5G时代的媒体远程生产

引言：

媒体应用需要巨大的网络容量来实现高带宽的流传输，对资源要求苛刻。5G的出现激发了新的解决方案和工具的研究和开发，可以满足媒体行业对网络链路的需求，随时随地提供特定的质量和安全性的服务。本文介绍5G时代媒体远程生产与分发的应用场景，并结合H2020 5G PPP第2阶段项目5G-MEDIA 介绍相关系统需求与架构。

5G-MEDIA项目是5G Infrastructure Public Private Partnership中Phase2 Innovation Action的一部分。该项目已获得欧盟“Horizon 2020”研究和创新计划的资助。该项目旨在利用并正确扩展正在运行的5G PPP项目的宝贵成果，为服务提供灵活的编程，验证和编排平台。此外，还可以开发网络功能和应用程序，以便在大规模部署中进行演示。

项目官网：

http://www.5gmedia.eu/

图1：5G MEDIA项目的部分合作伙伴

应用场景

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My Screen Follows-me

用户在5G网络中移动，并期望获得从固定视频/音频设备（例如家中的电视机）到个人移动设备（例如平板电脑，智能手机）的无缝媒体观看体验。这一场景中，用户在移动中穿越不同网络部分，同时继续观看流媒体内容。媒体内容将在不同设备（例如智能电话，电视屏幕，平板电脑）上可用。

这需要在用户附近部署新的本地高速缓存和转码器，以在分辨率和媒体质量方面优化用户体验。在整个基础设施中需要具有动态调整和重新配置网络服务的机制，例如软件定义网络和网络功能虚拟化工具/协调器，以保证所需的QoS级别。

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I-Director

在视频广播场景，例如与大型体育或艺术活动中，相同的节目可能会被数百万用户同时观看。当前的移动网络无法为所有观众提供所需的带宽，而数量众多的用户同时观看相同的内容，也对运营商的服务质量和成本提出挑战。

可以通过提供可互换的音轨、不同的视频角度等改变每个观众的观看体验。每个终端用户可以访问不同的附加内容，例如从不同的摄像头获取流、查看事件的链接信息、在特定视点上重放等。

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远程生产

远程生产旨在用最少的现场设备和人员进行大型活动的直播（例如体育场内的足球比赛）。这是通过从广播公司的设施远程控制网络上的设备和音频/视频信号来实现的。摄像机信号被传输到网关进行SDI到IP信号的转换。 SDI是当前广播制作中的主要传输标准，目前使用的大多数摄像机都具有SDI输出。网关使用SMPTE ST 2110标准传输未压缩的媒体信号。为了传输到接收端，媒体流被压缩和编码以适应可用的网络带宽（通常是有限且昂贵的），然后传输到工作室，在那里媒体信号被解压和解码以进一步由广播公司使用。

5G-MEDIA系统需求

5G-MEDIA项目将媒体相关应用程序和底层5G网络结合和互通，旨在为5G网络中媒体应用的开发、设计和操作提供集成的可编程服务平台，使媒体服务可以灵活地适应动态变化的条件并对事件做出响应。每个媒体服务包括一系列特定于媒体和特定于网络的细节化服务，所有这些服务相互连接以向媒体消费者提供预期的输出。

媒体应用通常对网络和底层计算资源的管理提出非常高的要求。这些需求包括应用程序需求和平台要求。

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应用需求

首先，媒体应用对网络提出需求：

• 最大端到端网络延迟（RTT）<= 50ms
• 最小端到端连接带宽（每个流）从15Mbps到24Gbps甚至更高
• 网络必须无差错且无损，允许最大丢包率<10-12
• 最大网络抖动/数据包延迟变化（PDV）应小于10毫秒
• 支持对音、视频流根据QoS进行分类和优先级排序

此外，媒体应用还有其他需求，如根据场景不同可容忍的最大端到端信号传输延迟、音视频信号同步等。

只有满足这些需求，才能保证媒体事件所需的平滑且无差错的传输。传输中存在的任何问题都会降低用户的观看体验。

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平台需求

媒体应用对平台的需求包括基础设施和管理需求。

基础设施需求主要涉及计算资源。在媒体传输期间压缩和转码视频内容需要大量的计算资源和内存。其他功能（如识别服务）对资源的需求也非常苛刻，具体取决于所分析的内容和执行的操作。因此，媒体应用需要高性能的硬件和软件，从现场到编码单元的视频流的传输也需要一定的带宽。此外，需要控制某些功能的配置，以便执行最终广播流的远程制作。

管理和编排（MANO）功能涉及服务部署和服务操作。在服务部署中，需要在高度自动化的环境中应用DevOps的特性，如敏捷性、弹性、持续集成、持续交付、部署和发布等。

5G-MEDIA中的新方法

5G-MEDIA提出了有利于媒体远程生产分发的新功能，包括：虚拟功能（VNF）、 功能即服务（FaaS）以及QoS控制管理。

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虚拟功能（VNF）

在5G-MEDIA中媒体服务被虚拟化，分散为虚拟功能。由于媒体应用对网络和底层基础设施提出了很高的要求，纯软件方法非常具有挑战性，但同时也带来很大的优势。它允许在需要时将虚拟媒体功能（媒体专用VNF）临时实例化，从而最佳地使用网络资源。这是通过将软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）概念应用于媒体应用程序来实现的。VNF隐藏了底层5G网络上的服务开发和部署的复杂性，这样的系统设计还允许在属于不同运营商的异构节点上进行临时实例化、设置和编排媒体服务。

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功能即服务（FaaS）

5G-MEDIA向VNF管理引入了无服务器计算/功能即服务（FaaS）的概念，通过基于FaaS的媒体功能补充传统的基于虚拟机的VNF，旨在大幅缩短开发周期和运营成本。使用FaaS编程模型可按需提供弹性虚拟基础架构的短期虚拟功能。

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QoS控制管理

5G-MEDIA建立了综合控制和管理功能，负责管理在不同场景中使用的服务。一旦媒体服务部署在虚拟化基础架构中，平台就可以灵活地根据动态条件操作服务，并对事件做出响应。

5G-MEDIA服务架构

5G-MEDIA服务架构的主要模块包括一个可以访问媒体应用程序的应用程序/服务开发工具包（SDK），一个管理相关组件的服务虚拟化平台（SVP），以及具有虚拟网络功能和媒体应用程序存储库功能的通用组件。

图2： 5G-MEDIA服务架构

SDK提供了一组开源工具，支持使用DevOps方法快速开发媒体应用程序。这些工具支持校验和打包各种功能，模拟虚拟基础架构的行为，加速应用程序开发，并且在虚拟化服务平台运行时提供测试环境。SDK工具还支持使用FaaS的方法，开发人员无需关心基础细节（如CPU内存等方面的虚拟服务器配置），从而减少服务创建周期和维护工作量。

SVP与SDK进行交互，并容纳框架有关的组件，如媒体应用存储库以及被许多应用程序使用的通用组件（例如监视和优化组件）。监视组件为开发人员按服务指定的度量标准提供聚合监视值。这些组件是通用监视系统的一部分，并应与不同的底层平台（如OpenStack，VMware等）兼容。服务管理器根据每个媒体服务的编排规则和配置和监控的性能指标进行响应。

参考文献

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[2] Carrozzo G, Moscatelli F, Solsona G, et al. Virtual CDNs Over 5G Networks: Scenarios and Requirements for Ultra-High Definition Media Distribution[C]//2018 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB). IEEE, 2018: 1-5.

[3] Rizou S, Athanasoulis P, Andriani P, et al. A service platform architecture enabling programmable edge-to-cloud virtualization for the 5G Media industry[C]//2018 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB). IEEE, 2018: 1-6.

撰稿人：董瑜，吴继楠，郑韵锴