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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

5G网络视频业务承载与发展分析

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/14 15:24 )

李 洁,林 鹏,王 宇,张 沛,朱常波(中国联通网络技术研究院,北京 100048)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘要:随着5G技术标准的加速完善,以及全球5G预商用测试的深入开展,5G将更为广泛地应用在未来的工作与生活中,其大连接、低时延、高速率等特性,以及云化、切片化的网络形态为8K、VR等超高清视频提供了强有力的全面网络解决方案。研究了5G网络对视频类业务的承载能力,分析了5G+视频的产业现状,以8K视频直播和云VR等典型应用举例说明5G+视频的应用情况,最后对行业前景进行展望。

关键词:5G;超高清视频;VR;云VR

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.016

前言

2018年 6月 14日,3GPP正式批准 5G独立组网标准冻结,5G 第一版商用标准 R15(eMBB)整体完成。 5G标准定义了三大场景,eMBB、mMTC和 uRLLC。其中,eMBB主要面向的是3D超高清视频等大流量移动宽带业务,mMTC主要面向的是大规模物联网业务,而 uRLLC主要面向的是如无人驾驶、工业自动化等需要超低延时、超高可靠连接的业务。在产业链的共同努力推动下,围绕这三大核心场景,5G网络将会让越来越多的产业形态和创新应用成为可能。

5G网络下行峰值传输速率达到20 Gbit/s,端到端时延达到ms级,连接设备密度增加10~100倍,流量密度提升1000 倍,频谱效率提升 5~10 倍,能够在 500 km/h 的速度下保证用户体验,同时结合 MEC、网络切片等特性,为8K超高清视频、虚拟现实(VR)等视频业务提供强有力的全面网络解决方案。

本文研究了5G网络对视频类业务的承载能力,分析了 5G+视频的产业现状,以 8K 视频直播和云 VR 等典型应用举例说明 5G+视频的应用情况,最后对行业前景进行展望。

1、5G网络视频类业务承载分析

5G视频类业务包括超高清视频类业务以及近 10 年来逐渐兴起的虚拟现实(VR)等。在 5G 环境下,视频类业务在移动性、用户体验、性能提升等方面将有新的发展。而视频类业务的广泛应用,必然会拉动5G技术的进一步发展和革新。

1.1 超高清视频业务

1.1.1 简介

简单来说,超高清视频就是更加清晰的视觉体验。全高清视频也就是常说的 1 080P,每帧图像是 200 万像素,4K每帧是800万像素,8K是3 300万像素。巨大的像素量使得8K视频每一帧都无比清晰,配合120 fps 的高帧率(HFR)、高动态范围(HDR)、宽色域范围(WCG)等视频技术,人眼已很难分辨图像与实物的区别,能为用户提供沉浸式的视频体验,带来强烈的临场感觉。

1.1.2 5G技术推动超高清视频产业发展

中国通信标准化协会所发布的《4K视频传送需求研究报告》,写明了传输入门级 4K、运营级 4K、极致4K、8K 的带宽需求。带宽要求最高的 8K 视频需要135 Mbit/s的带宽,带宽要求最低的入门级 4K 也需要 18~24 Mbit/s的带宽。而4K超高清视频对于承载网端到端的总体要求为:端到端带宽要大于50 Mbit/s,往返时延(RTT)要小于20 ms,丢包率(PLR)要小于10-(5 实践中可通过端云优化稍微降低对网络的要求)。

国际电信联盟(ITU)发布的5G网络要达到的部分性能参数如下:下行峰值数据速率为20 Gbit/s,上行峰值数据速率为10 Gbit/s,下行峰值频谱效率为30 bit/s/ Hz,上行峰值频谱效率为15 bit/s/Hz,下行用户体验数据速率 100 Mbit/s,上行用户体验数据速率 50 Mbit/s。 5G网络的理论网络延迟将大大降低,端到端时延达到 ms级,空口时延仅为1 ms,远远低于4G网络的空口时延 10 ms。而根据 3GPP 的标准规范 TR 22.863,5G 移动网络 eMBB的用户体验速率下行为 1 Gbit/s,上行为500 Mbit/s。

综上所述,从理论上讲,5G 网络对于 4K 乃至 8K 超高清视频有着良好的承载能力。

1.1.3 5G+超高清视频应用场景

5G 技术的应用将带来超高清视频点播/直播、视频通话、视频会议和远程安防监控等领域的飞速发展和用户体验质的飞跃。

a) 超高清游戏:移动视频将由标清走向高清与超高清。高清、超高清游戏将普及,云与端的融合架构成为常态。

b) 远程超高清直播:可以支持大型赛事直播、大型演出直播、重要事件直播、视频会议等,且体验更佳,超高清视频直播会让用户身临其境。

c) 视频监控:超高清视频监控将突破有线网络无法到达或者布线成本过高的限制,轻松部署在任意地点,成本更低,5G 时代的无线视频监控将成为有线监控的重要补充而广泛使用。

d) 远程超高清医疗:采用 5G 网络传输超高清视频在医疗领域也将造福患者,有助于医疗专家远程掌握患者的情况,提前准备手术方案和手术器材,实现手术室/多媒体室及远程会场互联互通,实现手术过程、医疗专业能力教学、远程会诊等应用。

1.2 虚拟现实业务

1.2.1 简介

虚拟现实技术(VR),近年来在全世界掀起了一股浪潮,从概念提出、原型探索、技术积累到产品迭代和产业化发展,VR逐渐从军用市场拓展到消费级市场,逐步向更多行业领域渗透。VR在2016年迎来一次大爆发,产品逐步推广普及,并逐渐渗入各个垂直行业应用,实现产业化发展。该阶段更多企业、资本涌入VR 市场,更多不同层次的设备产品涌现,内容产业和技术支撑更加成熟,用户规模也不断扩大。

1.2.2 5G技术助力VR产业发展

运营商开展 VR 视频业务之后,对带宽的需求为 0.3~1.2 Gbit/s,最高将会超过3 Gbit/s,且弱交互VR要求运动到图像的最大时延为20 ms,运动到声音的最大时延为 20 ms,并要求音视频保持同步,强交互 VR 要求运动到图像/声音的最大时延为5 ms。

5G 技术的应用,将解决云 VR 面临的问题,VR 产业将迎来跨越性的发展机遇。

a) 5G MEC 技术可以有效解决云渲染、渲染时延问题,同时云VR无需大规模重复建设云渲染资源,大大降低成本。

b) 5G 自身大带宽、低时延的特性,满足云 VR 的要求,同时利用网络切片技术,可充分保障用户体验。

c) 5G可以解决野外、航拍直播等移动VR场景网络需求。

1.2.3 5G+VR应用场景

5G网络和 VR 业务的结合,将带来一些新的商业模式。

a) 应用场景更广泛。除了虚拟现实游戏、虚拟社交等娱乐场景之外,5G+VR 还可用于教育(沉浸式教育、远程教育)、房地产(样板房、装修)、医疗(远程诊断、康复保健)、建模等。

b) 盈利模式更为多元化。从"重"资产到"轻"应用,云计算的应用将完全改变现有 VR 的商业模式。最终用户可按需购买VR增值服务,VR门槛低不仅终端厂商可以获利,网络提供商、内容提供商、各应用领域均可获利。

2、5G+视频产业现状

2.1 运营商布局5G+视频

国内外运营商以5G试商用为契机,纷纷与内容提供方、设备厂商联合布局 5G+视频、5G+VR,推动产业落地。

中国移动:提前试验5G+8K与5G+VR,2017年11 月联合合作伙伴推出了基于 5G 边缘网络架构的 Cloud-VR解决方案,2018年8月与中国国际电视总公司达成在5G研发、4K频道建设、内容分发等六大领域的战略合作。

中国电信:成立 5G+8K 产业联盟,2018 年 5 月 17 日,与东方明珠、百视通、富士康发布基于5G测试网络的 8K 视频应用平台,并与各合作伙伴共同成立"5G+ 8K"产业联盟,2018年 6月在 MWCS展示了 5G承载在线观看8K视频。

美国AT&T:将VR定位为5G的主导业务,2018年 2月宣布在美国达拉斯、韦科、亚特兰大三大城市率先布局5G网络,2018年6月演示多个5G用例,包括沉浸式媒体和大型联盟手游等。

德国电信:在柏林启动5G发射台,利用高性能5G 网络,进一步提升了 VR/AR 应用性能,将 5G NR 以上的超高清视频流实时传输到VR设备。

日本NTT DoCoMo:联手内容提供商布局8K+VR, 2018年6月发布基于现场FPGA进行处理和图像分割技术的8K VR直播系统,该系统使用5G网络承载。

2.2 设备厂商投入5G+视频研发

8K、VR产业链研发已经基本完成,厂商在标准与产品应用方面正在积极布局。

华为:提出"大视频"战略方向,从视频对个人、家庭、企业各方面的影响和渗透入手,聚焦超高清视频、社交媒体视频化、移动视频普及、VR/AR应用发展、5G 和FTTx网络渗透、新IT技术发展(云计算、大数据等),尤其是促进云VR应用。

中兴通讯:针对新型视频业务端到端解决方案,提出针对 UHD 8K、VR、AR、MR 的端到端解决方案和基于边缘计算技术的 MEC CDN、ICN/CCN 新网络架构、云化机顶盒方案、AI智能广告、人工智能IoT等五大关键技术。

NOKIA:停止开发 VR 相机 OZO,并裁员 310 人后宣布放弃VR相关业务,专注5G网络研究。在最近合作的VR头显设备发布中,完成基于最新3GPP标准的5G空口对接。

NHK:率先定义8K分辨率标准,以内容为抓手,掌握着日本 8K产业主导权,日本国内涉及 8K的测试验证均有NHK的参加,包括网络测试、行业试验等;并计划2018年底推出8K节目,2020年东京冬奥会实现8K转播。

京东方:国内面板生产商,可投产8K规格面板,与运营商试点合作推广 8K 产品,提出了"推广 8K,普及4K,替代2K,用好5G"的"8425"战略。

夏普:率先发布消费级8K电视机和8K摄像机,在内容制作方面,与故宫联合进行《清明上河图》高科技互动艺术展演。

2.3 中国联通5G+视频发展思路

a) 技术引领:聚焦5G+8K/VR等关键技术研发,加强国际、国内发声,力争重点领域行业领先。

b) 横向合作:秉持创新、合作的理念,与重点领域、重点企业成立联合实验室或研发团队,打造中国联通5G+视频"朋友圈"。

c) 重大应用:以北京冬奥应用为工作目标,深度参与和支撑重大赛事活动,全面推进 5G+视频业务场景落地应用。

d) 规模推广:在打造重点应用场景的基础上,中国联通将与合作伙伴在消费互联网、产业互联网、家庭互联网领域共同推动5G+视频应用的规模推广。

3、5G+视频典型应用

3.1 8K视频直播

3.1.1 简介

"更大、更清晰"就是人们对显示技术发展前进方向的直观驱动。随着视频技术的不断发展,分辨率从 480P 发展到 1 080P;当还没有完全意识到 4K 电视将一统天下的时候,8K 的直播就已开始。8K 视频技术复杂度远远超过 4K,每帧需要处理约 33 M 像素的数据量,海量的数据处理给目前的视频处理系统带来了一个非常大的挑战,包括受到量产难度高、直播信号和内容传输等问题。

3.1.2 应用现状

2012年8月23日,ITU通过了日本NHK电视台所建议的以7 680×4 320分辨率作为国际的8K超高画质电视(SHV)标准;2013年,日本NHK制作电影《珍馐美味》,使用 8K 分辨率拍摄、制作和放映;2015 年,NHK 采用 8K 技术转播加拿大女足世界杯部分比赛;2016 年 8 月,里约奥运会的 8K 直播是一个亮点;2017 年 5 月日本DoCoMo与NHK宣布完成8K视频在5G下的无线实时传输播放,2017 年宣布将使用 5G+VR 直播 2020 东京奥运会;2018 年,平昌冬奥会上各大转播机构采用了最新的8K和VR技术,在部分赛事项目试点

5G网络传输,给观众带来身临其境的现场参与感。

3.1.3 技术方案

8K 视频直播对于计算、存储、网络的考验超过以往所有的视频应用,要完成高质量的8K直播,需要考虑视频制作、视频传输、视频播放等各个环节面临的问题,需要强大的计算能力和存储能力。

a) 视频制作:8K超高清的视频原始数据量巨大,达到72 Gbit/s。通过JVC SHV摄像机视频采集的结果来看,长度为1 min左右的7 680×4 320分辨率视频,需占用 194 GB 存储空间。需要应用到全新的硬件编码设备和编码芯片,目前面向8K视频应用的编解码标准尚未制定,商用产品缺失。

b) 视频传输:网络传输是互联网直播的生命线,拥有稳定高速的网络才能实现高质量、长距离的直播视频流传输。8K视频码率超140 Mbit/s,超出4G通信最高传输速率,在移动网络环境下,需采用5G网络承载,同样,千兆宽带也可支持高码率视频的在线播放。

c) 视频播放:要完整体验 8K 视频带来的超高清画质,需要强大的视频播放端能力。目前,超高清视频芯片、面板配套自给率较低,机顶盒刚进入全4K商用阶段,支持8K解码能力的芯片尚处于研发阶段。

d) 计算能力:为了保障8K推流的顺畅,需要强大的硬件服务器,在推流服务器、直播注册送彩金不限id论坛承载高性能计算。

e) 存储能力:8K视频的转码系统,需要高吞吐的存储系统支持,同时也需要低成本的存储满足后续的分发和长期存储。

如图 1所示,中国联通以 5G+8K直播方案为研究基础,加快组织产业链各环验证,提出中国联通8K端到端解决方案,推进8K标准体系研究,力争国际发声,加强行业影响力,同时,依托中国超高清产业联盟、北京8K协同创新注册送彩金不限id论坛等平台,借鉴NHK 8K转播车成功实践经验,为国内首台8K转播车的研发应用提供强有力的基础网络保障。

 

图1 5G+8K视频直播技术

3.2 云VR

3.2.1 简介

虚拟现实的云化(Cloud VR)是将云计算、云渲染的理念及技术引入到 VR 业务应用中,借助高速稳定的网络,将云端的显示输出和声音输出等经过编码压缩后传输到用户的终端设备,实现VR业务内容上云、渲染上云。

基于云VR平台架构,VR应用运行与应用展现是分离的,云端完成应用处理和结果下发,VR眼镜仅需要实现最基础的视频解码、呈现、控制信令接收和上传,而不需要处理与实际业务相关的计算,大大简化了 VR眼镜的内部结构和性能需求,大幅降低终端成本,可有效推动VR普及,同时提升内容质量。但云VR对网络的带宽、时延、云渲染等能力也提出了高要求。目前从固网角度,10GPON 结合未来家庭 Wi-Fi 组网方案,可有效满足固定场景用户的VR业务需求;从移动网络角度,5G 网络技术的发展也将解决移网用户的

VR业务需求问题。

云VR业务应用场景丰富,产业潜力很大,如果能广泛应用,将给人们的生活和生产方式带来革命性变化。如表 1所示,中国信通院、华为 Lab、华为 C&SI商业咨询部在 VR 产业研究及海内外行业洞察过程中,将云VR场景划分为云VR 2C应用场景和云VR 2B 应用场景两大类,共17个场景。

表1 云VR应用场景

3.2.2 应用现状

目前国内外 VR 产业在内容、网络、终端、芯片和显示屏等多个相关领域涌现出一批核心企业,并不断推出新产品、新技术以提升VR用户体验。云VR以用户基数、用户使用频度、内容成熟度、用户体验、云化进程、产业成熟度等为主线,可被划分为 3个阶段:近期云化、中期云化、远期云化(见图2)。

图2 云VR发展阶段

云VR 现阶段处于近期云化阶段,近期云化阶段的特点是:场景已经支持终端无绳化、内容上云、实时渲染计算上云,产业成熟度高,用户使用频度高,有比较好的用户基础;终端种类丰富;既有传统内容的新体验,又有云 VR 直播和视频高沉浸感和强临场感的体验。这个阶段的场景可以作为视频的延伸,培养用户的 VR 习惯。云 VR 巨幕影院、云 VR 直播、云 VR 360° 视频、云 VR游戏 4个场景已经支持云化,只要云业务平台把业务开展起来,用户就能规模使用场景。

中期云化阶段和远期云化阶段将分别在未来的 1~3年和3年以上完成。

3.2.3 运营方案

一项新业务的引入及推广必须有明确的业务商业模式。VR作为当前及未来热门的超高清视频应用之一,从长远发展来看,中国联通将其作为重点业务引入是必然,但仍然需要发掘清晰的商业模式,才能使VR 业务快速、良性发展。

基于云VR 方案,中国联通针对 VR 业务,应当首先搭建VR资源统一管理平台,引入VR各项热点业务内容及资源,实现高效的统一管理,并统一分发给最终用户,在该框架下,面向最终用户的VR业务商业模式包含以下几种思路。

a)面向行业用户的一站式VR解决方案。

b)面向个人用户的VR业务服务。

c)面向企业的VR资源能力开放。

d)其他服务能力。

电信运营商充分发挥大管道优势、平台基础优势、用户优势、接入网资源优势,吸引优质的VR服务提供商、VR终端厂商、VR内容商等加入生态链,通过渲染等计算云化,凭借强大的网络保证渲染云和用户终端之间的带宽和时延的要求,同时降低VR终端成本,让广大用户消费得起VR。运营方案如图3所示。

a) 平台基础:IPTV平台已具备标准化接口,支持其他应用对接,具备端到端业务能力;云 VR 直播、云 VR 视频、云 VR 巨幕影院与现有平台的技术兼容性好,可用当前现有视频编码流媒体传输技术。接着与VR伙伴合作,构建实时渲染云计算平台,引入更丰富的云VR场景增加用户黏性。

图3 云VR运营方案

b) 聚合内容:内容是云 VR 关键竞争力,可以由 VR 内容提供商混编,构建云 VR 产品体系,由运营商打包捆绑销售。

c) 网络支持:云VR业务对体验要求高,对网络的要求也较高,运营商有网络解决方案优势和网络基础,可以较好地解决带宽、时延等问题。

d) 用户基数:运营商在家庭和企业领域有广阔的用户基础,培养用户 VR 习惯,有牵引用户消费 VR 的基础。

3.2.4 网络技术方案

云VR业务的发展以体验为主线,是画质、交互感等不断提升、沉浸感越来越好的演进过程。传输技术和网络技术的匹配度决定了云VR沉浸体验能达到的程度。笔者认为,云 VR 业务体验提升的演进可经历如下 4个阶段:发展早期阶段、入门体验阶段、进阶体验阶段和极致体验阶段。对于每个阶段的终端、内容、体验、网络以及商用到来时间点进行预判。

不同的交互形式带来了不同的网络需求。VR业务所需要的网络,关键在于保障 VR 业务的每一次交互体验。弱交互VR主要是对网络的带宽提出了较高要求;而强交互 VR 则对网络的带宽和时延等同时提出了较高要求。如图4所示,基于云VR方案,其核心在于VR业务对网络带宽、时延的高要求以及对云渲染资源的要求。未来随着 5G网络的规模化部署,基于5G边缘云的云VR方案有望成为VR业务核心解决方案。

利用5G MEC资源,在本地DC、边缘DC、接入局房等多位置搭建云渲染资源节点,支撑广大移动网络用户对于VR实时渲染业务的需求;同时利用5G MEC建立 vCDN 资源,并结合 5G 网络切片技术,开辟独立的网络资源,实现 5G 承载 IPTV 业务。考虑云渲染资源昂贵的建设费用,为了实现充分的资源共享并兼顾时延要求,将本地 DC 的云渲染资源开放共享给宽带网络,支撑宽带网络用户的VR业务需求。

在接入侧,充分利用固移融合技术,实现用户VR 业务在移动网络、家庭宽带网络的自由接入,并实现固移网络之间的业务无缝切换。

4、前景展望

随着 5G 技术标准的加速完善,以及全球 5G 预商用测试的深入开展,5G 已经不再是一个未来概念,它将更为广泛地应用在未来的工作与生活中,构造出连接世界、连接万物的模式,5G的大连接、低时延、高速率等特性,以及云化、切片化的网络形态将成为产业数字化转型的重要驱动力。

图4 云VR网络架构

在这些产业中,超高清视频和VR是5G发展战略的核心应用,将成为运营商eMBB业务的中流砥柱,为 5G 未来发展提供强劲的动力和保障。5G+视频工作需要在 ITU、3GPP 等国际标准化组织的大框架下开展,充分考虑国内产业发展现状,联合产学研用各方力量稳步推进。

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[16] 陈江华 . 5G移动通信发展趋势与若干关键技术分析[J]. 科技信息,2017(5).

作者简介:

李洁,工程师,硕士,主要从事家庭互联网业务技术研究相关工作;林鹏,工程师,硕士,主要从事家庭互联网业务技术研究相关工作;王宇,助理工程师,硕士,主要从事视频技术研究工作;张沛,高级工程师,博士,主要从事宽带接入网及家庭互联网的研究工作;朱常波,中讯邮电咨询设计院有限公司、中国联通网络技术研究院副总经理,高级经济师,博士,主要从事总师技术支撑及科研管理工作。

作者:李 洁,林 鹏,王 宇,张 沛,朱常波   来源:《邮电设计技术》

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