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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、_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*k
10、l;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
11、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)():H3t山32O4W3138IC.C!348.4ICWMOUH.2M25fH,!脸iP7300233257709161M7财aooo31l912113W111528Z4的侬5.3?W53.2.12 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
12、式icfi典卓”十小(flBMaiU(0fem)*Bitr(MUa)力仞咒名电中(UB)i1U()不:()小7口M(5比tW(*)30.0UKH2M2SM.UQRboIPTW300tarnT50007009.10.0000.007212MT59W70100.OCOCOOO.OMOOOrt*tr30.0UcK2MIPTWVMma000XW.2CkOOOo.WWlKCttMil0gocooO.OWWrt,2山,必MOUK2M25介.1匍IFTSWVIW000ge,oooaoIZR0oc,owo0.0000rgre-L4MOUK2M2p.r财IPTWWnu0000.0000.3tW1C6245730
13、IOClOOOMWoM-1.5i.三3X0IkK264沏Mun!PTW3M52WTBtt01C6TOOkOOO0.M20125124722W.W3O710.020614ri-trI.0UtK2M*IFTX300571TCW02ISTOW.I.0000.01PW792iTT27i0100.00X00O.OHWlrtato.0IkM2M笈gUQ*IFTXW$TW2000ooo0.WWn12*02W0%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:17ms20msI帧离散功能开启后,7路
14、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。