运营商自营视频, 用户体验可通过部署的视频质量监控系统获得, 即通过在运营商视频业务平台和终端 STB 中部署探针来感知 U-vMOS/KQI 探针分为软探针 ( 比如 APP) 硬探针( 比如硬件盒子 ) 表 4-1 视频质量监控系统部署方式 业务类型 部署位置 探针类型 部署方式 BTV 头端编码器出口 硬探针 引流 如 :x86 服务器 终端 STB 软探针 内置 如 :STB 内置 VOD&OTT 头端 HMS 出口 软探针 内置 / 引流 如 :HMS 内置 终端 STB 软探针 内置 如 :STB 内置 优势 : 最真实反映最终用户体验, 检测精度高 适用于各种视频场景, 包括 BTV VOD OTT 各种业务类型, 以及视频 加密和不加密场景 劣势 : 缺乏统一的标准, 不同视频平台厂商实现可能不一致 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 51

52 4.1.2 OTT 视频体验感知对于非运营商自营视频, 第三方 OTT 可能未部署视频质量监控系统 运营商可选择在网络 CR/BRAS 等位置部署探针, 进行用户 U-vMOS/KQI 感知 优势 : 易部署 : 部署上和头端 终端无关, 在网络关键节点部署即可 易拉通 : 不同内容提供商, 可以采用统一的方案进行体验测量 劣势 : 监控操作体验和加密片源质量, 须要和头端 终端协同 仅适合 TCP 传输场景,UDP 传输视频只能反映探针部署位置的体验而不是最终用户体验 4.2 视频故障定位 视频是跨网络的运营商基础业务, 视频体验劣化快速定界定位面临挑战 : 随机 / 难重现 : 视频花屏卡顿随机出现, 维修人员观看时无法重现问题 瞬息变化 : 体验劣化与观看当时的视频流实际路径, 以及路径上当时流量拥 塞情况密切相关, 没有历史信息可回溯就无法定位 跨领域 : 问题原因可能涉及业务平台 承载网络 家庭网络等多个环节, 需 要相关领域联动合作, 仅靠上门换终端重新下发配置无法解决问题 针对视频体验劣化问题定位诉求, 建议多系统联动配合, 按 体验劣化感知 --> 系统联动 --> 实时路径还原 --> 关键节点业务 KPI(MDI) 定界 --> 逐跳网络 KPI 分析定位 的端到端思路来解决 如下图 : Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 52

53 图 4-2 视频故障定位流程图 Step1: 体验劣化感知 通过视频质量监控系统例行监测, 感知用户 U-vMOS/MDI/ 吞吐率 / 速率 / 端到端 时延和丢包等关键指标 通过 U-vMOS 感知到用户体验劣化产生 Step2: 系统联动 通过系统间接口, 用户启动 / 停止观看 体验劣化时发送事件通知网络质量监 控系统, 并附带视频业务流五元组 ( 源 IP 地址 源端口 目的 IP 地址 目 的端口和传输协议 ) 信息, 以及劣化时刻用户 U-vMOS/KQI 指标 Step3: 实时路径还原 网络质量监控系统接收到视频业务流五元组后, 通过查询三层路由转发表 BAS 设备 ARP 表 二层设备 MAC 地址表 NAT 地址转换表等相关信息, 实时端到端还原用户所观看的视频业务流路径 (ONT-OLT-LSW-BAS-BR-CR) 根据实际组网情况, 实时路径还原需要考虑 Native ETH L3VPN L2VPN 多层 NAT 链路负载均衡等多种组合场景 Step4: 关键节点业务 KPI(MDI) 定界 视频业务路径还原后, 网络质量监控系统启动网络关键节点业务 KPI 检测 ( 如 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 53

54 ONT STB CR 等 ), 通过业务 KPI 劣化阈值越限, 进行快速故障定界 例如 : MDI DF>50ms,MLR>8 个媒体封包 / 秒, 可判断质量劣化发生在家庭网络 Step5: 逐跳网络 KPI 分析定位 视频路径还原后, 在路径 (ONT-OLT-LSW-BAS-BR-CR) 所有上下行端口启动秒 级性能监控 视频流性能测量时延丢包, 逐跳获取 KPI 指标 在 KPI 趋势图 上, 叠加呈现视频质量劣化事件和 U-vMOS/KQI 信息, 以支持故障定位 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 54

55 5 展望 首先, 最终用户对更好业务体验的追求是永无止境的, 更高的清晰度 更多的屏 幕 更多的观看方式都将推动视频流量的不断增长 图 5-1 最终用户对更好业务体验的追求是永无止境的 其次,OTT 提供直播视频越来越普遍, 通过单播来提供直播业务往往意味着劣化的体验和高昂的成本 ( 租用带宽成本 ) 已有运营商在探索把组播能力开放给 OTT, 一方面以 MulticastAAS 创新收入来源, 另一方面还可缓解扩容压力 对 OTT 来讲也节省了成本 随着云服务的兴起, 云存储 / 云计算需求猛增, 运营商持续加大 DC 基础设施建设, 以 DC 为中心的网络架构被运营商广泛认可, 比如 AT&T 的 Domain2.0, 中国联通的 Cube-Net,Telefonica 的 UNICA 等 长期来看, 业务云化 边缘 DC 的建设共同驱动网络架构的重构, 所有的业务模式也要逐渐向 DC-centric 的架构靠拢, 视频也不例外 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 55

56 图 5-2 向未来架构平滑演进体验驱动的 4K 承载架构具备良好的向未来架构平滑演进的能力 端到端高通量管道提供了充足带宽资源池, 支持 4K/ 云服务兼容发展 BNG 到边缘支持按需 Anywhere CDN/ 边缘 DC 部署 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 56

57 附录 A 参考资料 (1) 华为 U-vMOS 视频体验标准白皮书 V1.0 (2) TR 126: Triple-play Services Quality of Experience (QoE) (3) VRP V800R011C00 虚拟接入技术白皮书 Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 57

58 附录 B 缩略语 缩略语 VBR CBR KQI KPI RET FCC RTT HLS STB UDP SLA SOC NOC CDN CO PLC AP SSID PID OD FD 英文全称可变码率 Variable bitrate 固定码率 Constant bitrate 关键质量指标 Key Quality Index 关键绩效指标 Key Performance Index 重传 Retransmission 频道快速切换 Fast Channel Change 往返时延 Round-Trip Time HTTP Live Streaming 机顶盒 Set Top Box 用户数据报协议 User Datagram Protocol 服务等级协议 Service Level Agreement Service Operation Center 网络操作维护中心 Network Operation 内容分发网络 Content Distribution Network Central Office 电力线通信 Power line Communication 无线接入点 Access Point 服务集标识符 Service Set Identifier 光电子集成 Photonic Integration Device Optical Doctor /Fiber Doctor Copyright 2016 华为技术有限公司版权所有, 侵权必究 58