基于WLAN技术的全媒体直播网络解决方案

来源:用户上传      作者:李永祥

　　[摘要]基于五维凤凰3个全媒体演播厅的全媒体直播、互动的应用需求，给出了采用以太网、WLAN技术的网络建设方案。
　　[关键词]无线局域网;以太网专线;带宽预估;信道优选;全媒体直播;多媒体互动
　　文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.04.010
　　1引言
　　随着全球范围内移动通信行业的快速发展，移动通信网络（蜂窝通信网络）由2G（第二代通信技术）向5G（第五代通信技术）演进，2020年中国即将实现5G商用。国内移动通信已经全面构建了以IP为基础的蜂窝通信网络，从而促进移动互联网的进步。
　　4G的普及使得移动互联网的网络带宽和速率有了显著的提高，极大地提升了用户终端设备的上网体验，但至今4G的流量费用依然居高不下，很大程度上也限制了用户端大流量业务的开展。
　　因此，仅凭蜂窝技术的发展已难以满足庞大用户群体对数据业务的需求，与4G及5G同属宽带无线接入技术的WLAN（Wireless Local AreaNetworks，无线局域网络），以其低成本、高速率、可实现快速部署等优势，成为各个电信运营商融合组网的重要方式。WLAN技术与传统有线网络相比，让网络更加自由化，让网络建设更加经济，让通信更加便利，让工作更高效。
　　近年来，WLAN技术已逐渐成为终端产品的标准功能配置，成为承载网络流量的主要方式之一，极大地促进了手机互联网应用的发展，“手机直播”正是在这个技术和时代背景下产生的一个新的社会“现象”，同时也成为广电行业“全媒体融合”的新途径。下面以五维凤凰园区演播室的网络建设为例，探索通过采用WLAN技术，实现各演播室间互联。
　　2园区网络总体设计
　　2.1园区环境
　　五维凤凰整个园区可分为A、B两个区域，如图1所示，共分6个部分：
　　A区包括一栋三层综合楼A座（1层、2层为剧组化妆间，3层为办公区），1号演播厅（2600m2）。
　　B区包括一栋三层综合楼B座（每层都为剧组化妆间），2号演播厅（1300m2），3号演播厅（1300m2）。
　　2.2网络总体规划
　　全媒体演播厅后期的服务对象主要是广电系统的电视台及互联网视频平台。
　　园区主线为联通专线，同时还设有电信、移动，有三家网络运营商可供选择，专线光缆接入核心机房，且互为备份线路，每路最大带宽可升至1Gb/s，为客户提供多种运营商及带宽选择，并可按天计费。联通/电信网接入园区的专线网，带宽为100Mb/s，上下行速率1：1，可随时增加带宽。
　　园区专线网络以大二层为部署原则，各类下行终端网关全部部署在核心S7700-CSSJ：2，接入、汇聚交换机均为二层透传;因网络为树形结构，且核心、汇聚交换机均采用堆叠方式，故不存在二层环路。S7700-CSS网上部署动态路由协议OSPF（Open Shortest Pass First，开放最短路径优先协议），减少路由维护工作量。互联网出口使用静态路由方式部署，并在出口设备的OSPF协议内下发缺省路由引导上行流量。AC（接入控制器）与AP（接入点）之间采用直接转发模式。上网短信认证和行为管理设备串联在USG防火墙和核心交换机之间。
　　为了保证互联网络的稳定性和可靠性，尽量减少园区网络的节点数，接入网络采用专线接入方式，并保证到达运营商骨干网络跳数≤3跳。
　　2.3网络拓扑结构
　　园区的网络拓扑结构如图2所示，两台USG6000防火墙作为全网的外网出口;两台$7700核心交换机组成CSS系统作为整个园区的核心&网关;$7700-CSS系统与数据中心出口防火墙USG6000W.联，使园区各点与数据中心互通;各楼层部署汇聚交换机S5700-52C-EI，组成两个端口绑定Eth-trunk分别互联两台$7700;各楼层部署接入交换机S5700-52C-EI作为下行AP、PC、IP电话、视频终端等终端的接入。
　　2.4VLAN（虚拟局域网）规划
　　设备管理分为三层（网络层）设备与二层（数据链路层）设备两类来考虑。三层设备采用具有路由协议的设备，包括核心$7700、USG防火墙。二层设备采用具有二层透传功能的设备，包括各楼层及演播厅室内外接入交换机、AP汇聚交换机，需要对每个楼层配置专门的VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）管理，网关放在核心$7700上，各汇聚、接入交换机使用该VLAN下的地址（見表1），所有交换机透传该VLAN。
　　2.5用户管理及信息安全规划
　　对于系统管理，设置上网短信认证和行为管理设备，对登陆园区网络的用户实行实名认证，并对上网行为进行监控，监控数据能够保障30天的存储量。
　　2.6WLAN的布点
　　2.6.1综合楼内的覆盖方案
　　对于A、B两区的综合楼内的AP（接入点），每层3个点，具体分布位置如图3、图4所示。
　　2.6.2室外覆盖方案
　　对于整个园区的室外AP，分布位置如图5所示。
　　2.6.3演播厅内覆盖方案
　　在规划演播厅内WLAN网络时，首先考虑到的是满足AP跟无线终端信号的交互，以及用户可有效接入网络。为保障Ap无线信号的有效覆盖，对选择Ap摆放位置与相关配置需遵循以下几个原则：
　　（1）如果在一个大厅里只安装一个AP，则尽量把AP安放在大厅的中央位置，而且最好是放置于大厅天花板上，如果同一空间安装两+AP，则可以放在两个对角的位置;
　　（2）将穿过墙壁和天花板的信号数量限制在最小，WLAN信号能够穿透墙壁和天花板，然而，信号的穿透损耗较大; 　　（3）考虑AP和覆盖区域之间直线连接，注意AP的位置要尽量使信号能够垂直地穿过墙壁或天花板;
　　（4）AP天线方向可调，安装AP的位置应确保天线主波束方向正对覆盖目标区域，保障良好的覆盖效果。
　　2.6.3.1AP的选择及参数
　　对于演播厅的AP选择，考虑到人群密集对wiFi信号覆盖影响，AP选用了APT110DN-AGN，并采用了主机加定向天线的吊装方式，安装方式如图6所示。在设计上免去了传统的供电布线，而是全部采用超六类网线PoE供电（Power over Ethernet，以太网供电）方式，支持2.4GHz&5GHz双频，单个AP最大发射功率为25dBm，双频模式下每个AP可支持60～80部终端设备，单个AP最大功率为15.7w，无线协议支持802.11a/b/g/n，最高速率支持900Mb/s。
　　2.6.3.22.4G&5G场强仿真及布点
　　1号演播厅舞台区位于西侧，观众区位于东侧，2号、3号演播厅舞台区位于南侧，观众区位于北侧，在AP的部署上以观众区为重点区域。
　　通过仿真（见图7、图8），1号演播厅内安装10台无线AP，预留点位10个，以便后期业务调整，如图9所示;2.、3号演播厅内各安装7台无线AP，预留点位5个，如图10所示。厅内各点场强均大于75dBm，满足技术要求。因此，1号演播厅最大接入终端数量为600～800个，2、3号演播厅最大接入终端数量为420～560。
　　2.7网络调优设计
　　当前，WLAN已成为承载网络流量的主要方式之一，根据2013年Cisco发布的分析报告显示，蜂窝网络、有线接入和WLAN接入三种方式中，WLAN承载相当大的比例流量，2012年WLAN流量占比达到38.8%，2017年将与之有线相当，达到45.4%。
　　802.11ac作为IEEE无线技术的新标准，借鉴了802.11n的各种优点并进一步优化，除了最明显的高吞吐量的特点外，可以很好地兼容802.11a/n的设备，同时还提升了多项用户体验。在802.11ac的网络中，每个无线接入点可以接纳更多的客户端，为每个并行的业务流提供更多的带宽，同时具有更低时延更省电的优点。
　　2.7.1调优2.4GHz/5GHz频段
　　802.11ac有着更好的5GHz频段体验，不仅传输速率更快，支持的带宽也更宽。因此在调优过程中，无线Ac端调整为优先连接终端的5GHz频段，2.4GHz频段的信号更强，当信号质量较差时动态调整为连接2-4GHz频段。
　　2.7.2WLAN信号带宽及信道调优
　　信道（channe1）是以无线电波信号作为传输媒体的数据信号传送通道。在常用的
　　2.4GHz（2.4GHz～2.4835GHz）频段上，将其划分为11或13个信道，每个信道的带宽为20MHz，图11为13个信道的分布情况。
　　频宽越大越容易失真，其中20MHZ在802.11n的情况下能达到144Mb/s带宽，它穿透性较好，传输距离远（约100m）;4JO IV[Hz在802.11n的情况下能达到300Mb/s带宽，但穿透性稍差，传输距离近（约50m）。
　　由于多数的802.11n设备是为2.4GHz频段设计，2.4GHz本身的可用信道较少，同时还有其他工作于2.4GHz频段设备（例如蓝牙、微波炉、无线监视摄像机等）的干扰，即使在双空间流40MHz频宽下其连接速率能达到300Mb/s，但是实际网络环境中，由于相互的信道冲突等原因，其实际吞吐量并不高，用户体验差。802.11ac是专门为5GHz频段设计，特有的射频特点，能够将现有的无线局域网的吞吐量提高到可以与有线千兆级网络相媲美的程度。802.11n与802.11ac参数对比见表2。
　　传统的WLAN系统中，AP和无线用户通常只是各一根天线，采用802.11a/b/g协议传输，在信号的传输速率上最高达到54Mb/s，很难再提高速率。而随着WLAN技术的普及和广泛应用，用户对大幅度提高无线通信速率的需求越来越强烈，802.11n协议中采用了MIMO（多输入多输出）多天线技术，WLAN的信号传输可以很容易地突破单天线所造成的速率瓶颈，满足用户对带宽和信号质量的要求。
　　3网络安全及带宽预估
　　3.1网络安全及优先级的管理
　　公共区域的上网安全问题，从不同的出发点可以分为，用户和提供商，对于用户来讲，诈骗、扣费、强制安装APP等多种形式的“流氓”行为，一直是用户最关心的焦点;對于提供商来讲，用户发表的论坛言论，有关政治或者涉黄的内容是严禁的。如何避免诸如此类的上网安全以及用户上网行为问题，是所有公共场上网所需要解决的一大问题，因此，网站链接及内容识别库的建设显得尤为重要。
　　为了保证园区上网安全，在用户登录认证方面，实现通过短信验证码登录，用户连接至网络后自动弹出认证界面，用户输入自己的手机号，登录密码会以短信的方式发送至用户的手机上，用户填入验证码即可实现登录园区网络。
　　科学地管理上网行为不仅会让接入网络的用户更为安全，也直接提高接入用户的网络质量，五维凤凰前期的全网VLAN构架设计，针对不同的应用采用不同网段和时间段的控制，如图12所示，在合理的时间占用合理的带宽，使得后期的网络行为管理效率更高。
　　五维凤凰的网络采用联通/电信双线接入的主备设计，OSPF策略路由的建立让演播厅网络和办公网络既可相对独立，又能互助互利。对于上班时间的基础性应用，如邮件系统、财务系统、OA系统等网络优先级设置为高等级，设置总带宽的60%来保证应用带宽。而在下班时间，基础应用的带宽优先级将会降低，用于添加到演播厅无线网络上，保障业务型应用的业务开展。
　　3.2带宽预估 　　3.2.1WiFi移动终端直播带宽预估
　　通过节目彩排期间对多终端后台上行数据流量的采集，统计出主流直播平台的上行带宽占用情况，单终端（移动终端）的上行的最大带宽为2.5Mb/s，最小带宽为1Mb/s，为保障移动终端直播流畅，单终端上行的预估带宽最低为2.5Mb/s，如图13所示。
　　3.2.2专线推流直播带宽预估
　　推流直播的带宽大小取决于推流视频码率。视频码率就是数据传输时单位时间传送的数据位数，基本的算法是：码率（Kb/s）=文件大小（GB）×1024×8/时间（s）。因为推流编码还有音频数据，为了直播过程中网络更安全和畅通，一般情况下，直播上行带宽建议是推流视频码率占用带宽的2倍以上。
　　3.2.3观众网络互动带宽预估
　　观众的网络互动形式一般为投票及弹幕，多以H5页面方式呈现，观众通过点击页面或者留言发送弹幕的方式与现场嘉宾互动。随着微信、直播平台，社交APP的普及，越来越多的人在互动同时会拍摄大量的小视频，这实际上是非常考验网络的上行带宽。因此，在观众互动的带宽预估上，一般建议采用上下行1：1的专线网络。
　　4应用案例分析
　　4.1《卧谈会有趣》
　　（1）节目形式
　　《卧谈会有趣》是由深圳卫视原创并制作播出的大学生观点表达类电视综艺秀。节目在五维凤凰3号演播厅录制，录制过程中，除了舞台上的主持人、嘉宾和选手之外，台下还有100名网络红人通过手机进行现场直播，见图14，粉丝参与实时在线互动，时段人气最高的主播将代表粉丝发言表达观点，最后根据票数高低决定台上嘉宾辩论的胜负。
　　（2）网络需求及设计
　　现场100名主播采用手机wiFi直播。
　　从现场的舞美布置图可以看出，网络主播所在的位置主要集中在北侧，剧组工作人员主要集中在东北角和西北角。因此，在网络的设计上要充分考虑业务的隔离。
　　在AP的部署上，将AP-CO1和AP-C06的SSID（ServiceSet Identifier，服务集标识）更改为，5VFH-Free不设置密码，用于剧组工作人员录制期间使用;并调整两个AP位置，放置于东北角和西北角演播厅正上方，将AP-C02、AP-C03、AP-C04、AP-C05和AP-C07的SSID更改为5VFH-Studio B并设置独立密码，蜂窝形分布于主播座位席iEda方，用于网络主播手机直播使用。
　　（3）网络调优
　　通过第一场节目彩排对现场网红问卷调查的结果显示，百名网红中有95人使用的是lOS平台的iPhone作为手机直播设备。
　　为尽量避免AP之间的干扰，在调优的过程中，手动设置相邻AP信道并交叉分布。由于iPhone采用802.1lac无线协议，具备MIMO（多输入多输出）技术，相比于802.11n设备，在同一时间里多条空间流只能发送给单个用户来说，在802.11Qc网络中，MIMO技术可以多个用户同时进行接收。因此，在现场调优过程中，WLAN优先5G频段的设备接入，保证设备的最佳性能。
　　4.2《年轻的选择》——优酷十周年庆典
　　（1）节目形式
　　《年轻的选择》是优酷网成立十周年暨品牌新LOGO发布仪式（见图15）。为了迎合年轻人新的娱乐需求，优酷提供从看到玩的一站式文娱酷体验，从单屏到多屏再到全屏无屏，从点播到点播+直播，从看视频到玩视频。
　　（2）网络需求及设计
　　节目vR全景网络直播，全媒体渠道与观众互动。
　　节目现场，位于舞台中心位置，放置了一個VRE景摄像机，通过10Mb/s专线网络连接服务器推流直播。同时，直播过程中，摄像机录制的视频通过独立专线网络同步上传到百度云，优酷总部制作部第一时间即可下载视频素材。
　　节目强调网络互动特性，节目组通过现场WiFi连接移动终端和触摸大屏，主持人实时浏览微博等社交平台的话题，根据话题热度与网友互动。
　　4.3《2017巅峰音乐会》——中央电视台
　　（1）节目形式
　　《2017巅峰音乐会》是中央电视台综艺频道的一档音乐类季播节目，节目与CNTV中国网络电视台以及一直播、花椒等直播平台合作，网友可以通过网络平台点播歌手演唱的歌曲，同时现场观众可与演唱者进行现场互动（见图16）。
　　（2）网络需求及设计
　　互联网直播平台同步直播，视频投屏，并可进行网络平台投票、点播歌曲等实时互动。
　　节目内容通过央视网和第三方直播平台同步直播，网友可以通过互联网实时观看。
　　节目现场大屏的一路信号源采用AirPlay协议接入现场WiFi，移动端互动的弹幕内容即可进入后台，通过MrPlay传输给现场大屏，实现互动、投屏。
　　直播过程中，场外的观众可以通过直播平台对节目演唱嘉宾的演唱歌曲进行投票，投票选出接下来要演唱的歌曲，增加了与网友的互动性。
　　5结语
　　五维凤凰全媒体演播厅定制化WLAN传输方案，有灵活高效的带宽计费方式，高速稳定的无线WiFi信号覆盖，强大的终端接入能力，更高的带宽接入能力，在很大程度上弥补了当下高密度人群场所蜂窝网络连接终端数量不足、连接质量较差的问题。
　　随着信息技术的发展，5G商用开始试运行。5G的发展既是机遇也是挑战，但是对于全媒体演播厅而言，WLAN技术的高效本地部署能力，更强的密集场所的终端接入能力，以及更可靠安全的主备信息交换能力，仍是5G蜂窝网络短时间不能完全替代的。因此，在5G完全适应全媒体演播厅信息交换的方式之前，WLAN技术在全媒体演播厅中仍是主流技术，当然随着5G的发展，待技术成熟稳定之后，IT技术在演播室中的应用会越来越普遍和重要。
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