上行视频业务大带宽保障方案.docx

上行视频业务带宽保障【摘要】5G商用进程的全面开启和网络建设的加速推进，进一步推动5G从ToC领域持续向ToB延伸。5G与垂直行业的进一步融合应用，从更宽范围的业务需求、更丰富的功能、更可靠的性能等方面又对5G通信网络提出了更高、更严格的要求。但TOB行业用户存在多路视频监控，每个视频存在I帧和P帧，多路视频I帧碰撞瞬时流量将超过小区容量，导致视频出现卡顿，掉帧等现象。通过无线侧的I帧离散技术，可以将多路视频的I帧离散开，有效的解决多路视频的I帧碰撞引起的视频卡顿问题。【关键字】TOB视频卡顿I帧离散技术【任务名称】【在上述任务简称中选择】【背景】一、问题描述高清视频监控、视觉质量检测等操作场景、以8K视频、3D视频、VR/AR为代表的增强带宽业务将对网络带宽产生数百GbPS的超高需求，对回传网络造成巨大传输压力，外场视频远控业务，经常因多路视频I帧碰撞瞬时流量超过小区容量，导致视频出现卡顿，吊帧等现象。分辨率越高对上行速率的要求越高:分类分辨率下行速率上行速率高清电视视频IK5-8Mbps0.2-0.32Mbps2K12-18Mbps0.48-0.72Mbps4K31-50Mbps1.2-2MbpsVR4K2D25MbpsIMbps8K2D100Mbps4Mbps24KIGMbps40Mbps二、分析过程2.1 视频网络问题分析（1）高清视频监控、视觉质量检测等操作场景、以8K视频、3D视频、VR/AR为代表的增强带宽.业务将对网络带宽产生Gbps级的超高需求，对上行回传网络造成巨大传输压力，容易导致空口带宽传输受限。（2）多路视频I帧碰撞瞬时流量将超过小区容量，导致视频出现卡顿，掉帧等现象。2.2 视频I帧、P帧概念视频是利用人眼视觉暂留的原理，通过播放一系列的图片，使人眼产生运动的感觉。单纯传输视频画面，数据量非常大，对现有的网络和存储来说是不可接受的。为了能够使视频便于传输和存储，人们发现视频有大量重复的信息，如果将重复信息在发送端去掉，在接收端恢爱出来，这样就大大减少了视频数据的文件，因此有了H.264视频压缩标准。在H.264压缩标准中I帧、P帧、B帧用于表示传输的视频画面。1、I帧（Intra-PrediCtiOn）I帧又称帧内编码帧，是一种自带全部信息的独立帧，无需参考其他图像便可独立进行解码，可以简单理解为一张静态画面。视频序列中的第一个帧始终都是I帧，因为它是关键帧。2、P帧(PrediCtion)P帧又称帧间预测编码帧，需要参考前面的I帧才能进行编码。表示的是当前帧画面与前一帧(前一帧可能是I帧也可能是P帧)的差别。解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。与I帧相比，P帧通常占用更少的数据位，但不足是，由于P帧对前面的P和I参考帧有着复杂的依耐性，因此对传输错误非常敏感。3、B帧(Bi-PrBiCtiOn)B帧又称双向预测编码帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别。也就是说要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是对解码性能要求较高。总结：I帧只需考虑本帧；P帧记录的是与前一帧的差别：B帧记录的是前一帧及后一帧的差别,能节约更多的空间,视频文件小了,但相对来说解码的时候就比较麻烦。因为在解码时,不仅要用之前缓存的画面,而且要知道下一个I或者P的画面,对于不支持B帧解码的播放器容易卡顿。2.3 I帧碰撞引起视频卡顿原因(1)视频帧分为I帧与P帧，I帧携带视频画面全部信息，数据量较大，P帧为帧间预测编码帧，只传输与前一帧的差别信息，数据量较小。(2)I帧数据通常是P帧的5到10倍，多流视频并发时，多个I帧在同一时刻传输(称之为I帧碰撞)，会带来数倍于视频流典型码率的传输带宽需求，超出网络传输能力，导致网络传输链路拥塞，引起突然时延加大和卡顿。（I帧、P帧大小对比（红色为I帧，蓝色为P帧）2.4 I帧碰撞与I帧离散的原理基站识别视频流建立关键报文，当识别出多个i帧同时传输时，通过调度机制将多个i帧发送的起始点岔开，进行离散化处理，使得多个i帧被均匀的分配到调度时间片上去，避免多个摄像头的i帧同时传输，降低传输带宽需求，从而保证视频播放流畅。I帧碰撞：当多路I帧在相同时刻上传时，对网络带宽产生更高的要求。当网络带宽不能满足I帧碰撞的带宽要求时，将导致视频出现卡顿，掉帧等现象1、I帧碰撞识别：识别出发生I帧碰撞的的流组合，发生碰撞时的峰值速率（从负荷角度评估碰撞对网络的冲击），发生碰撞的时间段，发生碰撞时间段与I帧传输总时长占比（从时间维度评估碰撞对网络的冲击），统计发生各种碰撞的概率2、I帧碰撞调整：根据I帧碰撞识别出的峰值碰撞组合视频流，对个别视频流进行I帧间隔的调整，从而降低碰撞峰值速率或者降低碰撞持续时长。I帧离散：通过控制下行拉流报文对上行I帧进行离散化处理。基站可通过截获拉流数据包并控制其在特定的时间发送达到调整I帧时刻的目的。在视频流建立时通过对视频I帧发送时刻的控制，以达到让多个视频流的I帧错开，分散在不同位置上来。三、解决措施3.1 验证方法拉流数据包与第一个I帧时间间隔：kO；I帧周期：P；可配相邻两个视频流间设置的时间间隔：kl；可配收到第一个视频流的拉流数据包时间：to；当前收到的视频拉流数据包实际：tl；第一个视频流的位置编号是0,那么在U收到拉流的视频流分配的位置编号为：i=(tl-t0)%p)kl+lo拉流数据包需要延迟发送的时间为：i*kl-(tl-t)%p0若算出的位置已被占用则使用下一个位置。若站内视频流的个数超过了能分配的位置个数pkl,那样也会存在多个视频流的I帧撞在一起的情况，但也需让同一时刻尽量少的视频流出现I帧碰撞。具体示例如下。第一个视频流Video_l的拉流命令在t时刻到达基站的PdCP层，对应Video_l的第一个I帧的时刻为t0_0,而t0_0=t+k0o默认给video.l分配的位置编号为0,期望video.1的第一个I帧在tO_O-tO_O+kl的时间内传输完成。在video_l的第X个I帧的周期内，收到了video_2的拉流命令，设此时刻为tl,video_2的第一个I帧的时刻为tl_0o设置video_l在第x个I帧周期的I帧传输开始时刻为t2,那么t2=tl_0-(tl_0-tO.O)%po那么给Video_2的I帧分配的位置编号：i=(tl_0-tO-O)%p)kl+l。video_2的第一个I帧传输时刻为：t2+i*kl；那Video_2的拉流命令的传输时刻需要延迟到：t2+i*kl-k0o拉流命令延迟时间为：(t2+i*kl-k)-tl=(tl_0-(tl_0-tO.O)%p)+i*kl-k)-tl=(tl+k)-(tl+k)-(t+k)%p)+i*kl-k)-tl=i*kl-(tl-t0)%po3.2 验证结果3.2.11 帧离散功能关闭测试结果如下图，发起7路视频，并且I帧都同时发生碰撞。在碰撞期间因网络带宽限制，引起时延比较大。在最后视频报告中，只有5路视频运行正常,并且5路视频的卡顿率是5%8.4%°平均时延是92ms257ms°业务状态：进行中.Iatency(ms)视频业务测试指标枚建业;11*年均平均51»例!事业务包*大小更侬长H81tf(m)棒eM曲SWTf*<nMW长(»)rr!itr(lit)TttBTif(B)(w)(«):H3<占比二"；rt11>t山<fUH.2M25fPJIPTW3002J33WIWO7IStW?xe.8o“8231S5TWMMfi22S1619/熊敏S.257UOrnre5e30.0UH.2M25fJIfcoIPTW3WZ1124408ISWrw.8aooo2571%WO913W1239咖HW2TO25.073130lF-tI430.0UtH.2M25,心阑*IPT三300215SW7O6ZnSI7M9.3OlOOOClM½245S9U142CC5316W.1WS77.TWUrt1*t30.0UK.2M25fp,1®*IFN300WWSH0209252W?M8.8OLaoaco1542Hw×>32O4W3138IC.C!348.4ICWMOUH.2M25fH,!脸iP7«300233257709161M7财aooo½31l912113W111528Z4的侬5.3?W>53.2.12 I帧离散功能打开测试结果如右图，发起7路视频，通过基站的I帧离散功能，对视频I帧均匀的离散开，并且时延在80ms以下。在最后视频报告中，7路视频全部运行正常，并且7路视频的卡顿率基本是0%。平均时延是17ms20ms°视频业务测试指标授*业名业务Wf平均WxP平均3*口丁式icfi典卓”十小(fl>BMaiU(0'fe¼<m)*Bitr(MUa)力仞咒名电中(UB)i1U()不：()小7口<M(5比tW(*)30.0UKH2M2S<M.UQRboIPTW300tarnT5«0007009.10.0000.007212MT59W70100.OCOCOOO.OMOOOrt*t<r30.0UcK2MIPTWVMma000XW.2CkOOOo.«WWlKCttMil0gocooO.OWWrt,2山，必MOUK2M25介.1匍IFTSWVIW000ge,oooaoIZR0oc,owo0.0000«rgre-L4MOUK2M2¾p.r«财IPTWWnu0000.0000.3t¼W1C624573«0IOClOOOMWoM-1.5i.三3X0IkK264沏Mun!PTW3M52WTBtt01C6TOOkOOO0.M20125124722W.W3O710.020614ri-t<r<I».0UtK2M*IFTX300571«TCW02ISTOW.I¢.0000.01PW792iTT27i0100.00X00O.OHWlrtato».0IkM2M笈gUQ*IFTXW«$«TW2000ooo0.WWn12*0<2W0%ownO.OMOCO3.23I帧离散功能验证结果开启前：5路视频的卡顿率：5%8.4%,平均时延：92ms257ms0开启后：7路视频的卡顿率：0%,平均时延：17ms20ms°I帧离散功能开启后，7路视频卡顿率较低到0%,平均时延从原来的92ms257ms,降低到17ms-20mso四、经验总结(一)经验总结：1、降低网络负荷：通过I帧碰撞识别和调整，减少瞬时高流量对网络的冲击。2、上行带宽规划：根据I帧业务特征学习，I帧碰撞识别，根据部署摄像头数目估算所需空口带宽，为网络部署上行带宽规划提供建议。3、摄像头数目最优：在有限的空口带宽下，通过1帧碰撞调整增加接入摄像头数目，达到在充分利用空口带宽的情况下，尽可能增加摄像头数目，提高资源利用率。（二）推广场景：1、矿井井下无人化，危险区域的作业都是视频回传远超操控；同时，为了提高生产安全，皮带检测，打孔探水等，都采用了基于视频的机器视觉2、工业园区AGV小车、工业穿戴，视觉质量检测，也需要视频低时延传输到边缘云做Al处理，降低终端成本。同时，还有基于视觉的电子围栏，环境监控等多种视频应用。3、医院在移动诊疗车、救护车、病房查房等多个场景，低时延互动型视频回传，帮助专家远程问诊，远程查房。4、港口的无人集卡，岸桥远程操控，轮胎吊，天车等远程操控，电子围栏，巡检，安防，都需要大量的低延时视频回传技术，助力港口无人化进程。以上应用，都需要部署视频远控，在多摄像头的I帧碰撞场景开启该功能后，可以提升视频摄像头的容量和视频流畅。