【摘要】 第五代移动通信技术(5G)已经走进了千家万户，但是目前的5G R15标准主要以支持Embb业务为主，对于高可靠性要求的uRLLC业务支持仍然很有限，因此其在垂直行业应用方面应有较为有限。本文总结了5G演进版本中uRLLC技术的情况，并结合广播电视现场直播的使用场景，分析了其对于音视频现场直播传输的影响。
【关键词】 5G 高可靠 Embb uRLLC 现场直播
一．背景
北京时间2020年7月3日23时，国际标准组织3GPP宣布5G R16标准冻结，标志着5G第一个演进版本标准正式完成。这一标准的最终确定，将成为5G发展进程中的重要里程碑，不仅有助于让5G走进家家户户，更有助于5G进一步走入各行各业，实现从“能用”到“好用”的转变，助力社会经济和生活的数字化转型，对广播电视行业的影响也将颇为深远。
自2019年底5G商用以来，我们正在使用的5G网络就是2017年12月完成R15版本的5G网络，全称是3GPP Release 15 NSA NR标准，这是一个5G网络的初期版本，主要是在无线端（5G NR）完成传输速率的提升，而5G核心网的独立组网(SA)将在很快建设完成，届时5G网络的传输可靠性将得到极大提升，延迟也将进一步降低。
由于当年4G网络的主要是针对移动宽带设计，业务类型相对简单，因此在3G网络到4G网络演进时，进行的是“整体演进”，即包括接入网和核心网的EPS(Evolved Packet System)整体演进到4G时代。而5G的定位与4G天然不同，5G在制定之初便致力于为行业用户服务。 2015年9月,I TU(国际电信联盟)正式确定了5G的三大应用场景，即Embb(enhanced Mobile B r o a d b a n d，增强型移动宽带)、m M T C （massive Machine Type Communication，大规模机器类型通信）和uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠和低时延通信）。考虑到5G网络功能的复杂性， 3GPP将5G网络拆分为5G接入网(5G NR, New Radio,新空口)和5G核心网(5G Core,也称5G C)两部分，不同运营商可以根据需要在NR、核心网与目前已经成熟的4G核心网与LTE进行混合搭配，这也就衍生出了目前使用的NSA（非独立组网）以及真正5G网络体验的SA（独立组网）两种5G网络的部署发展方式。
图1 国际电信联盟确定的5G三大应用：eMBB, mMTC和uRLLC
由于前期5G网络的主要目标是以面向eMBB业务为主的，这也是运营商在5G建设初期的主要策略，即以用户最关注的、也是相对最容易解决的传输速度提升作为主要目标，先解决5G从无到有的问题，让大家先用上5G，这个版本就是R15(Release 15,Rel-15)版本。而5G R16版本更加关注R15版本中未能完全解决的传输方式和传输质量的问题，着力通过对mMTC、uRLLC等功能的增强，使网络传输更安全、稳定，接入更加便捷。其中特别是uRLLC关键技术，一旦商用将极大提升5G网络的传输可靠性，将成为音视频高可靠性实时传输的重要解决方案。
二．uRLLC
uRLLC是5G R16的核心内容，其将通过一系列技术手段增加5G网络的可靠性和稳定性，并将网络时延大大降低，使5G网络的传输可靠性基本可以对标有线网络。
uRLLC的诞生之初便是为了服务于各种行业应用，例如工业自动化（控制通信、运动控制等）、数据实时传输（自动驾驶等）、电力分配（智能电网等），下面我们列举一些3GPP标准中列举的部分典型行业应用的可靠性和时延要求。
表1 Rel-15/Rel-16中部分URLLC用户场景需求
由表1可以看出，这些行业应用对于数据传输的可靠性和实时性要求都很高（其中空口在无线通信中是空中接口的简称，空口时延指的是无线基站到终端设备的时延）。而我们关心的音视频直播的实时传输可以参考自动驾驶场景需求，此二者传输的数据类型较为相似，皆是视音频数据和实时控制数据。但是考虑到自动驾驶的安全性要求，且自动驾驶的关键技术NR V-X（vehicle-to-everything，指车辆对外界的一切信息交换）网络连接节点是远多于广播电视音视频直播的，因此实际上广播电视音视频直播相比自动驾驶场景的网络需求要低一些。
1.时延
在5G网络的数据传输中，时延指的是从手机-->基站-->网络回传（光缆线路）-->核心网（EPC）的单向时延，中间的时延包括空口时延（无线网时延）、核心网时延和承载网时延，各时延数据如下表2所示：
表2 uRLLC和eMBB场景下的5G时延
按目前的5G网络单向时延大概为10ms左右，对于我们最关心的广播电视直播的音视频传输来说，5G现网的eMBB业务的时延已经可以基本满足我们的工作需要，uRLLC性能提升对于我们的使用体验提升来说可能不是特别明显，因此我们接下来主要讨论我们更加关心的传输可靠性问题。
2.传输可靠性
在广播电视直播中，带宽的需求很大，这点在3G和4G时代格外明显，当电视台直播中采用3G或4G信号回传时，图像质量均有不同程度的降低，有时候只能采取缩小画面尺寸/画中画等方式来弥补。但是对于5G网络动辄近千Mb/s的传输速率来说，理论上即使面对采用H.265或者H.264标准压缩后的4K视频信号，也是可以胜任的。
但是在实际日常使用中，我们进行音视频数据传输时依然会偶尔感觉视频卡顿的问题，这个问题主要有两个原因：一是无线终端受到特定因素影响无法发挥网络最大效用，二是网络拥塞导致的传输效率降低。我们将在下一章分析这两种原因及解决办法。
三．uRLLC与广播电视直播
在一个典型的广播电视音视频直播中，音视频信号回传台内的信号路由如下面的框图2所示：
图2 广播电视直播信号回传台内的信号路由
考虑到台内网络及接口应该已经是比较成熟的技术方案，因此这部分一般不考虑改变，而前端技术设备安装经常地点不固定，需要临时搭建设备并通过运营商布设有线网络，因此前端有线网络如果能用5G网络替代就能大大提升设备流动性和使用成本。
理想状态下的5G音视频直播回传路由如下图3所示：
图3 理想情况下的直播信号回传路由
这种理想状态目前实现是可以在部分设备实现的，但是在实际测试中却面临着诸多不稳定因素，特别是当前端传输设备为手机等民用终端时，存在着传输速度波动较大和卡顿、乱码的现象，造成这现象主要是因为下面两方面的问题：
1.终端自身的问题
由于5G网络的正式商用时间并不太长，5G终端的普及也进行之中，但在用设备绝大部分是不支持5G网络的，即使有些设备支持，终端自身仍有较大的局限性，比如：天线数量或增益不够（受到距离影响明显）、发射功率受限（主要是考虑电池续航时间和国家法规限制）、终端5G频段覆盖不够（由于各国5G频段分配各不相同，基于成本或技术因素，有些进口设备仅能覆盖部分国内5G网络频段）、部分行业专用设备不兼容或不支持5G网络等因素。
因此我们需要引入一个CPE设备（Customer Premise Equipment，用户前置设备或用户终端设备）来解决这个问题，即通过CPE设备连接5G网络，再通过CPE分享的有线网络或者WIFI来完成终端设备接入，如下图4所示：
图4 目前条件下的直播信号回传路由
值得注意的是此时传输速度的瓶颈存在于前端传输设备和CPE设备之间。
如果前端传输设备和CPE设备之间采用5G WI FI连接的话，大部分前端设备仅支持IEEE 802.11ac标准（802.11.ax标准即WIFI 6是2019年才正式发布，且价格昂贵，目前使用量很少），其理论传输速度为1G b/s，实际传输率一般在300Mb/s～400Mb/s之间，是低于绝大部分CPE设备的，而如果使用2.4G WIFI的话速度更低。我们以比较常见的CPE设备举例，华为5G CPE pro2理论下行速度3.6Gb/s，中兴ZTE 5G MC801A CPE理论下行速度4.6Gb/s，但是这两个CPE的有线网络接口均为1000M。也就是说在常见的设备条件下，无论使用有限网络还是WIFI接入CPE设备，上图中回传路由均存在瓶颈。
我们的测试也验证了上面的判断。虽然无法享受到5G带来的极限速度，但是目前的传输速度对于音视频直播的传输来说已经足够了。
2.网络拥堵的问题
在使用公网接入时，最担心的问题就是网络拥堵问题，特别是在体育场、体育馆、展会现场等环境中，大量人流同时涌入导致基站接入用户数量过多，最终造成时延增大、误码率变高，甚至掉线等情况。
这个问题3GPP针对无线端(NR)提出了大量解决方案：
(1)降低数据编码率。相同的信道条件下， URLLC采用低频谱效率编码调制映射表，通过降低编码率提升可靠性。
(2)调度优先级高。URLLC的调度优先级高于eMBB，当两者空口资源发生冲突时，抢占资源优先保证URLLC业务的传输。
图5 使用CPE设备的接入5G速度测试
(3)子载波间隔。多种载波间隔可选择，包括15khz、30khz、60khz、120khz等，通过更大的子载波间隔来提升可靠性。
类似的解决方案还有很多，这里就不一一列举了，其基本思路就是通过提高系统冗余、增加优先级，牺牲一定效率来提高稳定性，这些方案正在逐步实现之中。
相比于上面这些传统方式，冗余传输和网络切片结合使用更符合我们的直播信号传输。
3.冗余报文传输
冗余报文传输简单来说就是同样的数据通过不同路由传送两份，然后在接收端进行比对，如果单一链路失效不会影响业务可靠性，可以通过此方案解决单站可靠性无法达到URLLC苛刻高可靠的需求。具体冗余方式有很多种，可以根据现场网络条件和设备类型进行选择，其中最简单也是最常见的是以下两种：
该方式适合较大型的无线网络，可以通过现有的多个基站进行数据的冗余传输，可靠性高，但是对终端设备(UE, User Equipment)要求也较高。
图6 基于双连接架构的传输
该方式适合较小型的无线网络，不需要连接多个基站，而是选择通过两个N3隧道进行数据的冗余传输。
图7 N3隧道冗余报文传输
4.网络切片技术
冗余报文传输主要解决的是无线信道存在不稳定，可能无法满足行业应用高可靠性的问题。而网络切片则是运营商在5G网络上划分出多个虚拟网络，每个网络切片之间进行包括接入网、承载到、核心网的全通道逻辑隔离，保证业务使用者独占带宽，与目前在中央广播电视总台广播直播中使用多年的MSTP(Multi-Service Transport Platform,多业务传送平台)业务十分类似，是一种高保障等级的直播传输路由，而且网络切片技术已经比较成熟，相信其距离正式商用不会很遥远。
图8 网络切片技术演示视频截图
2020年11月底中国移动在广州进行了网络切片的演示。2020年12月5日，中国移动进行了“全球首场5G+8K云演艺盛典直播”，首次在5G手机上实现了基于URSP（终端路由选择策略）网络切片技术的8K直播业务演示，通过加载流量模拟出网络拥塞状态，并提供了现场对比视频画面，本人截取了其中部分内容如图8所示(其中上部分未采用网络切片技术，下半部分使用了网络切片技术)。
由截图可以明显看出，在使用了网络切片技术后，视频传输可靠性有了明显提高。
四.结束语
相信随着5G网络的继续发展和演进，uRLLC技术的逐步落地商用，在不远的将来一定会有一套可靠、稳定的5G传输解决方案，能够支持我们的广播电视音视频传输方案。B&P
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