WiMAX在IPTV(网络电视)接入网中的应用

摘要　网络电视（IPTV）应用的多样化和复杂化使得对带宽的需求逐渐增加，同时承载网的技术不断成熟，使得网络电视应用的带宽"瓶颈"逐渐向接入端转移。本文在比较各种接入技术的基础上，着重介绍了WiMAX接入技术，给出了基于WiMAX接入的IPTV系统模型，分析了WiMAX作为IPTV接入的优势。

1、前言

IPTV技术是利用宽带网的基础设施，以电视机或计算机作为终端设备，集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体，通过IP协议向用户提供Live TV、VOD视频点播、TSTV 时移电视、互联网络浏览和IP可视电话等多媒体信息服务业务。由于这些业务具有带宽需求大、实时性以及相关的服务质量性能要求高的特点，需要各个运营商为网络电视业务数据流传输的过程提供相应的保证。只有提供更高带宽、高QoS保证的满足业务需求的宽带接入网络，才能保证业务的大规模开展；只有突破接入部分的带宽瓶颈，才能真正推动IPTV的快速发展。

2、现有的接入技术

目前4种主流的接入方案是：数字用户线（DSL）、光纤同轴电缆混合网（HFC）、光纤传输+局域网（FTTx+LAN）以及无线接入方案。

●对于数字用户环路方案来说，由于其采用了星型的网络拓扑结构，使得采用这种方式接入网络电视的用户能够获得比较好的安全性，同时数字用户环路是目前用户普及率最高的接入手段，但是却也受到传输距离、干扰以及单点失效等多个方面的约束。

●对于光纤同轴电缆混合接入方案来说，虽然接入网络电视系统需要对用户线路的改造投资非常小、抗干扰能力强，同时理论上、下行接入速率比较高，但是由于光纤同轴电缆方案采用了共享结构，当用户数量上升之后，接入的速率会随之下降。

●对光纤传输+局域网接入方案来说，其在数据传输速率以及安全性等多个方面都满足网络电视的要求，但是需要用户所在的小区预先敷设以太网，这样就限制了接入用户地域。

●WiMAX作为无线接入方式的典型代表其特点非常明显，相比于有线网络，无线接入的灵活性更高，并且在WiMAX协议中，多播以及服务质量等相关的性能也都得到了明显的改善，使得这种终端能够满足网络电视接入的要求。

3、WiMAX接入技术

WiMAX（World interoperability for Microwave Access）是根据IEEE 802.16标准定义的一种无线宽带接入技术，IEEE 802.16标准有多个版本，802.16-2004（802.16d）和802.16-2005（802.16e）这两个版本使WiMAX真正成为了无线领域中的热点。特别是802.16e的发布，为个人移动宽带领域的发展带来了巨大的推动力。

3.1　WiMAX的协议体系结构

WiMAX的协议体系结构模型如图1所示，包括物理层和媒体接入控制层（MAC）。MAC层又包含三个子层：特定服务汇聚子层，提供与更高层的接口，通过不同的汇聚方式更好地适配各种上层协议；公共部分子层，负责执行MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等；安全子层，提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。

图1　WiMAX的协议体系结构

3.2　物理层

WiMAX系统为满足各种不同应用场合制定了两个使用频段：10～66 GHz与2～11 GHz。WiMAX在10 GHz～66 GHz频带内，定义了一个单载波调制模式的空中接口；在2～11 GHz频段范围内，定义了三个空中接口规范。

3.3　媒质接入控制（MAC）层

WiMAX系统（包括802.16e和802.16-2004）的MAC层最显著的特点是面向连接，即所有业务（包括本身是无连接的业务）在802.16系统中都将映射到连接上，每条连接都有一个16bit的连接标志（CID）作为唯一标志。WiMAX的MAC层定义了较为完善的QoS机制，MAC层针对每个连接设置不同的QoS参数，包括速率、时延等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了不同的上行带宽调度模式，针对实时和非实时业务，固定比特率和可变比特率业务的特点采用不同的调度机制，实现带宽的灵活分配。其MAC层的设计既支持点对多点（PMP）结构，又支持网络（Mesh）结构，同时支持连续型业务和突发型业务，包括话音、数据、IP连接、VoIP等。为了解决无线传输环境的不稳定性，MAC层采用了无线链路自适应技术、ARQ和H-ARQ技术等来保证信息传输的可靠性和有效性。IEEE802.16e-2005在IEEE 802.16-2004的基础上在MAC层引入了很多新的特性。主要包括三个方面：切换技术、节电功能、安全能力。

4、基于WiMAX接入的IPTV系统模型

基于WiMAX的IPTV接入网的功能框图如图2所示，包括视频服务器（Video Server）、视频路由/交换器（Video Router/switcher）、用户基站（SS）、基站（BS）、终端。

图2　基于WiMAX的IPTV接入网系统模型

●视频服务器（Video Server）：存储语音视频内容，内容是从预先录制好的节目压缩编码得到，再向用户提供服务。视频服务器可以集中或分散分布在核心网络中。

●视频路由/交换器（Video Router/Switcher）：提供视频服务器到IP网络的路由接入。

●用户基站（SS）：基站的一种，提供基站和用户终端的中继连接，通常采用固定天线安装在小区的屋顶上。基站与用户基站之间采用动态适应性信号调制模式。

●基站（BS）：基站提供用户基站与IP网络间的连接，通常采用扇形/定向或全向天线，可提供灵活的子信道部署与配置功能，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。

●终端：WiMAX系统定义用户终端设备与用户基站间的连接接口，提供用户终端设备的接入。

图3是IPTV的传播协议栈。语音视频内容首先经过压缩编码（大多采用MPEG-2），然后使用实时传输协议（RTP）封装，得到的载荷使用UDP或者TCP封装成IP层的有效载荷，最后经过IP协议和以太网802.3协议封装后在核心网络中传播。核心网边缘的WiMAX基站在收到802.3协议包后，基站的MAC层解封装该包，去除以太网协议头，再封装成802.16协议的MAC层分组数据单元和PHY层数据单元。物理层采用前向纠错编码（FEC）、符号映射和OFDM调制等技术为数据单元准备无线空中连接。无线电收发器通过天线再把信号发送给SS或BS。当SS和BS接收到信号后，通过上面过程的逆过程，把信号还原为用户需要的语音视频内容。

图3　IPTV传播协议栈

5、WiMAX作为IPTV接入的优势

与现行的宽带接入方式相比，作为IPTV的接入方案，WiMAX具有以下优势：

●建网方便灵活。首先，作为宽带无线接入应用的WiMAX具有逐步投资和弹性部署的特点，网络运营商可以根据用户容量增长的需要，逐步增加投入，逐步扩容到位，实现基本平坦的成本曲线。其次，网络的规划可以不受地形地貌的限制，部局灵活，同时用户密度较低的地区仍可以较低的成本实现覆盖，减小初期投资的风险。再次，网络部署快速，安装和扩容方便。

●带宽高、容量大、传输距离远。WiMAX工作频段可从2～66 GHz，信道带宽可在1.5～20 MHz范围内灵活调整，有利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资源。WiMAX采用宏小区方式，最大覆盖范围达50 km；当在20 MHz信道带宽时，支持高达70Mbit/s的共享数据传输速率（此时，最大覆盖半径为3～5km）。可采用多扇区技术来提高系统容量，一个扇区可同时支持60多个采用E1/T1接口的企业用户或数百个家庭用户。WiMAX采用了OFDM、收/发分集、自适应调制等多种先进技术实现非视距NLOS和阻挡视距ONLOS传输，有效地提高了传输效能。

●支持移动接入。IEEE 802.16e-2005版本增加了对移动性的支持。该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在小于6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动（一般低于120km/h）。

●具有高的QoS和安全保证。MAC层根据业务QoS要求和业务参数，以轮询方式请求连接带宽或进行带宽调整，以保证语音和视频等实时业务的低延迟要求。同时，针对无线信道环境下较高的误码率和丢包率，定义了基于每个应用流的ARQ，保证MAC层业务数据单元MSDU的自动重发，确保端到端包的传输质量。MAC层具有ATM业务和分组业务汇聚子层CS，能方便地实现与ATM业务或IP业务为特征的网络应用。同时，MAC层具有安全子层，支持MAC层安全机制，实现鉴权、加密等安全管理。

●具有丰富的多媒体通信服务能力。WiMAX采用面向连接的方式，可以向用户提供具有QoS性能的数据、视频和语音（VoIP）业务。在IEEE 802.16标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制，还定义了4种不同的业务：非请求的带宽分配业务（UGS）；实时轮询业务（rtPS）；非实时轮询业务（nrtPS）；尽力而为业务（BE）。分别可以用来向用户提供高质量的视频和语音业务、普通质量的视频和语音业务，以及质量无保证的诸如Internet等业务。可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。

6、结束语

IPTV是利用宽带网，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字多媒体服务的新技术。IPTV想要取得真正意义上的突破，不仅要解决好内容问题，还要解决最后一公里的瓶颈问题。WiMAX是一种高速率的城域网接入技术，具有很高的安全性和频谱利用率，其建设周期短，可以承载多种业务，运营成本低，传输速率高，组网灵活容量大，支持移动性，完全能满足IPTV业务的接入要求，特别适合当前中国的小区式住宅模式。因此，虽然IPTV的宽带接入方式是多样化的，会因不同的需求而共存，但是，移动WiMAX技术将是最好的选择，将是IPTV接入的大趋势。