【摘要】 第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶，但是目前的5G R15標(biāo)準(zhǔn)主要以支持Embb業(yè)務(wù)為主，對(duì)于高可靠性要求的uRLLC業(yè)務(wù)支持仍然很有限，因此其在垂直行業(yè)應(yīng)用方面應(yīng)有較為有限。本文總結(jié)了5G演進(jìn)版本中uRLLC技術(shù)的情況，并結(jié)合廣播電視現(xiàn)場(chǎng)直播的使用場(chǎng)景，分析了其對(duì)于音視頻現(xiàn)場(chǎng)直播傳輸?shù)挠绊憽?/span>

【關(guān)鍵詞】 5G  高可靠  Embb  uRLLC  現(xiàn)場(chǎng)直播

一．背景

北京時(shí)間2020年7月3日23時(shí)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP宣布5G R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，標(biāo)志著5G第一個(gè)演進(jìn)版本標(biāo)準(zhǔn)正式完成。這一標(biāo)準(zhǔn)的最終確定，將成為5G發(fā)展進(jìn)程中的重要里程碑，不僅有助于讓5G走進(jìn)家家戶戶，更有助于5G進(jìn)一步走入各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)從“能用”到“好用”的轉(zhuǎn)變，助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對(duì)廣播電視行業(yè)的影響也將頗為深遠(yuǎn)。

自2019年底5G商用以來，我們正在使用的5G網(wǎng)絡(luò)就是2017年12月完成R15版本的5G網(wǎng)絡(luò)，全稱是3GPP Release 15 NSA NR標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)的初期版本，主要是在無線端（5G NR）完成傳輸速率的提升，而5G核心網(wǎng)的獨(dú)立組網(wǎng)(SA)將在很快建設(shè)完成，屆時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性將得到極大提升，延遲也將進(jìn)一步降低。

由于當(dāng)年4G網(wǎng)絡(luò)的主要是針對(duì)移動(dòng)寬帶設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)類型相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在3G網(wǎng)絡(luò)到4G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)，進(jìn)行的是“整體演進(jìn)”，即包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的EPS(Evolved Packet System)整體演進(jìn)到4G時(shí)代。而5G的定位與4G天然不同，5G在制定之初便致力于為行業(yè)用戶服務(wù)。 2015年9月,I TU(國(guó)際電信聯(lián)盟)正式確定了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景，即Embb(enhanced Mobile  B r o a d b a n d，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶)、m M T C （massive Machine Type Communication，大規(guī)模機(jī)器類型通信）和uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠和低時(shí)延通信）。考慮到5G網(wǎng)絡(luò)功能的復(fù)雜性， 3GPP將5G網(wǎng)絡(luò)拆分為5G接入網(wǎng)(5G NR, New Radio,新空口)和5G核心網(wǎng)(5G Core,也稱5G C)兩部分，不同運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)需要在NR、核心網(wǎng)與目前已經(jīng)成熟的4G核心網(wǎng)與LTE進(jìn)行混合搭配，這也就衍生出了目前使用的NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）以及真正5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的SA（獨(dú)立組網(wǎng)）兩種5G網(wǎng)絡(luò)的部署發(fā)展方式。

圖1 國(guó)際電信聯(lián)盟確定的5G三大應(yīng)用：eMBB, mMTC和uRLLC

由于前期5G網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是以面向eMBB業(yè)務(wù)為主的，這也是運(yùn)營(yíng)商在5G建設(shè)初期的主要策略，即以用戶最關(guān)注的、也是相對(duì)最容易解決的傳輸速度提升作為主要目標(biāo)，先解決5G從無到有的問題，讓大家先用上5G，這個(gè)版本就是R15(Release 15,Rel-15)版本。而5G R16版本更加關(guān)注R15版本中未能完全解決的傳輸方式和傳輸質(zhì)量的問題，著力通過對(duì)mMTC、uRLLC等功能的增強(qiáng)，使網(wǎng)絡(luò)傳輸更安全、穩(wěn)定，接入更加便捷。其中特別是uRLLC關(guān)鍵技術(shù)，一旦商用將極大提升5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性，將成為音視頻高可靠性實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹匾鉀Q方案。

二．uRLLC

uRLLC是5G R16的核心內(nèi)容，其將通過一系列技術(shù)手段增加5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，并將網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大大降低，使5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性基本可以對(duì)標(biāo)有線網(wǎng)絡(luò)。

uRLLC的誕生之初便是為了服務(wù)于各種行業(yè)應(yīng)用，例如工業(yè)自動(dòng)化（控制通信、運(yùn)動(dòng)控制等）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸（自動(dòng)駕駛等）、電力分配（智能電網(wǎng)等），下面我們列舉一些3GPP標(biāo)準(zhǔn)中列舉的部分典型行業(yè)應(yīng)用的可靠性和時(shí)延要求。

表1 Rel-15/Rel-16中部分URLLC用戶場(chǎng)景需求

由表1可以看出，這些行業(yè)應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性要求都很高（其中空口在無線通信中是空中接口的簡(jiǎn)稱，空口時(shí)延指的是無線基站到終端設(shè)備的時(shí)延）。而我們關(guān)心的音視頻直播的實(shí)時(shí)傳輸可以參考自動(dòng)駕駛場(chǎng)景需求，此二者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型較為相似，皆是視音頻數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)。但是考慮到自動(dòng)駕駛的安全性要求，且自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)NR V-X（vehicle-to-everything，指車輛對(duì)外界的一切信息交換）網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)是遠(yuǎn)多于廣播電視音視頻直播的，因此實(shí)際上廣播電視音視頻直播相比自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求要低一些。

1.時(shí)延

在5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸中，時(shí)延指的是從手機(jī)-->基站-->網(wǎng)絡(luò)回傳（光纜線路）-->核心網(wǎng)（EPC）的單向時(shí)延，中間的時(shí)延包括空口時(shí)延（無線網(wǎng)時(shí)延）、核心網(wǎng)時(shí)延和承載網(wǎng)時(shí)延，各時(shí)延數(shù)據(jù)如下表2所示： 

表2 uRLLC和eMBB場(chǎng)景下的5G時(shí)延

按目前的5G網(wǎng)絡(luò)單向時(shí)延大概為10ms左右，對(duì)于我們最關(guān)心的廣播電視直播的音視頻傳輸來說，5G現(xiàn)網(wǎng)的eMBB業(yè)務(wù)的時(shí)延已經(jīng)可以基本滿足我們的工作需要，uRLLC性能提升對(duì)于我們的使用體驗(yàn)提升來說可能不是特別明顯，因此我們接下來主要討論我們更加關(guān)心的傳輸可靠性問題。

2.傳輸可靠性

在廣播電視直播中，帶寬的需求很大，這點(diǎn)在3G和4G時(shí)代格外明顯，當(dāng)電視臺(tái)直播中采用3G或4G信號(hào)回傳時(shí)，圖像質(zhì)量均有不同程度的降低，有時(shí)候只能采取縮小畫面尺寸/畫中畫等方式來彌補(bǔ)。但是對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)動(dòng)輒近千Mb/s的傳輸速率來說，理論上即使面對(duì)采用H.265或者H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的4K視頻信號(hào)，也是可以勝任的。
但是在實(shí)際日常使用中，我們進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)依然會(huì)偶爾感覺視頻卡頓的問題，這個(gè)問題主要有兩個(gè)原因：一是無線終端受到特定因素影響無法發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)最大效用，二是網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的傳輸效率降低。我們將在下一章分析這兩種原因及解決辦法。

三．uRLLC與廣播電視直播

在一個(gè)典型的廣播電視音視頻直播中，音視頻信號(hào)回傳臺(tái)內(nèi)的信號(hào)路由如下面的框圖2所示：

圖2 廣播電視直播信號(hào)回傳臺(tái)內(nèi)的信號(hào)路由

考慮到臺(tái)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)及接口應(yīng)該已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)方案，因此這部分一般不考慮改變，而前端技術(shù)設(shè)備安裝經(jīng)常地點(diǎn)不固定，需要臨時(shí)搭建設(shè)備并通過運(yùn)營(yíng)商布設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，因此前端有線網(wǎng)絡(luò)如果能用5G網(wǎng)絡(luò)替代就能大大提升設(shè)備流動(dòng)性和使用成本。

理想狀態(tài)下的5G音視頻直播回傳路由如下圖3所示：

圖3 理想情況下的直播信號(hào)回傳路由

這種理想狀態(tài)目前實(shí)現(xiàn)是可以在部分設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，但是在實(shí)際測(cè)試中卻面臨著諸多不穩(wěn)定因素，特別是當(dāng)前端傳輸設(shè)備為手機(jī)等民用終端時(shí)，存在著傳輸速度波動(dòng)較大和卡頓、亂碼的現(xiàn)象，造成這現(xiàn)象主要是因?yàn)橄旅鎯煞矫娴膯栴}：

1.終端自身的問題

由于5G網(wǎng)絡(luò)的正式商用時(shí)間并不太長(zhǎng)，5G終端的普及也進(jìn)行之中，但在用設(shè)備絕大部分是不支持5G網(wǎng)絡(luò)的，即使有些設(shè)備支持，終端自身仍有較大的局限性，比如：天線數(shù)量或增益不夠（受到距離影響明顯）、發(fā)射功率受限（主要是考慮電池續(xù)航時(shí)間和國(guó)家法規(guī)限制）、終端5G頻段覆蓋不夠（由于各國(guó)5G頻段分配各不相同，基于成本或技術(shù)因素，有些進(jìn)口設(shè)備僅能覆蓋部分國(guó)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)頻段）、部分行業(yè)專用設(shè)備不兼容或不支持5G網(wǎng)絡(luò)等因素。

因此我們需要引入一個(gè)CPE設(shè)備（Customer Premise Equipment，用戶前置設(shè)備或用戶終端設(shè)備）來解決這個(gè)問題，即通過CPE設(shè)備連接5G網(wǎng)絡(luò)，再通過CPE分享的有線網(wǎng)絡(luò)或者WIFI來完成終端設(shè)備接入，如下圖4所示：

圖4 目前條件下的直播信號(hào)回傳路由

值得注意的是此時(shí)傳輸速度的瓶頸存在于前端傳輸設(shè)備和CPE設(shè)備之間。

如果前端傳輸設(shè)備和CPE設(shè)備之間采用5G WI FI連接的話，大部分前端設(shè)備僅支持IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)（802.11.ax標(biāo)準(zhǔn)即WIFI 6是2019年才正式發(fā)布，且價(jià)格昂貴，目前使用量很少），其理論傳輸速度為1G b/s，實(shí)際傳輸率一般在300Mb/s～400Mb/s之間，是低于絕大部分CPE設(shè)備的，而如果使用2.4G WIFI的話速度更低。我們以比較常見的CPE設(shè)備舉例，華為5G CPE pro2理論下行速度3.6Gb/s，中興ZTE 5G MC801A CPE理論下行速度4.6Gb/s，但是這兩個(gè)CPE的有線網(wǎng)絡(luò)接口均為1000M。也就是說在常見的設(shè)備條件下，無論使用有限網(wǎng)絡(luò)還是WIFI接入CPE設(shè)備，上圖中回傳路由均存在瓶頸。

我們的測(cè)試也驗(yàn)證了上面的判斷。雖然無法享受到5G帶來的極限速度，但是目前的傳輸速度對(duì)于音視頻直播的傳輸來說已經(jīng)足夠了。

2.網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題

在使用公網(wǎng)接入時(shí)，最擔(dān)心的問題就是網(wǎng)絡(luò)擁堵問題，特別是在體育場(chǎng)、體育館、展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境中，大量人流同時(shí)涌入導(dǎo)致基站接入用戶數(shù)量過多，最終造成時(shí)延增大、誤碼率變高，甚至掉線等情況。

這個(gè)問題3GPP針對(duì)無線端(NR)提出了大量解決方案：

(1)降低數(shù)據(jù)編碼率。相同的信道條件下， URLLC采用低頻譜效率編碼調(diào)制映射表，通過降低編碼率提升可靠性。

(2)調(diào)度優(yōu)先級(jí)高。URLLC的調(diào)度優(yōu)先級(jí)高于eMBB，當(dāng)兩者空口資源發(fā)生沖突時(shí)，搶占資源優(yōu)先保證URLLC業(yè)務(wù)的傳輸。

圖5 使用CPE設(shè)備的接入5G速度測(cè)試

(3)子載波間隔。多種載波間隔可選擇，包括15khz、30khz、60khz、120khz等，通過更大的子載波間隔來提升可靠性。

類似的解決方案還有很多，這里就不一一列舉了，其基本思路就是通過提高系統(tǒng)冗余、增加優(yōu)先級(jí)，犧牲一定效率來提高穩(wěn)定性，這些方案正在逐步實(shí)現(xiàn)之中。

相比于上面這些傳統(tǒng)方式，冗余傳輸和網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)合使用更符合我們的直播信號(hào)傳輸。

3.冗余報(bào)文傳輸

冗余報(bào)文傳輸簡(jiǎn)單來說就是同樣的數(shù)據(jù)通過不同路由傳送兩份，然后在接收端進(jìn)行比對(duì)，如果單一鏈路失效不會(huì)影響業(yè)務(wù)可靠性，可以通過此方案解決單站可靠性無法達(dá)到URLLC苛刻高可靠的需求。具體冗余方式有很多種，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)條件和設(shè)備類型進(jìn)行選擇，其中最簡(jiǎn)單也是最常見的是以下兩種：

該方式適合較大型的無線網(wǎng)絡(luò)，可以通過現(xiàn)有的多個(gè)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)的冗余傳輸，可靠性高，但是對(duì)終端設(shè)備(UE, User Equipment)要求也較高。

圖6 基于雙連接架構(gòu)的傳輸

該方式適合較小型的無線網(wǎng)絡(luò)，不需要連接多個(gè)基站，而是選擇通過兩個(gè)N3隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)的冗余傳輸。

圖7 N3隧道冗余報(bào)文傳輸

4.網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

冗余報(bào)文傳輸主要解決的是無線信道存在不穩(wěn)定，可能無法滿足行業(yè)應(yīng)用高可靠性的問題。而網(wǎng)絡(luò)切片則是運(yùn)營(yíng)商在5G網(wǎng)絡(luò)上劃分出多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片之間進(jìn)行包括接入網(wǎng)、承載到、核心網(wǎng)的全通道邏輯隔離，保證業(yè)務(wù)使用者獨(dú)占帶寬，與目前在中央廣播電視總臺(tái)廣播直播中使用多年的MSTP(Multi-Service Transport Platform,多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái))業(yè)務(wù)十分類似，是一種高保障等級(jí)的直播傳輸路由，而且網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，相信其距離正式商用不會(huì)很遙遠(yuǎn)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)演示視頻截圖

2020年11月底中國(guó)移動(dòng)在廣州進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)切片的演示。2020年12月5日，中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行了“全球首場(chǎng)5G+8K云演藝盛典直播”，首次在5G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了基于URSP（終端路由選擇策略）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的8K直播業(yè)務(wù)演示，通過加載流量模擬出網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，并提供了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比視頻畫面，本人截取了其中部分內(nèi)容如圖8所示(其中上部分未采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，下半部分使用了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù))。

由截圖可以明顯看出，在使用了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)后，視頻傳輸可靠性有了明顯提高。

四.結(jié)束語

相信隨著5G網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)發(fā)展和演進(jìn)，uRLLC技術(shù)的逐步落地商用，在不遠(yuǎn)的將來一定會(huì)有一套可靠、穩(wěn)定的5G傳輸解決方案，能夠支持我們的廣播電視音視頻傳輸方案。B&P

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