5G 4K直播SLA研究 白皮书 联合编著 华为 Wireless X Labs 中国联合网络通信集团有限公司 高骏 ( 北京 ) 科技有限公司 北京数码视讯科技股份有限公司

5G 4K直播SLA研究 白皮书 联合编著 华为 Wireless X Labs 中国联合网络通信集团有限公司 高骏 ( 北京 ) 科技有限公司 北京数码视讯科技股份有限公司

摘要 本文描述了超高清视频直播的应用趋势 发展现状和面临挑战, 并结合 5G 技术, 给出 5G 4K 直播业务的应用场景 解决方案 更进一步, 基于 4K 直播主流协议, 深入分析业务原理, 针对 4K 直播业务出现的失真 花屏 卡顿等质量问题, 通过 SLA 建模, 在 IP 报文级 视频帧级进行分析评估, 定义业务 SLA, 并根据 4K 直播业务的可靠性要求, 提出 4K 直播业务安全区概念, 给出 4K 直播对 5G 无线网络上行速率和网络稳定性的要求和运营商建网建议, 使能 5G 网络下超高清视频直播业务随时随地稳定回传 [5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 ] 目录 01 超高清视频业务发展分析 /P01 1.1 超高清视频的产业发展 01 1.2 超高清视频直播的应用趋势 02 1.3 超高清视频直播发展现状和挑战 03 02 5G 4K 直播的应用场景和解决方案 /P04 2.1 应用场景 04 2.2 解决方案 05 2.3 可靠性分析 06 03 5G 4K 直播业务的无线网络要求 /P08 3.1 4K 直播对 5G 网络速率要求 08 3.2 4K 直播对 5G 网络稳定性要求 08 04 5G 4K 直播业务应用阶段 /P10 4.1 探索阶段 10 4.2 应用阶段 10 4.3 繁荣阶段 11 05 总结和展望 /P12 06 参考文献 /P13 07 联合编写单位 /P14

超高清视频业务发展分析 01 超高清视频业务发展分析 1.1 超高清视频的产业发展 近年来, 媒体行业的发展迅猛, 年复合增长率持续保持两位数增长, 其中新媒体 ( 互联网及移动互联网 ) 在媒体总产业 体量的占比已提升至 60%+,2018 年起, 中国传媒产业总规模超过 2 万亿元 图 1-1 中国媒体产业发展趋势 25000 传媒产业总值传媒产业增长率 GDP 增长率 30.00% 20000 18966.7 20959.5 25.00% 15000 10000 7503.3 9433.4 10619.2 12359.1 13599.9 16270.5 20.00% 15.00% 10.00% 5000 5.00% 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 0.00% 来源 : 中国传媒产业发展报告 (2019) 通信技术发展带动新媒体行业体验进一步提升, 视频类业务成为主流媒体形式 视频类业务在技术上也不断发展 : 图像分辨率由高清发展到 4K 8K; 视场角向 VR 自由视角发展, 对通信网络带宽提出更高的要求 ; 而交互类业务对网络传输提出更短时延的要求 超高清视频是未来新媒体行业的基础业务, 广电媒体和互联网媒体都在积极布局超高清视频直播业务 信息视频化 视频超高清化 已经成为全球信息产业发展的大趋势 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 01

超高清视频业务发展分析 1.2 超高清视频直播的应用趋势 5G 时代的视频, 无论是直播 点播, 还是行业应用的视频业务, 图像分辨率都将演进到 4K/8K, 提升信息传递和图像识别的用户体验, 并逐渐实现专业媒体超高清视频直播移动化 2019 年 3 月 1 日, 工业和信息化部 广播电视总局 中央广播电视总台联合发布 超高清视频产业发展行动计划 (2019-2022 年 ), 对超高清视频涉及的拍摄 制作 传输 终端 电视 面板 芯片端到端产业链进行整体推动, 超高清内容生产成为重中之重 除了不断提高图像分辨率, 全球主流专业媒体也都在开展移动直播业务, 以满足观众丰富的直播体验需求 而且多种多样的直播场景都有急迫的移动需求, 如世界杯等体育赛事, 观众希望部署更多移动的机位以提供更多视角, 获得更好的观看体验 ; 面对各类突发事件, 新闻报道也需要快速部署的最佳直播位 02 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

超高清视频业务发展分析 1.3 超高清视频直播发展现状和挑战 到 2022 年, 预计超高清视频点播 IP 流量将占全球 IP 视频流量的 22%, 随着网络速率的提升 应用终端的逐步完善, 移动互联网和产业互联网正在向超高清化快速演进, 专业媒体超高清直播前景广阔 立足现实, 当前直播还面临超高清化和移动化两大挑战 : 挑战一 : 已实现超高清直播场景, 未实现移动化 图 1-2 传统超高清视频直播组网架构 SDI/IP 有线接口 卫星链路 导播车现场 4K 摄像机微波链路演播室转播分发光纤链路 目前体育赛事等大型活动多采用固定机位进行超高清直播, 使用 SDI 同轴线缆或微波点到点连接回传到导播设备, 这种 有线的超高清视频回传方案, 远远达不到移动性的要求 挑战二 : 已实现移动直播的场景, 未实现超高清 图 1-3 4G 高清视频移动直播组网架构 回电视台 现场 摄像机 4G 高清背包 导播转播分发 某全球 TOP 直播服务商实测平均上行链路的视频采集速度已达到 4.5Mbps, 而发达地区平均达 9Mbps, 然而要满足较高质 量的 4K 直播, 以 CCTV 4K 制作典型码率 40M 为例, 上行速率至少要达到 50Mbps, 满足 8K 则需要 100Mbps 表 1-1 不同应用场景的超高清视频直播业务要求 分辨率 码率 带宽 1080p 6-8Mbps 7-10Mbps 4K 30-60Mbps 40-80Mbps 8K 80-180Mbps 100-220Mbps 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 03

5G 4K 直播的应用场景和解决方案 02 5G 4K 直播的应用场景和解决方案 2.1 应用场景 超高清视频直播是指基于 5G 网络, 通过 4K 等技术应用, 对体育赛事 演唱会等大型活动场景进行直播, 或后期制作成点播节目推送给家庭 / 个人用户, 带给用户沉浸式的临场感, 为用户带来更好的视听觉和交互体验,4K 直播必将成为未来的大型赛事 演唱会的视频直播标准 超高清视频直播对网络环境的要求较高, 不仅分辨率要达到 4K 甚至 8K, 帧率要求 50 帧 / 秒以上, 图像量化精度提升到 10 比特, 同时图像增加 HDR 标准 如此巨大的数据传输量, 对带宽要求非常高,5G 技术的商用自然成为超高清视频直播的重要推手 华为无线应用场景实验室 (X Labs) 对 5G 4K 直播的应用场景洞察研究表明, 将 4K 直播广泛覆盖的新闻 体育赛事 综艺活动 纪录片 真人秀等多个媒体场景, 按实时性和移动性的不同要求进行分类 : 新闻 体育赛事等报道, 实时性要求高, 需在相对广域的范围内移动直播 ; 相比之下, 综艺活动 演唱会等场景, 实时性要求也比较高, 但移动范围相对固定 ; 而非直播类的纪录片 真人秀等录制场景, 实时性要求较低, 但需保证广域范围内的移动性 图 2-1 超高清视频直播应用场景分类 广域移动 专题纪录片 真人秀 体育赛事 新闻 非实时 综艺 / 重大活动 实时性 演唱会 / 发布会 局域移动 来源 : 华为 X Labs 应用场景洞察报告 04 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

5G 4K 直播的应用场景和解决方案 表 2-1 不同应用场景的超高清视频直播业务要求 (X Labs 洞察研究 ) 场景 清晰度时延 ( 摄像机至导播监控屏幕 ) 理想最低理想最低 新闻 ( 现场连线 ) 4K 30fps 1080 30fps 1s 2s 体育赛事 ( 高速运动抓拍机位 ) 4K 50fps 1080 30fps 2s 6s 综艺 / 重大节目 4K 50fps 1080 30fps 2s 6s 演唱会 4K 50fps 1080 30fps 2s 6s 真人秀 4K 50fps 1080 30fps 10s 120s 专题记录片 4K 50fps 1080 30fps 10s 120s 2.2 解决方案 5G 网络使能各类场景的 4K 直播, 解决移动性和超高清回传两大挑战 大带宽 低时延的特性能够同时保证不同场景对实 时性和移动性的各种要求 图 2-2 5G 4K 直播解决方案 现场 媒体中心 重大事件 / 活动如 G20 春晚 摄像机 大于 12 机位 SDI 信号 : 12Gbps IP: 40Mbps IP: 40Mbps 采编卫星车 ( 可选 ) 直播背包导播台 小型活动如龙舟赛 摄像机 小于 12 机位 采 SDI 信号 : 12Gbps 直播背包 IP: 40Mbps 电视台制作及广电分发网络 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 05

5G 4K 直播的应用场景和解决方案 4K 直播回传需要上行传输带宽高达 40-80Mbps,5G 网络能够为超高清视频提供稳定的实时传输能力, 比传统线缆传输更加灵活, 不受空间的限制, 能满足更灵活的超高清视频传输需求 在各类大型直播应用中,5G 网络可代替 SDI 线缆传输视频流, 如图 2-2 红色曲线所示 :4K 摄像机采集的原始视频流进入直播背包等编码推流设备, 编码后转换成 IP 数据流, 通过内置的 5G 模组或外接的 5G 终端 (CPE 手机) 将视频数据转发给 5G 基站 5G 基站通过核心网, 把视频数据传送到导播车, 再通过卫星或微波后传给电视台视频服务器, 进行导播编辑 存储, 并通过多种方式发给视频显示终端 5G 网络也可以将 4K 视频流直接传输到电视台, 如图 2-2 蓝色曲线所示 :4K 摄像机采集的原始视频流进入直播背包等编码推流设备, 编码后转换成 IP 数据流, 通过内置的 5G 模组或外接的 5G 终端 (CPE 手机) 将视频数据转发给 5G 基站,5G 基站通过核心网, 把视频数据直接传给电视台视频服务器, 进行导播编辑 存储, 并通过多种方式发给视频显示终端 2.3 可靠性分析 结合 2.1 章节超高清视频直播在不同应用场景下对端到端时延的要求, 专业媒体在涉及现场连线的新闻直播等场景, 对于 5G 4K 直播提出端到端 ( 摄像机到导播监控屏 ) 时延 1s 的诉求 为了满足该要求, 扣除视频编解码的时延后, 业务传输 容忍时延小于 390ms, 即在该范围内, 指定码率下的 4K 直播业务不出现花屏 卡顿 图 2-3 5G 4K 直播端到端时延要求 E2E 直播时延 1s 5G 能够满足超高清直播传输需求 分辨率码率带宽编解码时延业务传输容忍时延 ( 含多次重传 ) 4K 30-60M 40-80M 400-600ms 390ms SDI 模拟信号 4K 摄像机 直播背包 5G NR 承载网 核心网 电视台媒体云 解码 导播 从无线传输可靠性的角度,5G 网络要保证视频帧的传输成功率, 即经过信道 QoS 策略 ARQ 等机制后, 不出现丢帧 ( 导 致花屏 卡顿等 ) 06 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

5G 4K 直播的应用场景和解决方案 按照 4K 直播码率 40M 帧率 50fps 的要求, 不同业务可靠性下的丢帧间隔如下 : 表 2-2 5G 4K 直播业务可靠性分析 (X Labs 研究数据 ) 帧成功率 ( 业务可靠性 ) 丢帧率平均丢帧间隔接受度 99.99% 1/10000 200 秒 3.3 分钟不可接受 99.999% 1/100000 2000 秒 33 分钟新媒体可接受标准 99.9999% 1/1000000 20000 秒 5 小时广电级可接受标准 99.99999% 1/10000000 200000 秒 55 小时广电级理想标准 可以看出, 帧成功率大于 99.9999% 时, 平均丢帧间隔 5 小时 4K 直播业务测试发现, 码率 40M 帧率 50fps 的视频, 每 秒发包约 5000 个, 因此帧成功率 99.9999% 对应的包成功率需要达到 99.999999% 广电媒体行业普遍使用的互联网流传输协议 (Reliable Internet Stream Transport,RIST) 和 SRT(Secure Reliable Transport,SRT) 协议, 均基于 UDP 协议, 采用 ARQ 快速重传机制, 对抗超高清视频传输中可能遇到的网络质量波动, 因此超高清视频传输的可靠性与重传次数 单次 RTT 单次丢包率这些因素息息相关 表 2-3 广电媒体 4K 直播业务主流协议分析 协议 类型 QoS 机制 快速重传检测 业务传输容忍时延 RIST 兼容标准 RTP,Over UDP ARQ, 不支持 FEC 支持, 厂家实现差异大 支持 SRT RUDP ARQ, 不支持 FEC 支持, 厂家实现无差异 支持 X Labs 以 SRT 协议为例, 对 4K 直播业务 SLA 建模分析, 推导出业务传输容忍时延与丢包率 时延 (RTT) 的理论关系 : T latency = N*(T RTT +T1)+T RTT /2 其中 :T latency : 业务传输容忍时延,N: 重传次数,Loss: 单次丢包率,T RTT : 单次往返时延,T1: 快速重传检测时间 (SRT 协议 :T RTT <40ms,T1=20ms;T RTT 40ms,T1=T RTT /2) 重传次数与单次丢包率有关, 从可靠性要求的角度有如下关系 : 1-loss N+1 0.99999999(8 个 9) 由以上两个公式换算得到单次丢包率 单次往返时延和业务传输容忍时延的关系 : T latency (log loss 10-8 -0.5)*(T RTT +T1)-T1/2 因此, 评估 4K 直播在 5G 网络下的传输可靠性, 除了与网络上行速率密切相关之外, 网络的丢包率 时延等关键因素也会直接影响业务质量 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 07

5G 4K 直播业务的无线网络要求 03 5G 4K 直播业务的无线网络要求 3.1 4K 直播对 5G 网络速率要求 4K 直播对 5G 上行速率要求较高, 单个 4K 视频背包支持多个 5G 链路以负荷分担方式进行链路聚合, 从而降低运营商 5G 建 网要求, 又可实现随时随地通过 5G 进行 4K 直播 表 3-1 4K 直播业务的 5G 上行速率要求及建网建议 ( 来源于 X Labs 实验室测试数据 ) 上行速率指标 5G 速率要求 建网建议 ( 以 3 SIM 卡为例 ) 最低速率 ( 码率 60M) 70Mbps 70/3 24Mbps 最低速率 ( 码率 40M) 50Mbps 50/3 17Mbps 最低速率 ( 码率 30M) 35Mbps 35/3 12Mbps 3.2 4K 直播对 5G 网络稳定性要求 4K 直播除了对 5G 上行速率要求以外, 对 5G 网络的稳定性 ( 主要是时延和丢包率 ) 也有要求 按照广电级 4K 50fps 直播五小时不出现花屏 卡顿的要求, 需要满足帧成功率 99.9999%, 根据 X Labs 的 4K 直播业务 SLA 建模 : 图 3-1 5G 4K 直播业务理论安全区 T latency (log loss 10-8 -0.5)*(T RTT +T1)-T1/2 在满足可靠性要求的前提下, 业务传输容忍时延 单次 时延与丢包率的关系是动态变化的, 阴影部分即为 4K 直 播的理论安全区 08 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

5G 4K 直播业务的无线网络要求 当 Latency 固定, 安全区可简化为丢包率和时延 (RTT) 的二维曲线, 以帧可靠性 99.9999% 为例, 二维安全区曲线如图 3-2 所示, 理论上,5G 网络的丢包率和时延 (RTT) 组成的二维点位落在业务安全曲线以下, 即可保证 4K 直播业务可靠 稳定传输 图 3-2 5G 4K 直播业务安全区 丢包率 0.3 0.25 0.2 0.15 端到端时延 1s 业务可靠性 99.9999% 业务传输容忍时延 390ms 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 时延 (RTT) 不同厂家 4K 视频背包的工程实现有差异, 对丢包率和时延 (RTT) 的单一容忍度各不相同, 根据业界主流设备的表现 : 丢包率容忍度在 10%, 时延 (RTT) 容忍度在 60ms 左右, 因此实际 4K 直播业务安全区如图 3-2 的红色阴影区域 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 09

5G 4K 直播业务应用阶段 04 5G 4K 直播业务应用阶段 4.1 探索阶段 2018 年底, 中央电视台等媒体开始探索使用 5G 网络进行 4K 直播, 在这个阶段,5G 终端的形态以 TUE CPE 为主,4K 编码器通过 CPE 等设备接入 5G 网络 此时, 通信与广播设备对接, 并保证上行速率满足 4K 直播码率要求成为重中之重 中央电视台 2019 年 春晚 成功实现了深圳 长春分会场 4K 直播号通过 5G 网络实时回传 图 4-1 4K 编码器 +CPE 方案应用实例 4.2 应用阶段 随着 5G 技术不断成熟,5G 4K 直播应用越来越广泛, 逐渐从 5G 单小区覆盖范围内的固定机位拍摄, 发展到涉及小区切换的更大活动范围移动机位拍摄 这个阶段开始,5G 手机 背包形态的编码器等轻量化设备投入使用,4K 直播进入小型化设备的应用阶段 图 4-2 背包形态的 4K 编码器 +5G 手机方案 2019 年 10 月 1 日, 中央电视台利用 5G 通讯技术, 对 70 周年国庆阅兵盛况进行 5G 4K 移动机位回传直播, 使用 摄像机 + 编码器 +5G 手机上行推流 轻量化方案, 简化 4K 直播工作模式, 确保 5G 网络上行大带宽 传输低时延 应用高可靠 可以说 4K 直播开始进入规模应用阶段, 能够基于 5G 网络进行多路 跨多小区 长时间连续 4K 直播 10 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

5G 4K 直播业务应用阶段 4.3 繁荣阶段 2019 年第四季度,5G 模组面市, 华为 X Labs 无线应用场景实验室联合多家合作伙伴开始进行 4K 视频背包集成 5G 模组的工作 2020 年 1 月 9 日, 在上海华为 X Labs 无线应用场景实验室, 华为携手行业合作伙伴高骏科技, 完成全球第一个集成 NSA/SA 双模 5G 模组的 4K 视频背包的测试工作, 端到端打通了 5G 网络通信服务 至今, 数码视讯 德力仪器等多家合作伙伴均已完成 4K 视频背包的模组集成工作 图 4-3 业界首款集成 MH5000 模组的 4K 编码器 随着 5G 网络的正式商用和终端模组的不断成熟, 越来越多的背包编码器将通过内置 5G 模组实现一体化, 未来 5G 4K 背包 的硬件设备会进一步减少, 直播背包更轻更小, 续航能力则会不断增强, 标志着 5G 超高清视频直播产业化进程又向前迈出了关键一步 5G 4K 技术将会在多个领域得到更加广泛地应用, 在娱乐 教育 智能家居 远程医疗 智慧交通等方面, 全面推动社会经济发展和效益提升 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 11

总结和展望 05 总结和展望 4K 超高清视频无疑是推动广电行业技术系统和业务流程的一次再造, 覆盖采 编 播 传全业务多环节, 而 5G 网络更是将带来传统媒体向全媒体的跨越,5G 与新媒体行业结合创新应用的需求旺盛, 新媒体行业中 5G 应用的产业生态也逐步成熟 随着 5G 网络的正式商用, 通过新媒体 5G 应用领域的持续创新, 促进基于 5G 网络的各类视频直播 + 制播系统在娱乐 教育 医疗 安防等领域有更广泛的应用 伴随着新媒体行业 5G 应用技术的成熟, 各行业将进入快速发展期, 如体育赛事超高清视频观赛 演唱会 VR 全景视频体验 AR 远程医疗 AR 远程教学 5G 4K 直播技术的结合, 将推进网络能力 业务能力 用户体验的全面升级, 为新时代的智慧生活带来无限可能 12 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书

参考文献 06 参考文献 [1] 2019 中国传媒产业发展报告 (2019.8) [2] 5G 新媒体行业白皮书 (2019.7) [3] 5G+4K 超高清视频产业发展前景展望 电视研究 2019 年第 4 期 ( 总第 353 期 ) [4] 5G 新媒体白皮书 (2019.4) [5] 中国联通全 4K 技术白皮书 (2017.3) [6] https://www.haivision.com/resources/white-paper/ 5G 4K 直播 SLA 研究白皮书 13

联合编写单位 07 联合编写单位 华为 Wireless X Labs 华为 Wireless X Labs 是华为技术有限公司于 2016 年成立的创新平台, 旨在联合运营商 垂直行业 合作伙伴和行业领导者, 共同探索未来移动应用场景, 推动商业和技术创新, 建设开放的生态系统 中国联合网络通信集团有限公司 中国联合网络通信集团有限公司, 拥有覆盖全国 通达世界的通信网络, 积极推进固定网络和移 动网络的宽带化, 为广大用户提供全方位 高品质信息通信服务 高骏 ( 北京 ) 科技有限公司 高骏 ( 北京 ) 科技有限公司, 简称高骏科技, 创立于 2011 年, 始终致力于核心技术和创新性产 品的自主研发, 为客户提供专业的 可信赖的无线视音频传输与通信解决方案 北京数码视讯科技股份有限公司 数码视讯科技集团, 简称数码科技, 是全球首批视频技术服务平台公司, 具有国际领先的产品和 技术能力, 服务全球二十多亿用户 免责声明 本白皮书由华为 X Labs 编写 由于 5G E2E 产业相关技术快速发展, 本白皮书仅做参考, 不能作为投资研究决策的依据, 不能作为道义的 责任的和法律的依据或者凭证, 无论是否已经明示或者暗示 发布方将随时补充 更正和修订有关信息, 但不保证及时发布 对于本报告所提供信息所导致的任何直接的或者间接的投资盈亏后果不承担任何责任 本白皮书版权为华为所有, 未经书面许可, 任何机构和个人不得以任何形式翻版 复制和发布 如引用发布, 需注明出处, 且不得对本报告进行有悖原意的引用 删节和修改 相关问题或建议, 请联系 :XLabs@huawei.com 发布日期 2020-02-18