SmartWi-Fi4K视频承载解决方案白皮书.pdf

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HTTP stream主要用于OTT视频场景，基于TCP，对于时延较为敏感。 P2P主要也用在OTT场景，用来做HTTP stream的一个补充技术。随着发展，HTTP stream在电信运营商也会使用；3. 要解决家庭Wi-Fi场景下的4K承载，从对网络要求上来看，我们必须解决WI-FI链路上的丢包和延时问题；25-30M 25-35M 25-40M 50-80MH.266直播12-16M 20-30M 18-30M 35-60MH.266点播30M 50M 50M 100M码率带宽要求4K商用节奏2014-2016 2015-2016 2017-2019 2020+4k30p 8bit 4k60p 10bit 4k120p 12bit 8k120p 12bit入门级4KEntry-levle 4k运营级4KCarrier-grade 4k极致4KUltra 4k8K8k4K视频商用趋势2.1.2 常见几种视频技术分类目前主流的几种视频技术：视频技术运营商比较CATV有线视频传统广电运营商运营虽然有双向互动业务，但其业务的开放性，互动性，内容和服务的多样性都较差，属于封闭式视频业务，广电已逐渐向IPTV领域渗透。2017年，CATV国内约2.5亿用户（有效用户估计在2亿以下了），有不断下降趋势DTH卫星视频传统广电运营商DTT数字地面视频传统广电运营商IPTV电信运营商由电信运营商在其IP专网里提供，发展初期是作为宽带的附加捆绑业务进行发展，只是替代了传统有线电视，后续必将作为运营商的基础业务，向高清化，智能化，精细化，多屏，智慧家庭发展。2017年国内IPTV用户数过1.2亿，在不断增长HTTP stream(OTT)互联网企业通过公共互联网提供，内容丰富，平台开放，代表了视频内容服务的发展趋势；OTT终端达到2.4亿（激活的有1.88亿）主流视频技术对比IPTV HTTP stream(OTT)视频压缩MPEG4、H.264，H.265, AVS2等MPEG4、H.264，H.265等封装格式MPEG2-TS mp4、rmvb，MPEG2-TS流传输协议RTSP/RTP实时流媒体协议HTTP stream传输技术，包括：HPD/HLS/HDS/HSS/DASH加密方式的有：https/SPDY/QUICP2P主要也用在OTT场景，用来做HTTP stream的一个补充技术。服务质量真正的实时流技术，几乎0延迟，可以从任意时间点开始播放；在运营商专网运行，服务质量高渐进式下载分片，缓存，播放，有秒级缓冲延迟；只能从流媒体文件的切片点开始播放；在互联网上运行，容易出现卡顿；直播效果更差。网络要求组播采用的UDP传输，无丢包重传机制，对网络丢包很敏感采用TCP，有TCP重传机制（QUIC采用了UDP），多份码流，缓冲等技术，对网络时延敏感业务功能直播用组播，VOD点播用单播直播和点播都采用单播，直播时占用带宽大终端种类主要用于电视大屏电视大屏，手机小屏都可以使用服务内容直播电视是优势；其它内容较少。内容海量；但直播效果不好。IPTV和OTT视频业务特征对比2.1.3 4k IPTV流传输协议介绍在4k视频编码序列中，主要有三种编码帧：I帧、P帧、B帧，如下图所示：4K视频编码帧4K视频标准和承载技术要求4K视频标准和承载技术要求SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书07 08I帧（I frame）又称为内部画面(intra picture)，I 帧通常是每个GOP（MPEG 所使用的一种视频压缩技术）的第一个帧，经过适度地压缩，做为随机访问的参考点，可以当成图象。在MPEG编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为I帧；部分压缩成P帧；还有部分压缩成B帧。I帧法是帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。I帧法是基于离散余弦变换DCT（Discrete Cosine Transform）的压缩技术，这种算法与JPEG压缩算法类似。采用I帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。 I帧丢弃会导致黑屏。 P帧：在针对连续动态图像编码时，将连续若干幅图像分成P，B，I三种类型，P帧由在它前面的P帧或者I帧预测而来，它比较与它前面的P帧或者I帧之间的相同信息或数据，也即考虑运动的特性进行帧间压缩。P帧法是根据本帧与相邻的前一帧（I帧或P帧）的不同点来压缩本帧数据。采取P帧和I帧联合压缩的方法可达到更高的压缩且无明显的压缩痕迹。P帧丢弃会导致视频卡顿。B帧：B帧法是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。B帧压缩最高可达到200：1。参考B帧丢弃会导致视频卡顿，花屏。非参考B帧丢弃视频不会卡顿和花屏。RFC2250（RTP Payload Format for MPEG1/MPEG2 Video）标准规定可以把MPEG视频流里的I，B，P帧直接封装到RTP包中。在RTP包头后增加一个MPEG视频特定头，结构如下图所示：MPEG视频特定头长度为4个字节，其中 P 为3 bits，通过P字段指示报文类型，P字段数值定义如下：1：I 帧；2：P 帧；3：B 帧；4：D。0：禁止使用，其他数值目前保留MPEG over TS 类型的视频帧格式也是类似。都是I，B，P帧拆分成一个一个的TS流，再组包发送出去。MPEG视频特定头结构2.2 4K承载技术要求下一代家庭网络要实现100M连续覆盖，不仅需要在典型家居环境下，主要上网位置Wi-Fi的吞吐量都能达到100Mbps左右。不同的视频节目对承载网络有要求，体现在网络的KPI三个指标：带宽，时延，丢包率。对于运营商级4K，可以看到，运营商通常采用的CBR IPTV节目码率是30Mbps50Mbps, 要稳定承载4K IPTV，承载网络要求达到：丢包率要小于5*10E-5。结合4K Wi-Fi承载，由于Wi-Fi链路本身的不稳定性，易受周边AP干扰，速率波动大以及突发丢包等特点，要小于10E-5丢包率非常困难，实际Wi-Fi空口丢包是在10E-210-E-3级别，基于Wi-Fi实际情况要能支持4K over Wi-Fi，必须要能解决Wi-Fi突发丢包率在10E-210-E-3的家居场景下4K视频承载不卡顿问题。2.2.1 业务性能KPI对100MAnywhere家庭网络，需要能满足至少2路4K TV（30P）业务需求，以及100M连续覆盖的性能要求。1080p准4K基础4K真4K极致4K分辨率1920*1080 3840*2160 3840*2160 3840*2160 3840*2160帧率23P 23P 30P 50/60P 100/120P抽样bits 8 8 8 10 12压缩H.264 H.264/H.265 H.265 H.265 H.265带宽要求58Mbps 815Mbps 2030Mbps 3050Mbps 50100Mbps时延1220ms 712ms 611ms 611ms 611ms丢包率5*10-45*10-41*10-45*10-55*10-54K TV（30P）业务对家庭Wi-Fi的带宽、时延和丢包率要求4K视频标准和承载技术要求4K视频标准和承载技术要求SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书09 10体验等级MOS指标首次缓冲时间(ms)观看卡顿次数*卡顿时间占比*优5 10 10%视频业务体验KQI发展阶段启蒙时代品质时代主流视频720P及以下1080P 4K点播业务典型码率2M 5M 15M网络指标要求U-vMOS.sView=5带宽6.4Mbps15Mbps22.5MbpsRTT30ms20ms20ms10msPLR3.5*10-31.5*10-33*10-41*10-3U-vMOS.sInteraction=4带宽8Mbps20Mbps50MbpsRTT30ms20ms20ms10msPLR2*10-38*10-41*10-45*10-4直播业务典型码率2M 8M 20M网络指标要求U-vMOS.sInteraction =4带宽4.6Mbps（RTT 20ms条件下）14Mbps（RTT 20ms条件下）36Mbps（RTT 20ms条件下）U-vMOS.sView 4RTT组播终端到末级组播复制点20ms（建议值，非强制）抖动最大抖动50ms平均抖动5ms（高斯分布模型）PLR1*10-5（无RET）U-vMOS.sView=5RTT组播终端到末级组播复制点20ms（建议值，非强制）抖动最大抖动50ms平均抖动5ms（高斯分布模型）PLR=0（无RET）1*10-4（有RET）IPTV视频业务体验KQI2）IPTV视频业务体验KQI标准定义 :2.2.2 业务体验KQI1）HTTP stream(OTT)视频业务体验KQI标准定义：此处指客户端通过Wi-Fi点播在线视频的体验KQI指标。用户感知到的在线视频体验KQI指标有：首次缓冲时间、观看的卡顿次数和观看的卡顿占比。首次缓冲时间：定义为用户开始点播视频节目或在观看过程中进行快进/快退操作（跳转的目标播放时间点为尚未进行缓存的时间点），在点播动作或快进/快退操作发起后，终端发出获取OTT节目源请求消息直至收到OTT云平台返回的数据能够满足终端首次出现视频影像的等待时间。观看的卡顿次数：定义为用户在指定观看时间（例如5分钟）内，终端因已下载数据量小于视频解码播放所需要的数据量（不包含用户自行暂停或者用户终端CPU运行高负荷运行情况下造成的停顿），导致出现卡顿等待缓冲的次数。观看的卡顿占比：定义为用户在指定观看时间（例如5分钟）内，终端因已下载数据量小于视频解码播放所需要的数据量（不包含用户自行暂停或者用户终端CPU运行高负荷运行情况下造成的停顿），导致出现卡顿，等待缓冲的总时长占单位观看时间的比例。上面所述是整个视频体验的KQI的专业化的量化标准，不管是HTTP stream还是4K IPTV视频业务，最后对用户直接感知就是视频的黑屏、卡顿、花屏， 下面几个章节重点介绍如何解决4K视频Wi-Fi承载体验，解决绝大部分场景下的4K over WI-FI下视频的黑屏，卡顿，花屏问题。4K视频标准和承载技术要求4K视频标准和承载技术要求SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书11 12034K over Wi-Fi的挑战4K over Wi-Fi的挑战4K over Wi-Fi的挑战视频会因为画面内容的变化，单位时间内需要携带的信息量不同。视频流通过网络传输时，码率会动态变化，对网络带宽的需求也会发生变化，如下图所示：4K视频的码率有2种方式，一种是固定码率，一种是动态码率。3.1 4K视频码率视频码率变化3.2.2 4K IPTV直播卡顿原因4K直播采用UDP传输，没有确认机制，如果网络偶尔丢包，会导致花屏。如果Wi-Fi物理空口等效速率低于视频平均码率，无法传输所有的视频流，会导致卡顿。4K视频的码率越高，对Wi-Fi的物理空口等效速率要求越高。如果Wi-Fi物理空口等效速率不低于视频平均码率，但某段时间内Wi-Fi物理空口等效速率低于视频实时码率，或者Wi-Fi发送时延大，报文发送不及时，会导致机顶盒缓存数据耗尽，出现卡顿，如下图所示。出现一次卡顿后，后续因为缓存增加，再次出现卡顿的概率降低。如果换台，则原来缓存的报文丢弃，再次回到初始状态。4K直播卡顿原因缓存时间开始播放某段时间时延大，报文来的慢，缓存入不敷出，出现卡顿发生卡顿后缓存增加，再次出现卡顿的可能性降低3.2.1 4K直播播放原理4K直播的播放原理如下图所示：3.2 4K直播原理4K直播播放原理为减少换台时延，收到数据就开始播放，机顶盒的初始播放缓存会较小。接收数据接收数据极少的缓存SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书13 144K over Wi-Fi的挑战4K over Wi-Fi的挑战3.3.1 4K点播播放原理4K点播的播放原理如下图所示：3.3 4K点播原理与4K直播不同，4K点播可以先缓存一定的数据，再开始播放，由于点播的初始缓冲时间, 相比直播的换台时间要长很多。开始播放以后，还可以边播放边缓存更多的数据，这样抵抗网络抖动的能力更强。4K点播播放原理接收数据接收数据开始播放的缓存接收数据接收数据播放中的缓存3.3.2 4K点播卡顿原因4K点播采用TCP传输，有确认机制，网络丢包不会直接导致卡顿。但如果网络丢包，会导致TCP滑窗降低，传输速率降低。如果传输速率持续一段时间低于4K视频码率，会导致机顶盒缓存耗尽，出现卡顿。如果Wi-Fi等效速率低于视频平均码率，无法传输所有的视频流，会导致卡顿。4K视频的码率越高，对Wi-Fi的等效速率要求越高。如果Wi-Fi等效速率不低于视频平均码率1.5倍，但某段时间内Wi-Fi等效速率低于视频实时码率，或者Wi-Fi发送时延大，报文发送不及时，因为机顶盒有缓存，不会直接导致视频卡顿。如果网络时延持续很大，会因为RTT增加，TCP滑窗降低，传输速率降低。如果传输速率持续一段时间低于4K视频码率，会导致机顶盒缓存耗尽，出现卡顿。绿色方块表示当前Wi-Fi设备发送4K视频报文，红色方块表示当前Wi-Fi设备发送其它报文，或者其它Wi-Fi设备发送报文。方块的高度代表空口速率，宽度代表发送时间。绿色方块的面积总和除以总的时间，即为Wi-Fi设备发送4K视频的等效速率。影响Wi-Fi等效速率的两个因素，一个是红色方块占用的时间比例，简称干扰占空比，另一个是空口速率。通过选择干扰较少的信道，可以减少干扰占空比，提高绿色方块占用的时间比例。对于空口速率，以11ac，80M频宽的速率表为例。缓存时间开始播放时延大的持续时间太长，导致缓存耗尽，出现卡顿3.4.1 Wi-Fi等效速率Wi-Fi等效速率如下图所示：3.4 Wi-Fi发送原理Wi-Fi等效速率空口速率时间缓存时间开始播放某段时间时延大，报文来的慢，由于缓存够大，不会卡顿4K点播卡顿原因SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书15 164K over Wi-Fi的挑战4K over Wi-Fi的挑战MCS空间流数调制方式编码率空口速率0 1 BPSK 1/2 32.5 1 1 QPSK 1/2 65.0 2 1 QPSK 3/4 97.5 3 1 16-QAM 1/2 130.0 4 1 16-QAM 3/4 195.0 5 1 64-QAM 2/3 260.0 6 1 64-QAM 3/4 292.5 7 1 64-QAM 5/6 325.0 8 1 256-QAM 3/4 390.0 9 1 256-QAM 5/6 433.3 0 2 BPSK 1/2 65.0 1 2 QPSK 1/2 130.0 2 2 QPSK 3/4 195.0 3 2 16-QAM 1/2 260.0 4 2 16-QAM 3/4 390.0 5 2 64-QAM 2/3 520.0 6 2 64-QAM 3/4 585.0 7 2 64-QAM 5/6 650.0 8 2 256-QAM 3/4 780.0 9 2 256-QAM 5/6 866.7 0 3 BPSK 1/2 97.5 1 3 QPSK 1/2 195.0 2 3 QPSK 3/4 292.5 3 3 16-QAM 1/2 390.0 4 3 16-QAM 3/4 585.0 5 3 64-QAM 2/3 780.0 6 3 64-QAM 3/4 877.5 7 3 64-QAM 5/6 975.0 8 3 256-QAM 3/4 1170.0 9 3 256-QAM 5/6 1300.0 0 4 BPSK 1/2 130.0 1 4 QPSK 1/2 260.0 2 4 QPSK 3/4 390.0 3 4 16-QAM 1/2 520.0 4 4 16-QAM 3/4 780.0 5 4 64-QAM 2/3 1040.0 6 4 64-QAM 3/4 1170.0 7 4 64-QAM 5/6 1300.0 8 4 256-QAM 3/4 1560.0 9 4 256-QAM 5/6 1733.3 空间流个数越多，空口速率越高。空间流个数为AP支持的空间流个数和STA支持的空间流个数的较小值。AP和STA的空间流规格越高，承载4K视频的效果越好。调制方式和编码率越高，空口速率越高。调制方式和编码率取决于信号强度和噪声强度。11ac不同调制方式和编码率对信号强度的要求如下。11ac不同调制方式和编码率对信噪比的要求如下。通过调整设备摆放位置和天线角度（外置天线设备），可以提高信号强度，提高空口速率。通过选择底噪比较低的信道，可以提高信噪比，提高空口速率。11ac 80M频宽空口速率表11ac 信号强度要求Modulation Rate（R）Minimum sensitivity (20MHz PPDU）（dBm）Minimum sensitivity (40MHz PPDU）（dBm）Minimum sensitivity (80MHz PPDU）（dBm）Minimum sensitivity (160MHz or 80+80 MHz PPDU）（dBm）BPSK 1/2 -82 -79 -76 -73QPSK 1/2 -79 -76 -73 -70QPSK 3/4 -77 -74 -71 -6816-QAM 1/2 -74 -71 -68 -6516-QAM 3/4 -70 -67 -64 -6164-QAM 2/3 -66 -63 -60 -5764-QAM 3/4 -65 -62 -59 -5664-QAM 5/6 -64 -61 -58 -55256-QAM 3/4 -59 -56 -53 -50256-QAM 5/6 -57 -54 -51 -48Table 22-25Receiver minimum input level sensitivityModulation Coding rate Relative constellation error（dB）BPSK 1/2 -5QPSK 1/2 -10QPSK 3/4 -1316-QAM 1/2 -1616-QAM 3/4 -1964-QAM 2/3 -2264-QAM 3/4 -2564-QAM 5/6 -27256-QAM 3/4 -30256-QAM 5/6 -32Table 22-24Allowed relative constellation error versus constellation size and coding rateSmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书SmartWi-Fi 4K视频承载解决方案白皮书