IPTV端到端网络优化策略研究

2019-10-29中国联通安徽分公司安徽合肥230061

邮电设计技术 2019年10期

王斌（中国联通安徽分公司，安徽合肥 230061）

0 前言

随着IPTV 用户规模增长、高清和4K 视频节目数量不断增多，网络承载压力剧增。同时，IPTV 业务流穿越用户终端（机顶盒和光猫）、接入网、传送网、数据网和CDN，业务流程长且复杂，为快速定界故障点、提升视频用户业务感知工作带来了困难。因此，识别网络瓶颈、疏通网络通道、保障用户体验成为IPTV 业务运营的首要工作。本文通过深入研究分析安徽联通IPTV 网络架构、设备能力、网络容量和家庭组网等现状，着重分析了宿州、阜阳和池州3个地（市）的网络配置、流量等采样数据，发现了影响视频体验的网络问题，提出了IPTV业务端到端网络优化建议。

1 问题分析

1.1 网络架构

1.1.1 省网链路带宽成为瓶颈

当前安徽联通IPTV 业务主要有2 张网承载：城域网（主要承载HSI、IPTV 等）和省网（主要承载认证、计费、IPTV 回源、省内IDC 流量等）。IPTV 业务流规划如图1所示。

a）合肥IPTV 流量通过合肥城域CR 到合肥CDN分中心。

b）其他地（市）IPTV 业务优先命中本市CDN 分中心；未命中本地CDN 时通过省网绕行到合肥IPTV 平台。

安徽联通CDN 命中率平均为90%左右，省网链路中视频流量占比平均超过50%。目前省网到各地（市）带宽为5～20G，后续随着视频用户的增加及码率的提升，省网链路带宽将成为瓶颈。

图1 IPTV业务流规划

1.1.2 OLT上行通过汇聚交换机承载，容易导致拥塞

现网OLT 上行通过交换机汇聚接入占比88%，通过裸纤直连BRAS/SR 占比仅为12%。然而，用户体验取决于网络通量，网络通量和套餐带宽、丢包、时延有着直接关系。

安徽联通光改完成后城域网时延基本＜20 ms，满足4K 视频流畅播放对网络时延要求（4K 视频流畅播放要求时延＜20 ms，丢包率＜10-4；或时延＜10 ms，丢包率＜5×10-4）。但网络丢包仍比较严重，导致TCP 下载速率降低一半，引起视频卡顿或花屏。现网汇聚交换机无缓存或缓存只有1 ms，更容易引发丢包，导致突发拥塞，成为影响视频体验的主要原因之一。

1.2 设备能力和网络容量

1.2.1 CDN分中心设备处理能力是瓶颈

经测试（带宽按6 M/户），现网单台流媒体服务器支持的峰值并发用户数约3 300户。据统计，目前流媒体服务器网络带宽峰值利用率达到80%～90%，内存利用率达到59%～72%。部分CDN 分节点峰值并发用户数已接近性能极限，影响了客户视频业务使用感知。

1.2.2 OLT承载网及上行链路带宽均存在瓶颈

全省超过80%以上的OLT 上行承载网为IPRAN。2018 年春节，部分地（市）IPRAN 网络带宽峰值利用率出现预警（见表1），存在忙时不能容灾的隐患，直接影响了IPTV用户和4G用户业务感知。

同时，OLT 上联带宽主要以GE/2×GE 为主，部分LSW-OLT 端口利用率超过50%，网络突发时产生丢包现象，无法满足未来3年的带宽需求。

1.2.3 PON网络的弱光和超距问题

表1 2018年春节期间部分地（市）IPRAN带宽峰值利用率

宿州与池州两市接收光功率异常（小于-27 dB）的ONU比例均超过5%，分别达到6.42%和8.05%。

池州现网32%的ONU 光距大于5 km，3.4%的ONU 光距大于10 km。宿州现网27%的ONU 光距大于5 km，3.5%的ONU光距大于10 km。

1.2.4 单口桥接型ONT 视频和上网业务共用通道，无QoS保障

全省存量桥接ONT 约占总量的58%。该类ONT通常下挂一个家庭网关拨号上网，家庭网络组网复杂、故障点增多。视频和上网流量共通道，当视频或上网流量突发，瞬间流量超过用户整体带宽的时候，就会导致丢包。若无QoS 保障，一旦瞬间突发流量大于端口转发速率，报文同样会被随机丢弃。对丢包敏感的视频报文被丢弃时，会导致视频卡顿或花屏。

1.3 家庭组网

通过分析95 082个（有效样本94 971个）已经部署探针的机顶盒数据，安徽联通直播业务卡顿用户占比小于1.6%，卡顿时间大于10 s 的直播业务卡顿用户占比小于1.2%。标杆运营商质差率为0.2%，安徽联通视频体验需要继续优化。通过抽样入户调查，发现相当一部分卡顿用户的机顶盒是通过无线接入ONT，而家庭内Wi-Fi覆盖差，导致视频业务体验不佳，同时影响组播部署。

2 优化策略

2.1 网络架构

2.1.1 部署组播

2.1.1.1 组播复制点的选择

相比单播来说，使用组播方式传递信息，不需要此报文的用户不会收到组播数据，用户的增加不会显著增加网络的负载，减轻了CDN 服务器和省网链路的负荷。相比广播来说，组播数据仅被传输到有接收者的地方，减少了冗余流量，节约了网络带宽，降低了网络负载。因此可以说组播技术有效地解决了IPTV 单点发送多点接收的问题。

经比较分析（见表2），IPTV发展初期，每台OLT组播用户较少，OLT 组播复制不节省带宽。但是IPTV 用户规模发展后，再考虑将组播复制点下移至OLT，会带来更多复杂的存量用户改造工作，因此建议将组播点确定为OLT。

表2 组播复制点选择比较分析

2.1.1.2 单/组播并存的适配方案

由于现网大部分存量ONT（单口ONT、多口桥接型ONT、机顶盒不具备有线接入多口路由型ONT 条件）无法开通组播业务，因此较长的一段时间内现网组播和单播用户并存。

新开通多口路由型ONT、存量路由型ONT（机顶盒有线接入ONT）使用组播方案。IPTV 组播业务流程如图2所示。

图2 IPTV组播业务流程

a）ONT 创建桥接WAN，承载IPTV，STB 通过IPOE拨号连接网络。

b）ONT 创建路由WAN，承载HSI 业务，并开启DHCP，为接入路由WAN的设备（PC、家庭Wi-Fi终端）分配局域网IP。

c）IPTV和上网通道分离，通过VLAN隔离。

单口ONT、桥接多口ONT、路由型多口ONT 工作在桥接模式使用单播方案。IPTV 单播业务流程如图3所示。

a）ONT LAN口下挂路由器。

b）路由器PPPoE 拨号获取IP 地址，开启路由模式。

c）STB和PC 通过DHCP方式获取局域网内地址。

2.1.2 其他网元优化

2.1.2.1 省网链路扩容

全网启用组播后，省网链路回源流量主要取决于点播业务的CDN 命中率。当边缘CDN 服务器出现宕机、节假日IPTV 并发用户数激增、边缘CDN 节点交换机脱网等情况，回源流量将突增，会出现严重的卡顿问题，因此必须将省网链路带宽扩容。

设单台CDN 服务器支持峰值并发用户数3 500户，平均每户带宽8M，则需扩容的带宽量为（3 500户×8M/户）/70%=40G。即建议省网链路带宽扩容至40G及以上。

2.1.2.2 逐步取消汇聚交换机

OLT 上行流量大于4G 时取消汇聚交换机：优先整改二级汇聚交换机，暂时保留一级汇聚，后续根据OLT上行流量再逐步取消一级汇聚交换机。

a）光纤资源充足地区：通过光纤直连BRAS，或通过一层交换机汇聚后接入BRAS。

b）光纤不足地区：OTN 波分下沉到OLT，通过波分接入。节省光纤资源，且便于维护。

c）光纤和波分不足的地区：通过IPRAN 接入或通过一层交换机汇聚后接入IPRAN。

2.2 设备能力及网络容量

2.2.1 扩容并优化CDN服务器

图3 IPTV单播业务流程

衡量流媒体服务器性能最关键的指标是：流输出能力、能同时支持的并发请求数量。影响流媒体服务器关键性能指标的关键因素是：CPU 处理能力、内存、磁盘读取能力和网络吞吐能力。因此，在CDN 服务器性能配置确定的情况下，采取如下措施。

增加边缘CDN 服务器数量，提高边缘节点的并发用户数处理能力。据统计，IPTV 用户并发率为25%～35%；在节假日、特别是春节期间，并发率将大幅度提高，为40%～55%，应根据活跃用户情况配置CDN 服务器的数量：边缘节点CDN 服务器配置数量=（注册用户数×55%）÷（3 300×80%）。

出于投资效益考虑，边缘CDN 节点的服务器数不能无限制增大，中心CDN的存储往往大于边缘CDN节点。提高CDN 命中率的最佳方案就是优化CDN 缓存策略。

a）新片源上线后，不立即下发到边缘CDN 节点。当点播该片源的用户达到一定数量，才被允许下发至边缘CDN节点。

b）长时间未点播的边缘CDN 节点片源，予以删除。

c）手工调整存储策略。

2.2.2 UTN及OLT上联链路带宽扩容

当前IPRAN 承载移动回传业务和OLT 上行业务，部分为GE 环。随着OLT 上行流量增加，GE 环无法满足带宽需求，需要升级到10GE，在解决OLT 上行接入带宽问题的同时，也提升了移动回传带宽。

根据用户发展情况扩容OLT 上行端口带宽。需强调的是：OLT上行流量超过4GE后再投资GE口会造成浪费，一方面上行光纤资源会急速消耗，另一方面OLT 上行板所占槽位也会大量消耗，且随着视频流量的增加，GE口需求急速增加，导致上行带宽频繁扩容，增大维护工作量。建议替换为10GE 上行，存量的GE上行单板退网后可以利旧到业务量小的OLT。

2.2.3 PON弱光及超距问题整治

OLT 的发送光功率一般为2～7 dBm，接收光功率为-27～-6 dBm。ONU 的发送光功率一般为-1～4 dBm，接收光功率为-24 dBm左右。

安徽联通FTTH 基本采用二级分光的模式。光从OLT 发出后，经过光缆、接头及分光器后，会产生不同程度的损耗（见表3）。产生弱光的原因大致分为三类：一是冷接头损耗过大；二是光缆原因造成损耗过大；三是用户挪动ONU 后没有按照规范放置，尾纤弯曲过大、分光器或法兰头等原因产生弱光。

PON 弱光及超距问题应遵循“先问题定位、后优化调整”的原则。为保障IPTV 用户正常业务体验，建议二级分光器测试光功率不低于-25 dB。

如需进行光缆割接，则寻找一条新的物理路由，在测通新路由后对业务进行割接（路由长度不超过8 km）。

如无需进行光缆割接，则将一级分光器输入前端正在使用的纤芯断开后，使用OTDR 对纤芯进行扫描。若OTDR 扫描光衰耗曲线结果正常，可判定为分光器故障。若OTDR 扫描光衰耗曲线出现高衰耗位置，则对应参考系统光路由距离查找具体的问题点，查找相应的原因并处理。

表3 ODN各节点平均光衰耗参考值

a）若为光缆纤芯或接头问题则重新熔接。

b）若为尾纤老化问题则更换尾纤。

c）若法兰头污损，利用擦纤器、酒精擦拭，然后检查连接可靠性，确保安装卡口到位。

因传输距离超过8 km 或者跳纤点过多导致的弱光问题，若采用a）和b）的方法无法完成改造，可更换CLASS C++模块。

2.2.4 QoS部署

QoS 是一个系统工程，涉及到网络各个节点。从QoS 动作看，有Remark 优先级、CAR/Shaping、Schedule 3 种。在不同网络节点需要部署3 种动作的1 种到多种。表4列出了网络不同节点的部署建议。

表4 设备QoS部署策略建议

2.3 推广家庭组网服务

当前家庭网络对运营商来说是黑盒子，用户自组网场景非常普遍，客户自购路由器品质不一，导致家庭网络问题较多。所以家庭网络可视化、可管理显得尤为重要。根据户型、房屋面积、ONT 位置及承载的业务，灵活选择家庭组网。推广HGU 的光猫，并强制TV优先采用有线方式接入，其次采用电力猫方式接入，屏蔽机顶盒采取无线方式接入。

2.4 将质差率作为维护考核指标

视频清晰度、视频加载速度和视频流畅度是影响视频体验的关键因素。安徽联通初步使用vMOS 评价指标，通过综合这几项业务指标，建立了这几个指标与用户主观感受指标（MOS 1～5分）之间的映射关系。

根据视频质量可评为1～5 分，1 分质量最差，5 分质量最高，低于2.5分即定义为质差用户。质差用户占总用户数的比率就是质差率。质差率是衡量IPTV 业务运营很直观的指标。一般情况下，质差率大于1%，可定义为该区域的IPTV 运营质量比较差。建议将质差率作为IPTV 业务维护考核指标，并对质差率高的区域组织专项网络优化整治。