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中国信通院苟书智等：支持超高清业务的基于G.HN的家庭联网技术研究
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 苟书智，史航 等
随着新业务的不断出现，用户对业务体验的追求持续提升，更高的清晰度、更多的屏幕、更多的观看方式都在推动视频新兴技术发展以及流量的不断增长。运营商期望以视频业务为引领，通过大流量、高速率、全共享模式满足家庭基本通信需求。4K等超高清（Ultra HD，UHD）视频的承载网络和技术，除了满足当前高品质、易运维的需求外，还应当能够支撑未来VR等业务品质提升的需求，这也是支撑电信运营商数字化转型和未来网络重构的重要需求。由国际电信联盟（ITU）组织制定的G.HN[1-5]协议为接入网提供了一种高速有线载波通信方案，传输媒介包括多种金属导线，例如电力线、同轴线、电话线等。本文对G.HN功能性能的要求进行了建议，并对G.HN的后续技术发展作出展望。
1 家庭网络中的视频业务及应用场景
随着4K的逐步普及以及8K的兴起，各方加强了对于UHD视频业务的相关研究，各种典型分辨率视频的指标参数、压缩技术、带宽需求如表1所示[1]，运营级UHD视频业务的场景如表2所示[1]。
1.1 直播直播视频是互联网视频迅猛发展的重要分支，用户通过网络在线收看对话访谈、在线培训和产品销售等相关视频。在直播过程中，若不主动更换频道，用户只能观看所选频道内的推送内容而无法任意切换。
当使用组播方式承载IP网络直播时，网络架构如图1所示，传输网络通过组播路由协议建立组播树，头端系统使用组播树将编码封装后的流媒体分发至处于网络边缘的组播复制点；当用户设备发出收看某一频道的请求后，会向组播复制点发送组播加入消息，在请求被正常接受后，组播复制点会复制流媒体数据到用户设备中。
现阶段运营商自建的IP直播网络大部分都采用组播+用户数据报协议（User Data Protocol，UDP）承载传输，在头端系统到网络边缘节点之间采用组播方式传送可以节省城域网的带宽资源，在网络边缘节点到用户设备之间可采用组播或者单播模式。整个传输网络没有业务层的交互控制，如果在传输过程中出现错误或者丢包，不会触发重传操作，因此在网络拥塞时较难确保用户的观看体验。
如图2所示，单播模式主要存在于运营商中心节点到区域或边缘节点，以及边缘节点到用户设备之间的数据传输，而内容提供商的直播数据流到运营商中心节点大部分还是采用组播方式。
目前流行的互联网直播属于IP网络直播的一种应用，用户使用互联网电视一体机、机顶盒+电视或者移动终端向公共互联网发起直播视频观看请求后公共互联网向用户提供视频传送服务。
互联网视频的数据流传输主要有两种方式：HTTP渐进下载（HTTP Progressive Download，HPD）和HTTP自适应流媒体（HTTP Adaptive Streaming，HAS）。当用户使用基于HPD技术的终端播放视频时，播放终端首先会下载和缓冲媒体文件最开始的数据，随后便可以播放与下载同时进行。HPD技术存在较多局限性，初始播放等待时间较长；网络带宽不稳定时容易出现播放卡顿；若用户在播放中途放弃观看，由于播放过程中会持续下载文件并实质占用带宽资源，因此会造成已经下载文件的浪费。HAS技术采用视频分片和自适应码率（Adaptive Bit Rate，ABR）技术从一定程度上克服了HPD的局限性，当播放终端的屏幕大小不同时，HAS可以提供适应不同屏幕分辨率的视频文件，而且可以在不同网络传输质量下流畅播放视频。
1.2 点播对于普通家庭用户的娱乐类视频服务，通常称为视听点播服务，是由内容提供商和服务提供商向多个普通用户提供视频节目观看服务或者文本、图形、图片和音频浏览服务，用户可在提供的节目或者内容中选择观看或者查看。点播是用户和机器（视听资源）之间不对称的互动多媒体通信，通过电信网络在任何时间为用户提供视听信息。用户可以在导航子系统协助下查找所需信息。用户选择确定服务模式后，视听点播服务平台发送具有一些QoS保证等级的内容信息。用户可使用类似VCR功能，以查看接收到的信息。
如图3所示，用户发起点播服务时所处位置可以是固定的家庭、办公室，也可以是移动的火车，使用的播放终端包括PC、机顶盒+电视机、手机、PDA或其他设备，用户可以根据自己的需求任意选择相应的视频进行收看，而非被动接收某个特定的广播视频，其中点播的视频包括运营商提供的IPTV内容或者内容提供商提供的视频内容。
点播系统一般采用单播方式，其网络结构包括视频前端处理系统、服务器、存储子系统、分发网络和播放客户端，点播的详细实现过程为：用户使用播放客户端发起点播请求，请求到达服务器经过验证后，服务器把存储子系统中片源库的节目信息检索出来，用户根据自己的喜好选中相应的节目，节目业务流以视频和音频流文件形式通过分发网络到达播放终端进行播放。
2 支持视频的网络能力要求
UHD视频业务对承载网络提出了高带宽、低时延、低误码、少丢包的要求，随着视频业务流量占比增加，传统承载网络面临了更多的挑战。
（1）对网络架构的挑战。传统电信网络模型具有多层次、高收敛比的特点，应简化电信网络模型以及考虑如何在家庭网络中匹配视频流量低收敛比的特点。 （2）对带宽的挑战。运营商提供给固定宽带用户承诺接入带宽，家庭网络需明确各类物理媒质的接入带宽是否能满足UHD视频的带宽要求。
（3）对时延的挑战。该时延即客户端与视频分片文件所在服务器之间的双向时延，该指标可同时适用于固定宽带互联网用户和移动互联网用户。从E2E链路来看，拥塞的位置多发生于城域骨干和控制层，从而带来时延和抖动的增加，在家庭网络里应明确时延对于网络物理媒质等的要求。
（4）对丢包率的挑战。该丢包率即客户端与视频分片文件所在服务器之间链路的双向丢包率，该指标同时适用于固定宽带互联网用户和移动互联网用户。从E2E链路来看，在城域核心与汇聚节点，也存在突发丢包的风险，家庭WLAN接入的丢包率需要研究。网关和机顶盒等设备的缓存较小，可能易出现突发丢包。同时，还需要注意运维和成本的挑战。如果以传统扩容方式适配视频业务流量的成倍增加，成本较高。视频业务体验敏感，实时性较高，承载网络要能够快速感知用户体验和快速处理故障。
对承载网络KPI建议值要求参见表3。
运营商期望家庭网络能够通过有线（同轴、电话线、电力线等）+无线的综合方式，确保高速网络的有效覆盖以支撑UHD视频业务。同时，还需要满足以下要求：一是支持电视、手机等不同的终端在家庭网络内对UHD视频直播、点播业务内容的无缝分享；二是UHD视频内容在家庭网络内如何实现安全传输；三是家庭组网需具备QoS自检、自分析及传输自适应能力，能够自动、及时发现家庭网络的高速传输的问题，并能有一定的自适应能力。以上要求对于家庭网络提出了多方面的研究需求。
3 家庭网络中的高清视频部署及业务要求
基于有线的家庭网络收发器，能够在包括电话线、同轴电缆和电力线等室内布线上运行。随着以太网线和光纤成本日益下降，部署日益普及。基于这些媒介的传输技术也在持续发展中，同时相关的UHD业务的技术也在持续发展中，需对各类家庭网络媒质是否满足承载UHD的要求进行分析，并分析E2E承载网络架构、带宽、丢包率和时延，可扩展研究可靠性和运维要求。
传统宽带网络主要服务于宽带上网业务（HSI），HSI业务的特点包括大带宽、低并发和低感知，对时延要求不高，因此承载HSI业务的传统分组电信网络具有高收敛比、多级汇聚、尽力服务的特征。视频流量具有高并发、低收敛的特征，只有具备高通量、扁平化、易运维特点的网络架构才可能为用户提供最佳体验，高通量要求大带宽、低时延、零丢包。扁平化即简化网络层次；易运维即体验可视、快速定界、精确定位。体验驱动的UHD视频需要高品质的网络支撑，这对物理带宽、端到端时延和丢包率方面都提出了明确的要求。
UHD中的4K视频相关的比特率在15~100 Mbit/s之间，具体取决于质量。这对家庭网络技术具有重大影响，并对RG本身提出了其他要求。一个关键的考虑因素是将需要多少个同步流以及这些流将在家庭中终止的位置。对于与RG在同一房间中的固定设备上的单个流，可能没有问题，因为可以使用短的以太网电缆连接STB/TV，只要RG可以提供（备用）千兆位以太网港口。当需要支持多个支持UHD的设备，并且/或者RG和终端设备不在同一房间时，就会出现问题。
迄今为止，无线是最常见的家庭网络技术，是所有终端设备的默认网络连接。给定家庭中的无线覆盖范围和性能主要取决于端点的位置（例如RG）。RG和终端的质量和设计也会影响WLAN的实际性能。可以使用一个或多个其他接入点来扩展覆盖范围，但是每个接入点都需要某种类型的有线或无线骨干网连接到RG中的主AP，具有更高速率的WLAN将需要每个房间一个AP，以及一个非常大容量的有线骨干网，例如G.HN，但G.HN面临一些挑战，例如电力线系统和高速访问技术（特别是G.fast，还有VDSL2）之间的干扰，因为它们使用了某些相同的频率。最高质量的高清电视除了需要其他非电视应用程序（20 Mbit/s+）所需的容量外，还需要在整个家庭中提供超过100 Mbit/s（最坏的情况）的家庭分发功能。最初可能只有1 个高质量高清电视，但是其他较低质量流会将其提高到200 Mbit/s +。
4 G.HN支持高清视频的设备、功能及性能要求建议
在传统接入网架构中，RG北向连接接入网络,通过基于PON、DSL等协议的管道进行数据回传，南向提供必要的组网接口，若使用支持G.HN协议的接口形成家庭组网的回传骨架，承载家庭网络数据，AP设备一般通过WLAN等南向接口连接终端设备。为支持UHD协议的业务需求，考虑高清视频在实际家庭中布放的场景，需要在家庭网络组网中满足相应的功能要求：RG设备具备家庭网络组网中心控制功能，负责维护家庭网络组网拓扑，设备注册等基础功能；RG设备应能支持下挂至少一个以上的AP设备，建议支持两个以上；家庭组网应支持G.HN的MESH组网功能。另外，建议对家庭组网设备应提出必要的设备要求，具体参见表4。
5 结束语
本文从应用场景以及高清视频业务层面探讨G.HN承载高清视频业务所需的技术要求，更多的技术细节有待后续进一步研究。其中，在丰富其他业务应用（如游戏、VR、IoT）及分区域（如中国区、海外）部署场景方面，需要考虑支持家宽业务类型识别机制（基于视频服务器地址、网络切片、增加字段等），基于业务在家庭网络内部配置不同的转发策略，同时家庭网络能够从拓扑/链路/多介质等进行业务的切片适配，相关接口与标准尚需要展开讨论；在低时延或时延敏感业务方面，需要从标准上进一步挖掘，完善适配机制和可行性分析。例如，开通时敏业务专用通道，通过流控制把业务与专用通道进行绑定，并确保专用通道的业务稳定度以及时延抖动最小，也可以考虑采用全双工机制替代半双工机制，减少多级中继系统中收发等待的时延；在家庭网络场景下，无线/Cable/电力线/光纤等多介质并存的情况下，对于家庭网络内部的拓扑发现/Mesh组网等需要进行协议层的深入研究与融合，以提供更好的业务体验；在家庭网络场景下，抑制和规避家庭设备工作产生的电磁干扰，如MAC上通过时分、频分或空分调度规避电磁干扰，PHY上噪声抵消抑制电磁干扰，以提供更好的业务体验。
G.HN在现网应用中具有独特的优势，该技术在已有的双绞线、同轴电缆以及电源线（电力线）进行资源整合和数据统一传输，由于无需新建传输线路，可以尽可能地利用现有的已布设的各种常见线缆，因此大幅降低了安装和运营成本，从而节省了接入网的基础设施建设成本和工期，可以在根本上跨越大规模商业化应用的最大障碍，推动G.HN技术在接入网场景中的不断演进。
参考文献
[1] 贾武, 邵岩, 李洁, 等. 分发类视频业务用户体验评估技术[J]. 邮电设计技术, 2017(7):65-69.[2] 张陆晶. 万兆同轴宽带接入系统MAC机制研究与设计[D]. 西安:西安电子科技大学, 2019.[3] ITU-T. Unified high-speed wireline-based home networking transceivers-system architecture and physical layer specification:G.9960[R], 2018.[4] ITU-T. Unified high-speed wireline-based home networking transceivers-data link layer specification:G.9961[R], 2018.[5] ITU-T. Unified high-speed wireline-based home networking transceivers-multiple input/multiple output specification:G.9963[R], 2018.
作者简介
苟书智
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网相关科研与测试工作。史航
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网相关科研与测试工作。曹小波
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网相关科研与测试工作。卓安生
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网相关科研与测试工作。论文引用格式：
苟书智, 史航, 曹小波, 等. 支持超高清业务的基于G.HN的家庭联网技术研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(4):85-91.
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第4期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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校 审 | 陈 力、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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