1、摘要本文描述了超高清視頻直播的應(yīng)用趨勢、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨挑戰(zhàn)，并結(jié)合 5G 技術(shù)，給出 5G 4K 直播業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景、解決方案。更進(jìn)一步，基于 4K 直播主流協(xié)議，深入分析業(yè)務(wù)原理，針對 4K 直播業(yè)務(wù)出現(xiàn)的失真、花屏、卡頓等質(zhì)量問題，通過 SLA 建模，在IP 報(bào)文級、視頻幀級進(jìn)行分析評估，定義業(yè)務(wù)SLA，并根據(jù)4K 直播業(yè)務(wù)的可靠性要求，提出 4K 直播業(yè)務(wù)安全區(qū)概念，給出 4K 直播對 5G 無線網(wǎng)絡(luò)上行速率和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求和運(yùn)營商建網(wǎng)建議，使能 5G 網(wǎng)絡(luò)下超高清視頻直播業(yè)務(wù)隨時(shí)隨地穩(wěn)定回傳。 5G 4K 直播 SLA 研究白皮書目錄01 超高清視頻業(yè)務(wù)發(fā)展分析/P011.1 超高清

2、視頻的產(chǎn)業(yè)發(fā)展011.2 超高清視頻直播的應(yīng)用趨勢021.3 超高清視頻直播發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)0302 5G 4K直播的應(yīng)用場景和解決方案/P042.1 應(yīng)用場景042.2 解決方案052.3 可靠性分析0603 5G 4K直播業(yè)務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)要求/P083.1 4K直播對5G網(wǎng)絡(luò)速率要求083.2 4K直播對5G網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求0804 5G 4K直播業(yè)務(wù)應(yīng)用階段/P104.1 探索階段104.2 應(yīng)用階段104.3 繁榮階段1105 總結(jié)和展望/P1206 參考文獻(xiàn)/P1307 聯(lián)合編寫單位/P14超高清視頻業(yè)務(wù)發(fā)展分析1.1超高清視頻的產(chǎn)業(yè)發(fā)展近年來，媒體行業(yè)的發(fā)展迅猛，年復(fù)合增長率持續(xù)保持兩位

3、數(shù)增長，其中新媒體（互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)）在媒體總產(chǎn)業(yè)體量的占比已提升至60%+，2018年起，中國傳媒產(chǎn)業(yè)總規(guī)模超過2萬億元。圖 1-1 中國媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢2500020000傳媒產(chǎn)業(yè)總值傳媒產(chǎn)業(yè)增長率GDP增長率13599.97503.312359.110619.29433.416270.520959.518966.730.00%25.00%1500010000500020.00%15.00%10.00%5.00%0201120122013201420152016201720180.00%來源：中國傳媒產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2019）通信技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)新媒體行業(yè)體驗(yàn)進(jìn)一步提升，視頻類業(yè)務(wù)成為主流媒體

4、形式。視頻類業(yè)務(wù)在技術(shù)上也不斷發(fā)展：圖像分辨率由高清發(fā)展到 4K、8K；視場角向 VR、自由視角發(fā)展，對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更高的要求；而交互類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸提出更短時(shí)延的要求。超高清視頻是未來新媒體行業(yè)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，廣電媒體和互聯(lián)網(wǎng)媒體都在積極布局超高清視頻直播業(yè)務(wù)。“信息視頻化、視頻超高清化”已經(jīng)成為全球信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢。1.2超高清視頻直播的應(yīng)用趨勢5G時(shí)代的視頻，無論是直播、點(diǎn)播，還是行業(yè)應(yīng)用的視頻業(yè)務(wù)，圖像分辨率都將演進(jìn)到4K/8K，提升信息傳遞和圖像識別的用戶體驗(yàn)，并逐漸實(shí)現(xiàn)專業(yè)媒體超高清視頻直播移動(dòng)化。2019年3月1日，工業(yè)和信息化部、廣播電視總局、中央廣播電視總臺(tái)聯(lián)合發(fā)布超高清

5、視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019-2022年），對超高清視頻涉及的拍攝、制作、傳輸、終端、電視、面板、芯片端到端產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行整體推動(dòng)，超高清內(nèi)容生產(chǎn)成為重中之重。除了不斷提高圖像分辨率，全球主流專業(yè)媒體也都在開展移動(dòng)直播業(yè)務(wù)，以滿足觀眾豐富的直播體驗(yàn)需求。而且多種多樣的直播場景都有急迫的移動(dòng)需求，如世界杯等體育賽事，觀眾希望部署更多移動(dòng)的機(jī)位以提供更多視角，獲得更好的觀看體驗(yàn)；面對各類突發(fā)事件，新聞報(bào)道也需要快速部署的最佳直播位。1.3超高清視頻直播發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)到2022年，預(yù)計(jì)超高清視頻點(diǎn)播IP流量將占全球IP視頻流量的22，隨著網(wǎng)絡(luò)速率的提升、應(yīng)用終端的逐步完善，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在向

6、超高清化快速演進(jìn)，專業(yè)媒體超高清直播前景廣闊。立足現(xiàn)實(shí)，當(dāng)前直播還面臨超高清化和移動(dòng)化兩大挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)一：已實(shí)現(xiàn)超高清直播場景，未實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化圖 1-2 傳統(tǒng)超高清視頻直播組網(wǎng)架構(gòu)SDI/IP有線接口衛(wèi)星鏈路現(xiàn)場4K攝像機(jī)微波鏈路導(dǎo)播車光纖鏈路演播室轉(zhuǎn)播分發(fā)目前體育賽事等大型活動(dòng)多采用固定機(jī)位進(jìn)行超高清直播，使用SDI同軸線纜或微波點(diǎn)到點(diǎn)連接回傳到導(dǎo)播設(shè)備，這種有線的超高清視頻回傳方案，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到移動(dòng)性的要求。挑戰(zhàn)二：已實(shí)現(xiàn)移動(dòng)直播的場景，未實(shí)現(xiàn)超高清圖 1-3 4G 高清視頻移動(dòng)直播組網(wǎng)架構(gòu)回電視臺(tái)現(xiàn)場攝像機(jī)4G高清背包導(dǎo)播轉(zhuǎn)播分發(fā)某全球TOP直播服務(wù)商實(shí)測平均上行鏈路的視頻采集速度已達(dá)到4.5

7、Mbps, 而發(fā)達(dá)地區(qū)平均達(dá)9Mbps，然而要滿足較高質(zhì)量的4K直播，以CCTV 4K制作典型碼率40M為例，上行速率至少要達(dá)到50Mbps，滿足8K則需要100Mbps。表 1-1 不同應(yīng)用場景的超高清視頻直播業(yè)務(wù)要求分辨率碼率帶寬1080p6-8Mbps7-10Mbps4K30-60Mbps40-80Mbps8K80-180Mbps100-220Mbps5G 4K直播的應(yīng)用場景和解決方案2.1應(yīng)用場景超高清視頻直播是指基于5G網(wǎng)絡(luò)，通過4K等技術(shù)應(yīng)用，對體育賽事、演唱會(huì)等大型活動(dòng)場景進(jìn)行直播，或后期制作成點(diǎn)播節(jié)目推送給家庭/個(gè)人用戶，帶給用戶沉浸式的臨場感，為用戶帶來更好的視聽覺和交互體驗(yàn)

8、，4K直播必將成為未來的大型賽事、演唱會(huì)的視頻直播標(biāo)準(zhǔn)。超高清視頻直播對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求較高，不僅分辨率要達(dá)到4K甚至8K，幀率要求50幀/秒以上，圖像量化精度提升到10比特，同時(shí)圖像增加HDR標(biāo)準(zhǔn)。如此巨大的數(shù)據(jù)傳輸量，對帶寬要求非常高，5G技術(shù)的商用自然成為超高清視頻直播的重要推手。華為無線應(yīng)用場景實(shí)驗(yàn)室（X Labs）對5G 4K直播的應(yīng)用場景洞察研究表明，將4K直播廣泛覆蓋的新聞、體育賽事、綜藝活動(dòng)、紀(jì)錄片、真人秀等多個(gè)媒體場景，按實(shí)時(shí)性和移動(dòng)性的不同要求進(jìn)行分類：新聞、體育賽事等報(bào)道，實(shí)時(shí)性要求高，需在相對廣域的范圍內(nèi)移動(dòng)直播；相比之下，綜藝活動(dòng)、演唱會(huì)等場景，實(shí)時(shí)性要求也比較高，但移

9、動(dòng)范圍相對固定；而非直播類的紀(jì)錄片、真人秀等錄制場景，實(shí)時(shí)性要求較低，但需保證廣域范圍內(nèi)的移動(dòng)性。圖 2-1 超高清視頻直播應(yīng)用場景分類實(shí)時(shí)性非實(shí)時(shí)真人秀專題紀(jì)錄片廣域移動(dòng)新聞體育賽事綜藝/重大活動(dòng)演唱會(huì)/發(fā)布會(huì)局域移動(dòng)來源：華為 X Labs 應(yīng)用場景洞察報(bào)告表 2-1 不同應(yīng)用場景的超高清視頻直播業(yè)務(wù)要求 (X Labs 洞察研究 )場景清晰度時(shí)延（攝像機(jī)至導(dǎo)播監(jiān)控屏幕）理想最低理想最低新聞（現(xiàn)場連線）4K 30fps1080 30fps1s2s體育賽事（高速運(yùn)動(dòng)抓拍機(jī)位）4K 50fps1080 30fps2s6s綜藝/重大節(jié)目4K 50fps1080 30fps2s6s演唱會(huì)4K 50

10、fps1080 30fps2s6s真人秀4K 50fps1080 30fps10s120s專題記錄片4K 50fps1080 30fps10s120s2.2解決方案5G網(wǎng)絡(luò)使能各類場景的4K直播，解決移動(dòng)性和超高清回傳兩大挑戰(zhàn)。大帶寬、低時(shí)延的特性能夠同時(shí)保證不同場景對實(shí)時(shí)性和移動(dòng)性的各種要求。圖 2-2 5G 4K 直播解決方案 現(xiàn)場 媒體中心大于12機(jī)位SDI信號: 12GbpsIP: 40Mbps攝像機(jī) 采編衛(wèi)星車（可選）直播背包導(dǎo)播臺(tái)重大事件/活動(dòng)如G20、春晚小于12機(jī)位SDI信號: 12GbpsIP: 40Mbps攝像機(jī)采直播背包小型活動(dòng)如龍舟賽IP: 40Mbps電視臺(tái)制作及廣電

11、分發(fā)網(wǎng)絡(luò)4K直播回傳需要上行傳輸帶寬高達(dá)40-80Mbps，5G網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槌咔逡曨l提供穩(wěn)定的實(shí)時(shí)傳輸能力，比傳統(tǒng)線纜傳輸更加靈活，不受空間的限制，能滿足更靈活的超高清視頻傳輸需求。在各類大型直播應(yīng)用中，5G網(wǎng)絡(luò)可代替SDI線纜傳輸視頻流，如圖2-2紅色曲線所示：4K攝像機(jī)采集的原始視頻流進(jìn)入直播背包等編碼推流設(shè)備，編碼后轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)流，通過內(nèi)置的5G模組或外接的5G終端（CPE、手機(jī)）將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給5G基站。5G基站通過核心網(wǎng)，把視頻數(shù)據(jù)傳送到導(dǎo)播車，再通過衛(wèi)星或微波后傳給電視臺(tái)視頻服務(wù)器，進(jìn)行導(dǎo)播編輯、存儲(chǔ)，并通過多種方式發(fā)給視頻顯示終端。5G網(wǎng)絡(luò)也可以將4K視頻流直接傳輸?shù)诫娨暸_(tái)，如

12、圖2-2藍(lán)色曲線所示：4K攝像機(jī)采集的原始視頻流進(jìn)入直播背包等編碼推流設(shè)備，編碼后轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)流，通過內(nèi)置的5G模組或外接的5G終端（CPE、手機(jī)）將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給5G基站，5G基站通過核心網(wǎng)，把視頻數(shù)據(jù)直接傳給電視臺(tái)視頻服務(wù)器，進(jìn)行導(dǎo)播編輯、存儲(chǔ)，并通過多種方式發(fā)給視頻顯示終端。2.3可靠性分析結(jié)合2.1章節(jié)超高清視頻直播在不同應(yīng)用場景下對端到端時(shí)延的要求，專業(yè)媒體在涉及現(xiàn)場連線的新聞直播等場景，對于 5G 4K直播提出端到端（攝像機(jī)到導(dǎo)播監(jiān)控屏）時(shí)延1s的訴求。為了滿足該要求，扣除視頻編解碼的時(shí)延后，業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延小于390ms，即在該范圍內(nèi)，指定碼率下的4K直播業(yè)務(wù)不出現(xiàn)花屏、卡頓。

13、圖 2-3 5G 4K 直播端到端時(shí)延要求 E2E 直播時(shí)延 1s 5G 能夠滿足超高清直播傳輸需求分辨率碼率帶寬編解碼時(shí)延業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延（含多次重傳）4K30-60M40-80M400-600ms390msSDI模擬信號 4K攝像機(jī)直播背包5G NR承載網(wǎng)核心網(wǎng)電視臺(tái)媒體云解碼、導(dǎo)播從無線傳輸可靠性的角度，5G網(wǎng)絡(luò)要保證視頻幀的傳輸成功率，即經(jīng)過信道QoS策略、ARQ等機(jī)制后，不出現(xiàn)丟幀（導(dǎo)致花屏、卡頓等）。按照4K直播碼率40M、幀率50fps的要求，不同業(yè)務(wù)可靠性下的丟幀間隔如下：表 2-2 5G 4K 直播業(yè)務(wù)可靠性分析 (X Labs 研究數(shù)據(jù) )幀成功率（業(yè)務(wù)可靠性）丟幀率平均丟

14、幀間隔接受度99.99%1/10000200秒3.3分鐘不可接受99.999%1/1000002000秒33分鐘新媒體可接受標(biāo)準(zhǔn)99.9999%1/100000020000秒5小時(shí)廣電級可接受標(biāo)準(zhǔn)99.99999%1/10000000200000秒55小時(shí)廣電級理想標(biāo)準(zhǔn)可以看出，幀成功率大于99.9999%時(shí)，平均丟幀間隔5小時(shí)。4K直播業(yè)務(wù)測試發(fā)現(xiàn)，碼率40M、幀率50fps的視頻，每秒發(fā)包約5000個(gè)，因此幀成功率99.9999%對應(yīng)的包成功率需要達(dá)到99.999999%。廣電媒體行業(yè)普遍使用的互聯(lián)網(wǎng)流傳輸協(xié)議（Reliable Internet Stream Transport，RIST

15、）和SRT（Secure Reliable Transport，SRT）協(xié)議，均基于UDP協(xié)議，采用ARQ快速重傳機(jī)制，對抗超高清視頻傳輸中可能遇到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量波動(dòng)，因此超高清視頻傳輸?shù)目煽啃耘c重傳次數(shù)、單次RTT、單次丟包率這些因素息息相關(guān)。表 2-3 廣電媒體 4K 直播業(yè)務(wù)主流協(xié)議分析協(xié)議類型QoS機(jī)制快速重傳檢測業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延RIST兼容標(biāo)準(zhǔn)RTP，Over UDPARQ，不支持FEC支持，廠家實(shí)現(xiàn)差異大支持SRTRUDPARQ，不支持FEC支持，廠家實(shí)現(xiàn)無差異支持X Labs以SRT協(xié)議為例，對4K直播業(yè)務(wù)SLA建模分析，推導(dǎo)出業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延與丟包率、時(shí)延（RTT）的理論關(guān)系：Tl

16、atency = N*（TRTT+T1）+TRTT/2其中：Tlatency：業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延，N：重傳次數(shù)，Loss：單次丟包率，TRTT：單次往返時(shí)延，T1：快速重傳檢測時(shí)間（SRT協(xié)議：TRTT 40ms，T1=20ms；TRTT40ms，T1=TRTT /2）。重傳次數(shù)與單次丟包率有關(guān)，從可靠性要求的角度有如下關(guān)系：1-lossN+1 0.99999999（8個(gè)9）由以上兩個(gè)公式換算得到單次丟包率、單次往返時(shí)延和業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延的關(guān)系：Tlatency （logloss10-8-0.5）*（TRTT+T1）-T1/2因此，評估4K直播在5G網(wǎng)絡(luò)下的傳輸可靠性，除了與網(wǎng)絡(luò)上行速率密切相關(guān)

17、之外，網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時(shí)延等關(guān)鍵因素也會(huì)直接影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。03 5G 4K直播業(yè)務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)要求3.14K直播對5G網(wǎng)絡(luò)速率要求4K直播對5G上行速率要求較高，單個(gè)4K視頻背包支持多個(gè)5G鏈路以負(fù)荷分擔(dān)方式進(jìn)行鏈路聚合，從而降低運(yùn)營商5G建網(wǎng)要求，又可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地通過5G進(jìn)行4K直播。表 3-1 4K 直播業(yè)務(wù)的 5G 上行速率要求及建網(wǎng)建議（來源于 X Labs 實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)）上行速率指標(biāo)5G速率要求建網(wǎng)建議（以3 SIM卡為例）最低速率（碼率60M）70Mbps70/324Mbps最低速率（碼率40M）50Mbps50/317Mbps最低速率（碼率30M）35Mbps35/312Mbps3

18、.24K直播對5G網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求4K直播除了對5G上行速率要求以外，對5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性（主要是時(shí)延和丟包率）也有要求。按照廣電級4K 50fps直播五小時(shí)不出現(xiàn)花屏、卡頓的要求，需要滿足幀成功率99.9999%，根據(jù)X Labs的4K直播業(yè)務(wù)SLA建模：Tlatency （logloss10-8-0.5）*（TRTT+T1）-T1/2在滿足可靠性要求的前提下，業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延、單次時(shí)延與丟包率的關(guān)系是動(dòng)態(tài)變化的，陰影部分即為4K直播的理論安全區(qū)。圖 3-1 5G 4K 直播業(yè)務(wù)理論安全區(qū)當(dāng)Latency固定，安全區(qū)可簡化為丟包率和時(shí)延（RTT）的二維曲線，以幀可靠性99.9999%為例，二維安

19、全區(qū)曲線如圖 3-2所示，理論上，5G網(wǎng)絡(luò)的丟包率和時(shí)延（RTT）組成的二維點(diǎn)位落在業(yè)務(wù)安全曲線以下，即可保證4K直播業(yè)務(wù)可靠穩(wěn)定傳輸。圖 3-2 5G 4K 直播業(yè)務(wù)安全區(qū)丟包率業(yè)務(wù)可靠性99.9999%業(yè)務(wù)傳輸容忍時(shí)延 390ms端到端時(shí)延 1s0.30.250.20.150.10.050050100150200時(shí)延(RTT)不同廠家4K視頻背包的工程實(shí)現(xiàn)有差異，對丟包率和時(shí)延（RTT）的單一容忍度各不相同，根據(jù)業(yè)界主流設(shè)備的表現(xiàn)：丟包率容忍度在10%，時(shí)延（RTT）容忍度在60ms左右，因此實(shí)際4K直播業(yè)務(wù)安全區(qū)如圖3-2的紅色陰影區(qū)域。04 5G 4K直播業(yè)務(wù)應(yīng)用階段4.1探索階段20

20、18年底，中央電視臺(tái)等媒體開始探索使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行4K直播，在這個(gè)階段，5G終端的形態(tài)以TUE、CPE為主，4K編碼器通過CPE等設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，通信與廣播設(shè)備對接，并保證上行速率滿足4K直播碼率要求成為重中之重。中央電視臺(tái)2019年“春晚”成功實(shí)現(xiàn)了深圳、長春分會(huì)場4K直播號通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳。4.2應(yīng)用階段隨著5G技術(shù)不斷成熟，5G 4K直播應(yīng)用越來越廣泛，逐漸從5G單小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的固定機(jī)位拍攝，發(fā)展到涉及小區(qū)切換的更大活動(dòng)范圍移動(dòng)機(jī)位拍攝。這個(gè)階段開始，5G手機(jī)、背包形態(tài)的編碼器等輕量化設(shè)備投入使用，4K直播進(jìn)入小型化設(shè)備的應(yīng)用階段。2019年10月1日，中央電視臺(tái)利用5G通

21、訊技術(shù)，對70周年國慶閱兵盛況進(jìn)行“5G 4K”移動(dòng)機(jī)位回傳直播，使用“攝像機(jī)+編碼器+5G手機(jī)上行推流”輕量化方案，簡化4K直播工作模式，確保5G網(wǎng)絡(luò)上行大帶寬、傳輸?shù)蜁r(shí)延、應(yīng)用高可靠。可以說4K直播開始進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用階段，能夠基于5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多路、跨多小區(qū)、長時(shí)間連續(xù) 4K直播。圖 4-1 4K 編碼器 +CPE 方案應(yīng)用實(shí)例圖 4-2 背包形態(tài)的 4K 編碼器 +5G 手機(jī)方案4.3繁榮階段2019 年第四季度，5G 模組面市，華為 X Labs 無線應(yīng)用場景實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家合作伙伴開始進(jìn)行 4K 視頻背包集成 5G 模組的工作。2020 年 1 月 9 日，在上海華為 X Labs 無線應(yīng)用場景實(shí)驗(yàn)室，華為攜手行業(yè)合作伙伴高駿科技，完成全球第一個(gè)集成 NSA/SA 雙模 5G 模組的 4K 視頻背包的測試工作，端到端打通了 5G 網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。至今，數(shù)碼視訊、德力儀器等多家合作伙伴均已完成 4K 視頻背包的模組集成工作。隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)