端到端網絡切片賦能5G+超高清媒體行業

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

相比于4G以人為中心的移動寬帶網絡，5G網絡將實現真正的“萬物互聯”，并締造出規模空前的新興產業，為移動通信帶來無限生機。物聯網擴展了移動通信的服務范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域[1]。智能家居、智能電網、環境監測、智能農業和智能抄表等業務，需要網絡支持海量設備連接和大量小數據包頻發；視頻監測控制和移動醫療等業務對傳輸速率提出了很高的要求；車聯網和工業控制等業務則要求毫秒級的時延和接近100%的可靠性。因此為了滲透到更多的物聯網業務中，5G應具備更強的靈活性和可擴展性，以適應海量的設備連接和多樣化的用戶需求，在滿足移動寬帶的基礎上，以垂直行業需求為導向，構建靈活、動態的網絡，滿足不同行業需求[2]。垂直行業是5G時代重要的業務場景，從傳統以人為中心的服務拓展至以物為中心的服務[3]。

以媒體行業為例，信息傳播最主要的特點是快速性。只有第一時間掌握輿論熱點，第一時間發布權威優質內容，才能更好地引導輿論、引領思想。這對媒體行業的“采、編、發”各環節的效率提出了新的要求，傳統的采集、傳輸等方面能力亟待提升，這主要體現在移動性、帶寬、時延、可靠性和靈活性上，轉型升級已如箭在弦。媒體采集、傳輸環節中的典型場景包括：新聞現場直播（連線）、大型活動的場館直播、大型活動的戶外直播、災害應急直播、節目素材回傳。這幾類場景代表了媒體采集的幾種典型的傳輸和處理需求。本文中我們將重點討論在這些場景中應用端到端網絡切片技術以解決傳輸成本高、傳輸穩定性低、部署周期長等媒體行業共性問題，通過打造一站式“5G超高清行業移動網絡切片”產品及服務，精準匹配行業需求，真正賦能泛在化富媒體應用場景的普及，使能媒體行業采、編、播等全流程生產方式的產業升級。

1 端到端網絡切片基本概念與架構

1.1 網絡切片基本概念

網絡切片是提供特定網絡能力的、端到端的邏輯專用網絡[4]。網絡切片從被提出至今，出現了網絡切片、網絡切片實例、網絡切片類型等多個相關的概念，本節中我們將對這些關鍵概念的定義進行統一總結。

（1）網絡切片。網絡切片是針對業務差異化、多租戶需求提供的一類解決方案技術的統稱，旨在通過功能、性能、隔離、運維等多方面的靈活設計，使得運營商能夠基于垂直行業的需求創建定制化的專用網絡。

（2）網絡切片實例。網絡切片實例是端到端的邏輯網絡，由一組網絡功能、資源及連接關系構成，具體包括接入網、 核心網、承載傳輸網、第三方應用及公有云等多個技術領域。網絡切片實例是網絡運營意義上的邏輯概念。

（3）網絡切片類型。網絡切片類型是用于區分網絡技術的典型差異化特征，5G網絡定義了4種基礎的網絡切片類型，分別是增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、高可靠低時延通信（uRLLC）和車聯網（V2X）[4]。除此之外，切片類型可以進行擴展，適配于不同的業務需求。

1.2 端到端網絡切片的整體架構

垂直行業提供各種類型的、可保證的網絡連接服務，是端到端網絡切片整體架構設計的目標。網絡切片可基于傳統的專有硬件構建，也可基于網絡功能虛擬化（NFV）/軟件定義網絡（SDN）的通用基礎設施構建。為了實現低成本、高效的運營，應盡可能采用統一基礎架構。網絡切片的整體架構由基礎設施層、網絡切片管理層及網絡切片層（運行在基礎設施之上的網絡切片實例）3部分組成，具體如圖1所示。

圖1 端到端網絡切片整體架構

端到端網絡切片整體有如下主要特點：

（1）網絡能力可按需編排，支持不同行業和場景的差異化需求。

（2）切片間業務隔離，通過軟、硬不同程度的切片，實現切片間業務的相互隔離、互不影響，滿足行業對于高安全、高可靠、高隔離性的需求。

（3）切片自動化獨立運營，提供面向運營商和租戶2個不同視角的切片管理器，實現切片端到端生命周期管理和關鍵性能指標（KPI）監測控制運維能力，使能行業像用水用電一樣，做到簡簡單單購買，明明白白消費。

（4）確定性網絡服務等級協議（SLA）/服務質量（QoS）能力，面對不同行業的帶寬、時延、抖動、丟包率等需求，進行差異化+確定性的SLA/QoS保障，真正使得從4G時代的應用適應網絡，轉變為5G時代的網絡適應應用。

2 端到端網絡切片賦能5G+超高清媒體行業的方案

2.1 端到端網絡切片整體方案介紹

為了滿足5G+超高清媒體行業的場景需求，我們設計了整體端到端網絡切片組網方案（如圖2所示）。本方案通過引入5G網絡切片技術，為新業務、新場景提供端到端質量可保證的網絡通信連接，解決了超高清直播互動場景的網絡通信痛點，為高體驗的超高清直播業務開展提供技術支撐，后續可為基于直播的新型互動場景的研發提供技術可能。同時，網絡切片可滿足直播場景對網絡質量的短周期、動態性要求。

圖2 端到端網絡切片組網方案

在技術方案設計上，基于5G網絡切片技術提供網絡質量可保證、隔離、專用的端到端網絡，并服務于此應用場景。直播錄制設備的上行帶寬要求多路，每路超過50 Mbit/s的高帶寬。如果設計增加超高清直播互動，對網絡下行時延的要求為20～500 ms，現有網絡帶寬不足且不穩定，時延不穩定，難以滿足業務場景需求。基于網絡切片技術的專用網絡，將構建接入網、傳輸網和核心網的邏輯專用網絡，可保證此業務的通信質量要求，且不受其他業務的影響，有效解決了網絡能力制約直播體驗及業務發展的弊端。在進行端到端網絡切片設計時，接入網支持eMBB類業務的差異化切片能力，例如，切片級優先級調度、切片級QoS、切片級資源預留（硬隔離）、短時延切片等。未來還將根據標準進展定義支持mMTC和uRLLC全業務切片，進一步提升頻譜效率。傳輸網可以提供豐富的軟、硬切片類型，包括QoS差異化保障、基于信道化子接口的軟隔離、基于靈活以太網（FlexE）的硬隔離；核心網基于服務化架構（SBA），靈活按需組合，提供差異化的切片規格，基于分布式用戶面，可以進一步使能短時延類業務。同時，在端到端網絡切片的解決方案中，提供了移動邊緣計算（MEC）的能力。通過邊緣媒體云服務，節目組和影視劇組可以利用5G的超大帶寬能力將媒資上傳到邊緣媒資庫中，并利用超低空口時延獲取邊緣節點算力進行視頻編輯。邊緣節點也將與臺內媒資庫進行同步，解決了媒體機構素材上傳、存儲、節目制作、備份等需求。導播系統部署在邊緣節點上，以達到充分利用空口的超低延時和超大帶寬的目的，信號制作團隊可以在不影響制作質量的情況下靈活地選擇其制作地點，并且可以大幅度地降低其在導播車等設備上的投入。

在網絡資源平臺的搭建上，基于電信云平臺部署端到端網絡切片網絡與傳統的光纖專網虛擬專用網絡（VPN）相比有效降低了業務上線的周期，達到“周”級的網絡業務開通時長，機動靈活，可以隨時隨地滿足各種直播場景、活動的需求。“動態切片”的實現使直播應用不再受限于專線開通的周期。另外，直播活動時間短，同樣具有快速下線的要求，且僅在高清直播活動舉辦期間申請質量可保證的網絡切片，活動結束后即可下線網絡切片并釋放相關網絡資源，生命周期短，訂購靈活。

在網絡信息采集側，5G背包由于其便攜性、強大的編碼性能和網絡聚合能力，結合無線專線，可在部分場景中替代傳統的轉播車方式，實現媒體直播生產方式的跨越式升級。5G背包可實現4K超高清信號的超低延時編碼，并通過5G網絡將信號穩定傳輸至互動接收器并輸出給臺內系統，從而代替新聞車實現外場的4K畫面回傳。同時，背包上可接收互動接收器返送的實時音視頻信號，從而實現前方記者與后方演播廳的雙向視頻溝通。

本方案中，5G一體化背包可以支持廣電級4K超高清編碼，將12 Gbit/s的4K原始信號進行H.265編碼，輸出40 Mbit/s以上的碼流，支持3 840×2 160分辨率，支持色度格式4∶2∶2，位深10 bit，幀率60 P，支持高動態范圍圖像（HDR），以及BT.2020與BT.709互轉，達到最高的4K電視信號回傳標準。同時，5G背包采用多卡聚合傳輸技術，即背包通過分流策略，將待傳輸的碼流分配到各個網卡上并做冗余傳輸和前向/后向糾錯，從而保障信號傳輸的穩定性。此外，通過5G背包的雙向互動功能，一方面可以極大降低前方的壓力，讓前方隨時了解后方的情況，從而做直播準備；另一方面，可實現問政、兩地連線等視頻交互類節目形式。

2.2 網絡切片的生命周期

圖3給出了端到端網絡切片從需求輸入到最終部署實現的全生命周期流程。

（1）準備階段：網絡切片實例尚不存在，運營商根據規劃和需求進行準備工作。針對高清直播的業務特點，通過Portal界面，并通過多個維度（SLA、時延、帶寬、容量等）定義高清直播業務需求，同時根據業務特點進行網絡原子化功能編排，完成模板設計。

（2）實例化階段：客戶訂購5G超高清直播網絡切片，選擇所需服務和該網絡切片所覆蓋的區域，然后根據需求選擇基礎設施的SLA，付費完成網絡切片的訂單，切片管理中心啟動切片實例化過程，完成部署和數據配置。

（3）運行階段：網絡切片開始提供網絡服務，租戶或運營商可以監測控制網絡切片的實時運行狀態；基于超高清直播的網絡切片是臨時性的，生命周期包含直播活動前調試階段和整個賽事直播期間。

（4）終結階段：當租戶不再需要此網絡切片時（活動結束后），可以發起停止流程，刪除網絡切片并回收資源。直播業務結束后，網絡切片管理功能可以快速地終結高清切片回收資源，以降低租戶使用成本。

2.3 端到端網絡切片業務保障

圖3 網絡切片生命周期

通過網絡切片技術，普通用戶上網的業務流和視頻直播業務流運行在不同的切片通道里面，上網業務流出現擁塞時，不會影響到超高清直播用戶的業務體驗。5G 核心網基于NFV/容器技術實現高清直播數據轉發面和其他業務的轉發面隔離，也實現核心網轉發的QoS保障；無線接入網基于切片化的資源管理和調度實現無線側的超高清視頻直播業務QoS保障；傳輸網當前可以切片分組網（SPN）構建硬隔離管道方式實現業務高速穩定傳輸的隔離保障。

2.4 應用測試結果

在外場試驗測試中，真實試驗環境采用了2.6 G+4.9 G雙頻組網，通過4K碼流負載分擔的方式實現高碼率穩定上行，解決單頻網絡下基站切換期間速率下降導致的直播花屏問題。在平均上行速率60 Mbit/s的情況下，測試過程通過多次基站切換，驗證切換過程中4K信號穩定、流暢。最終測試全程站間切換成功，期間無明顯掉坑現象（但有抖動現象），總體滿足5G超高清視頻直播對上行速率的要求。

此次測試僅基于第三代合作伙伴計劃（3GPP）R15規范定義的端到端網絡切片能力進行組網，驗證了端到端網絡切片的隔離性和QoS能力保障驗證。后續的測試中，我們將在無線側增強區別于QoS特性的資源調度機制，在端到端網絡切片管理系統中也會提供網絡服務質量保障增強的方案，以驗證在移動場景下的多種直播場景和網絡切片類型。

3 商業模式可行性探討

5G端到端網絡切片在多媒體領域的部署為電信運營商創造了新的商業模式。運營商可以通過多種商對商（B2B）和商對客（B2C）商業模式將網絡切片變現。

B2B商業模式主要通過價值鏈上移來提供管理服務。在這種模式下，運營商不是簡單地提供服務質量有保證的網絡接入，而是在傳送、托管和管理內容交付方面發揮更積極的作用。這種網絡即服務（NaaS）的業務會為內容公司提供更多的附加值。

B2C商業模式則增強對傳統網絡服務以上的新興優質服務的收費，運營商和內容公司都可以利用這種方式直接從5G網絡切片支持的新興多媒體業務中獲取收入。在這種模式下，運營商可以利用5G網絡切片支持的服務，提升5G網絡的整體吸引力，從而吸引和留住用戶。運營商和第三方之間合作也將在已有訂閱的基礎上增加優質多媒體服務，并通過更高層級的服務或增加整體訂閱來獲取收入。

在5G背包的使用上，其可以作為獨立產品直接面向行業客戶進行銷售；對于成本敏感型客戶，也可以采取獨立產品租賃模式。此外，運營商也可以推出5G背包+5G網絡差異化服務+5G網絡定向流量套餐包的一攬子打包解決方案，按月/年租模式收費。

4 結束語

4G改變生活，5G改變社會。5G發展的關鍵在于提供差異化和定制網絡服務的能力。在4G時代，所有的業務都部署運行在同一個通信大管道內，網絡只能提供“一條賽道、盡力而為”的業務體驗。所有的業務都一視同仁地行駛在同一條道路上，如果遇上網絡擁塞，即使是高優先級保障的服務也無法脫穎而出，業務同樣被迫受損。5G時代，得益于端到端網絡切片在差異化組網、可保障QoS/SLA、業務隔離以及獨立運維等能力上的革命性提升，使得我們真正能夠從4G時代的“應用適配網絡”，演進到5G時代的“應用定義網絡”，為行業提供差異化+確定性的網絡服務能力。基于本次5G+超高清媒體行業應用的測試驗證，在5G時代移動運營商可以為媒體行業提供連接能力，通過5G網絡實現隨時隨地直播，并實現視頻流快速回傳；使用5G網絡切片功能，確保視頻傳輸質量；通過運營商邊緣計算能力，實現視頻流在本地的快速渲染、處理。5G除了可以幫助垂直行業幫助實現更多新業務場景外，5G網絡切片在多媒體領域的部署方面為電信運營商創造了新的商業模式。