华为&联通-5G 4K直播SLA研究白皮书-2020.3-16页.pdf

5G 4K直播SLA研究白皮书华为 Wireless X Labs高骏(北京)科技有限公司北京数码视讯科技股份有限公司中国联合网络通信集团有限公司联合编著5G 4K 直播 SLA 研究白皮书01 超高清视频业务发展分析/P011.1 超高清视频的产业发展 011.2 超高清视频直播的应用趋势 021.3 超高清视频直播发展现状和挑战 0302 5G 4K直播的应用场景和解决方案/P042.1 应用场景 042.2 解决方案 052.3 可靠性分析 0603 5G 4K直播业务的无线网络要求/P083.1 4K直播对5G网络速率要求 083.2 4K直播对5G网络稳定性要求 0804 5G 4K直播业务应用阶段/P104.1 探索阶段 104.2 应用阶段 104.3 繁荣阶段 1105 总结和展望/P1206 参考文献/P1307 联合编写单位/P14摘要本文描述了超高清视频直播的应用趋势、发展现状和面临挑战，并结合 5G 技术，给出 5G 4K 直播业务的应用场景、解决方案。更进一步，基于 4K 直播主流协议，深入分析业务原理，针对 4K 直播业务出现的失真、花屏、卡顿等质量问题，通过 SLA 建模，在IP报文级、视频帧级进行分析评估，定义业务SLA，并根据4K直播业务的可靠性要求，提出 4K 直播业务安全区概念，给出 4K 直播对 5G 无线网络上行速率和网络稳定性的要求和运营商建网建议，使能 5G 网络下超高清视频直播业务随时随地稳定回传。目录5G 4K直播SLA研究白皮书|01超高清视频业务发展分析01超高清视频业务发展分析超高清视频的产业发展1.1近年来，媒体行业的发展迅猛，年复合增长率持续保持两位数增长，其中新媒体（互联网及移动互联网）在媒体总产业体量的占比已提升至60%+，2018年起，中国传媒产业总规模超过2万亿元。通信技术发展带动新媒体行业体验进一步提升，视频类业务成为主流媒体形式。视频类业务在技术上也不断发展：图像分辨率由高清发展到 4K、8K；视场角向 VR、自由视角发展，对通信网络带宽提出更高的要求；而交互类业务对网络传输提出更短时延的要求。超高清视频是未来新媒体行业的基础业务，广电媒体和互联网媒体都在积极布局超高清视频直播业务。“信息视频化、视频超高清化”已经成为全球信息产业发展的大趋势。来源：中国传媒产业发展报告（2019）传媒产业总值传媒产业增长率GDP增长率0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%0500010000150002000025000201120122013201420152016201720187503.39433.410619.212359.113599.916270.518966.720959.5图 1-1 中国媒体产业发展趋势02|5G 4K直播SLA研究白皮书超高清视频直播的应用趋势1.25G时代的视频，无论是直播、点播，还是行业应用的视频业务，图像分辨率都将演进到4K/8K，提升信息传递和图像识别的用户体验，并逐渐实现专业媒体超高清视频直播移动化。2019年3月1日，工业和信息化部、广播电视总局、中央广播电视总台联合发布超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年），对超高清视频涉及的拍摄、制作、传输、终端、电视、面板、芯片端到端产业链进行整体推动，超高清内容生产成为重中之重。除了不断提高图像分辨率，全球主流专业媒体也都在开展移动直播业务，以满足观众丰富的直播体验需求。而且多种多样的直播场景都有急迫的移动需求，如世界杯等体育赛事，观众希望部署更多移动的机位以提供更多视角，获得更好的观看体验；面对各类突发事件，新闻报道也需要快速部署的最佳直播位。超高清视频业务发展分析5G 4K直播SLA研究白皮书|03超高清视频业务发展分析超高清视频直播发展现状和挑战1.3到2022年，预计超高清视频点播IP流量将占全球IP视频流量的22，随着网络速率的提升、应用终端的逐步完善，移动互联网和产业互联网正在向超高清化快速演进，专业媒体超高清直播前景广阔。立足现实，当前直播还面临超高清化和移动化两大挑战：挑战一：已实现超高清直播场景，未实现移动化 目前体育赛事等大型活动多采用固定机位进行超高清直播，使用SDI同轴线缆或微波点到点连接回传到导播设备，这种有线的超高清视频回传方案，远远达不到移动性的要求。挑战二：已实现移动直播的场景，未实现超高清某全球TOP直播服务商实测平均上行链路的视频采集速度已达到4.5Mbps,而发达地区平均达9Mbps，然而要满足较高质量的4K直播，以CCTV 4K制作典型码率40M为例，上行速率至少要达到50Mbps，满足8K则需要100Mbps。表 1-1 不同应用场景的超高清视频直播业务要求分辨率码率带宽1080p6-8Mbps7-10Mbps4K30-60Mbps40-80Mbps8K80-180Mbps100-220Mbps图 1-2 传统超高清视频直播组网架构现场4K摄像机演播室转播分发导播车卫星链路SDI/IP有线接口微波链路光纤链路图 1-3 4G 高清视频移动直播组网架构4G高清背包 回电视台摄像机现场导播转播分发04|5G 4K直播SLA研究白皮书5G 4K直播的应用场景和解决方案02应用场景2.1超高清视频直播是指基于5G网络，通过4K等技术应用，对体育赛事、演唱会等大型活动场景进行直播，或后期制作成点播节目推送给家庭/个人用户，带给用户沉浸式的临场感，为用户带来更好的视听觉和交互体验，4K直播必将成为未来的大型赛事、演唱会的视频直播标准。超高清视频直播对网络环境的要求较高，不仅分辨率要达到4K甚至8K，帧率要求50帧/秒以上，图像量化精度提升到10比特，同时图像增加HDR标准。如此巨大的数据传输量，对带宽要求非常高，5G技术的商用自然成为超高清视频直播的重要推手。华为无线应用场景实验室（X Labs）对5G 4K直播的应用场景洞察研究表明，将4K直播广泛覆盖的新闻、体育赛事、综艺活动、纪录片、真人秀等多个媒体场景，按实时性和移动性的不同要求进行分类：新闻、体育赛事等报道，实时性要求高，需在相对广域的范围内移动直播；相比之下，综艺活动、演唱会等场景，实时性要求也比较高，但移动范围相对固定；而非直播类的纪录片、真人秀等录制场景，实时性要求较低，但需保证广域范围内的移动性。图 2-1 超高清视频直播应用场景分类5G 4K直播的应用场景和解决方案局域移动广域移动实时性非实时新闻体育赛事综艺/重大活动演唱会/发布会真人秀专题纪录片来源：华为 X Labs 应用场景洞察报告5G 4K直播SLA研究白皮书|05表 2-1 不同应用场景的超高清视频直播业务要求(X Labs 洞察研究)场景清晰度时延（摄像机至导播监控屏幕）理想最低理想最低新闻（现场连线）4K 30fps1080 30fps1s2s体育赛事（高速运动抓拍机位）4K 50fps1080 30fps2s6s综艺/重大节目4K 50fps1080 30fps2s6s演唱会4K 50fps1080 30fps2s6s真人秀4K 50fps1080 30fps10s120s专题记录片4K 50fps1080 30fps10s120s5G 4K直播的应用场景和解决方案解决方案2.25G网络使能各类场景的4K直播，解决移动性和超高清回传两大挑战。大带宽、低时延的特性能够同时保证不同场景对实时性和移动性的各种要求。图 2-2 5G 4K 直播解决方案电视台制作及广电分发网络现场媒体中心小于12机位采导播台大于12机位重大事件/活动如G20、春晚小型活动如龙舟赛采卫星车（可选）SDI信号:12Gbps摄像机摄像机IP:40MbpsSDI信号:12GbpsIP:40MbpsIP:40Mbps直播背包直播背包编06|5G 4K直播SLA研究白皮书5G 4K直播的应用场景和解决方案可靠性分析2.3结合2.1章节超高清视频直播在不同应用场景下对端到端时延的要求，专业媒体在涉及现场连线的新闻直播等场景，对于5G 4K直播提出端到端（摄像机到导播监控屏）时延1s的诉求。为了满足该要求，扣除视频编解码的时延后，业务传输容忍时延小于390ms，即在该范围内，指定码率下的4K直播业务不出现花屏、卡顿。从无线传输可靠性的角度，5G网络要保证视频帧的传输成功率，即经过信道QoS策略、ARQ等机制后，不出现丢帧（导致花屏、卡顿等）。图 2-3 5G 4K 直播端到端时延要求4K直播回传需要上行传输带宽高达40-80Mbps，5G网络能够为超高清视频提供稳定的实时传输能力，比传统线缆传输更加灵活，不受空间的限制，能满足更灵活的超高清视频传输需求。在各类大型直播应用中，5G网络可代替SDI线缆传输视频流，如图2-2红色曲线所示：4K摄像机采集的原始视频流进入直播背包等编码推流设备，编码后转换成IP数据流，通过内置的5G模组或外接的5G终端（CPE、手机）将视频数据转发给5G基站。5G基站通过核心网，把视频数据传送到导播车，再通过卫星或微波后传给电视台视频服务器，进行导播编辑、存储，并通过多种方式发给视频显示终端。5G网络也可以将4K视频流直接传输到电视台，如图2-2蓝色曲线所示：4K摄像机采集的原始视频流进入直播背包等编码推流设备，编码后转换成IP数据流，通过内置的5G模组或外接的5G终端（CPE、手机）将视频数据转发给5G基站，5G基站通过核心网，把视频数据直接传给电视台视频服务器，进行导播编辑、存储，并通过多种方式发给视频显示终端。E2E 直播时延 1s5G 能够满足超高清直播传输需求分辨率码率带宽编解码时延业务传输容忍时延（含多次重传）4K30-60M40-80M400-600ms390ms解码、导播直播背包承载网SDI模拟信号核心网5G NR电视台媒体云4K摄像机5G 4K直播SLA研究白皮书|07按照4K直播码率40M、帧率50fps的要求，不同业务可靠性下的丢帧间隔如下：可以看出，帧成功率大于99.9999%时，平均丢帧间隔5小时。4K直播业务测试发现，码率40M、帧率50fps的视频，每秒发包约5000个，因此帧成功率99.9999%对应的包成功率需要达到99.999999%。表 2-2 5G 4K 直播业务可靠性分析(X Labs 研究数据)帧成功率（业务可靠性）丢帧率平均丢帧间隔接受度99.99%1/10000200秒3.3分钟不可接受99.999%1/1000002000秒33分钟新媒体可接受标准99.9999%1/100000020000秒5小时广电级可接受标准99.99999%1/10000000200000秒55小时广电级理想标准5G 4K直播的应用场景和解决方案表 2-3 广电媒体 4K 直播业务主流协议分析协议类型QoS机制快速重传检测业务传输容忍时延RIST兼容标准RTP，Over UDPARQ，不支持FEC支持，厂家实现差异大支持SRTRUDPARQ，不支持FEC支持，厂家实现无差异支持广电媒体行业普遍使用的互联网流传输协议（Reliable Internet Stream Transport，RIST）和SRT（Secure Reliable Transport，SRT）协议，均基于UDP协议，采用ARQ快速重传机制，对抗超高清视频传输中可能遇到的网络质量波动，因此超高清视频传输的可靠性与重传次数、单次RTT、单次丢包率这些因素息息相关。X Labs以SRT协议为例，对4K直播业务SLA建模分析，推导出业务传输容忍时延与丢包率、时延（RTT）的理论关系：Tlatency=N*（TRTT+T1）+TRTT/2其中：Tlatency：业务传输容忍时延，N：重传次数，Loss：单次丢包率，TRTT：单次往返时延，T1：快速重传检测时间（SRT协议：TRTT 40ms，T1=20ms；TRTT40ms，T1=TRTT/2）。重传次数与单次丢包率有关，从可靠性要求的角度有如下关系：1-lossN+1 0.99999999（8个9）由以上两个公式换算得到单次丢包率、单次往返时延和业务传输容忍时延的关系：Tlatency（logloss10-8-0.5）*（TRTT+T1）-T1/2因此，评估4K直播在5G网络下的传输可靠性，除了与网络上行速率密切相关之外，网络的丢包率、时延等关键因素也会直接影响业务质量。08|5G 4K直播SLA研究白皮书5G 4K直播业务的无线网络要求5G 4K直播业务的无线网络要求034K直播对5G网络速率要求3.14K直播对5G网络稳定性要求3.24K直播对5G上行速率要求较高，单个4K视频背包支持多个5G链路以负荷分担方式进行链路聚合，从而降低运营商5G建网要求，又可实现随时随地通过5G进行4K直播。4K直播除了对5G上行速率要求以外，对5G网络的稳定性（主要是时延和丢包率）也有要求。按照广电级4K 50fps直播五小时不出现花屏、卡顿的要求，需要满足帧成功率99.9999%，根据X Labs的4K直播业务SLA建模：Tlatency（logloss10-8-0.5）*（TRTT+T1）-T1/2在满足可靠性要求的前提下，业务传输容忍时延、单次时延与丢包率的关系是动态变化的，阴影部分即为4K直播的理论安全区。表 3-1 4K 直播业务的 5G 上行速率要求及建网建议（来源于 X Labs 实验室测试数据）上行速率指标5G速率要求建网建议（以3 SIM卡为例）最低速率（码率60M）70Mbps70/324Mbps最低速率（码率40M）50Mbps50/317Mbps最低速率（码率30M）35Mbps35/312Mbps图 3-1 5G 4K 直播业务理论安全区5G 4K直播SLA研究白皮书|095G 4K直播业务的无线网络要求当Latency固定，安全区可简化为丢包率和时延（RTT）的二维曲线，以帧可靠性99.9999%为例，二维安全区曲线如图3-2所示，理论上，5G网络的丢包率和时延（RTT）组成的二维点位落在业务安全曲线以下，即可保证4K直播业务可靠稳定传输。图 3-2 5G 4K 直播业务安全区不同厂家4K视频背包的工程实现有差异，对丢包率和时延（RTT）的单一容忍度各不相同，根据业界主流设备的表现：丢包率容忍度在10%，时延（RTT）容忍度在60ms左右，因此实际4K直播业务安全区如图3-2的红色阴影区域。00.050.10.150.20.250.3050100150200端到端时延 1s 业务可靠性99.9999%业务传输容忍时延 390ms时延(RTT)丢包率10|5G 4K直播SLA研究白皮书5G 4K直播业务应用阶段5G 4K直播业务应用阶段04探索阶段4.1应用阶段4.22018年底，中央电视台等媒体开始探索使用5G网络进行4K直播，在这个阶段，5G终端的形态以TUE、CPE为主，4K编码器通过CPE等设备接入5G网络。此时，通信与广播设备对接，并保证上行速率满足4K直播码率要求成为重中之重。中央电视台2019年“春晚”成功实现了深圳、长春分会场4K直播号通过5G网络实时回传。随着5G技术不断成熟，5G 4K直播应用越来越广泛，逐渐从5G单小区覆盖范围内的固定机位拍摄，发展到涉及小区切换的更大活动范围移动机位拍摄。这个阶段开始，5G手机、背包形态的编码器等轻量化设备投入使用，4K直播进入小型化设备的应用阶段。2019年10月1日，中央电视台利用5G通讯技术，对70周年国庆阅兵盛况进行“5G 4K”移动机位回传直播，使用“摄像机+编码器+5G手机上行推流”轻量化方案，简化4K直播工作模式，确保5G网络上行大带宽、传输低时延、应用高可靠。可以说4K直播开始进入规模应用阶段，能够基于5G网络进行多路、跨多小区、长时间连续4K直播。图 4-1 4K 编码器+CPE 方案应用实例图 4-2 背包形态的 4K 编码器+5G 手机方案5G 4K直播SLA研究白皮书|115G 4K直播业务应用阶段2019 年第四季度，5G 模组面市，华为 X Labs 无线应用场景实验室联合多家合作伙伴开始进行 4K 视频背包集成 5G 模组的工作。2020 年 1 月 9 日，在上海华为 X Labs 无线应用场景实验室，华为携手行业合作伙伴高骏科技，完成全球第一个集成 NSA/SA 双模 5G 模组的 4K 视频背包的测试工作，端到端打通了 5G 网络通信服务。至今，数码视讯、德力仪器等多家合作伙伴均已完成4K 视频背包的模组集成工作。随着 5G 网络的正式商用和终端模组的不断成熟，越来越多的背包编码器将通过内置 5G 模组实现一体化，未来“5G 4K 背包”的硬件设备会进一步减少，直播背包更轻更小，续航能力则会不断增强，标志着 5G 超高清视频直播产业化进程又向前迈出了关键一步。5G 4K 技术将会在多个领域得到更加广泛地应用，在娱乐、教育、智能家居、远程医疗、智慧交通等方面，全面推动社会经济发展和效益提升。图 4-3 业界首款集成 MH5000 模组的4K 编码器繁荣阶段4.312|5G 4K直播SLA研究白皮书总结和展望总结和展望054K超高清视频无疑是推动广电行业技术系统和业务流程的一次再造，覆盖采、编、播、传全业务多环节，而5G网络更是将带来传统媒体向全媒体的跨越，5G与新媒体行业结合创新应用的需求旺盛，新媒体行业中5G应用的产业生态也逐步成熟。随着5G网络的正式商用，通过新媒体5G应用领域的持续创新，促进基于5G网络的各类视频直播+制播系统在娱乐、教育、医疗、安防等领域有更广泛的应用。伴随着新媒体行业5G应用技术的成熟，各行业将进入快速发展期，如体育赛事超高清视频观赛、演唱会VR全景视频体验、AR远程医疗、AR远程教学。5G 4K直播技术的结合，将推进网络能力、业务能力、用户体验的全面升级，为新时代的智慧生活带来无限可能。5G 4K直播SLA研究白皮书|13参考文献参考文献0612019中国传媒产业发展报告（2019.8）25G新媒体行业白皮书（2019.7）35G+4K 超高清视频产业发展前景展望 电视研究2019年第4期（总第353期）45G新媒体白皮书（2019.4）5中国联通全4K技术白皮书（2017.3）6 https:/ X Labs华为 Wireless X Labs 是华为技术有限公司于 2016 年成立的创新平台，旨在联合运营商、垂直行业合作伙伴和行业领导者，共同探索未来移动应用场景，推动商业和技术创新，建设开放的生态系统。中国联合网络通信集团有限公司中国联合网络通信集团有限公司，拥有覆盖全国、通达世界的通信网络，积极推进固定网络和移动网络的宽带化，为广大用户提供全方位、高品质信息通信服务。高骏(北京)科技有限公司高骏（北京）科技有限公司，简称高骏科技，创立于 2011 年，始终致力于核心技术和创新性产品的自主研发，为客户提供专业的、可信赖的无线视音频传输与通信解决方案。北京数码视讯科技股份有限公司数码视讯科技集团，简称数码科技，是全球首批视频技术服务平台公司，具有国际领先的产品和技术能力，服务全球二十多亿用户。联合编写单位免责声明本白皮书由华为 X Labs 编写。由于 5G E2E 产业相关技术快速发展，本白皮书仅做参考，不能作为投资研究决策的依据，不能作为道义的、责任的和法律的依据或者凭证，无论是否已经明示或者暗示。发布方将随时补充、更正和修订有关信息，但不保证及时发布。对于本报告所提供信息所导致的任何直接的或者间接的投资盈亏后果不承担任何责任。本白皮书版权为华为所有，未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制和发布。如引用发布，需注明出处，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。相关问题或建议，请联系：XL发布日期 2020-02-18