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[音视频] 音视频技术体系-5G eMBMS对超高清的影响

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发表于 2020-12-21 09:32:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

音视频技术体系-5G eMBMS对超高清的影响

通信世界网消息(CWW)针对国内外视频编解码标准体系,前文系列分别讲解了全球标准组织和联盟阵营、历史、标准关系;从纵向、横向分析对比视频编解码的特性;梳理了5G标准现状,讲解了与视频相关的3GPP标准分析。本文讲述一个视频播放的特殊场景和技术,eMBMS(增强多媒体广播多播业务)。

一、什么是eMBMS

eMBMS是Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services的缩写,中文官方叫增强多媒体广播多播业务。本质上,就是利用移动通信的广播信道发送数据,尤其是发送视频等大带宽需求的数据。

本质上看,它是视频通信的一种方式,尤其是在人流密集区域。一种情况,例如演唱会、体育比赛场、赛车场等,当需求将现场视频同步到所有场内用户终端上的时候。试想几万人同时看一个视频,并且不能看着卡,貌似很壮观。目前的4G无线通信采用单播技术,网络基本承载不了,而eMBMS恰巧在此时可用上。

另外一种情况,在体育场馆现场观看比赛,由于位置等因素,观众可能希望从多个视角进行观看比赛,比如,上帝视角、饮水机视角等。在4G时代,基站下行带宽有限,虽然单用户峰值速率为100-150Mbps,但是在不拥挤场景下,大家实际使用的速率也就是1M左右,基于手机看视频基本都有这个感受。在密集人群中,基本是无法观看视频,那怕是720P(高清)的视频。密集人群场所,如体育场馆,观众若同时在线看现场的比赛视频,无法通过手机进行流畅的观看视频。比如咪咕每年直播多场演唱会、CBA篮球赛、排超、足球赛事,直播现场的多视角在线观看或回看,带来了以上场景下的体验诉求。

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5G时代来临,用户下行带宽达到1G多,体育场馆内的观众是否可以随意进行多少角观看?回答是,不能,密集人群的下行带宽依然存在瓶颈。目前部署的5G基站和手机能力看,小区下行平均吞吐量900Mbps(峰值速率5.1G,但是由于用户的分布,小区平均吞吐量才是真正可参考指标),小区业务并发用户数400。假定为1080P(超高清)的视频,比特率为3M,因此单个小区也就是能支持300个用户。因此在5G下,场馆密集人群通过多视角观看视频时,无线带宽依然存在瓶颈。
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如何解决这种密集人群观看视频的场景?广播eMBMS业务承载技术,它采用广播方式在同一时间向多个用户提供相同内容,能够大大节省无线空口和网络资源。

二、eMBMS应用场景有哪些

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第一类场景,eMBMS最适合的场景为场馆直播,如体育赛事直播、演唱会直播等。场馆内现场观众同时观看不同视角的视频,通过eMBMS广播技术节约无线下行带宽,保证播放质量。以场馆篮球赛事为例,场馆内观众密集,位置不同的现场观众可能想从多个视角了解赛事,如从替补球员视角、采访时视角等,也可能需要实时回放精彩比赛片段等。此时内容提供方(咪咕)从多个视角进行现场拍摄视频,并上传到网络上,一个视角对应着一路流。内容提供方把多个视角的视频流广播到场馆(每个视角一路流),场馆的观众按需点击不同视角进行观看。

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以提供8个视角的视频为例,8*3(每路流都是1080P视频,每路带宽3Mbps)=24Mbps,现场观看共同需要的带宽仅为24Mbps,现有无线速率完全可以满足。广播只与推送的视频路数有关,与观看的用户数量无关,观看的用户可以是观众基于手机观看,可以是场馆方基于电视进行播放。

第二类场景,另一个可能的应用场景VR直播,由于VR视频码率大,一个无线小区同时有多个用户同时观看直播,无线下行速率可能就是瓶颈,此时在无线小区内广播(eMBMS)就可以保证用户流畅观看。VR体验层级分为:初级沉浸(20M)、部分沉浸(100M)、深度沉浸(1G)、完全沉浸(4G)。随着VR体验层级的提升,无线带宽越来越是瓶颈,无线小区的下行速率无法同时保证大量用户的VR视频单播,此时广播是一个较好的选择方案。

第三类场景,公共服务也是将来eMBMS的一个应用场景。公共服务目前主要是通过电视,如实时推送一些疫情信息、灾难信息等。随着智能机的发展,大家也可以通过APP进行电视的观看。注意,通过APP观看的电视,目前是基于单播流媒体的技术。随着5G的广播技术的发展,eMBMS广播的覆盖范围增大,支持的终端移动速率提升,通过APP观看电视也可以基于广播的技术。如遇到突发事件,广播可以让特定位置的大量用户在手机上能够同时接收到警告或通知。目前FuTURE(未来移动通讯)论坛正在讨论该场景,制定规范。

第四类场景,广播还有一些其他的应用,如物联网软件升级。物联网设备分布密集,同时升级需要大量的带宽。通过广播技术,可以把升级软件提前广播到设备商,设备在闲时进行软件本地升级。

三、eMBMS原理

广播网络有几个显著的特点:第一,很大的覆盖范围;第二,在覆盖范围内的用户在同一时间收到的是相同的内容;第三,无线接入网络不会跟踪用户的移动,即不关心用户在哪里接收广播内容;第四,用户接收内容时无需也不会通知网络。

在MBMS中,位于某个特定区域的多个UE将收到相同的内容,这个特定区域被称作MBMS服务区(MBMS service area),并通常由多个小区组成。每个加入发送该MBMS服务的小区,都会配置一个点到多点的无线资源,并且注册了该MBMS服务的所有用户都可以同时接收到相同的传输信号。将MBSFN传输用于多小区广播/多播要求小区间紧密的同步和来自不同小区的信号的时间对齐。

MBMS在设计过程中考虑了2个非常重要的方面,提高覆盖范围、降低终端功耗。

多播/广播业务是为多用户服务的,无法提供用户特定的自适应参数配置,即无法针对单个用户提供链路自适应传输,因此MBMS可提供的覆盖,或者说可提供的数据传输速率,取决于链路质量最差的用户。

多小区广播意味着多个小区会传输相同的信息,UE可以利用这点来有效地使用来自多个小区的信号功率,从而大幅提高覆盖。通过在多个小区传输相同的信号(相同的内容、相同的编码和调制),并且同步小区间的传输时间,UE接收到的信号就像是从一个单一小区接收到的,并且经历了多径传输。由于OFDM本身对于多径传输的健壮性,这种多小区传输,在3GPP中被称为MBSFN(Multicast/Broadcast Single-Frequency Network)传输,不仅提高了接收信号的强度,同时消除了小区间干扰(inter-cell interference)。

一个所有eNodeB能被同步并进行MBSFN传输的网络区域被称为MBSFN同步区域(MBSFN Synchronization Area)。一个MBSFN同步区域支持一个或多个MBSFN区域(MBSFN Area)。在一个给定的频率层上,一个eNodeB只能属于一个MBSFN同步区域。MBSFN同步区域与MBMS服务区的定义无关。

MBSFN区域(MBSFN Area)由一个MBSFN同步区域内的一组小区组成,这些小区被一起协调以实现MBSFN传输。除MBSFN区域保留小区外,MBSFN区域内的所有小区都有益于MBSFN传输。UE可能只需要关注所配置的MBSFN区域的子集,例如:当UE知道其感兴趣的MBMS服务在哪个MBSFN区域内传输时,它只需要关注对应的MBSFN区域即可。

一个MBSFN区域内,不用于该区域的MBSFN传输的小区被称为MBSFN区域保留小区(MBSFN Area Reserved Cell)。该小区可被用于传输其它服务,但在分配给MBSFN传输的资源(子帧)上,要限制其发射功率。

低终端功耗是通过使用短时、高速率突发数据(short high-data-rate burst)而不是长时、低速率突发数据(long low-data-rate burst)来发送多播/广播数据来实现的。这使得UE可以使用长周期的DRX,并偶尔醒来接收数据。在LTE中,这是通过时分复用单播和广播传输,并调度不同的MBMS服务来实现的。

eMBMS(Evolved MBMS)是3GPP R9提出的应用在LTE网络上的增强型广播多播技术,支持更大的带宽,能提供更多的频道和更流畅的多媒体内容,用户体验也更好。eMBMS能够显著地降低运营商在LTE网络上同时向多个用户提供诸如视频、音频等高带宽内容的成本。
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 楼主| 发表于 2020-12-21 09:37:43 | 显示全部楼层

三、eMBMS标准进程

eMBMS在3GPP全球通信标准组织中一直在演进。最早在2014年的R6版本中提出,R6提出的MBMS,目的是通过蜂窝网络为UMTS网络提供广播服务。从那时起,MBMS的标准化工作就一直在演进。是基于3G的三层架构设计,由于3G带宽的约束,并没有引起关注。

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2007年在3GPP R7中,引入了MBSFN以解决MBMS在小区边界的信号传输问题。

2009年的R9提出eMBMS,应用在LTE网络上的增强型广播多播技术,支持更大的带宽,能提供更多的频道和更流畅的多媒体内容,用户体验也更好。eMBMS能够显著地降低运营商在LTE网络上同时向多个用户提供诸如视频、音频等高带宽内容的成本。eMBMS已经是基于LTE扁平化的架构,并且带宽有一定的保证,单小区下行150M,初期行业推起了一个热潮,但是由于没有合适的业务,所以,尽管技术比较优良,广播行业没有发展起来。

2010年的R10中,eMBMS新增了计数(counting)功能和接纳控制(admission control)功能。计数功能可以统计MBSFN区域内对某MBMS业务感兴趣的UE数量。接纳控制功能则是根据当前无线资源情况、eMBMS业务之间的优先级、计数的结果等因素,由MCE决定是否建立新的eMBMS业务,或抢占现有的eMBMS业务的资源。

2011年的R11中,考虑到LTE网络中的多个小区可使用不同的频带,R11版本对eMBMS业务的连续性进行了改进,以保证UE在MBSFN区域间移动时能继续接收eMBMS业务,并且能在多个LTE频带中找到自己所需的eMBMS业务。此外,其它技术标准的改进也对eMBMS技术起到了推动作用。例如Rel-11中的视频音频编解码器非常先进,能提供同时兼顾带宽和质量的最佳方案,提高了eMBMS业务的质量。

2017年的R14提出enTV,就是enhanced TV,也称为FeMBMS(Further eMBMS)。那一年,3GPP组织在R14中引入了基于LTE的EnTV (Enhanced TV)技术。单频网循环前缀(SFN CP)的长度进一步扩大到200μs,以便支持更大范围单频网的覆盖。EnTV提供了不依靠sim卡的单收模式(Receive-Only Mode),支持高清、超高清业务的传输,自带系统信息和同步信号,同时引入了多种传统的地面数字电视广播技术,使得EnTV的频率使用效率得到了更进一步的提升,从而能够更好得满足MBMS业务的应用需求。

业界将2018年3GPP R15版本及之后的版本认为是5G技术,可见,目前“5G广播”泛指的是从3GPP R9一路演进至今的4G LTE广播技术。

2020年7月冻结的R16版本,对EnTV进行了优化,重点是对地面广播进行支持。支持多模式全功能的大塔(广电的发射塔)广播,包括无卡接收、高速移动、大覆盖。高速移动支持120-250Km/s;大覆盖支持站间距为100Km,移动公司的基站站间距一般为300-500m左右。

明年的R17版本,演进NR下的广播,重点为基站的广播演进,基于移动通信基站(也称小塔)的方式将在标准中细化。

四、eMBMS生态现状

为什么标准化十多年,一直没有应用起来?回答是:

第一,没有场景,技术比较复杂。在2018年以前,需求不强烈。场馆观看比赛没有得到重视,最近几年才提出智慧场馆的概念,充分考虑场馆内观众多视角观看比赛的诉求。通过APP观看电视内容,也不是一个主流场景,电视内容更多是通过有线接入,在电视机上进行观看。

第二,成本比较高。就技术而言,eMBMS技术绝对是一个优秀的技术,但是,从实施上方面,运营商为了支持eMBMS,成本增加。运营商需要添加:BM-SC(Broadcast Multicast Service Center)、MBMS GW(MBMS gate way),在无线侧,需要单独提供广播信道。

第三,技术约束。2017年以前,eMBMS支持的基站覆盖范围、移动速率并不能很好的适合广电的诉求。

第四,应用要求高。5G之前的eMBMS,需要内容提供商、终端侧、网络侧都需要配合,应用起来比较麻烦。

场景需求不强烈,网络部署成本高,应用不方便等都制约了eMBMS的发展。需求不强烈,应用少,而网络成本高,运营商没有意愿部署广播能力;网络能力不具备、应用要求高,导致广播业务创新无法进行。这成了一个循环,所以eMBMS的广播现状就是技术叫好,业务发展不起来。

为什么现在大家又开始关注eMBMS?核心是:

第一,场景需求逐步呈现。智慧场馆、VR观看、手机观看电视等需求场景越来越引起关注,这些场景对广播都有诉求。

第二,技术演进。R14、R16(5G)已经考虑了地面广播,R17正在支持基站的广播演进。无线空口正在优化,组播共用单播流程,无需组播专用信道。

第三,应用要求减低。FuTURE论坛正在考虑如何优化广播的流程,以降低对内容提供商和应用侧的影响;标准正在研究:新的规范不存在对多播业务的限定,由网络决定是否使用组播,用户观看组播业务更为方便。

第四,国内广电对5G拍照的获得,广播是广电领域擅长的领域,也有现有设施的基础,如何利用已有技术和资源和团队,开始发力广播模式下的移动通信数据传递纳入到当前的讨论。

简单看下当前支持eMBMS的产业链情况。

运营商层面,包括韩国的KT、美国的AT&T和verizon、澳大利亚的Telstra、菲律宾的globe、印度的reliance。美国、韩国、澳大利亚已经商用。

设备商层面,五大移动通信核心网和基站设备商都支持。

终端层面,三星手机支持度比较高,Galaxy Note3、S5、S6、S8、S8+、S9、S9+都已经支持eMBMS。

芯片层面,高通的芯片基本都支持广播,高通也是广播的领导者和倡导者。

五、eMBMS研究与数据

虽然eMBMS产业还不成熟,但是我们作为视频业务的提供公司之一,要跟进广播技术的演进,进行广播在视频领域的研究,探索更多的广播场景,为我们长期发展做技术积累。

我们在5MII(5G多媒体创新联盟)内与高校和业内公司合作,对广播技术进行了研究,完成了H.264超高清视频的广播演示;完成了AVS2超高清视频的广播演示。其中AVS2超高清视频广播在手机进行接收播放,我们是最早验证这个业务的公司之一。

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距离上图右边是移动网络的基础架构:其中BM-SC、MBMS GW都是为支持eMBMS新增网元。

BM-SC(Broadcast Multicast Service Center):负责MBMS业务的管理。对内容提供商,BM-SC是MBMS业务内容分发入口;对承载网络,BM-SC负责授权、发起广播/组播业务、调度、传输内容等功能。

MBMS GW(MBMS网关):负责处理MBMS业务分发和控制。它由控制面和用户面功能组成。控制面功能:MBMS GW通过MME(Mobility Management Entity,移动性管理实体)把MBMS会话控制信令(Session start/stop)传给基站。数据面功能:MBMS GW通过广播消息把内容发送到基站。

一个MBSFN区域是由一个或多个传输相同内容的小区组成的区域,加入同一MBSFN区域的小区不仅在时间上同步,而且使用相同的无线资源。

在直播的架构中,项目在网络侧开发了CP代理(内容提供代理,用于完成配置广播信息到网络、转发广播视频到网络)、广播业务平台(管理员配置广播信息service、session等,同时与终端进行交互,提供广播信息),在终端侧我们提供了接收广播流,解码AVS和H.264的功能。

由于现网现在没有使能eMBMS功能,我们基于srsLTE仿真软件做的这个技术研究。srsLTE(Software Radio System LTE)是基于免费开源LTE SDR平台,由C语言实现。包含,srsUE 、srsENB、srsEPC。支持 LTE Release 10提供的功能,支持演进的多媒体广播和多播服务(eMBMS)。

从5G+eMBMS实验验证数据分析。模拟场馆内业务并发用户数500,每个用户假定为1080P(超高清)的视频,比特率为3M。

第一,从视频质量看效果。单播用户接入时,视频卡顿、有马赛克,这个是由于带宽拥塞导致丢包造成的。广播用户接入时,我们发现视频与一个用户接入一样流程、清晰。

第二,从基站占用带宽上看效果。单播用户接入时,当500个用户接入时,每个占用3M,带宽基本均分。从每个UE上也可以看到,每个UE的占用带宽也是3M。那么500个用户所需带宽是1500M。广播用户接入时,单用户接入时,占用带宽为3M;500个接入用户时,还是3M。从每个UE上也可以看到,每个UE的占用带宽也是3M。这也就是说,对UE而言,广播与单播需要带宽是一样的,但是对基站而言,广播仅使用一个单播的带宽,无论接入多少用户。

一句话说明,单播场景下,基站带宽与用户数成正比,为用户数 X 视频带宽;而广播则没有这个问题,广播带宽与用户数无关,仅为视频带宽。从验证效果上,广播在带宽受限情况下,具有特别优势。

以上分析了这么多,最关心的是eMBMS啥时能用,给谁用,怎么用。。。。这些问题将伴随5G、视频传输的技术发展而促进技术稳定和高性能,将随着3GPP和更多标准化的进程促进产品的成熟,将随着更多的智慧场馆、多视角观看、VR视频观看等应用的拓展带动产业链的成熟。希望早日体验到这些eMBMS场景中终端观看,全场景的沉浸式音视频体验。
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