李 芳

（杭州市廣播電視科學技術(shù)研究所，浙江 杭州 310008）

數(shù)字電視、光通信技術(shù)、TCP/IP技術(shù)的飛速發(fā)展推動了電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)的融合。交互數(shù)字電視是一種利用寬帶有線電視網(wǎng)，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通信等多種技術(shù)于一體，向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式服務的嶄新技術(shù)。用戶在家中可以網(wǎng)絡機頂盒+普通電視機方式享受IPTV服務，它能夠很好地適應當今網(wǎng)絡飛速發(fā)展的趨勢，充分有效地利用網(wǎng)絡資源[1]。

交互數(shù)字電視作為廣播電視未來發(fā)展的一項重要業(yè)務，正在日益普及，由于交互電視的傳輸隨用戶數(shù)量的增長，所需帶寬會急劇增長，其流量具有很強的隨機突發(fā)性，且占用巨大帶寬資源，網(wǎng)絡擁塞造成的時延和誤碼，直接導致圖像質(zhì)量的下降。原先以承載數(shù)字視頻廣播（DVB）業(yè)務為主的杭州地區(qū)數(shù)字電視傳輸網(wǎng)在容量和接口能力上已無法滿足交互電視業(yè)務的傳輸要求，也無法滿足用戶對服務品質(zhì)的需求。建設一個既滿足開展交互數(shù)字電視需要，又保障傳統(tǒng)數(shù)字廣播電視業(yè)務的發(fā)展，同時又能兼顧其他各項業(yè)務，具備較高投資收益比的廣域傳輸平臺的課題擺在面前。

1 建設需求

廣播電視傳輸網(wǎng)主要傳輸兩大類業(yè)務:一類業(yè)務是廣播型的數(shù)據(jù)業(yè)務，它的特點是所有的用戶共享一個數(shù)據(jù)流；另一類業(yè)務是交互型業(yè)務，這種業(yè)務的特點是一戶一個流，數(shù)據(jù)流不能共享，因而它需要交互型雙向交換網(wǎng)絡來支持。其流量具有很強的隨機突發(fā)性，隨著點播用戶數(shù)量的變化，所需帶寬會急劇變化。因此，在網(wǎng)絡規(guī)劃時，既要滿足開展交互數(shù)字電視需要，又要兼顧傳統(tǒng)的直播業(yè)務。歸納如下：1）區(qū)縣交互用戶采用杭州的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）服務節(jié)點進行服務，點對點傳輸以保障用戶的服務安全；2）利用RPR環(huán)的業(yè)務分類傳送、帶寬共享的特點，應對突發(fā)流量，使二區(qū)五縣點播命中率提升至80%以上；3）搭建DVB傳輸通道，下傳中央、省市重要節(jié)目和高清節(jié)目，作為原有的阿爾卡特SDH傳輸網(wǎng)的DVB節(jié)目的備份，同時為新增DVB節(jié)目預留傳輸通道；4）搭建快速以太網(wǎng)通道，為保障杭州區(qū)縣分前端數(shù)字信號安全播出，監(jiān)測區(qū)縣分前端設備運行狀態(tài)和信號質(zhì)量監(jiān)督回傳鏈路等提供傳輸通道；5）預留一定帶寬，為開展“數(shù)字電視廣播、交互數(shù)字電視、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)”的全媒體做準備。

2 技術(shù)方案設計

2.1 組網(wǎng)技術(shù)的選擇。

首先，分析了當前傳輸技術(shù)：ATM（異步傳輸模式）、以太網(wǎng)技術(shù)、DWDM（波分復用）、OTN（光傳送網(wǎng)）、SDH、MSTP（多業(yè)務傳送節(jié)點）。由于ATM適用于多業(yè)務電信環(huán)境，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、傳輸效率低、成本高，不適合廣播電視傳輸網(wǎng)絡。所以著重對以太網(wǎng)、DWDM、OTN和MSTP內(nèi)嵌RPR技術(shù)進行了比較和論證。以太網(wǎng)（純IP）組網(wǎng)具有價格便宜、快速的按需配置、速率升級容易等優(yōu)勢，但它在端到端QoS保障機制、環(huán)形拓撲等方面存在缺餡，特別是長距離傳輸受限。DWDM具有光纖利用率高、適合大顆粒數(shù)據(jù)業(yè)務傳送的優(yōu)點，但其建網(wǎng)成本高、維護復雜、IP層面保護欠缺。OTN是下一代的骨干傳送網(wǎng)，它面向IP業(yè)務、適配IP業(yè)務的傳送需求，滿足大顆粒業(yè)務傳送的需要，但它同樣存在造價高、對小顆粒的業(yè)務調(diào)度欠缺、標準還在不斷完善等不足。MSTP是現(xiàn)今應用最為廣泛、成熟的光傳送平臺，近年來通過引入RPR，MPLS，EV?PLAN，EVPL等技術(shù)，在繼承SDH強大自愈能力的基礎(chǔ)上，提升了IP層面的保護能力，能實現(xiàn)大小顆粒的靈活調(diào)度[2]。對于發(fā)展階段的杭州地區(qū)交互數(shù)字電視區(qū)域網(wǎng)絡，筆者認為利用多業(yè)務傳送平臺（MSTP）內(nèi)嵌彈性分組環(huán)（RPR）技術(shù)組網(wǎng)是最佳的選擇。

2.2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計

為滿足直播數(shù)字電視和交互數(shù)字電視的傳輸需求，規(guī)劃傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)時，全網(wǎng)全部采用華為OSN傳輸設備。將杭州城區(qū)DVB總前端和杭州古蕩數(shù)據(jù)中心兩大前端機房與二區(qū)五縣機房組成新的傳輸網(wǎng)絡組成雙環(huán)。將杭州數(shù)字電視多業(yè)務網(wǎng)絡全網(wǎng)劃分為A，B，C共3個邏輯組網(wǎng)，達到提高帶寬利用率和網(wǎng)絡保護能力的目的，組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 MSTP網(wǎng)絡拓撲圖

圖1中整個網(wǎng)絡劃分為2個相交的10 Gbit/s物理環(huán)（簡稱南環(huán)和北環(huán)）。以古蕩和富陽為交匯點，直播電視業(yè)務從凱旋門下傳至各區(qū)縣，交互電視業(yè)務從古蕩下傳至各區(qū)縣。

2.3 設計思路說明

1）增大傳輸容量

根據(jù)規(guī)劃，DVB業(yè)務占用16×VC4（每個VC4為155.52 Mbit/s）；RPR業(yè)務占用16×VC4；如果是一個單環(huán)網(wǎng)絡，就剩下32×VC4用來傳輸交互電視業(yè)務（GE），每個站點只有4有個站點，即622.08 Mbit/s數(shù)據(jù)流顯然不能滿足交互電視的業(yè)務需求。為了增大傳輸容量，設計用2個10 Gbit/s物理環(huán)來傳輸交互電視業(yè)務，每個站點可下傳32×VC4÷4站點=8×VC4，即1244.16 Mbit/s，容量增加1倍。

2）易擴容性，性價比高

根據(jù)目前使用情況，淳安、建德、桐廬為交互電視業(yè)務設計的8×VC4的流量已經(jīng)滿負荷。今后可以很方便地再擴容2個10 Gbit/s物理環(huán)。

3）根據(jù)杭州兩大前端布局

凱旋門是DVB業(yè)務前端，向各區(qū)縣站點傳輸數(shù)字電視前端業(yè)務；古蕩是數(shù)據(jù)中心，主要傳輸交互電視業(yè)務。兩個前端業(yè)務可以通過新建傳輸網(wǎng)調(diào)度數(shù)字電視信源。

2.4 邏輯子網(wǎng)說明

根據(jù)目前業(yè)務的需求可劃分為A，B，C共3個邏輯子網(wǎng)。

邏輯子網(wǎng)A：由10 Gbit/s環(huán)網(wǎng)上的9個站點組成，分配32個VC4。傳輸凱旋門站點下發(fā)的DS3，RPR，F(xiàn)E業(yè)務及其他業(yè)務（見圖1中外環(huán)虛線）。

邏輯子網(wǎng)B：由10 Gbit/s北環(huán)組成上的5個站點組成，分配32個VC4。傳輸古蕩至北環(huán)上站點的交互電視業(yè)務（見圖1中左邊內(nèi)環(huán)虛線）。

邏輯子網(wǎng)C：由10 Gbit/s南環(huán)上的5個站點組成（富陽算北環(huán)），分配32個VC4。傳輸古蕩至南環(huán)上站點的交互電視業(yè)務（見圖1中右邊內(nèi)環(huán)虛線）。

2.5 MSTP保護方式的選擇

MSTP的保護屬于物理層的技術(shù)，它通過冗余的帶寬和冗余的網(wǎng)絡設備來實現(xiàn)網(wǎng)絡的保護切換，使得因受光網(wǎng)絡失效而影響的業(yè)務能夠自動恢復[3]。MSTP保護分為子網(wǎng)連接保護環(huán)（SNCP）和復用段保護環(huán)（MSP-Ring）。下面將兩種保護方式進行比較，結(jié)果如表1所示。

通過對比，筆者認為SNCP保護更適合雙環(huán)結(jié)構(gòu)的保護。SNCP具有可靠性高、倒換時間快、可實現(xiàn)雙節(jié)點互連（DNI）等特點，適合對MSTP網(wǎng)絡跨環(huán)傳輸業(yè)務的保護，其保護方式如圖2所示。

當環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)兩處光纜故障時，可以通過富陽至古蕩的鏈路，保護凱旋門DVB前端至各個站點的業(yè)務不中斷。整個網(wǎng)絡的安全等級大大提高。

3 RPR技術(shù)的應用

RPR（Resilient Packet Ring）是彈性分組環(huán)。彈性指業(yè)務的傳輸可以根據(jù)網(wǎng)絡的狀況進行靈活的適應；分組數(shù)據(jù)指業(yè)務傳輸?shù)幕締卧且粋€個的數(shù)據(jù)包，而不是像SDH使用固定幀的格式進行處理；環(huán)是要求設備組網(wǎng)時形成“環(huán)形”的拓撲結(jié)構(gòu)。RPR是一種新的MAC層協(xié)議，它吸收了千兆以太網(wǎng)的經(jīng)濟性、SDH對延時和抖動的嚴格保障及可靠的時鐘和自愈保護環(huán)等優(yōu)點，大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)包的傳輸。RPR具有空間重用、拓撲發(fā)現(xiàn)、帶寬公平、保護倒換、完善的質(zhì)量服務（QoS）機制等優(yōu)點，成為新一代光網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)包的首選技術(shù)[4]。

表1 SNCP保護與MSP-Ring保護的比較

圖2 保護方式選擇

3.1 RPR組網(wǎng)方案

華為OSN3500的EGR2板支持IEEE 802.17標準定義的RPR特性。由9個節(jié)點的EGR2板組成RPR環(huán)路。各節(jié)點之間鏈路由8×VC4通道構(gòu)成。杭州數(shù)字電視RPR環(huán)網(wǎng)拓撲圖如圖3所示。

圖3 RPR環(huán)網(wǎng)絡拓撲圖

從圖中可以看出：RPR為逆向雙環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)，外環(huán)（Outer Ring，簡稱0環(huán)）和內(nèi)環(huán)（Inner Ring，簡稱1環(huán)）都傳送數(shù)據(jù)包和控制包，RPR的外環(huán)的傳送方向為順時針方向，內(nèi)環(huán)的傳送方向為逆時針方向。雙環(huán)同時工作，有效地利用所有帶寬。內(nèi)環(huán)的控制包攜帶外環(huán)數(shù)據(jù)包的控制信息，外環(huán)的控制包攜帶內(nèi)環(huán)數(shù)據(jù)包的控制信息，雙環(huán)互為備份和保護[3]。

3.2 RPR的時隙分配

RPR通過兩根反向光纖組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，RPR節(jié)點數(shù)據(jù)可以在環(huán)上有2個方向到達另一個節(jié)點。所以每個節(jié)點，都需要在VC4-xv（VC4虛級聯(lián)）級別上，進行VC?trunk的綁定。以古蕩節(jié)點為例，將VCtrunk1綁定奇數(shù)VC4-1，3，5，7，9，11，13，15；VCtrunk2綁定偶數(shù)VC4-2，4，6，8，10，12，14，16（見圖4），通過環(huán)上節(jié)點共享VCtrunk通道，實現(xiàn)多點到多點的EVPLAN互聯(lián)。

圖4 VCtrunk綁定（截圖）

3.3 RPR的保護機制

RPR支持兩種保護機制，Wrapping（環(huán)回倒換）保護和Steering（源路由倒換）保護。RPR的兩種保護各有優(yōu)缺點：Wrapping保護方式是指當環(huán)路上的某個地方發(fā)生故障時，則在故障附近的節(jié)點自動環(huán)回，把內(nèi)環(huán)和外環(huán)連在一起。Wrapping保護倒換的時間小于50 ms。這種保護方式的優(yōu)點是保護速度快、丟失數(shù)據(jù)少，缺點是環(huán)回浪費帶寬；Steering保護方式是指業(yè)務不需要從發(fā)生故障的的地方倒換，而是通過拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議生成故障后的新拓撲，源節(jié)點直接按照新的拓撲發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點。當環(huán)上的節(jié)點數(shù)小于等于16時，Steering保護倒換的時間小于50 ms。這種保護方式的優(yōu)點是不浪費帶寬，缺點是當組網(wǎng)規(guī)模較大時保護倒換的速度較慢，并且在新路徑建立之前部分數(shù)據(jù)被丟棄[3]。根據(jù)華為OSN設備同時支持Wrapping和Steering兩種保護方式特性，決定采取先環(huán)回后源路由的保護方式。當環(huán)路發(fā)生故障時，環(huán)網(wǎng)先采用繞回方式進行倒換，保證環(huán)網(wǎng)倒換速度，減少丟包；當通過拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議生成故障后的新環(huán)路拓撲，再采用源路由方式，使業(yè)務按照新拓撲的最佳路徑發(fā)送給目的節(jié)點，減少帶寬的浪費。以桐廬為例（見圖5、圖6）。

可以看出RPR的源路由保護和環(huán)回倒換，可以提供不同等級的服務和不同等級的環(huán)網(wǎng)保護功能。但是由于RPR和SDH的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、業(yè)務類型、故障狀態(tài)不同，如何將兩種保護機制協(xié)調(diào)工作，最大程度提高網(wǎng)絡的可靠性和有效性方面，還需要繼續(xù)深入研究[3]。

3.4 RPR帶寬的空間重用技術(shù)

RPR是利用雙環(huán)結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務，具有業(yè)務在目的節(jié)點剝離、空間重用等特點，在傳輸組播和廣播業(yè)務，環(huán)上只要用一個拷貝分組，便可大大節(jié)約帶寬[4]。

數(shù)字電視主要分為單播、組播和廣播業(yè)務。單播業(yè)務主要是用于直播電視，對于網(wǎng)絡的傳送時延及抖動比較敏感，這部分用點對點傳輸來解決。組播業(yè)務和廣播業(yè)務都是點對多點的傳送。主要用于電視輪播和電視點播。為了使交互電視的數(shù)據(jù)流在目的節(jié)點能接收并剝離出來，劃分了VLAN，即將每個站點都劃分了VLAN號，古蕩數(shù)據(jù)中心向每個節(jié)點的VLAN發(fā)送數(shù)據(jù)（見圖7）。每個節(jié)點根據(jù)分配給的VLAN，接收從RPR環(huán)上來的數(shù)據(jù)報，將報文從環(huán)上剝離，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。比如在古蕩數(shù)據(jù)中心向建德的VLAN端口（4046，4047）傳輸數(shù)據(jù)，到了建德后，按建德的VLAN（4046，4047）的數(shù)據(jù)剝離，其余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。到了桐廬，按桐廬的VLAN（4048，4049）的數(shù)據(jù)剝離，其余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（見圖8）。

另外，也可以1個業(yè)務用1個VLAN號的。如杭州凱旋門向二區(qū)五縣傳送的移動電視業(yè)務，就是8個節(jié)點共用1個VLAN號。到了目的地，使VLAN為3011的移動電視的數(shù)據(jù)流在目的節(jié)點接收并剝離出來，同時繼續(xù)往下一個站點傳送。

3.5 完善的QoS機制

RPR可以提供對業(yè)務的分級服務。用戶數(shù)據(jù)可以被劃分為3個業(yè)務級別：A，B和C。在RPR環(huán)路上，優(yōu)先級A又可以分為A0和A1兩個子類型。優(yōu)先級B也可以分為B_CIR（Committed Information Rate，承諾接入速率）和B_EIR（Excess Information Rate，超額信息速率）兩個子類型[4]。各優(yōu)先級的區(qū)別如表2所示。

表2 RPR業(yè)務優(yōu)先級劃分

利用RPR環(huán)共享2.5 Gbit/s的特性。首先，從古蕩下傳至各區(qū)縣節(jié)點的交互電視點播業(yè)務，選擇C類業(yè)務優(yōu)先級，通過建立VLAN表，進行EVPLAN組網(wǎng)；然后，配置從凱旋門下傳到區(qū)縣的移動電視業(yè)務，采用B類優(yōu)先級，各個區(qū)縣采用相同VLAN號，到目的節(jié)點剝離業(yè)務，分配的帶寬可回收，承載業(yè)務繼續(xù)下傳；最后，余杭至蕭山的千兆以太網(wǎng)專線業(yè)務，為了保障業(yè)務沒有瞬斷，選擇A類業(yè)務優(yōu)先級，通過高優(yōu)先級，建立EVPL組網(wǎng)，保證余杭至蕭山連續(xù)性。多種不同優(yōu)先級業(yè)務同時在RPR環(huán)上傳輸，實現(xiàn)了用戶共享鏈路帶寬（VCtrunk），在滿足多點到多點的數(shù)字電視點播及數(shù)據(jù)增值業(yè)務的安全傳輸?shù)耐瑫r，又提高了系統(tǒng)投資回報率。

4 結(jié)束語

杭州數(shù)字電視運營商利用RPR技術(shù)建設的新一代數(shù)字電視多業(yè)務傳輸平臺。自運行以來，承載著大量的廣播式數(shù)字電視業(yè)務和數(shù)字電視增值業(yè)務，二區(qū)五縣用戶使用杭州的CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡）服務器，交互電視點播命中率大大提升。有力推動了杭州二區(qū)五縣的數(shù)字直播電視、交互電視、增值業(yè)務的開展，滿足了杭州二區(qū)五縣用戶數(shù)量增長、用戶對影片的觀看質(zhì)量、服務響應速度的要求，有效保證杭州地區(qū)數(shù)字電視用戶的發(fā)展計劃得以實現(xiàn)，極大促進杭州地區(qū)數(shù)字電視從數(shù)量到質(zhì)量的發(fā)展。

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