浅谈基于I-PON的下一代数字电视播出平台方案

2019-07-31唐凡江苏有线泰州分公司

视听界(广播电视技术) 2019年3期

唐凡江苏有线泰州分公司

1.引言

如何建设下一代数字电视播出平台，目前争论较大，主要有标准之争、选型之争、协议之争。“三大争”的焦点都围绕播出平台建设本身，并未从数字电视信号传输的全流程考虑，并未从广电网络双向化网改的发展趋势考虑，更没有从当前播出平台面临的主要问题考虑。笔者在阅读大量相关文献，调研相关技术发展趋势的基础上，提出基于IPON的数字电视播出平台建设方案。

基于IPON的数字电视平台建设方案有利于彻底扭转4K超高清节目传输能力不足的困境，有利于实现接入网各种标准的统一，有利于弱化机顶盒对业务发展的掣肘，有利于实现多屏互动，是从前端到终端的一揽子解决方案，具有推广普及的现实意义。

2.“三大争”简介

“三大争”即下一代数字电视播出平台建设的标准之争，选型之争，协议之争。

（1）标准之争

标准之争的焦点是下一代数字电视播出平台是采用DVB-C1标准还是采用DVB-C2标准。这种争论类似电信4G与5G标准之争。DVB-C2标准在信道纠错编码、频带利用率、调制方式等方面的优势明显，完全满足未来大量数字电视节目4K化乃至8K化的传输要求。如同电信5G必然取代4G一样，很多人认为下一代播出平台标准必须采用DVB-C2标准。但是我们必须清醒的看到，电信由1G向2G演变用了15年，2G向3G演变用了10年，3G向4G演变用了8年。标准演变的背后，不仅仅是有新标准做依托，更重要的是自身实力强大能够吸引大量的国内外顶级设备研发单位做后盾。广电DVB-C2标准2004年就发布了，至今未有一家设备研发单位拿出过可以商用的产品。认清现实，立足现状，下一代数字电视播出平台必须也只能继续沿用DVB-C1标准。

（2）选型之争

选型之争的焦点有两个，一是下一代平台设备是用国产的还是进口的；二是下一代平台设备选择熟悉的型号还是陌生的型号。国产、进口之争源于在中美贸易冲突大背景下，贸易制裁可能导致设备零部件供应中断。熟悉、陌生之争主要对平台建设成本的考虑。选型之争应根据各地广电网络实际情况作出选择。

（3）协议之争

协议之争即下一代数字电视播出平台内部信号调度是采用组播协议还是异步串行电接口协议。采用组播协议的平台价格较高，采用异步串行电接口协议的平台价格较低，协议之争本质上是成本之争。

“三大争”的焦点都围绕播出平台建设本身，并未从电视信号传输的全流程考虑，并未从广电网络双向化网改的发展趋势考虑，更没有从当前播出平台面临的主要问题考虑。这种争论产生的任何结果都是片面的，不能代表下一代数字电视播出平台的建设方向。

3. 下一代数字电视播出平台建设思路

平台应该怎么建，首先要分析当前播出平台面临的主要问题是什么。当前播出平台面临的主要问题，既不是设备使用年限长也不是操作界面不够人性化，而是传输能力受限的问题，即能够传输4K超高清节目的数量。这种限制源于三个因素。一是信源压缩比；二是调制方式（频带利用率）；三是频道数量。信源压缩比取决于信源编码的发展成果，压缩比越高对编解码设备的要求就越高，大批量更换4K机顶盒对广电运营商与用户都是负担，且4K之后有8K，硬件投入是个无底洞。采用高进制的调制方式，提高频带利用率是解决4K超高清节目传输受限的好办法，但是正如在标准之争中谈到的那样，目前没有可以商用的设备。频道是不可再生资源，单向传输、双向传输都希望占有更多的频率资源，期望获得更多的频率资源传输更多4K超高清节目不现实。

要解决当前面临的主要问题必须立足现状，另辟蹊径。下一代数字电视播出平台应该彻底摒弃节目传输RF化，采用节目传输基带化、IP化，这是解决当前问题、提高传输能力的必由之路。在分析上述问题的基础上，笔者认为下一代数字电视播出

平台应该具备三大特征：

（1）尽可能多的承载高清晰、高画质的视频节目，特别是要支持越来越多的超高清4K乃至8K节目。（2）播出平台要全面实现IP化，把各类视频流推送到各类终端或者屏幕上。

（3）要构建双向通道，支持OTT TV等互联网视频业务。

节目传输基带化、IP化不是单纯的对电信模仿，走IPTV的老路，而是从电视信号传输的全流程考虑，从广电网络双向化网改的发展趋势考虑，是从前端到终端的一揽子解决方案。

笔者在查阅大量文献的基础上提出构建基于I-PON的下一代数字电视播出平台方案。

4. 下一代播出平台建设为什么选择基于IPON

4.1 什么是I-PON

I-PON是广电总局《有线电视网络光纤到户技术规范》三种方案之一，是万兆IP广播+XPON的双向接入系统，其中“IP广播”是将万兆以太网技术应用于单向广播传输网。双向交互部分采用PON技术。

I-PON万兆宽带接入网络是由10G IP广播视频通道与E/GPON高速数据通道的两个通道融合组成的系统，主要特性是：全网统一构建成一个基带的IP数据平台，构建的是一张全IP网，基于IP化数字电视信号的基带全网直播，单节目带宽不受限制，可以支持4K、8K超高清节目，基于IP化数字电视信号的基带全网直播，也能达到广播级电视标准，保留了广播电视的特色和优势。

4.2 I-PON系统架构

I-PON网络采用双纤入户的方式，一根光纤传输10G的直播视频广播数据，通过一体化家庭网关万兆接收模块处理后形成单节目流，通过千兆/百兆交换电路输出至机顶盒。另一根光纤传输双向数据信号，信号通过ONU模块进入千兆/百兆交换电路后提供给各数据终端I-PON网络系统架构见图1。

4.3 I-PON网络的优势

图1 I-PON网络系统架构

（1）万兆I-PON网络能够为每一个覆盖用户提供10G到户的广播带宽，完全满足未来5年内4K/8K超高清视频直播和互动点播的发展要求，也能适用极限状况下的业务承载。

（2）在安全播出方面，万兆I-PON网络保留了有线电视单向广播安全性好的优势，能够避免病毒与黑客的侵害及其流氓ONU的攻击，不存在安全播出的风险。

（3）在视频质量上，万兆I-PON网络无论在视频直播还是视频点播业务上都支持大码流高清晰、高动态的高画质视频，其带宽有效利用率不仅高于GPON，也好于10G的XGPON。

（4）在行业竞争方面，无论对于GPON IPTV架构，还是对于10G的XGON网络，万兆I-PON网络在带宽和业务支撑能力上，都具有很强的优势，能够形成非同质化的竞争。

4.4 为什么不选用GPON

I-PON与电信GPON的IPTV模式相比有以下几个优点。首先，在性能上I-PON 远远超越了GPON的IPTV技术构建的FTTH网络，后者只能承载当下的视频业务，几乎无法支持即将到来的4K和未来8K超高清视频业务（电信目前的所谓4K是码率为17Mbps的入门级4K）。其次，相较于10G GPON网络技术，虽然两者都是万兆网络，但是I-PON网络技术具有造价成本更低（系统造价几乎只有10G GPON系统的一半以上）、QoS质量保证和QoE用户体验更佳。最后，I-PON技术能够将已有的EPON网络以极低的投入平滑升级演进到万兆宽带接入网，能极大地延伸EPON网络的生命周期。

4.5 基于I-PON的播出平台传输能力

基于I-PON的节目播出平台到底可以提供多大的节目传输能力，这里我们引用吉视传媒在2018年9月份在《有线电视技术》杂志上提供的一组数据。“I-PON 万兆网络巨大的带宽，使吉视传媒能极大地强化电视直播能力，可任性地传输高码流的高画质电视节目和海量的直播电视，拉大了与IPTV直播电视业务的距离。电视直播业务有74套高清电视直播、115 套标清电视、25套4K电视、200套2Mbps码流的手机直播电视和256套轮播频道与118 套时移回看节目，约3个Gbps的总码流（随着4K直播电视的大量引入，直播总码流可达 4-5Gbps，至少能再支持50套标准4K电视直播）。”如此丰富多彩的节目，是单纯平台改造不可能实现的。

5. 如何搭建基于I-PON的下一代数字电视播出平台

要搭建基于I-PON的下一代数字的电视播出平台，各个关键部分要采用不同的技术实现。

5.1 前端部分

（1）信源全面IP化

视音频内容可以按照MPEG-2、H.264、H.265或者AVS标准进行压缩编码，传输层TS包格式进行第一次封装，以PID作为不同业务的标识。然后以UDP方式构建单节目流，以UDP端口号作为节目区分。不同的组播地址可以进一步区分不同类型节目或者应用。

（2）前端设备全面IP化

新播出平台前端设备全面IP化，用网络来连接各前端设备，如视频编码器、加扰器、EPG服务器、VOD服务器等，最终在10G汇聚交换机通过光纤发送到分配网。ASI跳线架、QAM调制器、RF切换器、射频光机等设备将会被成本更低、稳定性更优的交换机替代。

（3）加密方式更灵活

由于采用了IP化的广播传输，取消了复用过程，加密技术的选择将更加灵活，可以支持有卡或者无卡CA，乃至DRM。

（4）I-PON EPG系统

图2 I-PON网络系统前端

在I-PON系统规范中，业务信息可以有两种传输方式。一种是兼容DVB-SI体系，主要是增加几个表，比如用描述地址、端口列表的MIT表替换NIT表。另一种是完全采用XML文件方式传输业务信息，完全摒弃DVB-SI，由于解析XML文件非常容易实现，新一代机顶盒普遍具备这一能力。I-PON网络系统前端构成见图2。

5.2 汇聚部分

（1）万兆IP广播分发系统

万兆IP广播分发系统一方面上联匹配和分流各种业务（电视直播、VOD点播、OTT TV互联网电视、宽带上网等业务），另一方面下联将10G广播通道与EPON双向接入通达融合在一起。I-PON网络系统汇聚见图3。

图3 I-PON网络系统汇聚

（2）分发系统运营策略

有两类可供参考。一类是万兆广播带宽简单占用策略，在保障直播电视流完全不受挤占的前提下，所有的双向业务的下行码流（VOD视频点播、OTT TV、宽带上网业务等）首先由IP广播通道下发广播至用户，当万兆IP广播通道带宽不够时，则转发1490nm的G/EPON的下行通道。第二类是视频带宽优先策略，同样在保障直播电视流完全不受挤占的前提下，所有的下行互动视频业务（VOD视频点播、OTT TV）由IP广播通道分发广播至用户，其余的下行数据业务通常由G/EPON1490nm下行通道广播到用户处，当万兆IP广播通道带宽拥塞时，下行互动视频将转发至G/EPON 1490nm下行广播通道。因为视频占用的带宽最大、对延时、抖动也最敏感，采用视频带宽优先策略可极大地提高用户体验。

5.3 终端部分

（1）10G网络接收模块

10G光接收模块相当于传统机顶盒的高频头。按照收看节目指令的控制，把被选择的IP 节目流通过千兆/百兆交换电路送到IP解码器，解出所要收看的节目。与传统机顶盒的高频头相比，传统机顶盒的高频头在选择节目时，同一时间只能选择一套节目，而10G广播信道模块在同一时间可选择输出50个节目流。

（2）PON ONU模块

包括PON光模块和PON处理器，为机顶盒提供千兆双向数据通道。

（3）STB 解码模块

采用最新的处理器，支持4K 解码和各种互联网应用。

（4）Wi-Fi（AP）模块

为其他终端如手机、平板电脑等提供网络接入，使得在这些终端上既可以观看高质量的直播视频节目，又能高速连接到互联网。

（5）千兆/ 百兆交换电路

图4 I-PON网络系统终端原理

为副终端和PC 提供网线接入。I-PON网络系统终端原理见图4。

综上所述，通过搭建基于I-PON 网络的下一代播出平台，可以为用户提供10G的直播和点播视频流，提供20Mbps的上网速率。通过10G广播传输，支持4K/8K等广播级QoS的大视频业务，使G/EPON 双向网络专注于网络浏览等双向互联网业务，在升级扩容的成本和安全广播上具有很大优势。图5是基于I-PON网络的播出系统全流程框图。

这里引用吉视传媒的一组数据：“引入I-PON技术后，吉视传媒用户流失得到了有效抑制，流失率巨幅下降，2018年用户回9000户，比年初增长0.7%，农网数字化率达97.5%，缴费率达70%，流失率增长的势头得到了抑制。农村双向网络覆盖率已达54.1%，数据双向用户也从光纤入户改造前的一户没有，到目前的32万多户，渗透率到25%。活跃的点播用户34万多，经济效益普遍好转，增值业务大幅上升，甚至翻番。”