5G與超高清視頻融合應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)探討

張 紅，宋凱廷

（1.榆樹市廣播電視臺(tái)，吉林 榆樹 130400；2.中移鐵通有限公司長(zhǎng)春分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 研究背景

通信技術(shù)的發(fā)展為視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了更廣闊的空間和機(jī)遇，尤其是近幾年，4G與千兆光寬帶普及率的提升，帶動(dòng)了視頻行業(yè)快速發(fā)展。視頻業(yè)務(wù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的廣播電視網(wǎng)絡(luò)到互聯(lián)網(wǎng)電視、IPTV、互動(dòng)數(shù)字視聽以及視頻電話。從視頻業(yè)務(wù)分辨率上，經(jīng)歷了標(biāo)清、高清，目前正在向著超高清時(shí)代邁進(jìn)。5G時(shí)代使得視頻業(yè)務(wù)無(wú)處不在的數(shù)字化生產(chǎn)和視頻共享成為可能，使得視頻業(yè)務(wù)向著超高清、沉浸式、交互式及VR/AR演進(jìn)成為可能，將重新定義視聽業(yè)務(wù)生態(tài)，5G環(huán)境下的視頻業(yè)務(wù)滿足視頻業(yè)務(wù)更高的技術(shù)格式、更新的應(yīng)用場(chǎng)景以及更美的試聽體驗(yàn)的需求。同樣，視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展為5G技術(shù)提供了一個(gè)廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，5G的發(fā)展與視頻業(yè)務(wù)發(fā)展相輔相成，協(xié)同發(fā)展?；诖?，本文重點(diǎn)研究了5G與超高清視頻融合應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，主要從網(wǎng)絡(luò)能力、平臺(tái)能力及差異化承載能力進(jìn)行了分析，最后研究了5G與超高清視頻融合在VR視頻、視頻監(jiān)控及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用。

2 超高清視頻對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的主要指標(biāo)要求

2.1 超高清視頻特點(diǎn)

為滿足觀眾顛覆式、沉浸感的臨場(chǎng)體驗(yàn)，超高清視頻尤其是8K業(yè)務(wù)有更高的分辨率、幀率相比于高清視頻業(yè)務(wù)提升了2倍，位深在10 bit以上、色域在BT.2020以上、動(dòng)態(tài)范圍均位HDR（高動(dòng)態(tài)范圍），超高清技術(shù)參數(shù)如表1所示[1-2]：

表1 超高清視頻基本參數(shù)

2.2 超高清視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的需求

從以上分析的超高清視頻的特點(diǎn)可以看出，超高清視頻的典型特征就是大數(shù)據(jù)、高速率、高分辨率，高幀率、增強(qiáng)HDR標(biāo)準(zhǔn)以及高采樣比特?cái)?shù)，這對(duì)帶寬的需求可以達(dá)到幾十兆至上百兆，當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)的平均用戶體驗(yàn)速率僅為20～30 Mbps，對(duì)超高清視頻的承載能力明顯不足。4K/8K超高清視頻網(wǎng)絡(luò)能力要求如表2所示[3]：

表2 4K/8K超高清視頻網(wǎng)絡(luò)能力要求

3 5G與超高清視頻融合關(guān)鍵技術(shù)

5G與超高清視頻技術(shù)的融合，將推進(jìn)視頻業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)能力、業(yè)務(wù)能力及用戶體驗(yàn)等三方面全面升級(jí)，關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)能力、平臺(tái)能力及差異化承載能力三個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)能力方面。5G對(duì)超高清視頻業(yè)務(wù)的承載能力在網(wǎng)絡(luò)方面主要體現(xiàn)在大連接、高帶寬及低時(shí)延三個(gè)方面?，F(xiàn)有的4G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)帶寬受限，現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)在達(dá)到千兆的情況下，有線傳輸移動(dòng)性不足。超高清視頻采用5G接入的方式，可以很好地解決此方面的問題，原始視頻轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)流后，可以通過(guò)無(wú)線Wi-Fi或有線方式發(fā)到5G終端CPE上，轉(zhuǎn)接至5G基站，也可以通過(guò)將5G模組集成于編碼設(shè)備中，直接發(fā)送到5G基站。在新架構(gòu)方面，目前5G的承載網(wǎng)絡(luò)及5G的核心網(wǎng)絡(luò)均已做了相應(yīng)的改造，承載網(wǎng)絡(luò)采用基于Spine-Leaf的新型承載方式，5G核心網(wǎng)側(cè)基于不同業(yè)務(wù)采用獨(dú)立組網(wǎng)或非獨(dú)立組網(wǎng)的模式，保障超高清視頻差異化承載需求。

（2）平臺(tái)能力方面。目前無(wú)論針對(duì)IPTV業(yè)務(wù)還是OTT互聯(lián)網(wǎng)電視業(yè)務(wù)，大多采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）及視頻鏡像技術(shù)，綜合起來(lái)就是讓視頻靠近用戶進(jìn)行傳輸。超高清視頻同樣需要CDN進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)的分發(fā)，并且對(duì)用戶體驗(yàn)提出了更高的要求，比如零卡頓、零花屏、零等待。隨著超高清視頻業(yè)務(wù)的到來(lái)，尤其是對(duì)于超高清視頻對(duì)帶寬需求80 Mbps以上的業(yè)務(wù)，這就要求CDN流媒體服務(wù)器有更高流處理能力、較低的時(shí)延。摩爾定律的失效、“二八定律”的緩存失效以及CDN的時(shí)延要求，這些都是下一代CDN流媒體服務(wù)器廠商需要考慮的問題。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，合理選擇CDN的部署節(jié)點(diǎn)，減少流量轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)和經(jīng)過(guò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，達(dá)到綜合成本最優(yōu)。

平臺(tái)能力關(guān)鍵技術(shù)的第二個(gè)方面體現(xiàn)在超高清視頻素材制作上，承接這一需求的為多接入邊緣計(jì)算（Multi-Acess Edge Computing，MEC）。MEC是5G關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)將計(jì)算與控制能力下沉至邊緣側(cè)，滿足用戶就近服務(wù)的需求。并且與核心云和區(qū)域云組成一體化的組網(wǎng)模式，可滿足高清視頻制作的需要，在視頻業(yè)務(wù)完成云端的制作后，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)分發(fā)至用戶。MEC的部署與CDN技術(shù)的結(jié)合，可以減少視頻業(yè)務(wù)對(duì)骨干網(wǎng)及核心網(wǎng)帶寬的占用，能使超高清視頻業(yè)務(wù)最大限度地靠近用戶，降低時(shí)延。

（3）差異化承載方面。5G網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)差異化承載主要來(lái)自網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)打通了無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)子切片，在切片管理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的端到端承載。在網(wǎng)絡(luò)切片中采用SDN、NFV、FlexE、虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在面向超高清視頻場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求時(shí)，在需要低時(shí)延切片控制的同時(shí)，也需要高帶寬的切片協(xié)同回傳視頻。

5G的“大帶寬、低時(shí)延、廣連接”特性為超高清視頻的發(fā)展提供了廣闊的空間，邊緣計(jì)算為超高清視頻的處理提供了算力需求，網(wǎng)絡(luò)切片保障了超高清視頻業(yè)務(wù)的差異化承載需求，CDN網(wǎng)絡(luò)能讓視頻業(yè)務(wù)傳播得更廣更遠(yuǎn)。

4 5G與超高清視頻融合應(yīng)用場(chǎng)景分析

5G與超高清視頻融合應(yīng)用場(chǎng)景主要體現(xiàn)在面向超高清的視頻內(nèi)容的制作，對(duì)傳統(tǒng)的OTT及IPTV業(yè)務(wù)的改進(jìn)，面向VR及沉浸式視頻的內(nèi)容服務(wù)，面向視頻監(jiān)控類的應(yīng)用以及面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用等方面。

（1）面向VR視頻的內(nèi)容服務(wù)。目前，VR視頻已成為超高清業(yè)務(wù)發(fā)展的主要方向之一?；谠频奶摂M現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)將實(shí)現(xiàn)內(nèi)容上云，渲染上云[4]。5G網(wǎng)絡(luò)基于邊緣DC、核心DC及區(qū)域DC的部署方式，選擇多個(gè)位置進(jìn)行云渲染資源節(jié)點(diǎn)的搭建，使得云上的虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能，可滿足廣大的移動(dòng)用戶就近對(duì)VR業(yè)務(wù)的渲染需求。5G網(wǎng)絡(luò)固移融合的綜合承載能力為VR視頻業(yè)務(wù)承載提供了速率及時(shí)延的保障，同時(shí)可將本地的云渲染能力共享給寬帶用戶，滿足寬帶用戶的VR視頻體驗(yàn)需求。用戶可以在移動(dòng)網(wǎng)及寬帶網(wǎng)多個(gè)場(chǎng)景接入需求[5]。利用5G與超高清視頻融合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)VR視頻、VR游戲、VR教育及VR醫(yī)療等方面的發(fā)展。

（2）面向超高清視頻類的應(yīng)用。目前，大型活動(dòng)賽事、科技場(chǎng)館及智慧城市安防類視頻監(jiān)控，均提出了對(duì)超高清視頻的需求[6]。這些需求有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是連接數(shù)量多，對(duì)時(shí)延要求高，并且需要配合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)進(jìn)行視頻的優(yōu)化。5G與超高清視頻融合的關(guān)鍵技術(shù)保障了此類業(yè)務(wù)的承接需求。5G的網(wǎng)絡(luò)切片、大帶寬低時(shí)延的特性，以及開放的平臺(tái)能力，使得視頻監(jiān)控類需求可以內(nèi)置人工智能的芯片完成對(duì)視頻業(yè)務(wù)的采集，通過(guò)MEC邊緣計(jì)算的處理能力，可以完成視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的功能比對(duì)，滿足平安城市、智能交通等領(lǐng)域的超高清視頻類的應(yīng)用需求。

（3）面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。采用5G+超高清視頻融合組網(wǎng)方式的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以打破原有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與企業(yè)級(jí)的組網(wǎng)架構(gòu)，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大連接、低時(shí)延的傳輸需求，使得信息傳輸更加扁平與高效。可滿足工業(yè)更高級(jí)別、更高精度的工業(yè)識(shí)別、工業(yè)可視化以及人機(jī)交互作業(yè)等場(chǎng)景的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

超高清視頻與5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展相輔相成，尤其是近幾年涌現(xiàn)出的與5G承載配套的關(guān)鍵技術(shù)，使得超高清視頻有了更廣闊的發(fā)展空間。本文在探討了5G與超高清視頻融合關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重探討架構(gòu)能力，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算MEC及網(wǎng)絡(luò)切片等與超高清視頻強(qiáng)相關(guān)的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，分析了5G與超高清視頻融合關(guān)鍵技術(shù)在VR內(nèi)容制作、超高清視頻監(jiān)控以及目前熱門的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用?！?/p>