技术与标准丨面向千兆宽带网络业务应用的高质量用户体验研究
作者简介
宿娟
中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师，主要从事宽带网络方面的研究工作。王泽珏
中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，主要从事宽带网络、无线接入等方面的研究工作。党梅梅
中国信息通信研究院技术与标准研究所总工程师，长期从事宽带网络、无线接入、物联网等方面的研究工作。论文引用格式：
宿娟, 王泽珏, 党梅梅. 面向千兆宽带网络业务应用的高质量用户体验研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(7):92-96.
面向千兆宽带网络业务应用的高质量用户体验研究
宿娟 王泽珏 党梅梅
（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）
摘要：用户是千兆宽带网络业务应用的主体，高质量的用户体验是推动网络建设与性能优化的关键。梳理了当前千兆宽带网络典型业务应用类型，分析了影响宽带业务体验的关键指标，提出了构建宽带网络确保高质量业务体验的相关建议，为推动千兆宽带网络的不断发展提供参考。
关键词：千兆宽带网络；用户体验；宽带业务
中图分类号：F49；F424 文献标志码：A
引用格式：宿娟, 王泽珏, 党梅梅. 面向千兆宽带网络业务应用的高质量用户体验研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(7):92-96.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.07.014
0 引言
近年来，我国宽带网络建设成果显著,建成了全球规模最大的宽带网络基础设施，宽带网络和互联网应用已经广泛普及。从接入能力来看，光纤宽带接入已成为我国固定宽带的主要接入方式，光纤宽带用户在宽带用户中占比超过94%，处于全球领先水平。从接入速率来看，百兆及以上接入用户不断增长。截至2021年3月，100 Mbit/s及以上接入速率用户达4.5 亿户，占总用户数的90.6%；1 000 Mbit/s及以上接入速率用户达945 万户，比上年末净增305 万户。我国宽带网络正迈入“千兆时代”，为用户业务体验的持续提升奠定了良好的网络基础。
与此同时，我国家庭宽带业务也逐渐开始进入蓬勃发展的阶段。随着物联网、云计算、大数据和超宽带等技术的飞速发展，以及各类智能终端的广泛普及应用，4K/8K高清视频、虚拟现实（VR）与增强现实业务（AR）以及在线游戏等新业务逐渐进入商业阶段，不断出现的创新性极强的相关应用场景给业务注入了源源不断的活力。2017年年底，全国首个4K超高清电视直播频道在广州通过系统测试。此后，全国多个省市频道进行了4K超高清节目直播，4K超高清时代全面到来。2018年，Cloud VR技术在福建举行的首届数字中国建设峰会中亮相。2020年，全球VR/AR销售额达到188 亿美元[1]，Cloud VR业务已经进入商用阶段。与此同时，我国也开始加紧推动部署上述新型宽带业务的普及应用。此外，在各类垂直行业中，以各类高清视频传输为主的宽带业务应用不断成熟并普及。各类家庭宽带业务应用和垂直行业应用的兴起与普及，促进了宽带网络建设发展，以满足新兴业务的网络性能指标要求。
宽带网络的快速发展以及新业务的普及应用，推动高质量的业务体验成为用户关注焦点，各种业务的体验质量日益受到社会关注。日前，工业和信息化部发布的《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021—2023年）》将“提升用户体验”作为推动“双千兆”网络发展的重点工作任务和专项行动之一[2]。在网络层面，对于不同业务应用来说，业务特点和业务传输过程不尽相同，而对于高质量业务的体验来说，对网络能力的要求也不一样。本文梳理了面向个人用户和垂直行业的千兆宽带网络未来典型业务应用，分析了典型业务应用特性以及网络性能指标要求，提出了实现高质量用户体验的端到端网络优化方案，为推动宽带网络的发展提供一定的参考。
1 典型业务场景与网络能力要求
当前，家庭宽带业务的典型应用逐渐从上一时代带宽受限的单一即时文本通信、语音业务等向高带宽低时延的在线娱乐、生活服务等更加多元化的需求扩展，即文件下载与上传成为了家庭宽带的基础业务，而Cloud VR、网络游戏等需求较高的应用正逐渐普及并成为家庭宽带的增值业务，智慧家庭、平安城市、智能制造等新时代新兴业务也将逐渐应用[3]。本章梳理了当前典型的宽带业务应用，并给出不同类型业务所对应的宽带网络服务质量要求。
1.1 文件下载与上传
文件下载是指从互联网上接收数据到用户本机上的操作，属于传统互联网应用的典型内容分发应用场景，主要有网页下载（文件、图片、视频、音乐等）、电子邮件下载、软件下载、APP应用下载等。文件上传是指由本机发送数据到互联网服务器上的操作，主要在网络硬盘和云存储服务中使用。目前，随着云存储的应用普及，个人用户和商业机构都开始使用云存储保存各类数据。
文件下载/上传业务通常方式是客户端/浏览器从服务器下载/上传数据，网络下载/上传速率与用户接入带宽、客户端到服务器间的网络质量、客户端及服务器性能相关，对网络能力的要求主要以带宽、时延和丢包率等指标来衡量。网络带宽由用户与运营商的签约带宽决定，网络时延一般要求10 ms以内，对于数据业务传输的丢包率则要求小于0.01%。
1.2 Cloud VR
Cloud VR（Cloud Virtual Reality，Cloud VR）结合了VR和云计算技术，VR业务应用中用户终端不需要进行计算任务处理，而是通过高速通信网络将部署在云端的VR业务经过压缩后传输到用户终端，VR内容的渲染处理等过程在云上实现。对比单独VR的行动受限性，Cloud VR无绳化的突出优势使得其不仅轻便，而且可以使更多不同的终端得以接入，同时Cloud VR使用户体验得到提升、消费成本降低及内容的版权得到保护，极大地加速了VR的各类商业场景的普及。从用户和虚拟环境之间的交互体验角度进行分类，Cloud VR业务可分为强交互VR和弱交互VR，强交互主要是游戏，弱交互主要是VR视频。
1.2.1 Cloud VR强交互（游戏业务）
Cloud VR强交互类业务以VR游戏业务为典型代表，该类业务应用对网络性能指标要求主要关注时延和带宽。在业务应用部署初期，网络性能指标要求为80 Mbit/s带宽、20 ms时延。随着VR游戏业务市场不断成熟发展，满足用户舒适体验的网络性能指标需要带宽大于130 Mbit/s、时延小于20 ms。未来理想的用户体验需要达到的性能指标要求为560 Mbit/s、10 ms时延。强交互VR业务对网络能力的要求如表1所示。
表1 强交互VR业务对网络能力的要求
1.2.2 Cloud VR弱交互（视频业务）Cloud VR弱交互类业务以VR视频业务为典型代表，该类业务应用对时延要求较为宽松，主要关注网络带宽指标。在实施的起步阶段需要100 Mbit/s带宽，而随着视频业务市场的发展，未来提高用户体验则需要大于1 Gbit/s带宽。弱交互VR业务的网络性能指标要求如表2所示。表2 弱交互VR业务对网络能力的要求
1.3 智慧家庭智慧家庭以家庭为载体，结合宽带网络、物联网、感应与控制、云计算等新一代信息技术实现家庭设备的智能控制以及家庭环境感知、家人健康感知、家居安全感知，满足超高清视频娱乐、信息交流、消费服务等家居生活需求。目前比较典型的业务包括智能语音识别和智能家居环境控制等。目前智能家庭设备之间Wi-Fi、Zigbee及蓝牙等几种连接协议应用比较广泛，因为涉及到大数量级的与智慧家庭云服务器及互联网的数据通信，网络连接的宽带和稳定性以及对大量数据的承载力将是关键。智慧家庭业务主要包括：安防报警、家电控制、家庭多媒体存储、家庭内部网络等。家庭开通4个典型业务为例，显然合计至少需要270 Mbit/s下行带宽，而接入时延要保证在20~40 ms以内。智慧家庭业务对网络能力的要求如表3所示。表3 智慧家庭业务对网络能力的要求
1.4 平安城市“平安城市”建设目标是构建一个特大型、综合性极强的管理系统，用于城市管理、灾难预警和安全生产监控等。目前，平安城市建设已成为智慧城市的重要组成部分，因为监控视频质量关系着国家和人民的生命、财产安全，因此对画面、传输质量、施工周期等都具有极高的要求，也对承载网络的带宽和时延提出了新要求。而视频监控业务逐渐向超高清以及智能化方向发展，接入网络必然需要持续升级以满足日益增长的宽带要求。视频监控业务具体网络要求方面，4K视频监控以其广角和高清晰的特性，可以满足更高端的智能分析需要，但同时对网络也有更高的要求，在每秒25 帧时，一般要求不可收敛带宽25 Mbit/s，在实现多摄像头同时应用时，更需要大带宽的网络进行支撑。在通信设施部署领域，云和边缘计算服务器的部署要求支持更多的人工智能辅助监控应用，同时需要保证支持长时不间断的（7 D×24 h）视频采集，这对网络整体是一个很大的挑战。平安城市业务对网络能力的要求具体如表4所示。表4 平安城市业务对网络能力的要求
1.5 智能制造智能工厂利用先进的信息处理、通信网络、自动控制等技术，使工厂的办公、管理及生产实现自动化，加强规范企业管理、提升生产流程工艺、进行安全生产并可以提供决策参考，从而降低运营成本，提高生产效率与产品质量，拓宽产品市场，提升企业自身竞争力。随着信息通信产业不断发展和工业需求不断变化，智能工厂目前已成为传统制造业转型的主要方式，从不同程度上实现了制造上的提质增效，提供了不断向智能制造演进的最佳路径。实现设备的数据采集和设备联网的工业互联网是智能制造的重要基础[3]。在网络层面，无论是工厂内的设备互联和信息交互，还是工厂外信息的云端处理和互联，都对网络能力提出较高要求。
同步实时的控制机器，对于网络的时延要求是微秒级。当前工业通信有线连接方式占94%份额。相对于以太网接入方式，在工业制造领域采用10G PON为支撑的千兆光纤网络，可以不受电磁干扰，可靠性高；光纤网络相对其他传送技术支持超大带宽，超低时延，可以更好满足尖端精密制造的要求。
2 高质量用户体验的网络优化方案
用户是千兆宽带网络业务应用主体，为保障用户获得满意的服务质量和用户体验，对于上述各类应用业务的宽带网络能力要求，需要从家庭网络、接入网、城域网、骨干网和业务网等角度考虑端到端网络性能优化的方案。以AR游戏为例，宽带业务体验主要体现在接入网、城域网和业务网3部分网络性能，如图1所示。针对千兆宽带网络应用的高质量业务体验要求，从优化网络架构的角度探讨了端到端网络建设方案。
（1）在城域网层面不断提升城域网容量，将城域网设备的总容量和速率带宽升级到更大、更高，以支撑高质量业务对于带宽的需求，接入网络设备连接到城域网后续升级使用更高速率的接口。优化城域网结构，考虑通过简化网络结构，减少城域网内网络层级，减少业务汇聚节点，使得城域网更加扁平化，从而降低高速率、突发性的网络流量拥塞概率。宽带业务网关和支撑内容服务器在城域网内适当下移，在网络条件允许的情况下，部署在尽可能靠近用户的位置，从而保障用户对于内容源的就近访问。利用光传送网专用管道来传输和承载超高清的视频业务，提供直接的端到端管道，是可以考虑的一种解决方案。
（2）在接入网层面加大接入网扩容和技术改造力度，加快从传统的GPON向10G PON的演进力度，从而实现对千兆带宽入户的支撑能力，满足新业务对带宽的需求。研究和推动部署可感知业务的差异化QoS能力，对网络资源进行灵活分配，以保障对时延丢包敏感的关键业务的体验。基于人工智能和大数据技术构建智能运维系统，主动预测故障和体验的劣化，提前修复，从而最大程度保障业务体验。
（3）在业务网层面业务服务器需要部署在尽量靠近用户的城域网络边缘，使得用户可以就近访问各项业务内容源，从而保障业务高质量体验，后续可以考虑进一步下移至尽可能靠近用户的区域云或者边缘区中，进一步提升用户体验。要注重业务服务器的节点及热点内容源均衡，尤其加强对网络视频等用户访问量较大的业务内容源优化，合理调配运营商的网络流量分布，从而保障用户高质量的业务体验。
（4）在家庭网络层面选择高的家庭宽带签约速率，并使用带有高速业务接口的光纤接入终端（光猫）。优化家庭Wi-Fi网络设置，使用高速高质量Wi-Fi 6确保家庭信号覆盖。有条件的情况下尽可能部署光纤到每个房间，实现FTTR，为各类业务提供网络保障。
3 结束语
本文梳理了面向千兆宽带网络典型业务应用，给出了不同业务所对应的保证用户服务质量所需的网络能力要求，提出了端到端网络性能优化方案。在未来千兆宽带网络建设过程中，为提升用户体验，在优化网络架构方面要充分发挥新一代信息技术优势，不断提升云计算关键核心技术能力，提升网络承载能力，同时推动多接入边缘计算边缘云的建设，加快实现云边协同、云网融合等新模式新技术的应用，探索更加智能、灵活的网络架构，为未来宽带业务应用提供高质量服务体验以及端到端网络性能保证。
参考文献
[1] 中国信息通信研究院. 中国宽带发展白皮书(2020年)[EB/OL]. (2020-10-15)[2021-03-26]. http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bit/s/202010/t20201015_359937.htm.[2] 工业和信息化部. “双千兆”网络协同发展行动计划(2021—2023年)[EB/OL]. (2021-03-24)[2021-03-26]. https://www.miit.gov.cn/zwgk/zcwj/wjfb/txy/index. html.[3] 宽带发展联盟. 千兆宽带网络商业应用场景白皮书(2019)[EB/OL]. (2019-06-15)[2021-03-26].http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bit/s/201906/t20190627_201837.htm.[4] 陈斌, 陈武军, 樊忠文, 等. 5G+MEC专网智能制造工厂[J]. 通信技术, 2021,54(1):215-223.
Research on high quality user experience for gigabit broadband network service applications
SU Juan, WANG Zejue, DANG Meimei
(Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: Since the users are the main body of the applications in Gigabit broadband networks, how to achieve highquality user experience is vital for the network construction and performance optimization. This paper firstly analyzes the typical business applications in Gigabit broadband networks and the corresponding network capability requirements, then proposes suggestions on constructing broadband network to ensure high-quality experience, which provides an important reference for promoting the industrial development of Gigabit broadband networks.Keywords: gigabit broadband networks; user experience; broadband services
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第7期
主办：中国信息通信研究院
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