5G網(wǎng)絡(luò)音視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)概述

周向，李薰春

國家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院，北京 100866

引 言

隨著5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻流應(yīng)用將在未來主導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)流量，根據(jù)思科的可視化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)預(yù)測：從2016年到2021年，全球移動數(shù)據(jù)流量將增長7 倍。到2021年，全球IP 視頻流量占所有個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)流量的比例將從2016年的73%增加到82%[1]。同時(shí)，隨著新興的多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)，如超高清4K/8K 視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)，對未來的互聯(lián)網(wǎng)傳輸提出了挑戰(zhàn)。隨著5G 商用的正式啟動，如何利用5G 的低時(shí)延大帶寬的特點(diǎn)更好地傳輸網(wǎng)絡(luò)音視頻也成為了行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

3GPP 編解碼和媒體工作組（SA4）在R-16 版本的規(guī)范中完成了5G 中的多媒體系統(tǒng)和媒體分發(fā)的相關(guān)工作。本文主要是采用文獻(xiàn)調(diào)查法、比較研究法等研究方法對于5G 系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)音視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)研，解讀分析了3GPP 中相關(guān)的研究標(biāo)準(zhǔn)。

1 5G 系統(tǒng)概述

1.1 介紹

3GPP 架構(gòu)工作組（SA2）已經(jīng)分別在TS 23.501[2]和TS 23.502[3]中規(guī)定了5G 系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和處理過程。正如TS 23.501[2]中規(guī)定的，5G 系統(tǒng)具有控制面和用戶面分離、服務(wù)化架構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)化協(xié)議接口等基礎(chǔ)特性，以及網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算等5G 特色能力，允許獨(dú)立的擴(kuò)展、演進(jìn)和靈活的部署。在5G 系統(tǒng)中許多不同的網(wǎng)絡(luò)功能通過彼此的連接向終端提供服務(wù)，5G 系統(tǒng)中將原來4G 系統(tǒng)中不同的網(wǎng)元虛擬化成不同的網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function，NF）實(shí)體，這些網(wǎng)絡(luò)功能扮演著不同的角色，比如控制面實(shí)體、數(shù)據(jù)面實(shí)體，它們互相協(xié)作幫助終端接入網(wǎng)絡(luò)，建立起會話并將流量從終端（UE）路由到指定的地址。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、功能和接口

3GPP 在TS 23.501[2]定義了5G 架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)功能描述，如表1 所示。不同的網(wǎng)絡(luò)功能基于服務(wù)調(diào)用的方式進(jìn)行彼此交互，系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1 所示，在基于服務(wù)化的表示中，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能之間的交互被視為一個(gè)NF 向任一NF 提供服務(wù)訪問的過程，網(wǎng)絡(luò)功能之間使用基于服務(wù)的接口。

圖1 中展示的5G 控制平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)功能使用表2 中描述的基于服務(wù)的接口互相交互，通過使用基于服務(wù)的接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能可以向其他授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)功能提供多種服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能可以通過使用請求/響應(yīng)模型或者訂閱/通知模型來與其他的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行交互。

表1 5G 架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)功能Table 1 Different network functions in 5G architecture

（續(xù)表）

圖1 基于服務(wù)接口的5G 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 5G system architecture using service based interfaces

除了如圖1 所示的基于服務(wù)的表示法之外，還可以使用如圖2 所示的參考點(diǎn)表示法來描述5G 核心網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)。其中網(wǎng)絡(luò)功能UDSF、NEF、NRF和UDR 在體系結(jié)構(gòu)圖中未顯示，因?yàn)槿魏尉W(wǎng)絡(luò)功能都可以直接或通過其他NF 與它們交互并使用它們提供的服務(wù)。架構(gòu)圖中的DN 節(jié)點(diǎn)是指UE 希望連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。具體的參考點(diǎn)描述如表3 所示。

圖2 參考點(diǎn)表示的非漫游5G 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Non-Roaming 5G system architecture in reference point representation

表2 5G 系統(tǒng)架構(gòu)中基于服務(wù)的接口Table 2 Service based interfaces in 5G system architecture

表3 5G 系統(tǒng)架構(gòu)中的參考點(diǎn)Table 3 Reference point in 5G system architecture

（續(xù)表）

1.3 可用于媒體分發(fā)的5G 系統(tǒng)的高級功能

由于5G 系統(tǒng)相比4G 或者之前的通信系統(tǒng)變化更大，隨之帶來了對媒體分發(fā)和傳輸非常重要的一些高級功能。由于這些高級功能的存在，在設(shè)計(jì)相應(yīng)的多媒體傳輸和分發(fā)系統(tǒng)的時(shí)候要考慮媒體傳輸和系統(tǒng)的相互適配，這樣才能最大化優(yōu)化傳輸，才能夠?qū)?G 系統(tǒng)的低遲延、高帶寬、服務(wù)化特性完全利用，更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)音視頻的傳輸。

（1）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會話中上行分類器的使用

會話管理功能（SMF）可以在PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑中插入上行鏈路分類器（uplink classifier，UL CL），UL CL 是UPF 支持的功能，旨在轉(zhuǎn)移符合SMF 提供的流量過濾器的流量。SMF 可以在PDU會話的UPF 中動態(tài)插入和刪除UL CL。當(dāng)將具有UL CL 的UPF 插入PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑時(shí)，UL CL 將PDU 會話流量轉(zhuǎn)發(fā)到該P(yáng)DU 會話中的不同PDU 會話錨點(diǎn)。每個(gè)PDU 會話錨點(diǎn)都會為PDU 會話提供對同一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）的不同訪問。結(jié)果，UL CL 提供了將上行鏈路流量轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)PDU 會話錨點(diǎn)以及將下行鏈路流量從多個(gè)PDU 會話錨點(diǎn)合并的功能。圖3 描述了在PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑中插入帶有UL CL 的UPF。從圖中可以看出，通過動態(tài)地添加和刪除UL CL 可以將UE 的流量根據(jù)SMF 的匹配規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)到不同的UPF，進(jìn)而到達(dá)不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)（Data network，DN），通過在用戶面插入U(xiǎn)L CL 進(jìn)行分流，UE 只有一個(gè)IP 地址，對UE 來講不感知數(shù)據(jù)分流，UL CL 根據(jù)SMF 下發(fā)的過濾規(guī)則，通過檢查數(shù)據(jù)包目的IP 地址進(jìn)行分流。該功能可以動態(tài)地實(shí)現(xiàn)流媒體的轉(zhuǎn)發(fā)，比如邊緣場景的網(wǎng)絡(luò)音視頻的傳輸，通過一定的流量匹配規(guī)則將用戶的視頻流量引到邊緣節(jié)點(diǎn)。

（2）PDU 會話使用IPv6 多宿主（IPv6 multihoming）

PDU 會話可以與多個(gè)IPv6 前綴關(guān)聯(lián)，這稱為多宿主PDU 會話。多宿主PDU 會話通過一個(gè)以上的PDU 會話錨提供對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的訪問，使得不同PDU會話錨的不同用戶平面路徑在支持分支點(diǎn)（Branching Point）功能的UPF 處分支。分支點(diǎn)提供朝向不同的PDU 會話錨的UL 流量的轉(zhuǎn)發(fā)，以及向UE 的DL 流量的合并，即合并鏈路上來自不同PDU 會話錨的流量到UE。架構(gòu)如圖4 所示。該功能也是實(shí)現(xiàn)邊緣視頻流傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。視頻流在分支點(diǎn)處可以流向不同的UPF 來實(shí)現(xiàn)對邊緣節(jié)點(diǎn)的訪問。

（3）支持局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Local Area Data Network， LADN）

圖3 上行鏈路分類器的用戶平面架構(gòu)Fig.3 User plane architecture for the uplink classifier

圖4 多宿主的PDU 會話Fig.4 Multi-homed PDU session

根 據(jù)TS 23.501 中所述，LADN 為來自UE 的PDU 會話提供對DN（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）的本地訪問。網(wǎng)絡(luò)將LADN 的可用性通知給UE，并且僅當(dāng)UE 在LADN 的服務(wù)區(qū)域內(nèi)時(shí)，才允許UE 訪問LADN。LADN 服務(wù)區(qū)域由網(wǎng)絡(luò)管理，5G 核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的AMF 跟蹤UE 的移動性信息。SMF 從AMF 和LADN服務(wù)區(qū)域了解UE 的位置信息，并且只要UE 在LADN 服務(wù)區(qū)域內(nèi)，它就允許UE 使用LADN。這部分功能有助于體育比賽等大型賽事的本地直播系統(tǒng)的的傳輸，同時(shí)還可以節(jié)省骨干帶寬資源。TS 23.501[2]通過描述如何在靠近核心網(wǎng)絡(luò)和UE 的邊緣托管第三方服務(wù)來表達(dá)5G 系統(tǒng)對邊緣計(jì)算的支持。5G 系統(tǒng)提供了不同的功能來支持邊緣計(jì)算，例如：用戶平面重新選擇、本地路由和流量導(dǎo)向、會話和服務(wù)連續(xù)性、AF 對UPF 重新選擇和流量路由的影響、網(wǎng)絡(luò)能力暴露、服務(wù)質(zhì)量（QoS）和收費(fèi)管理、支持局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（LADN）。邊緣計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)邊緣為應(yīng)用程序開發(fā)人員和內(nèi)容提供商提供了云計(jì)算能力和IT 服務(wù)環(huán)境。這種環(huán)境的特點(diǎn)是超低延遲和高帶寬，以及應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)訪問和利用無線網(wǎng)絡(luò)信息。運(yùn)營商可以向授權(quán)的第三方服務(wù)商開放其網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而使他們能夠靈活快速地向移動用戶、企業(yè)和垂直細(xì)分市場部署創(chuàng)新的應(yīng)用程序和服務(wù)。基于邊緣計(jì)算進(jìn)行視頻流傳輸?shù)难芯繉映霾桓F[4-9]，其中包括使用無線網(wǎng)絡(luò)信息對視頻流傳輸進(jìn)行優(yōu)化，利用邊緣計(jì)算對熱點(diǎn)視頻進(jìn)行緩存和預(yù)取等。因此看出，邊緣計(jì)算的出現(xiàn)對5G 邊緣網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸將起到一定的促進(jìn)作用。3GPP 也評估了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）關(guān)于多接入邊緣計(jì)算（MEC）的相關(guān)白皮書[10-11]，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]中描述了3GPP 北向API和ETSI MEC API 之間的關(guān)系。

（6）5G 系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)切片

5G 系統(tǒng)中另一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)是引入了網(wǎng)視頻傳輸，通過感知用戶的位置將用戶接入局域網(wǎng)，最大化地利用本地網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的特性優(yōu)化視頻傳輸，尤其對于將來4K/8K 超高清視頻的直播和點(diǎn)播具有重要意義。

（4）應(yīng)用功能（AF）對流量路由的影響

在5G 系統(tǒng)中，應(yīng)用功能（AF）可能會影響SMF 為PDU 會話的流量做出的SMF 路由決策。受信任的AF 與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的其他網(wǎng)絡(luò)功能直接交互。對于不受信任的AF，來自AF 的所有流量在到達(dá)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)功能之前都要經(jīng)過NEF。來自AF 的請求被發(fā)送到PCF，PCF 將AF 請求轉(zhuǎn)換為策略，然后在其他網(wǎng)絡(luò)功能中對其進(jìn)行適當(dāng)配置，并最終應(yīng)用于PDU 會話。在該部分中，應(yīng)用功能（AF）可以影響UPF 的選擇，并允許將用戶流量路由到對本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的訪問。該功能實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營商內(nèi)部或者第三方的應(yīng)用對UE 會話的影響，運(yùn)營商或者第三方可以通過AF 去控制UE 的會話，比如將其引到本地網(wǎng)絡(luò)或者邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。對于第三方音視頻服務(wù)提供商來講，運(yùn)營商通過開放相關(guān)的接口實(shí)現(xiàn)對UE 視頻流的路由轉(zhuǎn)發(fā)，可以提高視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，提高用戶觀看體驗(yàn)。

（5）支持邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算的支持是5G 系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)之一，目的是通過本地具備計(jì)算能力的資源來滿足低時(shí)延絡(luò)切片的概念，網(wǎng)絡(luò)切片是為實(shí)現(xiàn)特定服務(wù)能力的端到端的邏輯功能和其所需的物理或虛擬資源集合，包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等，網(wǎng)絡(luò)切片可認(rèn)為是5G 網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化“專網(wǎng)”。當(dāng)前，TS 23.501[2]規(guī)定了三種類型的網(wǎng)絡(luò)切片，分別是增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、超可靠的低延遲通信（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（MIoT）。其中eMBB 適用于處理5G 增強(qiáng)型移動寬帶的切片，不僅限于普通消費(fèi)者的移動寬帶應(yīng)用，還包括高質(zhì)量視頻流、大文件快速傳輸?shù)?。切片的選擇由NSSF 來控制，通過切片的實(shí)現(xiàn)，可以保證終端在傳輸音視頻過程的穩(wěn)定性，對于提升用戶體驗(yàn)將起到很大作用。內(nèi)容提供商、廣播公司和運(yùn)營商都可以利用eMBB 切片來利用5G 系統(tǒng)，向其用戶提供點(diǎn)播和實(shí)時(shí)多媒體內(nèi)容。

（7）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能（Network Data Analytics Function，NWDAF）是3GPP 在Rel 15 的5G 標(biāo) 準(zhǔn)中引入的網(wǎng)絡(luò)功能，主要用于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析。NWDAF 包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋?？梢詫?shí)現(xiàn)和營運(yùn)管理與維護(hù)（Operations, Administration and Maintenance，OAM）設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)交互，與第三方AF 之間打通北向接口，收集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。該功能可以采用智能化的方法對網(wǎng)絡(luò)QoS 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合第三方AF對其業(yè)務(wù)的平均主觀意見分（Mean Opinion Score，MOS）刻畫來有效地監(jiān)控業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量。因此對于視頻傳輸也有一定的優(yōu)化作用。

2 5G 流媒體通用服務(wù)架構(gòu)

基于上述5G 系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，3GPP 在TS 26.501[13]中定義了5G 流媒體（5G Media Streaming，5GMS）的通用服務(wù)架構(gòu)，以支持移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和第三方的媒體下行流服務(wù)和媒體上行流服務(wù)。流媒體服務(wù)主要分為兩種，一是媒體內(nèi)容在產(chǎn)生時(shí)便被流式傳輸，被稱為實(shí)時(shí)流傳輸，另一種是通過流式傳輸已經(jīng)制作好的內(nèi)容，這種被稱為按需流式傳輸。整體的5G 流媒體架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 展示的是基于TS23.501[2]5G 系統(tǒng)的5GMS架構(gòu)，其中黃色填充框表示的功能在5GMS 的規(guī)格范圍內(nèi)，灰色框指示的功能在5G 系統(tǒng)規(guī)格中定義，藍(lán)色框指示的功能既不在5GMS 范圍內(nèi)，也不在5G 系統(tǒng)規(guī)格范圍內(nèi)。5GMS 應(yīng)用提供商（5GMS Application Provider）使用5GMS 提供流媒體服務(wù)，同時(shí)它在UE 上提供了一個(gè)5GMS 感知應(yīng)用程序（5GMS Aware Application），通過5GMS 中定義的接口和API 來使用5GMS 客戶端和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能。對于在5GMS 中定義的一些功能，將其解釋如下。

圖5 5G 流媒體架構(gòu)Fig.5 5G media streaming within the 5G system

媒體應(yīng)用功能（Media Application Function，Media AF）：類似于在表1 中的3GPP 5G 系統(tǒng)中定義的應(yīng)用功能（Application Function，AF），其專用于5G 流媒體。

媒體應(yīng)用服務(wù)（Media Application Server，Media AS）：專用于5G 流媒體的應(yīng)用服務(wù)器。

5GMS 客戶端（5GMS Client）：專用于5G 流媒體的UE 內(nèi)部功能。

媒體AF 和媒體AS 是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Data Network，DN）的功能，通過5G 網(wǎng)絡(luò)中定義的N6 接口和UE通信。受信DN 是指受運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)可信任的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在受信DN 中的AF 是可以直接和所有的5G 核心功能進(jìn)行通信的，也就是說如果媒體AF 處在受信任數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，可以直接和5G 系統(tǒng)中的PCF 進(jìn)行通信去交換相關(guān)的控制策略。外部DN 指的是非受信任的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的媒體AF 只能使用N33 接口通過NEF 與5G 核心功能通信。

5G 媒體服務(wù)架構(gòu)還可以將圖5 所示的總體高級架構(gòu)映射到圖6 所示的更詳細(xì)的架構(gòu)。接下來，本文僅按照下行流的傳輸進(jìn)行相關(guān)功能的介紹。

5GMS 客戶端（5GMS Client）：是一個(gè)可以通過定義的接口和API 訪問5GMS 下行鏈路流媒體服務(wù)的接收端。從圖中看出它實(shí)際上包括兩個(gè)子功能。一是媒體會話處理程序（Media Session Handler），媒體會話處理程序是UE 上與5GMS AF 通信以建立、控制和支持媒體會話傳遞的功能。媒體會話處理程序公開了可供5GMS 感知應(yīng)用程序使用的API。二是媒體播放器（Media Player），媒體播放器在UE 上與5GMS AS 通信以傳輸媒體內(nèi)容并向5GMS 感知應(yīng)用程序提供服務(wù)來進(jìn)行媒體播放。

5GMS 感知應(yīng)用程序（5GMS Aware Application）：在5G 流媒體的規(guī)范中并未定義5GMS 感知應(yīng)用程序的功能，但是其也是通過相關(guān)接口和API 與5GMS客戶端進(jìn)行交互。

5GMS 應(yīng)用服務(wù)（5GMS AS）：承載5G 媒體功能的應(yīng)用服務(wù)器。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式，比如采用CDN 實(shí)現(xiàn)。

5GMS 應(yīng)用提供商（5GMS Application Provider）：外部應(yīng)用程序或內(nèi)容指定的媒體功能，它使用5GMS將流媒體傳輸?shù)?GMS 感知應(yīng)用程序，包括媒體的創(chuàng)建、編碼和格式化。

5GMS 應(yīng)用功能（5GMS AF）：向UE 上的媒體會話處理程序（Media Session Handler）和5GMS 應(yīng)用程序（5GMS Aware Application）提供各種控制功能。它可以中繼或發(fā)起對PCF 處理的請求，或者與其他網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行交互。

圖6 5G 流媒體通用架構(gòu)Fig.6 5G media streaming general architecture

下面針對下行流傳輸過程對圖6 中相關(guān)的接口進(jìn)行介紹。

M1 接口：是一個(gè)由5GMS AF 對外公開的API，提供5G 流媒體系統(tǒng)的使用接口并從該接口獲得相關(guān)的反饋。

M2 接口：當(dāng)選擇受信任DN 中的媒體應(yīng)用服務(wù)來托管流服務(wù)的內(nèi)容時(shí)，由5GMS AS 公開的可選的外部API。

M3 接口：內(nèi)部API，用于交換受信任DN 中5GMS AS 上托管內(nèi)容的信息。

M4 接口：5GMS AS 向媒體播放器公開以傳輸媒體內(nèi)容的API。

M5 接口：媒體AF 向媒體會話處理程序公開的API，用于媒體會話處理、控制和協(xié)助，還包括適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制，例如授權(quán)和認(rèn)證。

M6 接口：媒體會話處理程序提供的用于客戶端內(nèi)部通信的API，支持 5GMS 感知應(yīng)用程序使用5GMS 的功能。

M7 接口：由媒體播放器向5GMS 感知應(yīng)用程序和媒體會話處理程序公開以利用媒體播放器的API。

M8 接口：用于在5GMS 感知應(yīng)用程序和5GMS 應(yīng)用提供商之間進(jìn)行信息交換的接口，例如，向應(yīng)用程序提供服務(wù)訪問信息。該API 在5G 系統(tǒng)的外部，并且5GMS 未指定。

5GMS 感知應(yīng)用程序（5GMS Aware Application）本身可能包含5GMS 客戶端（5GMS Client）或者5G UE 未提供的許多功能，比如服務(wù)和內(nèi)容發(fā)現(xiàn)、通知、社交網(wǎng)絡(luò)等。5GMS 感知應(yīng)用程序還可以包括與5GMS 客戶端提供的功能等效的功能，而且可能僅僅使用5GMS 客戶端功能的子集。下面具體介紹5GMS 客戶端的功能。

圖7 展示了UE 中5GMS 客戶端關(guān)于媒體播放器（Media Player）功能的詳細(xì)組件[13]。該圖和圖8 中的相關(guān)功能和接口在表示上多了后綴“d”，“d”表示“downlink”下行。詳細(xì)介紹如下。

媒體獲取客戶端（Media Access Client）：用來訪問媒體內(nèi)容，例如DASH 格式的媒體段。

媒體解封裝（Media Decapsulation）：提取媒體流以進(jìn)行解碼，并提供與媒體系統(tǒng)相關(guān)的功能，例如時(shí)間同步、功能信令等。

DRM 客戶端（DRM Client）：用于身份驗(yàn)證和授權(quán)，策略實(shí)施和權(quán)限檢查，并提供內(nèi)容保護(hù)機(jī)制。

媒體解密（Media Decryption）：媒體解密負(fù)責(zé)使用DRM 許可證中提供的密鑰解密媒體樣本。

媒體解碼器（Media Decoders）：解碼音頻或視頻等媒體。

媒體渲染/呈現(xiàn)（Media Rendering / Presentation）：使用適當(dāng)?shù)妮敵鲈O(shè)備呈現(xiàn)媒體。

圖8 展示了UE 中5GMS 客戶端關(guān)于媒體會話處理程序（Media Session Handler）功能的詳細(xì)組件[13]。詳細(xì)介紹如下。

媒體會話處理程序的核心（Media Session Handler Core）：用于媒體通信會話的實(shí)現(xiàn)，與5GMS AF 交互實(shí)現(xiàn)通信。

指標(biāo)收集和報(bào)告（Metrics collection and reporting）：執(zhí)行指標(biāo)的收集和報(bào)告。

消費(fèi)報(bào)告（Consumption reporting）：向5GMS AF 報(bào)告有關(guān)當(dāng)前消費(fèi)媒體信息、UE 功能以及媒體會話環(huán)境的信息，以便通過網(wǎng)絡(luò)或消費(fèi)報(bào)告分析進(jìn)行潛在的傳輸優(yōu)化。

相關(guān)的傳遞過程（Associated Delivery Procedures）：5GMS 客戶端提供的功能，用于支持媒體傳輸中的應(yīng)用程序，例如位置過濾。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)助（Network Assistance）：提供給5GMS客戶端和媒體播放器協(xié)助的功能。

上述5GMS 架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)流媒體的漸進(jìn)式下載和基于HTTP 的動態(tài)自適應(yīng)流的傳輸（Dynamic and Adaptive Streaming over HTTP，DASH）。 在TS26.501 中對流媒體的指標(biāo)收集和報(bào)告，消費(fèi)報(bào)告等流程進(jìn)行了詳盡的描述，由于篇幅原因在此不做過多介紹。5GMS AF 提供所需的信息，以便5GMS AF 可以使用NEF 觸發(fā)動態(tài)規(guī)則更新，也可以在會話過程中更改與計(jì)費(fèi)相關(guān)的規(guī)則。同時(shí)，該架構(gòu)支持基于網(wǎng)絡(luò)切片的動態(tài)規(guī)則請求，服務(wù)提供商可以請求分配多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片以分配服務(wù)。服務(wù)提供商來指示與服務(wù)

圖7 媒體播放器中的5G 媒體下行流傳輸功能Fig.7 UE 5G media downlink streaming functions (media player centric)

圖8 媒體會話處理中的5G 媒體下行流傳輸功能Fig.8 UE 5G media downlink streaming functions (control-centric)

5GMS 支持流媒體會話過程中的動態(tài)策略更新，動態(tài)策略API 允許在同一PDU 會話中單獨(dú)處理應(yīng)用程序流。當(dāng)請求動態(tài)策略時(shí)，媒體會話處理程序（Media Session Handler）提供策略類型指示以及流描述。媒體會話處理程序（Media Session Handler）向相對應(yīng)的所需網(wǎng)絡(luò)切片的特征，待成功為服務(wù)分配網(wǎng)絡(luò)切片后，媒體AF 將以允許的切片列表響應(yīng)服務(wù)提供商。

動態(tài)策略更新功能方便了運(yùn)營商和視頻內(nèi)容提供商的合作，比如對于定制內(nèi)容的免流量計(jì)費(fèi)和對于特定視頻內(nèi)容的QoS 保證等。

在TS26.501 中還有一個(gè)比較重要的特征是5GMS 支持提供網(wǎng)絡(luò)輔助的功能，這將支持標(biāo)準(zhǔn)TS26.233[14]和TS 26.247[15]中定義的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)輔助DASH（Server and Network Assisted DASH，SAND）的功能，SAND 功能在ISO/IEC 23009-5[16]中規(guī)定。TS 26.233[14]中描述了分組交換流業(yè)務(wù)（Packet-switched Streaming Service, PSS）中的SAND支持。SAND 架構(gòu)中的客戶端向DASH 感知網(wǎng)絡(luò)元素（DANE）發(fā)送相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，包括可用的下行比特率、客戶端視頻緩沖區(qū)大小等，DANE 對客戶端發(fā)起的請求做出響應(yīng)，響應(yīng)包括推薦的比特率等信息，此外在支持邊緣計(jì)算的平臺上，DANE 還可以考慮到利用無線網(wǎng)絡(luò)信息來優(yōu)化視頻比特率的推薦，這部分已經(jīng)在相關(guān)研究中提出[4]。

目前關(guān)于邊緣計(jì)算在5GMS 中的考慮還在進(jìn)一步的研究中，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未給出明確的架構(gòu)，但是在TR 26.891[17]中涉及到邊緣分發(fā)的相關(guān)架構(gòu)，將在下文做詳細(xì)介紹。

3 5G 中的媒體分發(fā)系統(tǒng)

上文介紹了5G 系統(tǒng)中的流媒體架構(gòu)，但是從目前5G 整體的發(fā)展情況看，想達(dá)到和標(biāo)準(zhǔn)完全一致的傳輸還是有一定的差距，那么如何利用現(xiàn)有的5G 架構(gòu)和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)音視頻傳輸體系去更好地實(shí)現(xiàn)5G 場景下的網(wǎng)絡(luò)音視頻傳輸，筆者認(rèn)為在相關(guān)技術(shù)報(bào)告TR 26.891[17]中給出了更加符合實(shí)際的答案。 圖9 展示了5G 參考架構(gòu)下的擴(kuò)展，支持類似CDN邊緣和原始功能的媒體交付相關(guān)的功能架構(gòu)。5G 上大多數(shù)的媒體分發(fā)都是基于HTTP 1.1 的自適應(yīng)比特率流傳輸來交付基于文件的視頻內(nèi)容。一種非常常見的視頻容器格式是fMP4（也稱為ISO-BMFF）和MPEG2-TS。新出的CMAF 格式是一種fMP4 的配置文件，可以與其他清單格式一起使用。通常來講，媒體段使用URL 去尋址，其中域名表示內(nèi)容提供商的名稱，媒體分發(fā)的主要組成部分是內(nèi)容準(zhǔn)備、內(nèi)容來源和交付。

圖9 5G 中的媒體分發(fā)架構(gòu)[17]Fig.9 Media on 5G system architecture

從圖9 中可以看出，該媒體分發(fā)架構(gòu)和上文中的5GMS 的體系架構(gòu)本質(zhì)是一致的，都是通過N6接口和UE 實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)和PCF、NEF 通過直接或者間接的連接來實(shí)現(xiàn)媒體傳輸過程中的策略控制等功能。但是在圖9 中考慮了多媒體廣播多播服務(wù)（Multimedia Broadcast Multicast Services，MBMS），

MBMS 也是移動通信系統(tǒng)中進(jìn)行媒體傳輸?shù)闹匾M成部分，是用于3GPP 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對多點(diǎn)接口規(guī)范，該規(guī)范旨在在小區(qū)內(nèi)以及核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供廣播和多播服務(wù)的有效傳遞，這將主要服務(wù)于廣播公司等內(nèi)容提供商。從圖中看出MBMS 和傳統(tǒng)的基于PSS 的媒體分發(fā)在傳輸架構(gòu)上是相對分離的，需要提供單獨(dú)的MBMS 網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的傳輸。MBMS是3GPP 在R6 中引入的基于3G 的MBMS，在R9中提出了基于LTE 的eMBMS（evolved MBMS）技術(shù)，提高了傳輸性能，在R14 中，廣播運(yùn)營商主導(dǎo)引入了FeMBMS（Further eMBMS），可以利用廣播大塔的資源進(jìn)行廣播視頻節(jié)目傳輸。

下面對各個(gè)主要的分發(fā)組成部分做詳細(xì)介紹。

（1）邊緣媒體分發(fā)功能（Edge Media Delivery function）

邊緣媒體分發(fā)功能是面向客戶端的CDN 的一部分，并通過N6 參考點(diǎn)連接到5G 分組核心的UPF。該功能通常是HTTPS 反向代理或緩存，用于為UE提供從CDN 提取的內(nèi)容。當(dāng)從預(yù)緩存的存儲中為UE 提供服務(wù)時(shí)，它能夠緩存內(nèi)容并充當(dāng)HTTPS 服務(wù)器。內(nèi)容預(yù)緩存可以根據(jù)客戶的請求按需執(zhí)行，也可以通過CDN 操作員管理指令執(zhí)行，該指令在正式發(fā)布內(nèi)容之前用新內(nèi)容預(yù)填充邊緣分發(fā)（Edge Delivery）。如果發(fā)生緩存未命中，則使用HTTP 從CDN 中提取內(nèi)容。當(dāng)內(nèi)容不在緩存中時(shí)，邊緣分發(fā)（Edge Delivery）將連接到上游分發(fā)核心（Delivery Core），后者最終將HTTP GET 請求轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容源（Content Origin）。邊緣分發(fā)可以基于內(nèi)容的類型（實(shí)時(shí)或點(diǎn)播）、流連接狀態(tài)和客戶端設(shè)備的類型，在3GPP 接入上提供差異化的媒體傳遞，這主要是通過PCF 和NEF 實(shí)現(xiàn)。同時(shí)邊緣分發(fā)還可以考慮在傳輸協(xié)議配置中使用邊緣分發(fā)功能（Edge Delivery function）和UE 之間的路徑知識，進(jìn)一步優(yōu)化傳輸。

（2）分發(fā)核心功能（Delivery Core function）

分發(fā)核心（Delivery Core）在CDN 中提供了中間層緩存級別。邊緣分發(fā)（Edge Delivery）中的高速緩存未命中時(shí)請求將被路由到分發(fā)核心（Delivery Core），因此遠(yuǎn)端的內(nèi)容源被分發(fā)核心屏蔽掉。如果路由到分發(fā)核心（Delivery Core）請求中的緩存再未命中，請求將被路由到內(nèi)容源（Content Origin）。在大型CDN 中，需要使用分發(fā)核心（Delivery Core）屏蔽本地和遠(yuǎn)端的源服務(wù)器。

（3）內(nèi)容源功能（Content Origin function）

內(nèi)容源是將內(nèi)容放置到CDN 上的入口點(diǎn)，通常為CDN 的托管資產(chǎn)提供永久存儲，它是CDN 內(nèi)的中央訪問點(diǎn)，具有基于大文件的存儲功能的HTTP服務(wù)器。視頻點(diǎn)播（Video On Demand，VOD）、實(shí)時(shí)媒體流資產(chǎn)及其元數(shù)據(jù)清單存儲在內(nèi)容源（Content Origin）中。

（4）內(nèi)容準(zhǔn)備（Content Preparation）

①實(shí)時(shí)內(nèi)容獲?。↙ive Linear Ingest）：用于攝取包括音頻、視頻、字幕和元數(shù)據(jù)在內(nèi)的直播頻道。它支持通過IP 以及其他輸入（例如SDI 輸入）攝取H.264 和H.265 視頻。還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)碼功能，從單個(gè)位流（MPEG2、H.264、H.265）到多個(gè)H.264 或H.265 的自適應(yīng)流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼。

②視頻點(diǎn)播內(nèi)容獲?。╒OD ingest）：用于將點(diǎn)播資產(chǎn)獲取到內(nèi)容準(zhǔn)備（Content Preparation），然后將其推到內(nèi)容源（Content Origin）中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對VOD 內(nèi)容的質(zhì)量檢查、轉(zhuǎn)碼和封裝。

③控制（Control）：客戶端請求內(nèi)容時(shí)，請求首先到達(dá)控制功能里的請求路由器，該請求路由器為客戶端選擇合適的邊緣分發(fā)，并將請求路由到該邊緣分發(fā)節(jié)點(diǎn)。此外，請求路由還用于控制CDN 內(nèi)的內(nèi)部流量，用于提供彈性和內(nèi)容感知的內(nèi)容源?？刂乒δ芾镞€包括DNS 解析功能，主要負(fù)責(zé)為區(qū)域提供內(nèi)容到邊緣分發(fā)的映射和配合請求路由器的工作，以便滿足來自Internet 的外部DNS 解析請求。

④其他文件（Other files）：內(nèi)容準(zhǔn)備功能還可以準(zhǔn)備其他文件，例如基于HTML 的元數(shù)據(jù)、資產(chǎn)描述和資產(chǎn)圖像。

以上對5G 媒體分發(fā)主要組成部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可以看到主要還是針對邊緣媒體分發(fā)進(jìn)行研究，依據(jù)目前邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢，結(jié)合在上文5GMS 中的相關(guān)內(nèi)容可以構(gòu)建出將來5G 媒體傳輸?shù)奈磥砬斑M(jìn)方向，比如邊緣節(jié)點(diǎn)緩存、智能路由、內(nèi)容感知等。

但是在報(bào)告中指出在5G 系統(tǒng)中進(jìn)行媒體分發(fā)架構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中也會存在一些問題，下文將對這些問題簡單介紹。

（1）合適的或者最近的邊緣緩存的問題

為媒體服務(wù)支持邊緣緩存的能力是5G 提供的新功能之一。在3GPP 5G 網(wǎng)絡(luò)中將可能有多個(gè)邊緣緩存，并且可能期望將UE 重定向到這些邊緣緩存中的一個(gè)，因此，主要問題是如何將用戶重定向到最合適的邊緣緩存。DNS 可以用于解析，但是DNS 條目的有效時(shí)間長度還需要研究，因?yàn)槟硞€(gè)DNS 條目的有效性可能取決于UE 使用的網(wǎng)絡(luò)以及UE 移動的速度，考慮到UE 的移動性由AMF 維護(hù)，AMF 是否可以提供相關(guān)信息。

（2）通過NEF 進(jìn)行5G NF 服務(wù)公開

要想啟用媒體服務(wù)，NEF 需要開放許多5G 網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。例如，當(dāng)部署或關(guān)閉新的邊緣緩存時(shí)，可能需要在5G 網(wǎng)絡(luò)的DNS 中更新到達(dá)它們的相應(yīng)DNS 條目，NEF 需要公開更新DNS 條目的功能。此外，還有其他可能暴露的信息包括可用于DANE 和其他媒體應(yīng)用程序相關(guān)功能的信息。

（3）在5G 核心中AF 影響著流量路由

5G 架構(gòu)引入的新功能之一是AF 具有影響5G核心中流量路由的能力。第三方比如CDN 如何使用此功能去優(yōu)化媒體服務(wù)。

（4）SAND 部署過程中的接口問題

當(dāng)SAND 部署在OTT（over-the-top）層的視頻點(diǎn)播的時(shí)候，對于其中的DANE 由第三方管理的情況下，如何確定DANE 到其他網(wǎng)絡(luò)元素的接口。正如上文談到的客戶端可以發(fā)送客戶端的一些播放信息比如緩沖區(qū)長度等信息給DANE，但如何將接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬和延遲等信息提供給DANE 需要進(jìn)一步研究。此外，當(dāng)DANE 做出的一些決定，比如共享資源分配策略時(shí)，如何保證客戶端實(shí)際可以獲得這些資源。

（5）人工智能在5G 媒體分發(fā)架構(gòu)下的應(yīng)用

如上文所述，5G 中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能（NWDAF）的提出為網(wǎng)絡(luò)的智能化傳輸提出了新的方向，如何將媒體分發(fā)和5G 中的NWDAF 功能結(jié)合，尤其是針對SAND 的架構(gòu)方案設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)制定，包括但不限于接口和流程的規(guī)范上。

4 展望與下一步工作

本文在結(jié)合了5G 新的網(wǎng)絡(luò)特性的技術(shù)上介紹了5G 中的流媒體傳輸和分發(fā)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以看出3GPP 的編解碼和媒體工作組針對5G 中的流媒體系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議、編解碼、格式等提出了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)報(bào)告，雖然其中有些地方還是值得進(jìn)一步研究并提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但目前提出的一些架構(gòu)對于運(yùn)營商或者服務(wù)提供商具體應(yīng)用5G 的新技術(shù)部署媒體傳輸具備很大的指導(dǎo)意義。隨著一些新興的視頻展示方式的發(fā)展，比如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等的發(fā)展，3GPP 的編解碼和媒體工作組正在制定相關(guān)范圍的一些標(biāo)準(zhǔn)。從整體標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展來看，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的多媒體傳輸和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)緊密結(jié)合起來，向著邊緣化、智能化、精細(xì)化發(fā)展。此外在使用5G 系統(tǒng)進(jìn)行廣播網(wǎng)的建設(shè)上，正沿著兩個(gè)方向演進(jìn)，一是R16 中的“基于LTE 的地面5G 廣播”，二是R17 中的“基于5G NR的多播廣播服務(wù)”，3GPP 的架構(gòu)組（SA2）中已經(jīng)有了關(guān)于5G 多播廣播服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的研究[18]，在3GPP RAN 第86 次全會上關(guān)于多播廣播的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目也被確立。筆者也將繼續(xù)跟進(jìn)最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。