5G網傳輸超高清視頻的方案及應用

　　摘    要：　隨著我國5G網絡建設的推進，4K超高清視頻在現有網絡中傳輸遇到的問題有望通過5G解決，本文介紹了5G網絡傳輸4K超高清視頻的方案，并結合實際應用案例進行了分析說明。

　　關鍵詞：　5G; 4K; 傳輸方案;

　　1 、引言

　　超高清視頻的幀率高、數據流量大，對網絡要求較高，而4G網絡時延較高、傳輸帶寬較小，用4G網絡來傳輸超高清視頻比較困難。而5G網絡時延低、傳輸帶寬大，各種關鍵技術都可以滿足超高清視頻傳輸的技術指標。如何利用不同運營商的5G網絡來實現高清晰度圖像處理和超高清視頻的傳輸，以及哪種傳輸方案更有優勢，將是本文關注的重點。

　　2 、超高清視頻技術和5G網絡組網特點

　　2.1、 超高清視頻技術

　　2.1.1、 視頻編解碼技術

　　4K與8K超高清信號的數據量非常大，因此攝像機采集的超高清視頻信號需要進行編碼處理，然后才能上傳到核心網，解碼器從核心網收到數據包后也要做解碼處理。下面介紹三種超高清視頻編解碼技術，這三種技術各有各的特點和適合的應用范圍。

　　(1)HEVC

　　HEVC（高效率視頻編碼）適用范圍大，但是算法復雜度高，專利費貴，不適宜大范圍推廣，主要用于電視廣播和光碟存儲等方面。同時，4K與8K的超高清視頻都可以使用HEVC進行壓縮編碼。
 

　　(2)VP9

　　VP9是一種新的開源視頻編解碼方式，可以支持HTML5（超文本5.0）標準瀏覽器，但是適用范圍有限，而且對移動設備支持更好。HEVC與VP9在視頻編碼技術和視頻編碼的效率這兩個方面是相當接近的。VP9完全免費，受到很多廠商青睞。

　　(3)AVS2

　　AVS2與HEVC壓縮效果相當，主要適用于場景視頻編碼領域，但是目前國際化程度不高，還需進一步發展。

　　2.1.2、 傳輸碼率

　　傳輸碼率是數據傳輸時單位時間內傳送的數據位數。在一段時間內，取樣的頻率越高，傳輸碼率越大，傳輸速度越快，就越有高精度，處理出來的文件就越接近原始文件。像全4K超高清視頻的傳輸碼率需要達到20～50Mbps，經過各種視頻編碼技術編碼之后，4K HDR（高動態光照渲染）需要45～60Mbps,8K傳輸碼率需要達到100Mbps。

　　2.2 、5G網絡組網特點

　　2.2.1 、廣電5G組網特點

　　在組網結構上，廣電5G可以選擇大塔和小塔聯合組網結構，可以更好地讓各地區覆蓋5G，也能針對各個地區的不同情況選擇不同的組網方案。這種組網方案中，5G低頻段處（700MHz）的廣播采用大塔來進行，大塔主要提供廣電以前的廣播業務；5G中頻段處（4.9GHz）采用小塔來進行，主要負責5G的廣播和通信業務。進而廣電的廣播和通信相輔相成，共同建成廣電5G新一代網絡結構，共同推動廣電5G發展。

　　2.2.2、 電信運營商5G網絡組網特點

　　(1）中國移動

　　中國移動現在的傳輸承載網絡是PTN（分組傳送網）網絡，通過增加FLex E（靈活以太網）接口、Flex E交叉、SR（分段路由）等新技術，從而組成新的5G傳輸承載方案，也就是中國移動現在主導的SPN方案。新增加的技術和SPN（切片分組）方案使得中國移動的5G移動通信網絡帶寬大、時延低，可以解決現有4G網絡的帶寬不足、傳輸速率低、時延高的問題。

　　(2）中國電信

　　中國電信目前的4G傳輸網絡采用的是IP RAN(IP化的無線接入網）設備，通過引入與SPN網絡相似的FLex E接口、SR等技術，構建增強型IP RAN方案。增加了網絡切片技術的5G傳輸承載方案比沒有這種技術的4G網絡更加靈活。當遇到需要極低時延的業務時，可以再增強IP RAN繼續加強和改進。

　　圖1 超高清視頻傳輸整體框圖

　　圖2 超高清視頻傳輸前端設計

　　圖3 廣電5G傳輸線路

　　(3）中國聯通

　　中國聯通的5G承載方案與4G相比并沒有明顯的創新點。聯通的5G傳輸承載方案為UTN2.0方案，主要的技術變化是在前傳采用G.Metro技術，中傳引入高速率以太網接口，回傳疊加波分。隨著5G的建設慢慢改進現有的傳輸方案。

　　3、 5G網傳輸超高清視頻方案

　　3.1、 傳輸架構

　　3.1.1 、整體設計

　　如圖1所示，超高清視頻經存儲設備傳輸出來，編碼器對收到的超高清視頻進行壓縮編碼，再對圖像進行一系列處理形成1380bit左右的數據包，CPE（華為5G無線終端接入設備）接收數據包并形成數據流，通過5G基站多輸入多輸出發射通道發送，將其上傳到各自運營商的核心網。接收端的5G CPE將核心網下行的數據包接收，轉發到解碼器。根據編碼器選擇的編碼方式解碼，發送到終端進行顯示。

　　3.1.2、 前端設計

　　超高清視頻傳輸前端設計如圖2所示。要選擇符合我國4K超高清視頻標準（空間分辨率為3840×2160，幀率為50p、量化深度10bit、色域BT.2020、HDR標準/HLG）的攝像機來采集視頻，并根據超高清視頻清晰度、應用場景及制作成本等選擇適合的編碼方式。例如，電視廣播和光碟存儲，比較適合采用HEVC編碼方式，而且因為4K和8K超高清視頻HEVC都可以進行壓縮處理，所以不需要考慮清晰度對編碼方式的影響；移動設備的標準瀏覽器中的超高清視頻可以選擇VP9編碼方式；如果是場景視頻，選擇AVS2編碼方式可以很好地進行壓縮編碼。選擇不同的編碼方式，編碼之后輸出的碼流是不一樣的。5G CPE接收數據包采用UDP（不可靠傳輸協議）協議將其利用5G基站的天線發射出去。

　　3.1.3 、線路設計

　　(1）廣電5G網傳輸線路

　　如圖3所示，廣電5G基站接收來自5G CPE的數據包，傳輸到基站天線。5G基站天線具有64個發射通道和64個接收通道，利用這64個發射通道廣播發送到廣電的大塔和小塔。大塔進行信號調制后，將數據包利用IP多播數據傳輸到多個發射機，發射機將大塔廣播業務數據廣播發射形成大塔外場發射信號。小塔將接收到的小塔廣播業務數據包進行基帶信號處理和射頻信號處理，然后經過發射機形成小塔外場發射信號。大塔外場發射信號和小塔外場發射信號分別利用最有優勢的廣電5G通信網和廣播網，基本協同和增強協同上傳到廣電5G核心網。

　　(2）電信運營商5G網傳輸線路

　　如圖4所示，電信運營商5G基站接收來自5G CPE的數據包，傳輸到基站天線。5G基站發送原理及鏈路相似，數據包在RRU（射頻拉遠單元）中完成中頻信號到射頻信號的變化，再進行功率放大和濾波，然后通過基站發射通道用天線發射出去，到達BBU（室內基帶處理單元）。在BBU中，對射頻信號進行基帶處理，通過電信運營商的匯聚機房和核心機房上傳到各自的核心網。

　　3.1.4、 終端設計

　　如圖5所示，顯示終端上要選擇支持4K或8K超高清視頻，在本方案中選擇4K超高清電視機和5G手機。5G CPE接收來自核心網的數據包，并傳輸到解碼器運用對應的解碼方式解碼，形成超高清視頻數據包，再廣播發送到4K超高清電視機和5G手機。

　　3.2 、網絡性能

　　(1）時延

　　5G網絡的時延主要有3部分，空口接入時延和承載網時延約各占總時延的四分之一，核心網時延約占二分之一，所以降低時延主要是降低空口接入時延和承載網時延。在空口傳輸、承載網傳輸和核心網上的節點上設置專業的5G測試設備，專門用來實時監測各節點傳輸時延。

　　(2）傳輸速率

　　通過5G手機終端，可以在5G手機開啟實時網速監測，在通知欄觀察實時傳輸速率。傳輸速率大于40Mbps就可以正常傳輸。

　　(3）丟包

　　若4K超高清電視機或者5G手機顯示端沒有出現花屏現象，則說明沒有丟包；若出現花屏現象，則說明傳輸過程中出現丟包現象，此方案設計不合理，需增加新的技術以提高傳輸速率。

　　3.3 、組網特點

　　(1）傳輸速率

　　廣電網絡的帶寬約為100MHz,700MHz頻段覆蓋時，網絡邊緣速率為上行5Mbps、下行20Mbps，在需要高速率的場景下增加4.9GHz頻段的熱點覆蓋，4.9GHz邊緣速率為上行5Mbps、下行50Mbps。

　　中國移動5G頻段號為n41，頻率范圍為2515～2675MHz，此頻率帶寬為160MHz；另一個頻段號為n79，頻率范圍為4800～4900MHz，此頻率帶寬為100MHz。中國電信和中國聯通頻率范圍為3500～3600MHz，此頻率帶寬為100MHz。

　　圖4 電信運營商5G傳輸鏈路

　　圖5 超高清視頻傳輸終端設計

　　4K視頻傳輸速率最高40Mbps,8K視頻傳輸速率為100Mbps，四大運營商的傳輸網絡下行峰值20Gbps、上行峰值10Gbps，可以滿足超高清視頻要求的傳輸速率。

　　(2）時延

　　不論是中國廣電5G網還是電信運營商的5G網，不論是獨立組網還是非獨立組網，都采用了邊緣計算、網絡切片、新型幀結構等技術，使得5G網絡時延低于1ms，數據包在整合時可以順利解碼，完成超高清圖像處理和應用。電信運營商在原本時延低的基礎上又采用Flex E技術和M-OTN（面向移動承載優化的OTN）技術來降低時延。

　　(3）丟包率

　　電信運營商采用SR（分段路由技術）、高精度時間技術等，都可以提高穩定性和可靠性。5G網絡建設中采用的大規模多輸入多輸出技術也可以提高可靠性。

　　廣電5G網絡中大塔小塔聯合組網架構，從理論上可以使傳輸過程中不出現丟包現象，而且在通信過程中還有SRT協議強大糾錯，從而使得超高清視頻傳輸不會發生花屏現象。

　　4 、5G網傳輸超高清視頻的應用

　　4.1、 2019年世界軍運會直播

　　世界軍人運動會在2019年通過5G通信技術完成了4K超高清視頻直播測試、比賽的顯示，并通過5G網絡回傳到IBC（國家廣播中心）。設計方案要求時延低于1ms，傳輸速率為40Mbps且不出現丟包，在顯示設備上超高清視頻可以正常顯示且觀眾體驗感良好。

　　圖6 軍運會傳輸架構圖

　　如圖6所示，中國移動采用2.6GHz頻段，運用獨立組網架構，將編碼之后的數據包上傳到中國移動核心網；中國聯通采用3.5GHz頻段，運用非獨立組網架構將數據包上傳到中國聯通核心網。獨立組網的性能比非獨立組網更好，所以采用三組傳輸線路，分別是2路移動和1路聯通傳輸。由于聯通使用空口傳輸，要比使用專線傳輸時延高20ms，而中國移動的時延為17ms，所以在上傳過程中，采用Flex E技術和M-OTN技術把時延降低。因為傳輸距離長且地形復雜，為了解決波動問題，增加SR和高精度時間技術，從而將波動降到最低甚至不波動，保證了數據傳輸的可靠性。

　　4.2 、武漢網球公開賽直播

　　武漢網球公開賽在2019年實現了4K超高清視頻制作和5G傳輸的應用，以及5G電視直播連線。設計方案要求傳輸過程時延低于1ms，傳輸速率穩定且為50Mbps且不出現丟包，在顯示設備上超高清視頻可以正常顯示且觀眾體驗感良好。

　　如圖7所示，電視信號由5G終端輸出，經過5G基站、骨干傳輸網上傳到5G核心網，直接連通湖北電視大樓演播室。這次5G應用實驗的組網模式為廣電獨立組網。SA組網很大程度上可以支持5G網絡海量設備接入和低延時，這是SA很大的一個優勢。湖北移動公司提供網絡鏈路傳輸服務，中興公司提供端到端的5G網絡設備和技術，并且運用了D2D技術。

　　編碼器對4K信號進行HEVC方式編碼壓縮后，采用50Mbps的碼率進行數據發送，經過實例測試顯示，接收端測試設備數據傳輸速率穩定在50Mbps，并且一直在穩定接收，最后輸出畫面也流暢無卡頓。用5G網絡傳輸4K超高清視頻信號傳輸實驗成功，也成功進行了5G直播連線，直播考驗的是5G網絡傳輸的穩定性，最后直播連線圓滿完成，也再一次印證5G網絡的可靠性。

　　圖7 武漢網球公開賽傳輸架構圖

　　5 、結語

　　5G通信技術滿足了超高清視頻傳輸對時延、帶寬、傳輸速率、丟包率的要求，在傳輸過程中應用各項技術降低時延，使得路由轉發變得更為簡單，傳輸速率達到超高清視頻傳輸的最大要求，不會出現數據包傳輸不及時的情況。在SRT協議下保證了傳輸效率，即使在用網高峰期也不會出現搶占帶寬的問題，即便出現數據包丟失，也可以利用強大的糾錯能力完成數據包的恢復。