端到端網(wǎng)絡(luò)切片賦能5G+超高清媒體行業(yè)

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

相比于4G以人為中心的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，并締造出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)，為移動通信帶來無限生機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了移動通信的服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域[1]。智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)；視頻監(jiān)測控制和移動醫(yī)療等業(yè)務(wù)對傳輸速率提出了很高的要求；車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)則要求毫秒級的時延和接近100%的可靠性。因此為了滲透到更多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，5G應(yīng)具備更強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)海量的設(shè)備連接和多樣化的用戶需求，在滿足移動寬帶的基礎(chǔ)上，以垂直行業(yè)需求為導(dǎo)向，構(gòu)建靈活、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，滿足不同行業(yè)需求[2]。垂直行業(yè)是5G時代重要的業(yè)務(wù)場景，從傳統(tǒng)以人為中心的服務(wù)拓展至以物為中心的服務(wù)[3]。

以媒體行業(yè)為例，信息傳播最主要的特點(diǎn)是快速性。只有第一時間掌握輿論熱點(diǎn)，第一時間發(fā)布權(quán)威優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，才能更好地引導(dǎo)輿論、引領(lǐng)思想。這對媒體行業(yè)的“采、編、發(fā)”各環(huán)節(jié)的效率提出了新的要求，傳統(tǒng)的采集、傳輸?shù)确矫婺芰ω酱嵘?，這主要體現(xiàn)在移動性、帶寬、時延、可靠性和靈活性上，轉(zhuǎn)型升級已如箭在弦。媒體采集、傳輸環(huán)節(jié)中的典型場景包括：新聞現(xiàn)場直播（連線）、大型活動的場館直播、大型活動的戶外直播、災(zāi)害應(yīng)急直播、節(jié)目素材回傳。這幾類場景代表了媒體采集的幾種典型的傳輸和處理需求。本文中我們將重點(diǎn)討論在這些場景中應(yīng)用端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以解決傳輸成本高、傳輸穩(wěn)定性低、部署周期長等媒體行業(yè)共性問題，通過打造一站式“5G超高清行業(yè)移動網(wǎng)絡(luò)切片”產(chǎn)品及服務(wù)，精準(zhǔn)匹配行業(yè)需求，真正賦能泛在化富媒體應(yīng)用場景的普及，使能媒體行業(yè)采、編、播等全流程生產(chǎn)方式的產(chǎn)業(yè)升級。

1 端到端網(wǎng)絡(luò)切片基本概念與架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片基本概念

網(wǎng)絡(luò)切片是提供特定網(wǎng)絡(luò)能力的、端到端的邏輯專用網(wǎng)絡(luò)[4]。網(wǎng)絡(luò)切片從被提出至今，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例、網(wǎng)絡(luò)切片類型等多個相關(guān)的概念，本節(jié)中我們將對這些關(guān)鍵概念的定義進(jìn)行統(tǒng)一總結(jié)。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片是針對業(yè)務(wù)差異化、多租戶需求提供的一類解決方案技術(shù)的統(tǒng)稱，旨在通過功能、性能、隔離、運(yùn)維等多方面的靈活設(shè)計，使得運(yùn)營商能夠基于垂直行業(yè)的需求創(chuàng)建定制化的專用網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例是端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能、資源及連接關(guān)系構(gòu)成，具體包括接入網(wǎng)、 核心網(wǎng)、承載傳輸網(wǎng)、第三方應(yīng)用及公有云等多個技術(shù)領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營意義上的邏輯概念。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片類型。網(wǎng)絡(luò)切片類型是用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的典型差異化特征，5G網(wǎng)絡(luò)定義了4種基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)切片類型，分別是增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）、高可靠低時延通信（uRLLC）和車聯(lián)網(wǎng)（V2X）[4]。除此之外，切片類型可以進(jìn)行擴(kuò)展，適配于不同的業(yè)務(wù)需求。

1.2 端到端網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)

垂直行業(yè)提供各種類型的、可保證的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，是端到端網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)切片可基于傳統(tǒng)的專有硬件構(gòu)建，也可基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的通用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建。為了實(shí)現(xiàn)低成本、高效的運(yùn)營，應(yīng)盡可能采用統(tǒng)一基礎(chǔ)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)切片管理層及網(wǎng)絡(luò)切片層（運(yùn)行在基礎(chǔ)設(shè)施之上的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例）3部分組成，具體如圖1所示。

圖1 端到端網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)

端到端網(wǎng)絡(luò)切片整體有如下主要特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)能力可按需編排，支持不同行業(yè)和場景的差異化需求。

（2）切片間業(yè)務(wù)隔離，通過軟、硬不同程度的切片，實(shí)現(xiàn)切片間業(yè)務(wù)的相互隔離、互不影響，滿足行業(yè)對于高安全、高可靠、高隔離性的需求。

（3）切片自動化獨(dú)立運(yùn)營，提供面向運(yùn)營商和租戶2個不同視角的切片管理器，實(shí)現(xiàn)切片端到端生命周期管理和關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）監(jiān)測控制運(yùn)維能力，使能行業(yè)像用水用電一樣，做到簡簡單單購買，明明白白消費(fèi)。

（4）確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等級協(xié)議（SLA）/服務(wù)質(zhì)量（QoS）能力，面對不同行業(yè)的帶寬、時延、抖動、丟包率等需求，進(jìn)行差異化+確定性的SLA/QoS保障，真正使得從4G時代的應(yīng)用適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)變?yōu)?G時代的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)應(yīng)用。

2 端到端網(wǎng)絡(luò)切片賦能5G+超高清媒體行業(yè)的方案

2.1 端到端網(wǎng)絡(luò)切片整體方案介紹

為了滿足5G+超高清媒體行業(yè)的場景需求，我們設(shè)計了整體端到端網(wǎng)絡(luò)切片組網(wǎng)方案（如圖2所示）。本方案通過引入5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為新業(yè)務(wù)、新場景提供端到端質(zhì)量可保證的網(wǎng)絡(luò)通信連接，解決了超高清直播互動場景的網(wǎng)絡(luò)通信痛點(diǎn)，為高體驗(yàn)的超高清直播業(yè)務(wù)開展提供技術(shù)支撐，后續(xù)可為基于直播的新型互動場景的研發(fā)提供技術(shù)可能。同時，網(wǎng)絡(luò)切片可滿足直播場景對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的短周期、動態(tài)性要求。

圖2 端到端網(wǎng)絡(luò)切片組網(wǎng)方案

在技術(shù)方案設(shè)計上，基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可保證、隔離、專用的端到端網(wǎng)絡(luò)，并服務(wù)于此應(yīng)用場景。直播錄制設(shè)備的上行帶寬要求多路，每路超過50 Mbit/s的高帶寬。如果設(shè)計增加超高清直播互動，對網(wǎng)絡(luò)下行時延的要求為20～500 ms，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬不足且不穩(wěn)定，時延不穩(wěn)定，難以滿足業(yè)務(wù)場景需求?；诰W(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的專用網(wǎng)絡(luò)，將構(gòu)建接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的邏輯專用網(wǎng)絡(luò)，可保證此業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量要求，且不受其他業(yè)務(wù)的影響，有效解決了網(wǎng)絡(luò)能力制約直播體驗(yàn)及業(yè)務(wù)發(fā)展的弊端。在進(jìn)行端到端網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計時，接入網(wǎng)支持eMBB類業(yè)務(wù)的差異化切片能力，例如，切片級優(yōu)先級調(diào)度、切片級QoS、切片級資源預(yù)留（硬隔離）、短時延切片等。未來還將根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展定義支持mMTC和uRLLC全業(yè)務(wù)切片，進(jìn)一步提升頻譜效率。傳輸網(wǎng)可以提供豐富的軟、硬切片類型，包括QoS差異化保障、基于信道化子接口的軟隔離、基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）的硬隔離；核心網(wǎng)基于服務(wù)化架構(gòu)（SBA），靈活按需組合，提供差異化的切片規(guī)格，基于分布式用戶面，可以進(jìn)一步使能短時延類業(yè)務(wù)。同時，在端到端網(wǎng)絡(luò)切片的解決方案中，提供了移動邊緣計算（MEC）的能力。通過邊緣媒體云服務(wù)，節(jié)目組和影視劇組可以利用5G的超大帶寬能力將媒資上傳到邊緣媒資庫中，并利用超低空口時延獲取邊緣節(jié)點(diǎn)算力進(jìn)行視頻編輯。邊緣節(jié)點(diǎn)也將與臺內(nèi)媒資庫進(jìn)行同步，解決了媒體機(jī)構(gòu)素材上傳、存儲、節(jié)目制作、備份等需求。導(dǎo)播系統(tǒng)部署在邊緣節(jié)點(diǎn)上，以達(dá)到充分利用空口的超低延時和超大帶寬的目的，信號制作團(tuán)隊可以在不影響制作質(zhì)量的情況下靈活地選擇其制作地點(diǎn)，并且可以大幅度地降低其在導(dǎo)播車等設(shè)備上的投入。

在網(wǎng)絡(luò)資源平臺的搭建上，基于電信云平臺部署端到端網(wǎng)絡(luò)切片網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的光纖專網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）相比有效降低了業(yè)務(wù)上線的周期，達(dá)到“周”級的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開通時長，機(jī)動靈活，可以隨時隨地滿足各種直播場景、活動的需求?！皠討B(tài)切片”的實(shí)現(xiàn)使直播應(yīng)用不再受限于專線開通的周期。另外，直播活動時間短，同樣具有快速下線的要求，且僅在高清直播活動舉辦期間申請質(zhì)量可保證的網(wǎng)絡(luò)切片，活動結(jié)束后即可下線網(wǎng)絡(luò)切片并釋放相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源，生命周期短，訂購靈活。

在網(wǎng)絡(luò)信息采集側(cè)，5G背包由于其便攜性、強(qiáng)大的編碼性能和網(wǎng)絡(luò)聚合能力，結(jié)合無線專線，可在部分場景中替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)播車方式，實(shí)現(xiàn)媒體直播生產(chǎn)方式的跨越式升級。5G背包可實(shí)現(xiàn)4K超高清信號的超低延時編碼，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將信號穩(wěn)定傳輸至互動接收器并輸出給臺內(nèi)系統(tǒng)，從而代替新聞車實(shí)現(xiàn)外場的4K畫面回傳。同時，背包上可接收互動接收器返送的實(shí)時音視頻信號，從而實(shí)現(xiàn)前方記者與后方演播廳的雙向視頻溝通。

本方案中，5G一體化背包可以支持廣電級4K超高清編碼，將12 Gbit/s的4K原始信號進(jìn)行H.265編碼，輸出40 Mbit/s以上的碼流，支持3 840×2 160分辨率，支持色度格式4∶2∶2，位深10 bit，幀率60 P，支持高動態(tài)范圍圖像（HDR），以及BT.2020與BT.709互轉(zhuǎn)，達(dá)到最高的4K電視信號回傳標(biāo)準(zhǔn)。同時，5G背包采用多卡聚合傳輸技術(shù)，即背包通過分流策略，將待傳輸?shù)拇a流分配到各個網(wǎng)卡上并做冗余傳輸和前向/后向糾錯，從而保障信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，通過5G背包的雙向互動功能，一方面可以極大降低前方的壓力，讓前方隨時了解后方的情況，從而做直播準(zhǔn)備；另一方面，可實(shí)現(xiàn)問政、兩地連線等視頻交互類節(jié)目形式。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期

圖3給出了端到端網(wǎng)絡(luò)切片從需求輸入到最終部署實(shí)現(xiàn)的全生命周期流程。

（1）準(zhǔn)備階段：網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例尚不存在，運(yùn)營商根據(jù)規(guī)劃和需求進(jìn)行準(zhǔn)備工作。針對高清直播的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，通過Portal界面，并通過多個維度（SLA、時延、帶寬、容量等）定義高清直播業(yè)務(wù)需求，同時根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)原子化功能編排，完成模板設(shè)計。

（2）實(shí)例化階段：客戶訂購5G超高清直播網(wǎng)絡(luò)切片，選擇所需服務(wù)和該網(wǎng)絡(luò)切片所覆蓋的區(qū)域，然后根據(jù)需求選擇基礎(chǔ)設(shè)施的SLA，付費(fèi)完成網(wǎng)絡(luò)切片的訂單，切片管理中心啟動切片實(shí)例化過程，完成部署和數(shù)據(jù)配置。

（3）運(yùn)行階段：網(wǎng)絡(luò)切片開始提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，租戶或運(yùn)營商可以監(jiān)測控制網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)；基于超高清直播的網(wǎng)絡(luò)切片是臨時性的，生命周期包含直播活動前調(diào)試階段和整個賽事直播期間。

（4）終結(jié)階段：當(dāng)租戶不再需要此網(wǎng)絡(luò)切片時（活動結(jié)束后），可以發(fā)起停止流程，刪除網(wǎng)絡(luò)切片并回收資源。直播業(yè)務(wù)結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)切片管理功能可以快速地終結(jié)高清切片回收資源，以降低租戶使用成本。

2.3 端到端網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)保障

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片生命周期

通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，普通用戶上網(wǎng)的業(yè)務(wù)流和視頻直播業(yè)務(wù)流運(yùn)行在不同的切片通道里面，上網(wǎng)業(yè)務(wù)流出現(xiàn)擁塞時，不會影響到超高清直播用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。5G 核心網(wǎng)基于NFV/容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高清直播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面和其他業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)面隔離，也實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的QoS保障；無線接入網(wǎng)基于切片化的資源管理和調(diào)度實(shí)現(xiàn)無線側(cè)的超高清視頻直播業(yè)務(wù)QoS保障；傳輸網(wǎng)當(dāng)前可以切片分組網(wǎng)（SPN）構(gòu)建硬隔離管道方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高速穩(wěn)定傳輸?shù)母綦x保障。

2.4 應(yīng)用測試結(jié)果

在外場試驗(yàn)測試中，真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境采用了2.6 G+4.9 G雙頻組網(wǎng)，通過4K碼流負(fù)載分擔(dān)的方式實(shí)現(xiàn)高碼率穩(wěn)定上行，解決單頻網(wǎng)絡(luò)下基站切換期間速率下降導(dǎo)致的直播花屏問題。在平均上行速率60 Mbit/s的情況下，測試過程通過多次基站切換，驗(yàn)證切換過程中4K信號穩(wěn)定、流暢。最終測試全程站間切換成功，期間無明顯掉坑現(xiàn)象（但有抖動現(xiàn)象），總體滿足5G超高清視頻直播對上行速率的要求。

此次測試僅基于第三代合作伙伴計劃（3GPP）R15規(guī)范定義的端到端網(wǎng)絡(luò)切片能力進(jìn)行組網(wǎng)，驗(yàn)證了端到端網(wǎng)絡(luò)切片的隔離性和QoS能力保障驗(yàn)證。后續(xù)的測試中，我們將在無線側(cè)增強(qiáng)區(qū)別于QoS特性的資源調(diào)度機(jī)制，在端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理系統(tǒng)中也會提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障增強(qiáng)的方案，以驗(yàn)證在移動場景下的多種直播場景和網(wǎng)絡(luò)切片類型。

3 商業(yè)模式可行性探討

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片在多媒體領(lǐng)域的部署為電信運(yùn)營商創(chuàng)造了新的商業(yè)模式。運(yùn)營商可以通過多種商對商（B2B）和商對客（B2C）商業(yè)模式將網(wǎng)絡(luò)切片變現(xiàn)。

B2B商業(yè)模式主要通過價值鏈上移來提供管理服務(wù)。在這種模式下，運(yùn)營商不是簡單地提供服務(wù)質(zhì)量有保證的網(wǎng)絡(luò)接入，而是在傳送、托管和管理內(nèi)容交付方面發(fā)揮更積極的作用。這種網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS）的業(yè)務(wù)會為內(nèi)容公司提供更多的附加值。

B2C商業(yè)模式則增強(qiáng)對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以上的新興優(yōu)質(zhì)服務(wù)的收費(fèi)，運(yùn)營商和內(nèi)容公司都可以利用這種方式直接從5G網(wǎng)絡(luò)切片支持的新興多媒體業(yè)務(wù)中獲取收入。在這種模式下，運(yùn)營商可以利用5G網(wǎng)絡(luò)切片支持的服務(wù)，提升5G網(wǎng)絡(luò)的整體吸引力，從而吸引和留住用戶。運(yùn)營商和第三方之間合作也將在已有訂閱的基礎(chǔ)上增加優(yōu)質(zhì)多媒體服務(wù)，并通過更高層級的服務(wù)或增加整體訂閱來獲取收入。

在5G背包的使用上，其可以作為獨(dú)立產(chǎn)品直接面向行業(yè)客戶進(jìn)行銷售；對于成本敏感型客戶，也可以采取獨(dú)立產(chǎn)品租賃模式。此外，運(yùn)營商也可以推出5G背包+5G網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)+5G網(wǎng)絡(luò)定向流量套餐包的一攬子打包解決方案，按月/年租模式收費(fèi)。

4 結(jié)束語

4G改變生活，5G改變社會。5G發(fā)展的關(guān)鍵在于提供差異化和定制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力。在4G時代，所有的業(yè)務(wù)都部署運(yùn)行在同一個通信大管道內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)只能提供“一條賽道、盡力而為”的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。所有的業(yè)務(wù)都一視同仁地行駛在同一條道路上，如果遇上網(wǎng)絡(luò)擁塞，即使是高優(yōu)先級保障的服務(wù)也無法脫穎而出，業(yè)務(wù)同樣被迫受損。5G時代，得益于端到端網(wǎng)絡(luò)切片在差異化組網(wǎng)、可保障QoS/SLA、業(yè)務(wù)隔離以及獨(dú)立運(yùn)維等能力上的革命性提升，使得我們真正能夠從4G時代的“應(yīng)用適配網(wǎng)絡(luò)”，演進(jìn)到5G時代的“應(yīng)用定義網(wǎng)絡(luò)”，為行業(yè)提供差異化+確定性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力?；诒敬?G+超高清媒體行業(yè)應(yīng)用的測試驗(yàn)證，在5G時代移動運(yùn)營商可以為媒體行業(yè)提供連接能力，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隨時隨地直播，并實(shí)現(xiàn)視頻流快速回傳；使用5G網(wǎng)絡(luò)切片功能，確保視頻傳輸質(zhì)量；通過運(yùn)營商邊緣計算能力，實(shí)現(xiàn)視頻流在本地的快速渲染、處理。5G除了可以幫助垂直行業(yè)幫助實(shí)現(xiàn)更多新業(yè)務(wù)場景外，5G網(wǎng)絡(luò)切片在多媒體領(lǐng)域的部署方面為電信運(yùn)營商創(chuàng)造了新的商業(yè)模式。