基于5G 边缘云计算平台的多种IP流媒体传输协议测试及应用场景设想

本文介绍了基于5G 边缘云计算平台(后文简 称MEC)搭建的无线IP 高清采集传输实验系 统。文章通过分析、对比多种主流高清IP 编码 传输协议,在不同链路、云平台架构下传输的 时延数据,为未来基于MEC 生产制作的业务 系统提供参考。

摘要

一 主流IP 流媒体协议在新媒体制作中的应用

1. 概述

现今,新媒体外场采集传输多使用移动公网背包、便携型编码器或手机推流软件等典型方案将视音频信号经IP 编码后通过互联网传输,常用主流协议有:NDI、RTMP、RSTP、SRT、WebRTC、QUIC、RIST、HLS……除此之外,还有无损压缩SMPTE 2110(及相关的协议栈)、SMPTE2022-6、SDVoE、ASPEN 等协议,但这些协议因编码后码率过大,无法使用无线方式采集,并在互联网传输。故本实验仅聚焦于用于制作的典型压缩编码协议。

但受网络链路环境制约,外场采集无论使用单/多路信号回传本地;还是云上代理码率/云桌面制作,都会遇到高时延、低画质的瓶颈。

2. 无线端常用的采集传输制作协议比较

无线端常用的采集传输制作协议比较如表1。

*端到端时延,不考虑采集终端、网络链路、解码设备能力差异等因素,取主观经验平均值。

3. 典型传统传输方案

目前多用于新媒体外场直播回传的传统IP 编码传输协议,除聚合加速传输方式外,使用单网络通道传输的协议为以下几种:

(1)RTMP

采集编码终端或App 通过CDN 加速推至指定RTMP 服务器后转码进行分发制作。

(2)SRT

采集编码终端或App 传输至接收解码服务器后进行分发制作。

(3)NDI

◆尽管NDI 格式有着高图像质量、超低时延等优势,但因带宽占用过大,对网络链路要求较高,目前仅用于现场有线网络或WiFi 环境下制作;

◆ NDI 包括4 种网络发现方式:mDNS、NDIAccess 工具、NDI 发现服务器、HX1 发现(目前主流用于局域网下的演播室域,小范围WiFi 无线域);

◆ 4G 时代虽然可通过申请VPDN 实现双向互通,但受带宽限制及服务器部署位置,很难或无法实现NDI 无线方式的高码率跨网传输制作。

(4)传统远程或云制作传输解决方案

通过无线或有线方式将视音频信号压缩编码后,传输至公有云或本地服务器,利用代理码率、深压缩等技术,实现云上或本地的实时制作。

局限性:受多种网络链路下带宽、抖动、时延所带来的不稳定性,该方案仅能使用有限的传输协议,同时影响相应的缓存、码率大小,从而限制了节目制作效果和效率。

二 MEC 特点及制作场景设想

1. MEC 介绍

边缘云计算是5G 最核心的技术之一,相比传统网络中刚性的网元间关系,MEC 利用功能解耦、灵活调配的网元新架构,将传统云服务从核心网下沉到网络边缘侧,来实现计算、存储、流转等业务的本地服务。利用MEC 进行数据传输、计算,可缩短网络时延、提升带宽利用率、降低冗余开销。

2. 链路架构

MEC 在网络中的位置如图1。

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在终端采集到的数据, 在UPF( 用户平面功能)分流后直连到MEC,实现终端与云服务器间的双向互通。在MEC 侧可通过低流量的代理码率或远程桌面等PaaS 层服务进行超低时延制作,实现所有数据仅在边缘端处理,将所需有效数据通过核心网流向互联网,从而节约干线带宽。同时,边缘侧的终端设备利用5G 网的eMBB 特性及SLA 切片服务,为传输提供上下行超高带宽及低时延微抖动的链路保障。

三 MEC 下多IP 协议采集传输制作实验

1. 实验环境

在北京服贸会CMG 展台现场及光华路办公区部署无线5G高清机位,将视音频数据传输至MEC平台,云内进行转码、收录、制作、分发。用户在5G MEC网的信号覆盖区内,可通过已连接5G CPE 的对应终端设备,进行远程摄像头遥控、云上切换制作。系统方案示意图如图2。

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2. 实验主机及终端

本次测试使用的三类物理机规格如表2。

局域网服务器配置较低,解码能力较差,造成部分局域网下时延大于MEC。

云内部署IP 编解转码分发制作处理平台。

手机App 使用第三方软件,支持RTMP、SRT协议。

3. 误差因素

端到端时延包含:采集端成像、物理连接线、编码、网络传输、解码、终端显示成像、计量误差等,因不同系统组网结构中网元性能差异,导致相同部署方案亦会有较大差异。此次实验,使用相同IP 转码制作平台、采集编码终端,尽量减少因设备差异造成的误差。

4. 各协议配置

(1)SRT

首先通过测量链路环境,配置SRT 发送接收参数。测量RTT 值确定Latency,如图3,由CPE 端ping 边缘云服务器地址,RTT=7ms。

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iperf 10Mb UDP 丢包率0.17%,如图4。

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参照表3,SRT Latency= RTT 倍数X RTT,时延可设为60ms,Recovery Bandwidth Overhead=33%,为统一测试标准,Latency 设置为125ms,25%。表3 (来源:《SRT_Alliance_Deployment_Guide》)

(2)NDI|FULL、NDI|HX

PTZ 默认编码高清码率80M, 实测80Mbps~100Mbps;HX 编码6M,实测6Mbps。UPF 侧不支持mDNS 和组播,采用问询方式实现两种NDI 格式传输。

5. 实验数据

三种网络架构下的不同协议编解码传输时延,如图5 和表4。

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*N2 已减去HDMI 接口时延时延解释:

◆监看时延:云平台低时延、低码率、低画质的监看信号,用于实时制作时的用户监看;

◆ NDI 输出时延:云平台高时延、高码率、高画质的制作信号,用于切换制作同步后发送到用户的端到端时延。

秒表约35ms/ 跳,监看电脑、计时手机刷新率60Hz,不考虑以上因素造成的误差,仅保留多次最低时延平均值。

四 实验总结及构想

各协议在MEC 下的表现皆优于公有云方案,通过MEC 网络架构,赋予用户可使用NDI|FULL 等多种低纠错协议,改善或赋予了移动无线采集传输、异地操控及低时延云制作等生产应用功能。

5G MEC 可更高效地利用现有生产工具,大幅降低用户综合制作成本。未来,我们将充分发挥5G优势,探索新媒体无线移动制播的全新生产流程,将5G 技术拓展应用于更多的生产制作场景,打造新媒体生态链闭环,打通从制播、分发到观看的全5G 上下游全生态链。

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 胡重学