优化前端系统 助力超高清节目传送

张新蕊 上海尚时网络科技有限公司

今天我的报告主题是优化前端系统，助力超高清节目传送。

我们有一个有线电视运营商客户，最近在做4K超高清节目频道测试时，发现他的有线电视频点资源冲突非常厉害，就找到我们要求提供优化方案，以期对未来超高清节目传送、扩展增值业务以及开展专项业务能腾出更多的频点资源，为未来业务提供技术支撑。

图1是有线电视频点资源的分布和利用状况。在862MHz之前的频点共有93个，VOD占用24个频点，CMTS占用16个频点，去除传输6套模拟电视的频点和干扰频点，只有45个频点可用于直播节目。在过去一两年里，有线电视仅有862MHz到1002MHz之间的频点资源还没有使用，在此状况下，用于传送4K超高清的频点资源十分紧张。

图1 有线电视频点资源的分布和利用状况

图2 是4K超高清节目的带宽码率。

以 4K超高清的主流应用为例，4K超高清节目的带宽码率需求如下：4K@30帧速率、8bit量化，其码流带宽需要30Mbps，接入带宽码率要求>30Mbps；4K@60帧速率、10bit量化，其码流带宽需要35Mbps，接入带宽码率要求>50Mbps。针对这种需求，我们总结出以最少的投资扩展频点的几个思路。

第一个思路，要尽快解决MPEG2压缩编码格式向MPEG4 AVC压缩编码格式的转换。国内有线电视频点采用MPEG2压缩编码格式传输4套到6套标清节目，这样的传输效率太低了。在国外，采用MPEG4 AVC压缩编码格式可以传输16套标清节目和5套高清节目。因此，使用新型的信源压缩编码设备，可以降低码流带宽，以最小的投资迅速提高频点的利用率。以往，由于信源压缩编码器价格比较高，限制了新型信源压缩编码设备的应用。随着芯片技术的快速发展，高密度的编码器已经研发出来并得到应用。目前，单一编码器可支持多通道、多格式的信号编码，并具备支持24路MPEG4 AVC HD高清或 4K@60帧速率的编码能力。

图2 4K超高清节目的带宽码率

图3 当前的有线电视前端系统

图3 是当前比较常用的有线电视前端系统，卫星信号接收后只做一次预处理就做复用。在预处理子系统加入编码环节，对所有节目进行重新编码，然后送到下一步的节目再复用子系统进行处理。这样做主要是有几个好处。第一个好处是进行重新编码之后，可以解决卫星传输的卫视节目中不太稳定PTS流的延迟或者抖动的问题，经重新编码后可以得到稳定的码流，这对后面的处理会带来很大的好处。第二个好处是现在编码器已经具有响度动态调节功能，可以动态调整同一频道不同节目的声音响度的明显差异以及不同频道间节目切换时声音响度可能出现的明显差异，提高了电视观众收看节目的听觉体验。

第二个思路，推荐直播节目和VOD节目采用256 QAM调制。目前数字有线电视信道调制基本都是采用QAM 64调制，如果采用256 QAM调制，传输码率可以有30%的提升，把QAM 64调制改为256 QAM调制所需的成本很低。如果有用户担心会影响视频质量，那我们可以考虑把调制设备下移，便于更好的控制；还有用户担心把调制设备放在边缘会影响设备的安全性，现在IPQAM技术已经非常成熟，无论是在MER值还是视频性能方面都做的非常好，IPQAM设备在江苏有线运行5年来，没有因为硬件故障出现过一次视频的中断。第三个思路，应用DOCSIS3.1的更高阶数QAM调制技术来提升宽带的能力。采用DOCSIS3.1的更高阶数QAM调制技术，可以增加50%的带宽。目前，大部分国内运营商都没有使用862MHz到1002MHz的频点，他们认为光端机不支持1GHZ，有些频点网络传输的质量不好。我们在客户网上对这段未使用的频点做了一些采用DOCSIS3.1的更高阶数QAM调制技术的测试，其结果是，若全部采用DOCSIS3.1的更高阶数QAM调制技术，至少能够传3.5G的数据。

图4 QAM64与QAM256的性能比较

图5 IPQAM下移

第四个思路，视频的IP化。现在内容播出的形式已不仅限于电视直播，更多是网络视频、短视频包括网络点播的形式，并且对IP的需求会越来越多。

DOCSIS带宽的提升很大程度上需要频谱资源，美国ComcastCable为此从2007年就开始规划，预计2020年能够初步实现。当前阶段是回收现有MPEG-2 HD的QAM资源，全部转换为MPEG－4 HD，回收的频谱给DOCSIS使用。未来HEVC的引入，将会进一步提高频谱的利用率。

可以预期到2020年，有线电视大部分的频谱将是基于IP传输的应用。在现阶段IPQAM可以提供性价比更高的组播流量。

图6是2015年12月份在法国主城区对电视节目观众数和收看电视频道数对照所做的一个统计数据。统计数据显示，95%的人经常收看的节目只有10套，3.5%的人经常收看的节目是20套到30套，也就是说所有频道节目中，观众经常收看的30套节目囊括了98.5%的观众，剩余节目的收视率基本维持在1.5%。我上个月和西部有线电视运营商有过交流，他们的有线电视机顶盒统计的数据结果和上述法国主城区统计数据非常相似，他们的有线电视传输的众多节目中只有28套节目经常有人收看。上述统计数据显示了观众收看电视节目的长尾效应。

基于图6统计数据的模型，我们给出以下建议：

（1）对于95%的人经常收看的高收视率的短尾节目，应给予重点保障，用最优的编码技术、最高的带宽来提供节目最好的视频质量；

（2）对于3.5%人收看的中等收视率的中尾节目，推荐采用IPTV或者组播、SDV方式来节省有线电视的频点资源；

（3）对于1.5%人收看的低收视率的长尾节目，推荐放在点播里。

如果基于图6统计数据的模型不太适合我国国情的话，我们可以对观众经常收看的节目提供重点保障，用最优的编码技术、最高的带宽以提供节目最好的视频质量，其余的节目尽可能做一些统计复用，放在点播节目里。

图6 电视节目观众数和收看电视频道数的对照

最后给出未来在进行IP化过程中，全IP化下行通道配置的举例。如图7所显示，在32频点都可以用作数据通道时，我们将其划分为3个优先级，推荐前面的8个频点为最高优先级，做直播节目；中间频点为中等优先级，用于保障点播业务；后面频点为低级优先级，用于上网的一些服务。

IP化是大家认同的技术发展趋势，但是从QAM转换到IP需要一个很长的过程，在此转换过程中，需要我们理清如何做好服务等级的划分，如何规划和充分利用有线电视的频点资源。

图7 全IP化下行通道配置举例