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中国联通 “5G+8K”技术 白皮书 中国联合网络通信有限公司网络技术研究院 华为技术有限公司 2019 年 2 月 第 2 页 共 31 页 中国联通 “5G+8K”技术白皮书 . 1 1 引言 . 3 2 5G 技术推动超高清视频产业发展 . 4 2.1 全球 5G 产业发展动态 . 4 2.2 全球超高清产业发展布局 . 4 3 5G+8K 应用场景 . 6 3.1 典型的家庭 /个人应用 . 6 3.2 典型的行业应用 . 7 4 5G+8K 应用技术 . 7 4.1 8K 技术特点 . 7 4.2 8K 内容制作 . 9 4.2.1 视频采集 . 9 4.2.2 编辑及存储 . 10 4.3 8K 内容编码 .11 4.4 网络传输 . 12 4.4.1 基础网络 . 12 4.4.2 视频内容分发网络 . 15 4.5 终端显示 . 15 4.5.1 面板 . 16 4.5.2 机顶盒 . 17 4.5.3 VR 终端 . 18 4.6 典型应用解决方案 . 18 4.6.1 面向平面 8K 视频内容制作 . 18 4.6.2 面向 VR 8K 视频内容制作 . 20 4.6.3 面向 OTT/IPTV 内容服务 . 21 4.6.4 面向 VR 内容服务 . 22 4.6.5 面向视频监控应用 . 23 4.6.6 面向 8K 工业应用 . 24 4.6.7 面向融媒体平台 . 24 5 5G+8K 应用案例 . 26 5.1 央视春晚直播 . 26 5.2 杭州超高清视频直播 . 27 5.3 乌镇世界互联网大会视频监控 . 28 5.4 江西 5G+VR 春节联欢晚会 . 29 5.5 超高清远程医疗 . 31 6 展望 . 31 第 3 页 共 31 页 1 引言 随着 5G 时代的到来，全球主要国家和地区纷纷提出制定了各自的 5G 推进计划，加速 5G 商用进程。我国在“十三五”规划纲要中明确提出“积极推进第五代移动通信（ 5G）和超宽带关键技术，启动 5G 商用”的要求。 5G 作为新一代网络基础设施，是经济社会数字化转型的关键支撑，中国联通正在积极推进5G 标准和关键技术研究，加速 5G 网络技术试验、应用创新以及商用部署工作，形成面向个人用户、面向行业用户在相关领域的业务应用能力。 5G 网络大带宽、低时延特性在面向超高清视频应用方 面具有非常广泛的应用场景和需求。根据视觉网络指数（ VNI）报告预测，到 2022 年全球 IP 视频流量将占到所有 IP 流量（商业和消费者）的 82，全球 IP 视频流量 2022 年将增长到 2017 年的四倍，复合年增长率高达 29。超高清视频技术与 5G 的结合可以形成很多核心应用模式，如：超高清视频直播内容的回传制作、基于 5G 的大带宽超高清视频服务、基于 5G 的 VR 服务、超高清视频监控、超高清工业生产、远程医疗等等。 随着我国 5G 的规模商用、超高清视频产业的不断演进，未来 5 年将是中国超高清视频产业技术发展和成果转化的战略机 遇期， 5G 将驱动超高清视频产业应用的飞跃提升。 5G 与超高清视频技术的结合，为未来创造了无限可能。 第 4 页 共 31 页 2 5G 技术推动超高清视频产业发展 2.1 全球 5G 产业发展动态 国际电信联盟（ ITU）发布的 5G 网络将要达到的部分性能参数如下：下行峰值数据速率为 20Gbps，上行峰值数据速率为 10Gbps，下行峰值频谱效率为 30bps/Hz，上行峰值频谱效率为 15bps/Hz，下行用户体验数据速率 100Mbps，上行用户体验数据速率 50Mbps。 5G 网络的理论网络延迟将大大降低，端到端时延达到 毫秒 级，空 口时延仅为 1ms，远远低于 4G 网络的空口时延 10ms。而根据 3GPP 的标准规范 TR22.863，5G 移动网络 eMBB 的用户体验速率下行为 1Gbps，上行为 500Mbps。 而 传输入门级 4K、运营级 4K、极致 4K、 8K 的带宽需求 已经超出了现有的 4G 甚至 Wi-Fi 的能力，亟需 5G 的支持 。带宽要求最高的 8K 视频 普遍 需要 135Mbps 以上 的带宽 保证传输质量 ，带宽要求最低的入门级 4K 也需要 18Mbps 到 24Mbps 的带宽。而 4K 超高清视频对于承载网端到端的总体要求为：端到端带宽要大于 50Mbps，往返时延（ RTT）要 小于 20ms，丢包率（ PLR）要小于 10-5（实践中可通过端云优化稍微降低对网络的要求）。 从理论上讲， 5G 网络对于 4K 乃至 8K 超高清视频有着良好的承载能力。 从商业应用的角度来看， 2018 年 5G 的 R15 版本标准已经冻结，奠定了面向以超高清视频为主的 eMBB业务的 5G 网络商用基础。 截至 2018 年 11 月，有 78 个国家的 182 家运营商部署或计划部署 5G， 如 Verizon、韩国 SKT、 LG U+、 KT、芬兰 Elisa 等 已宣布商用， 43 个国家的 74 个运营商在 2019-2022 年计划商用。在 美国， Verizon 发布 5G 内容运营策略，为用户提供 YouTube 和 Apple TV 4K 服务， Verizon 将与内容提供商合作，成为一个分销商和电视和视频内容的聚集者。 韩国 SKT、 KT 等运营商基于在平昌冬奥会上的5G 试商用，在 2018 年底正式为用户提供 5G 服务， 包括同步观看、交互时间片段、 360 度虚拟现实直播、全方位视觉和 5G 连接巴士 等 服务 。全球的主流运营商都已经开始商用或部署 5G 网络，而超高清视频无疑是首当其冲的主要目标业务。 2.2 全球超高清产业发展布局 “信息视频化、视频超高清化 ”已经成为全球信息产业发展的大趋势。从增长和规模来看 ，到 2022 年，超高清（或 4K）的视频点播 IP 流量将占全球 IP 视频流量的 22，超高清占视频点播 IP 流量的百分比将高达 35；从技术演进来看，视频已经从标清、高清进入 4K，即将进入 8K、 AR/VR 时代；从各互联网领域来看，随着网络速率的提升、应用终端的逐步完善，家庭互联网已经率先实现了 4K 的超高清化，移动互联网和产业互联网也在向高清化、超高清化快速演进。 日本 NHK 在 2016 年的里约奥运会进行 8K 广播测试， 2018 年正式开始 8K 卫星电视广播，并规划在2020 年的东京奥运会进行 8K 电视转播。 2018 年底，率先 开通了全球首个 8K 卫星广播频道，提供 4K 及8K 22.2 声道内容。 在电视终端方面， LG 发布世界最大的 8K OLED 屏幕，实现 8K 技术与 OLED 技术的首次结合；索尼第 5 页 共 31 页 研发基于 8K HDR 显示的高端画质图像处理引擎；海信推出激光电视和 ULED 电视； TCL 专注于 4K 画质高动态渲染；夏普则率先推出消费级 8K 电视。 图 1. 近两年美国 CES 各厂家展出的 8K 技术 近年来，中国超高清视频产业发展拥有难得的机遇，也面临巨大的挑战，国家各层面均积极倡导发挥市场优势，加大政策支 撑和引导力度，加快超高清视频技术产品创新和应用普及进程。 （ 1）工业和信息化部 发起中国超高清视频产业联盟 2018 年 3 月，在工业和信息化部指导下，中国超高清视频产业联盟由超高清视频产品制造、视频传输、内容生产、应用和服务等领域 的 主要企事业单位、科研院所、专业机构等发起成立，将积极搭建政产学研用紧密合作的公共服务平台，汇聚超高清视频产业资源和各方面力量，促进行业交流合作，培育超高清视频新业态 、 新模式，助力打造国际先进的超高清视频产业集群，推动构建中国超高清视频产业生态体系，中国联通是联盟副理事长单位和联盟 发起倡议单位。 图 2. 中国超高清视频产业联盟成立 （ 2）中央广播电视总台 实现 4K 超高清频道落地和 5G 新媒体试验 2018 年底，中央广播电视总台与中国电信、中国移动、中国联通、华为公司签署战略协议合作建设国第 6 页 共 31 页 家级 5G 新媒体平台，通过联合建设 “5G 媒体应用实验室 ”积极开展 5G 环境下的视频应用和产品创新， 形成电视、广播、网媒三位一体的全媒介多终端传播渠道，并发布 4K 超高清技术规划和超高清频道。 （ 3）中国三大电信运营商 推动 5G 与下一代超高清视频商用探索 中国电信通过转型 3.0 战略，涵盖视频 3.0 战略，以大视频 为核心，提供差异化方案。 2018 年 ，中国电信 与华为联合发布云 VR 产品，计划 2019 年底在全国一 、 二线城市全面加载 VR 业务 ； 与东方明珠、百视通、富士康发布基于 5G 测试网络的 8K 视频应用平台，并与各合作伙伴共同成立 “5G+8K”产业联盟。 中国移动通过大连接战略 布局超高清视频领域 ， 发布首个省级 VR 业务管理规范，实现全球首个运营商云 VR 业务试商用；完成基于 3GPP 标准 R15 版本的 5G 端到端 8K 视频演示， 并 在乌镇等地完成 试验 应用。 2018 年， 中国移动 与 中国国际电视总公司签署战略合作协议，涵盖 5G 技术研发、 4K 超高清 频道建设、内容分发、大数据以及资本等领域，是 2018 央视世界杯新媒体指定官方合作伙伴。 中国联通聚焦视频战略，完成从 “关注产品实现 ”到 “关注用户体验 ”的思路转变。 2018 年，中国联通 发布中国联通 5G+视频推进计划， 在 17 个城市开展 5G 试点网络测试和创新应用示范孵化，在 5G 新媒体领域完成多个首发的行业应用实践，包括 央视春晚实现国内首次 5G+VR 实时制作传输应用、极寒天气下5G+4K 传输应用、 在杭州试点首次专业级 5G+8K 直播应用、在江西试点首次 5G+VR 春晚直播、与首钢打造 5G 智慧园区助力智慧冬奥、在福建完成 全球首例基于 5G 的远程动物手术 、与青岛港打造首个 5G 智慧码头 等。 3 5G+8K 应用场景 从技术角度看， 5G+8K 应用场景不仅局限于平面大屏，也涵盖 VR 等应用场景；从用户群体角度看，5G+8K 应用场景则涵盖更多，包含直播、点播、游戏等等。 表 1. 5G+8K 典型应用场景 5G+8K 应用场景 平面 8K VR 8K 家庭 /个人 8K 直播 、 8K 点播 等 VR 游戏、巨幕影院、 VR 购物、 VR 社交 等 行业领域 8K 视频监控 、 8K 远程医疗 、8K 视频会议 等 VR 教育、 VR 直播、 VR 旅游、 VR 医疗、VR 工程、 VR 房产 等 3.1 典型的 家 庭 /个人应用 （ 1） 8K 直播 /点播 8K 直播 /点播 是 指 基于 5G 网络， 通过 8K/VR 技术 应用 ， 对 比赛、演唱会、重大 活动等 大型活动 场景进行直播 ， 或后期制作成点播节目推送给家庭 /个人用户， 带给用户沉浸式 的临场感 ， 未来阶段，将为用户带来更好的视听觉和交互体验 。 （ 2） VR 游戏 第 7 页 共 31 页 VR 游戏是指利用 VR 技术让玩家走进虚拟的游戏世界，拥有沉浸的视听感受，并通过身体的运动来进行游戏。 云 VR 游戏是 VR 的典型应用，交互性强，沉浸感强，是最能吸引用户的业务之一。 （ 3）巨幕影院 家庭巨幕影院，是在室内借助 VR 头显，可满足现代人们对 于看电影的需求，如私人巨幕、跃然眼前的 3D 影像， 1080P 到 4K、 8K 的清晰度， 800 至 1000 英寸巨幕，屏幕大小自由调节等。 3.2 典型的 行业应用 （ 1） 医疗健康 超高清视频技术可以提供超高精细显示，提高医学图片或影像的清晰度，为医疗诊治提供有力技术支撑。将 8K 影像技术与医疗检查结合，实现精准医疗，通过 8K 5G，医生还可以更快调取超高清图像信息、开展远程专家会诊以及远程手术，合理高效利用医疗资源，真正实现完善的医疗解决方案。 （ 2）工业制造 超高清视频技术与工业物联网结合，可以实现精细原材料识别、精密定位测 量等环节，将 8K 技术应用于工业可视化、机器人巡检、人机协作交互等场景，与机器视觉、人工智能结合，提高工业自动化、智能化水平。 （ 3）文教娱乐 超高清视频除了显著提高临场感，与 5G、 VR/AR 结合能带来更真实逼真的体验，在体育赛事、演唱会等展现出更多普通分辨率捕捉不到的细节，抓住每个精彩瞬间 ，有效提升视频内容制播效率 。 在教育领域 提供更生动的教学互动体验和更丰富的课程内容，有效提升教育教学质量和科研能力。 （ 4）视频监控 超高清视频技术可以弥补低光照、大范围、恶劣天气等环境缺陷，真实还原各区域细节。用 8K 技术升 级现有城市安全、反恐防暴、交通监控，结合图像处理技术，实现区域性人脸、车辆、火灾等识别，大幅提升监控安全领域的保障能力。 4 5G+8K 应用技术 4.1 8K 技术特点 8K 技术是一种视频技术系统名称，包括前端设备、编码压缩、网络传输、播出设备和平台应用等方面，还要同步突破高分辨率、高帧率、高色深、宽色域、高动态范围等多个维度技术，才能给为观众带来颠覆式、更具感染力和沉浸感的临场体验。 8K 取自用户最直接的观感、也是最重要的技术属性 分辨率，即 76804320 像素，是 4K 分辨率的4 倍。从 高清到 4K、 8K 超高清，画 面每帧分辨率从 19201080（约 207 万像素）提升到 38402160（约 829第 8 页 共 31 页 万像素）、 76804320（约 3386 万像素）。 表 2. 超高清技术发展趋势 阶段 准 4K 全 4K 8K 基本参数要求 产业成熟时间 2015-2016 年 2017-2020 年 预计 2020 年 - 分辨率 38402180 38402180 76804320 帧率 30 帧 60 帧 120 帧 位深 8bit 10bit 10/12bit 色域 BT.709 BT.2020 BT.2020 HDR SDR HDR HDR 8K 需同步突破高分辨率、高帧率、高色深、宽色域、高动态范围等五个维度技术，才能给为观众带来颠覆式、更具感染力和沉浸感的临场体验。 （ 1）高分辨率 高分辨率技术提供了更丰富的画面层次和更精致的画面细节，呈现出场景的立体感和空间感。在 8K（ 76804320）分辨率的最佳观看距离，人眼的观看角度可以达到 96，接近人眼的立体观看视野（人眼产生双目立体感的视场角约 110），可以忽略显示屏的边界，体验到亲临现场的观感。 （ 2）高帧率 高帧率技术能够进一步提升影像的细腻度和流畅感，给人眼更加舒适 的观看体验。目前 4K 电视采用的帧率 50Hz 或 60Hz。行业标准将逐渐取消超高清隔行扫描方式，并将 8K 的帧率提升到 100Hz 及以上。当帧率达到 120Hz 时，可以改善运动镜头的画面跳停现象和模糊现象，消除高亮度宽视角情况下的临界闪烁现象。 （ 3）高色深 色彩深度，又叫色彩位数，表示在位图或者视频帧缓冲区中储存 1 像素的三原色中一个颜色所用的位数，表达最多支持多少种颜色。色彩深度越高，可用的颜色就越多，能提高灰阶层次过渡的表现能力、防止出现色彩平滑过渡区域的色带、提升暗场的显示效果、降低画质噪点。目前行业内公认的 4K、 8K 系统的色深分别是 10bits（约 10.7 亿色）、 12bits（约 687.2 亿色）。 （ 4）宽色域 色域是指一个技术系统能够产生的颜色的总和。色域越大，显示系统的色彩表现力越强，显示的颜色越丰富，更接近自然界的色彩。一般用 CIE1931 色域图表现人眼可感受到的全部色彩空间。高清系统的色域空间一般满足 BT.709 标准，覆盖 38.5%的 CIE1931 色域空间。超高清系统采用的 BT.2020 色域空间改第 9 页 共 31 页 进很大，可覆盖 78.5%的 CIE1931 色域空间，能够再现更多饱和度、亮度高的颜色。 （ 5）高动态范围 人 眼所能感受的亮度动态范围约为 10-3 到 106nits，所能感受的瞬时动态范围可跨度高达 10000nits。高动态范围（ High Dynamic Range， HDR）能让人眼看到更纯粹的黑、更亮的白色和纯色，同时看到画面里黑暗处和高光处的细节，色彩饱满，画面有立体感和层次感。要实现 HDR，需要支持高亮度、 高色深、高色域空间。 中国联通结合 8K 产业链的技术发展进程定义了 3 种 8K 类型分级，分别为入门级 8K 、普通 8K、极致 8K。 类型 分辨率 帧率 颜色深度 亮度动态范围 色域范围 入门级 8K 76804320 30 帧 /秒 10Bit SDR BT.2020 普通 8K 76804320 60-90 帧 /秒 10Bit HDR BT.2020 极致 8K 76804320 120 帧 /秒 12Bit HDR BT.2020 4.2 8K 内容制作 4.2.1 视频采集 在视频采集方面， 主要涉及分辨率、帧率、画幅宽高比、色彩采样比和量化比特数等主要因素。 画幅宽高比，现在主要 应用的 是 16： 9 的 HD/UHD 电视或者 17： 9 的 2K/4K 甚至更高宽高比的宽荧幕电影 ；帧率的 除了影响数据量之外，还会影响影像的艺术效果和最终观看的体验 ； 色 彩采样比和量化比特数也是影响画质的格式参数之一 。 在专业的采、编、播系统中，摄像机作为 视频采集 头端，负责采、录工作，主要涉及图像处理、编码、输出格式、接口、存储速率、网络传输等规格。而摄像机在不同系统 分类 中，关注点不同，主要区别如下： （ 1）影视类 影视类摄像机 可以多次重复拍摄， 其 白平衡、曝光、聚焦 等操作 以手动模式为主 ， 支持 RAW 原始格式文件 输出 ， 对 后期制作 支撑力度 大 。 （ 2）新闻类 新闻类摄像机 强调现场捕捉能力 ， 需具备操作 简便性 及 3A 准确性，辅助手动调节。 一般 是编码 后 输出， 通过 记忆卡方式存储 视频源， 编码和 格式不同。 如演播室摄像机要求 打光 充足，低照能力要求不高，但信噪比要求 较高 ；外采摄像机 无打光， 其 低照能力 则要求高，机体 小型化趋势明显。 （ 3）赛事类 赛事类摄像机 一般是固定机位，且多机位，部分是移动机位 ，且 不同机位的摄像机要求不 同， 如特写第 10 页 共 31 页 机位、 mini 机位等等 ，要求 可 捕捉 高帧率、 快速变化 画面， 配备 追焦、高感光、大光圈、长摄距（长焦）镜头。 （ 4）监控类 监控类摄像机一般用于视频监控或者前置摄像， 基于互联网或局域网进行视频流传输，具有 灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点 ， 一般用于城市、企业或家 庭的安防系统。 （ 5） 其他专用 摄像头 除了拍摄平面视频素材的摄像机，还包括拍摄 VR 摄像机、 3D 摄像机等专用特殊器材。 从以上的分析和当前的趋势看，影视类 摄像机 在分辨率的更新迭代上走得比较快，部分主流厂商的高端机型已经升级到 8K 分辨率 ， 8K 分辨率 将在未来 5-10 年逐步成为影视摄像机的高端机型的标配 ， 特别是部分摄像机芯片提供商，如海思的 SOC 已经升级到 8K 分辨率，解决了 FPGA 性能和功耗上 的 局限，也将进一步促进 其他品类 摄像机 向 8K 分辨率 升级。 未来， 8K 摄像机发展仍存在部分挑战， 其 发展趋势 包括 ： （ 1） 在编码技 术 配套 方面， 从 4K 到 8K，数据量增大 4 倍，未来将需要多输出格式满足多种后期处理需求， RAW 更适合大型复杂的后期制作， 编码预处理输出更 适合中小型普通的后期制作。 （ 2） 在机身小型化方面， 提升亮度 范围 ， 实现 最高 4000nit、最低 0.001 尼特。配合两帧曝光，动态范围高达 20 级，扩展色域范围，支持 Rec.2020 标准 ， 实现明亮的色彩和强烈的照明效果 （ 3） 在功耗 降低 方面， FPGA 的功耗问题无法彻底解决，特别是 8K 技术对 功耗 带来的问题凸显， 低功耗的 芯片 级解决方案 可能是未来的趋势。 （ 4） 在存储介质等 配套 方面， 8K 视频的数据量急速 增加，要求存储的速度和容量都要做大幅的提升。 此外智能拍摄也将成为专业类摄像机的发展趋势，包括深度信息提取，可通过软件批量实现物体背景分离、 物体替换 ，以及 深度信息提供给 自动对焦 算法，实现精准的聚焦，降低拍摄技术门槛 。 4.2.2 编辑 及存储 视频制作系统是对采集收录的超高清视频进行编辑、制作、剪辑的相关软硬件设备，包括素材编辑、色彩调整、特效处理、后期合成等功能，对软件编码、硬件接口、帧率、分辨率、色域稳定性和视频格式兼容性等有较高要求。 未来，视频制作系统的发展趋势是超高清视频的制作流程与云计算、 人工智能等前沿科技进行结合。新媒体云采编等新技术应用突显而出，基于新媒体云服务平台能力，根据不同的行业的需求和业务场景，按需进行定向整合，构建细分市场的的行业产品及解决方案，提供娱乐级，专业级的，媒体级的、播出级的差异化的、广电级的标准服务。基于云平台服务的非编系统，可以提供从素材获取、资源管理、剪辑 /监看、添加字幕、添加特技到最终发布的全部功能，支持手机、 Pad 各类终端远程编辑应用。