论文部分内容阅读
随着数字电视系统的迅猛普及，VOD视频点播等基于数字电视系统的增值业务逐步开展，使得过去基本能够满足广播业务的传输网络面临极大的带宽压力，其也对网络的建设和规划提出了更高的要求。
本文以VOD系统的配套传输线路规划为切入点，较系统地阐述了针对VOD播发所需要的大带宽网络的规划方式、方法、原则和技巧。作为抛砖引玉之作，本文简化了网络的构成和业务的类型，也使得码流的流向尽量简化，目的是搭建一个此类规划的平台，为将来开发更加丰富的业务、进行更加复杂的网络结构规划打下基础。
现有的广电网络结构较为复杂，开展的业务丰富多彩。使用到的技术包括MSTP、WDM、IP、HFC网络技术、EoC技术、EPON技术等等。考虑到基于SDH技术的MSTP平台在网络安全性和可管理上有其独到的优势，本文就以MSTP所搭建的网络为例，阐述VOD播发网络的规划方法，其中也涉及到DWDM(密集波分)的内容。今后我们将会针对更多类型的网络技术与视频播发业务之间的综合规划进行探讨。
VOD及配套网络规划方法
1、基于MSTP的VOD核心传输层规划
基于数字电视的VOD系统，包括总前端、分前端和用户侧三大部分。总前端到分前端、分前端到用户侧的信号传送需要的传输网络。如图1所示：
从总前端到分前端的网络是传输网络的骨干层，传输距离较远(从几十公里到数百公里不等)采用SDH、MSTP或者WDM的传输方式进行传送；从分前端到用户属于边缘用户接入层，大多采用HFC方式进行传送，距离从几百米到数公里不等。
本文主要探讨从总前端到分前端的骨干层网络传输带宽与v0D业务之间的关系。
2、VOD系统与MSTP系统的综合规划方法
VOD系统和其配套的传输系统隶属于两种不同的产品类别，在进行综合规划的时候，需要将这二者的产品特性结合起来考虑(见表1)。由于这些因素相互关联，互为因果，因此从规划的顺序和步骤来说是有章可循的。
a．规划的基本原则
从图1中，我们可以归纳出进行网络规划必须遵循基本原则如下：
★基于用户需求：是传输系统的带宽及结构还是VOD系统的存储容量、输出码流带宽位置地点的设置，均应基于最终用户的需求而定；
★双系统互动规划：VOD系统和传输网络系统的规划互为因果，相互关联：
★分前端规划是核心：分前端的规划是整个规划的核心，因为它处于网络的中心位置，既与传输核心层、总前端直接联系，又与接入层、最终用户直接联系。因此分前端的设置和能力直接关系到全网规划的合理性；
★合理配置，性价比高：在保护投资的前提下，合理分配在VOD和传输网上的投资，建设一个高性价比、可扩展的网络是衡量网络规划的标准。
b．规划的方法和步骤
★了解用户基础数据：包括当地的用户数量，用户的分布，有几个区域，每个区域多少用户，高、中、低端用户的分布，每种类型的用户点播率等等，这些最基础的数据，是后面一切规划的基础：
★服务器分布和数量：了解当地总前端设置地点，分前端的设置地点、数量，总前端和分前端的配置(容量和输出码流)等等。如果有现有的设备，则看是否与上述用户的数量和分布情况相匹配；如果需要提出新的设备配置建议，则参考上述用户数量和分配情况进行设置；
★传输线路和设备情况：如果有现成的传输网络，则需要了解传输带宽的大小、线路路由、采用设备类型，采用传输方式(WDM/MSTP/RPR)，可扩容空间等，是否与服务器分布及数量的描述相符合；如果没有现成的传输网络，则可参考分前端和及总前端的设置，结合传输线路路由情况来设置其核心传输网络。
★方案检验和修订：保证如下“两个轴平衡”：
带宽轴：总前端输出——核心层带宽——分前端数量和容量
分前端输出——接入层带宽——分前端用户数
容量轴：总前端容量——分前端容量——用户总数需求
总之，传输系统是VOD系统信息流的载体，无论是“小马拉大车”还是“大马拉小车”均不合理。前者意味着存在传输带宽瓶颈，后者则意味着传输投资过度或VOD系统能力不足。
C．规划的基本数据
★VOD系统数据：
一般来说，某地的VOD用户数约为该地区所有数字电视用户总数的10％，而同时在线的VOD用户数约为VOD总用户数的10％(即收敛比为10％)。
单个VOD MPEG-2视频码流速率是3.75Mbps，对应于传输网上的是2×2Mbps颗粒：
★光传输MSTP系统数据：
在基于SDH的MSTP系统上，接入和传输的带宽包括SDH信号(155M，622M，2.5G和10G)和以太网信号(100M，GE)。在MSTP传输系统中，为方便统计，这些信号均可以看作是由2M传输颗粒来承载，于是有如下公式：
用户数=预留带宽／单码流带宽／收敛比
=预留带宽2M数，单码流2M数／收敛比
预留带宽对应承载的视频码流数和服务的用户数如表2所示：
★光传输WDM系统数据：
现有的WDM系统的波长使用最普遍的有GE、2.5G和10G三种速率，单波长可容纳的用户数和表2相同。如果是多波长DWDM传输系统，例如N个10G波长，在10％收敛比的情况下，其服务的用户数是N×20160个。
VOD系统及配套传输网络规划案例
1、小型网络的规划方法
某地有居民20万户，均已经转为数字电视用户。其中会有10％(即2万)的用户会成为VOD业务用户。该地区设有1个总前端，所有的用户均是通过访问这个总前端来开展VOD业务，每个区域所承载的人口数和VOD用户数如表3所示：
从光纤线路路由来看，这5个区域可以形成一个环网，如下图2所示：
那么VOD系统的架构如图3，其可以看成是一个小城市的网络。全网只有一个播发服务器在A点，其他各个区域的用户均访问A的服务器观看节目。
因为A站点是总前端，所以A站点所辖区域内的VOD业务不占用主环上的带宽。B、C、D、E4个区域的VOD用户数是1.7万，按照4Mbps／户的带宽需求，10％的收敛比，这4个区域的用户总共需要的带宽资源是：
1.7万×10％×4M=6.8G
从表4中可以看出，所需的传输带宽为6.8G，也就是说，如果用SDH光传送线路承载的话，采用集中式网络，需要1个10G的环网。
2、大中型网络的规划方法 a．两种码流的路由分析(定位)
在大多数情况下，开展VOD业务的是大中型城市／省网的业务，全网有好几个分前端，在总前端和分前端均配置有视频播放服务器。其中总前端到分前端是作为内容更新使用，各个用户均是通过访问自己所属的分前端服务器来进行视频点播，如图4所示：
在这个网络模型中，主要的码流有两种情况：
★总前端对分前端节目的“注入”与更新：占用核心层传输网络带宽，采用MSTP、WDM等大带宽核心层传输技术，点到多点的访问方式；
★用户访问所属分前端进行点播：占用接入层网络的带宽，现有的接入层网络多为HFC组网，也有部分采用MSTP、IP、PON等技术进行拉远。
b．两种码流的带宽分析(定量)
在上述这个网络模型中，有以下几点需要指明：
(a)总前端对分前端的节目更新是同时进行的，点对多点形式的。也就是说，更新相同数量的节目内容(例如每个分前端均需要更新1小时节目)，分前端数量越多，更新所占用的网络资源(带宽、时间)就会越多；而在网络带宽有限的情况下，所需时间就越长。如上图中的红色线条所示。
(b)用户只访问所属分前端，不考虑访问总前端或者其他分前端。考虑到总前端对分前端的节目更新是同时进行的，所以所有分前端的内容可以看作是实时相同的。如图4中的蓝色线条所示。
(c)线路传输的速率单位是bit/8(bp8)，存储容量的单位是byte。1byte=8×bit，于是有：将存储容量为A byte的服务器，以B bps的带宽注满所需时间T是A×8/B秒。
(d)基于上面的分析，现在有n个分前端需要内容更新，假设每个分前端需要更新的内容都是A byte，用于内容更新的传输的带宽为B bps，总前端的最大码流输出速率为V bps，那么完成所有更新所需要的时间T为：
n×A×8/B秒(B＜V时)
n×A×8/V秒(V＜B时)
c．大中型网络规划案例
某地有居民200万户，均已经转为数字电视用户。其中会有10％(即20万)的用户会成为VOD业务用户。该地区设有1个总前端，5个分前端分别位于该地所辖的5个区域，每个区域所承载的人口数和VOD用户数如表5所示。
★接入层网络：
因为各用户只访问所属的分前端，所以接入层网络的规划可以参考“小型网络规划”的情况。按照每个VOD需要2×2M码流的情况，A，B，C，D，E各个区域的接入层网络带宽在采用SDH(MSTP)技术的情况下，所需带宽为：
接入层所需带宽=VOD用户数×收敛比×单用户码流
对于表6计算结果，有如下说明：
·关于接入层使用的技术：现在的数字电视接入层多半采用的是HFC传输的网络。在大中型城市，有线电视的运营已经比较成熟，并且已经建立了比较完备的接入层网络；
·传输带宽和分前端输出带宽：无论采用何种方式的接入层传输网络，上表中的接入层所需带宽应和分前端的输出码流带宽相匹配，这二者的最小值应大于最终用户的需求值；
·不满足需求的处理方式：而如果发现有如下情况而不能满足用户需求，则需要对方案做出相应的调整，直到满足用户需求为止(见表7)。
★核心层网络：
核心层网络的组成，从数字电视侧来说，是总前端和分前端的服务器的选择和设置；从传输侧来说，是线路传输的组网，速率和采用传输技术的选择；
根据表5，知道每个分前端所服务区域的用户数后，则可以通过经验得到分前端服务器的存储容量的需求。以下是存核心层的基本数据模型和概念(见图5)：
·一般来说，1个小时的VOD视频需要约2G的存储空间(3.75×60×60/8)；
·从理论上来讲，节目所占存储容量和同时在线点播的人数无关；
·因为其“承上启下”的网络定位，分前端是核心层乃至全网规划的重点；
·传输骨干设备和分前端的地点设置一一对应；
·传输核心层的光纤路由和VOD的码流流向相关；
表6已经给出了各个区域分前端“向下看”的配置，现在我们需要解决“向上看”的配置。现在我们需要了解的是用户数量、分布和用户类别对更新时间需求的影响。也就是把线性的数学模型和用户需求结合起来，这个需要市场调研和经验的累积。在不同的区域和市场情况下，这个影响是不同的。但是基本上传输骨干网络和VOD网络建设可以分为以下两种情况：
·情况1：传输带宽已经划出，需要规划VOD节目的更新时间；
·情况2：VOD的更新时间已有要求。需要分配传输的带宽；
上面两种情况有时候相互关联，互为因果，判断需要把握住最终客户的需求。3.3.2码流带宽分析中的公式②-1和②-2清楚的表明了骨干传输层进行内容更新的时间和网络带宽的关系。
具体到本案例中：
·情况1：假设A、B、C、D、E 5个分前端，如果核心层传输带宽为2.5G用于节目更新，占用核心层带宽的是B、C、D、E四个分前端的数据。假设他们都是同时更新的，那么每个分前端存储的更新速度是：
2.5G/4/8 byte/s=78M Byte/s
因为一个小时的节目容量是2G byte
那么更新完所有分前端l小时节目的时间是：
2000M/78M=25.6s
假设要求在T时间内，完成所有分前端X个小时的节目更新
则必须满足：T＜25.6×X
·情况2：假设5个分前端(4个在核心层上)每周必须更新不少于1000小时的节目
则需要的传输带宽是：
4×1000×2000×8/7/24/60/60=105Mbos
也就是为了达到节目更新的要求，至少需要105M bps的核心层带宽，采用SDH技术的话，就是需要预留1个VC-4即155Mbps的带宽。
本文以VOD系统的配套传输线路规划为切入点，较系统地阐述了针对VOD播发所需要的大带宽网络的规划方式、方法、原则和技巧。作为抛砖引玉之作，本文简化了网络的构成和业务的类型，也使得码流的流向尽量简化，目的是搭建一个此类规划的平台，为将来开发更加丰富的业务、进行更加复杂的网络结构规划打下基础。
现有的广电网络结构较为复杂，开展的业务丰富多彩。使用到的技术包括MSTP、WDM、IP、HFC网络技术、EoC技术、EPON技术等等。考虑到基于SDH技术的MSTP平台在网络安全性和可管理上有其独到的优势，本文就以MSTP所搭建的网络为例，阐述VOD播发网络的规划方法，其中也涉及到DWDM(密集波分)的内容。今后我们将会针对更多类型的网络技术与视频播发业务之间的综合规划进行探讨。
VOD及配套网络规划方法
1、基于MSTP的VOD核心传输层规划
基于数字电视的VOD系统，包括总前端、分前端和用户侧三大部分。总前端到分前端、分前端到用户侧的信号传送需要的传输网络。如图1所示：
从总前端到分前端的网络是传输网络的骨干层，传输距离较远(从几十公里到数百公里不等)采用SDH、MSTP或者WDM的传输方式进行传送；从分前端到用户属于边缘用户接入层，大多采用HFC方式进行传送，距离从几百米到数公里不等。
本文主要探讨从总前端到分前端的骨干层网络传输带宽与v0D业务之间的关系。
2、VOD系统与MSTP系统的综合规划方法
VOD系统和其配套的传输系统隶属于两种不同的产品类别，在进行综合规划的时候，需要将这二者的产品特性结合起来考虑(见表1)。由于这些因素相互关联，互为因果，因此从规划的顺序和步骤来说是有章可循的。
a．规划的基本原则
从图1中，我们可以归纳出进行网络规划必须遵循基本原则如下：
★基于用户需求：是传输系统的带宽及结构还是VOD系统的存储容量、输出码流带宽位置地点的设置，均应基于最终用户的需求而定；
★双系统互动规划：VOD系统和传输网络系统的规划互为因果，相互关联：
★分前端规划是核心：分前端的规划是整个规划的核心，因为它处于网络的中心位置，既与传输核心层、总前端直接联系，又与接入层、最终用户直接联系。因此分前端的设置和能力直接关系到全网规划的合理性；
★合理配置，性价比高：在保护投资的前提下，合理分配在VOD和传输网上的投资，建设一个高性价比、可扩展的网络是衡量网络规划的标准。
b．规划的方法和步骤
★了解用户基础数据：包括当地的用户数量，用户的分布，有几个区域，每个区域多少用户，高、中、低端用户的分布，每种类型的用户点播率等等，这些最基础的数据，是后面一切规划的基础：
★服务器分布和数量：了解当地总前端设置地点，分前端的设置地点、数量，总前端和分前端的配置(容量和输出码流)等等。如果有现有的设备，则看是否与上述用户的数量和分布情况相匹配；如果需要提出新的设备配置建议，则参考上述用户数量和分配情况进行设置；
★传输线路和设备情况：如果有现成的传输网络，则需要了解传输带宽的大小、线路路由、采用设备类型，采用传输方式(WDM/MSTP/RPR)，可扩容空间等，是否与服务器分布及数量的描述相符合；如果没有现成的传输网络，则可参考分前端和及总前端的设置，结合传输线路路由情况来设置其核心传输网络。
★方案检验和修订：保证如下“两个轴平衡”：
带宽轴：总前端输出——核心层带宽——分前端数量和容量
分前端输出——接入层带宽——分前端用户数
容量轴：总前端容量——分前端容量——用户总数需求
总之，传输系统是VOD系统信息流的载体，无论是“小马拉大车”还是“大马拉小车”均不合理。前者意味着存在传输带宽瓶颈，后者则意味着传输投资过度或VOD系统能力不足。
C．规划的基本数据
★VOD系统数据：
一般来说，某地的VOD用户数约为该地区所有数字电视用户总数的10％，而同时在线的VOD用户数约为VOD总用户数的10％(即收敛比为10％)。
单个VOD MPEG-2视频码流速率是3.75Mbps，对应于传输网上的是2×2Mbps颗粒：
★光传输MSTP系统数据：
在基于SDH的MSTP系统上，接入和传输的带宽包括SDH信号(155M，622M，2.5G和10G)和以太网信号(100M，GE)。在MSTP传输系统中，为方便统计，这些信号均可以看作是由2M传输颗粒来承载，于是有如下公式：
用户数=预留带宽／单码流带宽／收敛比
=预留带宽2M数，单码流2M数／收敛比
预留带宽对应承载的视频码流数和服务的用户数如表2所示：
★光传输WDM系统数据：
现有的WDM系统的波长使用最普遍的有GE、2.5G和10G三种速率，单波长可容纳的用户数和表2相同。如果是多波长DWDM传输系统，例如N个10G波长，在10％收敛比的情况下，其服务的用户数是N×20160个。
VOD系统及配套传输网络规划案例
1、小型网络的规划方法
某地有居民20万户，均已经转为数字电视用户。其中会有10％(即2万)的用户会成为VOD业务用户。该地区设有1个总前端，所有的用户均是通过访问这个总前端来开展VOD业务，每个区域所承载的人口数和VOD用户数如表3所示：
从光纤线路路由来看，这5个区域可以形成一个环网，如下图2所示：
那么VOD系统的架构如图3，其可以看成是一个小城市的网络。全网只有一个播发服务器在A点，其他各个区域的用户均访问A的服务器观看节目。
因为A站点是总前端，所以A站点所辖区域内的VOD业务不占用主环上的带宽。B、C、D、E4个区域的VOD用户数是1.7万，按照4Mbps／户的带宽需求，10％的收敛比，这4个区域的用户总共需要的带宽资源是：
1.7万×10％×4M=6.8G
从表4中可以看出，所需的传输带宽为6.8G，也就是说，如果用SDH光传送线路承载的话，采用集中式网络，需要1个10G的环网。
2、大中型网络的规划方法 a．两种码流的路由分析(定位)
在大多数情况下，开展VOD业务的是大中型城市／省网的业务，全网有好几个分前端，在总前端和分前端均配置有视频播放服务器。其中总前端到分前端是作为内容更新使用，各个用户均是通过访问自己所属的分前端服务器来进行视频点播，如图4所示：
在这个网络模型中，主要的码流有两种情况：
★总前端对分前端节目的“注入”与更新：占用核心层传输网络带宽，采用MSTP、WDM等大带宽核心层传输技术，点到多点的访问方式；
★用户访问所属分前端进行点播：占用接入层网络的带宽，现有的接入层网络多为HFC组网，也有部分采用MSTP、IP、PON等技术进行拉远。
b．两种码流的带宽分析(定量)
在上述这个网络模型中，有以下几点需要指明：
(a)总前端对分前端的节目更新是同时进行的，点对多点形式的。也就是说，更新相同数量的节目内容(例如每个分前端均需要更新1小时节目)，分前端数量越多，更新所占用的网络资源(带宽、时间)就会越多；而在网络带宽有限的情况下，所需时间就越长。如上图中的红色线条所示。
(b)用户只访问所属分前端，不考虑访问总前端或者其他分前端。考虑到总前端对分前端的节目更新是同时进行的，所以所有分前端的内容可以看作是实时相同的。如图4中的蓝色线条所示。
(c)线路传输的速率单位是bit/8(bp8)，存储容量的单位是byte。1byte=8×bit，于是有：将存储容量为A byte的服务器，以B bps的带宽注满所需时间T是A×8/B秒。
(d)基于上面的分析，现在有n个分前端需要内容更新，假设每个分前端需要更新的内容都是A byte，用于内容更新的传输的带宽为B bps，总前端的最大码流输出速率为V bps，那么完成所有更新所需要的时间T为：
n×A×8/B秒(B＜V时)
n×A×8/V秒(V＜B时)
c．大中型网络规划案例
某地有居民200万户，均已经转为数字电视用户。其中会有10％(即20万)的用户会成为VOD业务用户。该地区设有1个总前端，5个分前端分别位于该地所辖的5个区域，每个区域所承载的人口数和VOD用户数如表5所示。
★接入层网络：
因为各用户只访问所属的分前端，所以接入层网络的规划可以参考“小型网络规划”的情况。按照每个VOD需要2×2M码流的情况，A，B，C，D，E各个区域的接入层网络带宽在采用SDH(MSTP)技术的情况下，所需带宽为：
接入层所需带宽=VOD用户数×收敛比×单用户码流
对于表6计算结果，有如下说明：
·关于接入层使用的技术：现在的数字电视接入层多半采用的是HFC传输的网络。在大中型城市，有线电视的运营已经比较成熟，并且已经建立了比较完备的接入层网络；
·传输带宽和分前端输出带宽：无论采用何种方式的接入层传输网络，上表中的接入层所需带宽应和分前端的输出码流带宽相匹配，这二者的最小值应大于最终用户的需求值；
·不满足需求的处理方式：而如果发现有如下情况而不能满足用户需求，则需要对方案做出相应的调整，直到满足用户需求为止(见表7)。
★核心层网络：
核心层网络的组成，从数字电视侧来说，是总前端和分前端的服务器的选择和设置；从传输侧来说，是线路传输的组网，速率和采用传输技术的选择；
根据表5，知道每个分前端所服务区域的用户数后，则可以通过经验得到分前端服务器的存储容量的需求。以下是存核心层的基本数据模型和概念(见图5)：
·一般来说，1个小时的VOD视频需要约2G的存储空间(3.75×60×60/8)；
·从理论上来讲，节目所占存储容量和同时在线点播的人数无关；
·因为其“承上启下”的网络定位，分前端是核心层乃至全网规划的重点；
·传输骨干设备和分前端的地点设置一一对应；
·传输核心层的光纤路由和VOD的码流流向相关；
表6已经给出了各个区域分前端“向下看”的配置，现在我们需要解决“向上看”的配置。现在我们需要了解的是用户数量、分布和用户类别对更新时间需求的影响。也就是把线性的数学模型和用户需求结合起来，这个需要市场调研和经验的累积。在不同的区域和市场情况下，这个影响是不同的。但是基本上传输骨干网络和VOD网络建设可以分为以下两种情况：
·情况1：传输带宽已经划出，需要规划VOD节目的更新时间；
·情况2：VOD的更新时间已有要求。需要分配传输的带宽；
上面两种情况有时候相互关联，互为因果，判断需要把握住最终客户的需求。3.3.2码流带宽分析中的公式②-1和②-2清楚的表明了骨干传输层进行内容更新的时间和网络带宽的关系。
具体到本案例中：
·情况1：假设A、B、C、D、E 5个分前端，如果核心层传输带宽为2.5G用于节目更新，占用核心层带宽的是B、C、D、E四个分前端的数据。假设他们都是同时更新的，那么每个分前端存储的更新速度是：
2.5G/4/8 byte/s=78M Byte/s
因为一个小时的节目容量是2G byte
那么更新完所有分前端l小时节目的时间是：
2000M/78M=25.6s
假设要求在T时间内，完成所有分前端X个小时的节目更新
则必须满足：T＜25.6×X
·情况2：假设5个分前端(4个在核心层上)每周必须更新不少于1000小时的节目
则需要的传输带宽是：
4×1000×2000×8/7/24/60/60=105Mbos
也就是为了达到节目更新的要求，至少需要105M bps的核心层带宽，采用SDH技术的话，就是需要预留1个VC-4即155Mbps的带宽。