5G與超高清視頻融合應用關鍵技術探討

張 紅，宋凱廷

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

1 研究背景

通信技術的發展為視頻業務的發展提供了更廣闊的空間和機遇，尤其是近幾年，4G與千兆光寬帶普及率的提升，帶動了視頻行業快速發展。視頻業務經歷了從傳統的廣播電視網絡到互聯網電視、IPTV、互動數字視聽以及視頻電話。從視頻業務分辨率上，經歷了標清、高清，目前正在向著超高清時代邁進。5G時代使得視頻業務無處不在的數字化生產和視頻共享成為可能，使得視頻業務向著超高清、沉浸式、交互式及VR/AR演進成為可能，將重新定義視聽業務生態，5G環境下的視頻業務滿足視頻業務更高的技術格式、更新的應用場景以及更美的試聽體驗的需求。同樣，視頻業務的發展為5G技術提供了一個廣闊的應用場景，5G的發展與視頻業務發展相輔相成，協同發展。基于此，本文重點研究了5G與超高清視頻融合應用的關鍵技術，主要從網絡能力、平臺能力及差異化承載能力進行了分析，最后研究了5G與超高清視頻融合在VR視頻、視頻監控及工業互聯網方面的應用。

2 超高清視頻對5G網絡的主要指標要求

2.1 超高清視頻特點

為滿足觀眾顛覆式、沉浸感的臨場體驗，超高清視頻尤其是8K業務有更高的分辨率、幀率相比于高清視頻業務提升了2倍，位深在10 bit以上、色域在BT.2020以上、動態范圍均位HDR（高動態范圍），超高清技術參數如表1所示[1-2]：

表1 超高清視頻基本參數

2.2 超高清視頻對網絡能力的需求

從以上分析的超高清視頻的特點可以看出，超高清視頻的典型特征就是大數據、高速率、高分辨率，高幀率、增強HDR標準以及高采樣比特數，這對帶寬的需求可以達到幾十兆至上百兆，當前4G網絡的平均用戶體驗速率僅為20～30 Mbps，對超高清視頻的承載能力明顯不足。4K/8K超高清視頻網絡能力要求如表2所示[3]：

表2 4K/8K超高清視頻網絡能力要求

3 5G與超高清視頻融合關鍵技術

5G與超高清視頻技術的融合，將推進視頻業務在網絡能力、業務能力及用戶體驗等三方面全面升級，關鍵技術主要體現在網絡能力、平臺能力及差異化承載能力三個方面。

（1）網絡能力方面。5G對超高清視頻業務的承載能力在網絡方面主要體現在大連接、高帶寬及低時延三個方面。現有的4G和Wi-Fi網絡帶寬受限，現有的光纖網絡在達到千兆的情況下，有線傳輸移動性不足。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，原始視頻轉換為IP數據流后，可以通過無線Wi-Fi或有線方式發到5G終端CPE上，轉接至5G基站，也可以通過將5G模組集成于編碼設備中，直接發送到5G基站。在新架構方面，目前5G的承載網絡及5G的核心網絡均已做了相應的改造，承載網絡采用基于Spine-Leaf的新型承載方式，5G核心網側基于不同業務采用獨立組網或非獨立組網的模式，保障超高清視頻差異化承載需求。

（2）平臺能力方面。目前無論針對IPTV業務還是OTT互聯網電視業務，大多采用內容分發網絡（CDN）及視頻鏡像技術，綜合起來就是讓視頻靠近用戶進行傳輸。超高清視頻同樣需要CDN進行視頻業務的分發，并且對用戶體驗提出了更高的要求，比如零卡頓、零花屏、零等待。隨著超高清視頻業務的到來，尤其是對于超高清視頻對帶寬需求80 Mbps以上的業務，這就要求CDN流媒體服務器有更高流處理能力、較低的時延。摩爾定律的失效、“二八定律”的緩存失效以及CDN的時延要求，這些都是下一代CDN流媒體服務器廠商需要考慮的問題。同時在網絡部署時，合理選擇CDN的部署節點，減少流量轉發的跳數和經過的網絡設備，達到綜合成本最優。

平臺能力關鍵技術的第二個方面體現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算（Multi-Acess Edge Computing，MEC）。MEC是5G關鍵技術之一，通過將計算與控制能力下沉至邊緣側，滿足用戶就近服務的需求。并且與核心云和區域云組成一體化的組網模式，可滿足高清視頻制作的需要，在視頻業務完成云端的制作后，通過5G網絡分發至用戶。MEC的部署與CDN技術的結合，可以減少視頻業務對骨干網及核心網帶寬的占用，能使超高清視頻業務最大限度地靠近用戶，降低時延。

（3）差異化承載方面。5G網絡能實現業務差異化承載主要來自網絡切片技術，此項技術打通了無線網、核心網、承載網子切片，在切片管理系統的統一管理下，實現了業務的端到端承載。在網絡切片中采用SDN、NFV、FlexE、虛擬化等關鍵技術實現。在面向超高清視頻場景業務需求時，在需要低時延切片控制的同時，也需要高帶寬的切片協同回傳視頻。

5G的“大帶寬、低時延、廣連接”特性為超高清視頻的發展提供了廣闊的空間，邊緣計算為超高清視頻的處理提供了算力需求，網絡切片保障了超高清視頻業務的差異化承載需求，CDN網絡能讓視頻業務傳播得更廣更遠。

4 5G與超高清視頻融合應用場景分析

5G與超高清視頻融合應用場景主要體現在面向超高清的視頻內容的制作，對傳統的OTT及IPTV業務的改進，面向VR及沉浸式視頻的內容服務，面向視頻監控類的應用以及面向工業互聯網的應用等方面。

（1）面向VR視頻的內容服務。目前，VR視頻已成為超高清業務發展的主要方向之一。基于云的虛擬現實業務將實現內容上云，渲染上云[4]。5G網絡基于邊緣DC、核心DC及區域DC的部署方式，選擇多個位置進行云渲染資源節點的搭建，使得云上的虛擬現實成為可能，可滿足廣大的移動用戶就近對VR業務的渲染需求。5G網絡固移融合的綜合承載能力為VR視頻業務承載提供了速率及時延的保障，同時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視頻體驗需求。用戶可以在移動網及寬帶網多個場景接入需求[5]。利用5G與超高清視頻融合應用的優勢，推動VR視頻、VR游戲、VR教育及VR醫療等方面的發展。

（2）面向超高清視頻類的應用。目前，大型活動賽事、科技場館及智慧城市安防類視頻監控，均提出了對超高清視頻的需求[6]。這些需求有一個共同的特點，就是連接數量多，對時延要求高，并且需要配合云計算、大數據及深度學習等前沿技術進行視頻的優化。5G與超高清視頻融合的關鍵技術保障了此類業務的承接需求。5G的網絡切片、大帶寬低時延的特性，以及開放的平臺能力，使得視頻監控類需求可以內置人工智能的芯片完成對視頻業務的采集，通過MEC邊緣計算的處理能力，可以完成視頻結構化數據的功能比對，滿足平安城市、智能交通等領域的超高清視頻類的應用需求。

（3）面向工業互聯網的應用。采用5G+超高清視頻融合組網方式的工業互聯網，可以打破原有工業互聯網車間級、現場級與企業級的組網架構，滿足工業互聯網大連接、低時延的傳輸需求，使得信息傳輸更加扁平與高效。可滿足工業更高級別、更高精度的工業識別、工業可視化以及人機交互作業等場景的需求。

5 結束語

超高清視頻與5G網絡的發展相輔相成，尤其是近幾年涌現出的與5G承載配套的關鍵技術，使得超高清視頻有了更廣闊的發展空間。本文在探討了5G與超高清視頻融合關鍵技術的基礎上，著重探討架構能力，內容分發網絡、邊緣計算MEC及網絡切片等與超高清視頻強相關的技術，在此基礎上，分析了5G與超高清視頻融合關鍵技術在VR內容制作、超高清視頻監控以及目前熱門的工業互聯網的應用。■