,, 李薰春,*国家广播电视总局广播电视科学研究院,北京 100866Research on 5G Media Streaming Standards
Zhou Xiang,, Li Xunchun,*Academy of Broadcasting Science, NRTA, Beijing 100866, China通讯作者: * 李薰春（E-mail:lixunchun@abs.ac.cn）
收稿日期:2020-03-31网络出版日期:2020-08-20
| 基金资助: |
Received:2020-03-31Online:2020-08-20
作者简介 About authors
周向,广播电视科学研究院无线技术研究所,助理工程师,硕士,2019年硕士毕业于北京邮电大学,主要研究方向为移动边缘计算、多媒体传输等。
本文主要承担工作为标准的搜集、整理,文章的撰写等工作。
Zhou Xiang, is an assistant engineer in the Radio Technology Research Institute of Academy of Broadcasting Science. He received a master degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2019. His research interests include mobile edge computing and multimedia transmission.
In this paper he is mainly responsible for standard collection and article writing.
E-mail:
李薰春,现任广播电视科学研究院无线技术研究所副所长,博士,教授级高级工程师,从事广播电视覆盖网规划与优化、5G传输等研究工作。发表论文30多篇,参与编著5本,获得专利2项,获得软件著作权2项。同时获得部级科技项目奖20余项。
本文主要承担工作为标准的搜集、整理。
Li Xunchun, Ph.D., is now a senior engineer and deputy director of Radio Technology Research Institute of Academy of Broadcasting Science. He is engaged in research works of radio and television coverage network planning and optimization, 5G transmission etc. He has published more than 30 papers, participated in the compilation of 5 books, and obtained 2 patents and 2 software copyrights. At the same time, He has won more than 20 ministerial science and technology project awards.
In this paper he is mainly responsible for standard collection.
E-mail:
摘要
【目的】对3GPP中的5G网络音视频传输相关标准进行介绍,为相关运营商和服务提供商利用5G进行网络音视频传输提供参考。【方法】通过对3GPP标准进行研究,梳理介绍了基于5G系统的流媒体通用服务架构、5G媒体分发系统和其中需要进一步研究的问题。【结果】3GPP的编解码和媒体工作组针对5G中的流媒体系统架构、协议、编解码、格式等提出了相关的技术规范和技术报告,对于运营商或者服务提供商在5G中部署流媒体传输具备指导意义。【局限】3GPP关于媒体传输的标准很多,而且在不断的发展,受限于参照的标准数量,无法全面详细描述所有媒体形式的传输架构。【结论】5G音视频传输标准的研究对于提高网络音视频传输的体验质量有重要意义,有必要紧跟3GPP标准,结合运营商和服务提供商的具体情况实现部署。
关键词：
Abstract
[Objective] This paper introduces the 5G media streaming-related standards in 3GPP, and provides a reference for mobile network operators and service providers to perform media streaming in 5G networks. [Methods] By studying 3GPP standard, the general service architecture for media streaming based on 5G, the 5G media distribution system and issues requiring further research are elucidated. [Results] The 3GPP SA WG4 Codec has proposed relevant technical specifications and technical reports on the media streaming system architecture, protocols, codecs, formats, etc. for 5G. It is instructive for mobile network operators and service providers to deploy media streaming in 5G. [Limitations] 3GPP standards for media transmission are numerous and are constantly evolving. Due to the limited number of standards referenced, this paper does not fully describe transmission architectures of all media forms. [Conclusions] Research on 5G media stream transmission standards is of great significance for improving the quality of experience of media stream transmission. It is necessary to keep up with 3GPP standards, but actual deployment can be carried out according to the specific conditions of mobile network operators and service providers.
Keywords：
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本文引用格式
周向, 李薰春. 5G网络音视频传输标准概述. 数据与计算发展前沿[J], 2020, 2(4): 65-79 doi:10.11871/jfdc.issn.2096-742X.2020.04.006
Zhou Xiang, Li Xunchun.
开放科学标识码（OSID）
引言
随着5G技术的不断发展,视频流应用将在未来主导互联网流量,根据思科的可视化网络指数预测：从2016年到2021年,全球移动数据流量将增长7倍。到2021年,全球IP视频流量占所有个人互联网流量的比例将从2016年的73%增加到82%[1]。同时,随着新兴的多媒体应用的出现,如超高清4K/8K视频、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术,对未来的互联网传输提出了挑战。随着5G商用的正式启动,如何利用5G的低时延大带宽的特点更好地传输网络音视频也成为了行业研究的热点。3GPP编解码和媒体工作组（SA4）在R-16版本的规范中完成了5G中的多媒体系统和媒体分发的相关工作。本文主要是采用文献调查法、比较研究法等研究方法对于5G系统中的网络音视频传输标准进行了调研,解读分析了3GPP中相关的研究标准。
1 5G系统概述
1.1 介绍
3GPP架构工作组（SA2）已经分别在TS 23.501[2]和TS 23.502[3]中规定了5G系统的系统架构和处理过程。正如TS 23.501[2]中规定的,5G系统具有控制面和用户面分离、服务化架构和互联网化协议接口等基础特性,以及网络切片和边缘计算等5G特色能力,允许独立的扩展、演进和灵活的部署。在5G系统中许多不同的网络功能通过彼此的连接向终端提供服务,5G系统中将原来4G系统中不同的网元虚拟化成不同的网络功能（Network Function,NF）实体,这些网络功能扮演着不同的角色,比如控制面实体、数据面实体,它们互相协作帮助终端接入网络,建立起会话并将流量从终端（UE）路由到指定的地址。1.2 网络架构、功能和接口
3GPP 在TS 23.501[2]定义了5G架构中的网络功能描述,如表1所示。不同的网络功能基于服务调用的方式进行彼此交互,系统体系架构如图1所示,在基于服务化的表示中,两个网络功能之间的交互被视为一个NF向任一NF提供服务访问的过程,网络功能之间使用基于服务的接口。Table 1
表1
表15G架构中的网络功能
Table 1
| 网络功能 | 功能描述 |
|---|---|
| 验证服务功能（Authentication Server Function,AUSF) | 提供3GPP SA3指定的AUSF鉴权服务功能 |
| 接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function,AMF） | 提供终端和5G核心网之间的注册、连接、可达性和移动性管理 |
| 非结构化数据存储网络功能（Unstructured Data Storage network function,UDSF） | 存储和检索任何网元的非结构化数据 |
| 网络暴露功能（Network Exposure Function,NEF） | 向AF、第三方、边缘计算提供3GPP网络的能力和事件;向AF获取外部应用信息以便提供给3GPP网络;内部信息和外部信息的翻译功能 |
| NF存储功能（NF Repository Function,NRF） | 提供服务发现功能 |
| 网络切片选择功能（Network Slice Selection Function,NSSF） | 帮助选择服务于UE的网络切片实例,确定允许的网络切片选择辅助信息（NSSAI）以及确定用于服务UE的AMF集 |
| 策略控制功能（Policy Control function,PCF） | 提供策略框架来管理网络行为,并提供策略规则来控制平面功能;实现前端以访问与UDR中的策略决策相关的订阅信息 |
| 会话管理功能（Session Management Function,SMF） | 提供会话管理功能,例如会话建立、修改和发布功能; UE IP地址分配与管理; UPF的选择和控制;流量引导和策略执行;下行数据通知;漫游功能等 |
| 统一数据管理（Unified Data Management,UDM） | 支持诸如身份验证凭证处理,用户标识处理,访问授权,注册/移动性管理,订阅管理 |
| 统一数据存储库（Unified Data Repository,UDR） | 支持UDM前端存储和检索订阅数据; PCF存储和检索策略数据; NEF存储和检索信息作为结构化数据,提供网络能力开放;存储和检索NEF的应用数据,供应用检测 |
| 用户平面功能（User Plane Function,UPF） | 提供数据平面功能,数据面锚点,与数据网络的互连点,数据包路由和转发,数据包检查,流量使用情况报告,上行链路分类器和分支点功能,QoS处理,流量验证,数据包标记和下行数据包缓冲等。 |
| 应用功能（Application Function,AF） | 与3GPP网络交互以支持应用对流量路由的影响,访问网络暴露功能并与策略框架进行交互以进行策略控制 |
| 短信服务功能（SMS Function,SMSF） | 提供支持非接入层协议（Non Access Stratum Protocol,NAS）上短信服务（Short Message Service,SMS）的功能,例如SMS订阅检查 |
| 非3GPP互通功能（Non-3GPP InterWorking Function,N3IWF） | 提供将非3GPP网络连接到5G CN的功能,包括与UE建立IPSec隧道,在UE和AMF之间中继上行链路和下行链路控制平面NAS信令,在UE和UPF之间中继上行链路和下行链路用户面分组包,用户平面数据包的QoS实施等 |
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图 1
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Fig.15G system architecture using service based interfaces
图1中展示的5G控制平面内的网络功能使用表2中描述的基于服务的接口互相交互,通过使用基于服务的接口,每个网络功能可以向其他授权的网络功能提供多种服务。网络功能可以通过使用请求/响应模型或者订阅/通知模型来与其他的网络功能进行交互。
Table 2
表2
表25G系统架构中基于服务的接口
Table 2
| 接口名称 | 描述 |
|---|---|
| Namf | AMF对外提供的基于服务的接口 |
| Nsmf | SMF对外提供的基于服务的接口 |
| Nnef | NEF对外提供的基于服务的接口 |
| Npcf | PCF对外提供的基于服务的接口 |
| Nudm | UDM对外提供的基于服务的接口 |
| Naf | AF对外提供的基于服务的接口 |
| Nnrf | NRF对外提供的基于服务的接口 |
| Nnssf | NSSF对外提供的基于服务的接口 |
| Nausf | AUSF对外提供的基于服务的接口 |
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除了如图1所示的基于服务的表示法之外,还可以使用如图2所示的参考点表示法来描述5G核心网络参考架构。其中网络功能UDSF、NEF、NRF和UDR在体系结构图中未显示,因为任何网络功能都可以直接或通过其他NF与它们交互并使用它们提供的服务。架构图中的DN节点是指UE希望连接的数据网络。具体的参考点描述如表3所示。
图 2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图 2参考点表示的非漫游5G系统架构
Fig.2Non-Roaming 5G system architecture in reference point representation
Table 3
表3
表35G系统架构中的参考点
Table 3
| 参考点名称 | 描述 |
|---|---|
| N1 | UE和AMF之间的参考点 |
| N2 | (R)AN和AMF之间的参考点 |
| N3 | (R)AN和UPF之间的参考点 |
| N4 | SMF和UPF之间的参考点 |
| N5 | PCF和AF之间的参考点 |
| N6 | UPF和数据网（Data Network）之间的参考点 |
| N7 | SMF和PCF之间的参考点 |
| N8 | UDM和AMF之间的参考点 |
| N9 | 两个UPF之间的参考点 |
| N10 | UDM和SMF之间的参考点 |
| N11 | AMF和SMF之间的参考点 |
| N12 | AMF和AUSF之间的参考点 |
| N13 | UDM和AUSF的鉴权服务功能之间的参考点 |
| N14 | 两个AMF之间的参考点 |
| N15 | PCF和AMF之间的参考点 |
| N22 | AMF和NSSF之间的参考点 |
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1.3 可用于媒体分发的5G系统的高级功能
由于5G系统相比4G或者之前的通信系统变化更大,随之带来了对媒体分发和传输非常重要的一些高级功能。由于这些高级功能的存在,在设计相应的多媒体传输和分发系统的时候要考虑媒体传输和系统的相互适配,这样才能最大化优化传输,才能够将5G系统的低迟延、高带宽、服务化特性完全利用,更好地实现网络音视频的传输。（1）协议数据单元（Protocol Data Unit,PDU）会话中上行分类器的使用
会话管理功能（SMF）可以在PDU会话的数据路径中插入上行链路分类器（uplink classifier,UL CL）,UL CL是UPF支持的功能,旨在转移符合SMF提供的流量过滤器的流量。SMF可以在PDU会话的UPF中动态插入和删除UL CL。当将具有UL CL的UPF插入PDU会话的数据路径时,UL CL将PDU会话流量转发到该PDU会话中的不同PDU会话锚点。每个PDU会话锚点都会为PDU会话提供对同一数据网络名称（Data Network Name,DNN）的不同访问。结果,UL CL提供了将上行链路流量转发到多个PDU会话锚点以及将下行链路流量从多个PDU会话锚点合并的功能。图3描述了在PDU会话的数据路径中插入带有UL CL的UPF。从图中可以看出,通过动态地添加和删除UL CL可以将UE的流量根据SMF的匹配规则转发到不同的UPF,进而到达不同的数据网（Data network,DN）,通过在用户面插入UL CL进行分流,UE只有一个IP地址,对UE来讲不感知数据分流,UL CL根据SMF下发的过滤规则,通过检查数据包目的IP地址进行分流。该功能可以动态地实现流媒体的转发,比如边缘场景的网络音视频的传输,通过一定的流量匹配规则将用户的视频流量引到边缘节点。
图 3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图 3上行链路分类器的用户平面架构
Fig.3User plane architecture for the uplink classifier
（2）PDU会话使用IPv6多宿主（IPv6 multi-homing）
PDU会话可以与多个IPv6前缀关联,这称为多宿主PDU会话。多宿主PDU会话通过一个以上的PDU会话锚提供对数据网络的访问,使得不同PDU会话锚的不同用户平面路径在支持分支点（Branching Point）功能的UPF处分支。分支点提供朝向不同的PDU会话锚的UL流量的转发,以及向UE的DL流量的合并,即合并链路上来自不同PDU会话锚的流量到UE。架构如图4所示。该功能也是实现边缘视频流传输的关键技术之一。视频流在分支点处可以流向不同的UPF来实现对边缘节点的访问。
图 4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图 4多宿主的PDU会话
Fig.4Multi-homed PDU session
（3）支持局域数据网络（Local Area Data Network,LADN）
根据TS 23.501中所述,LADN为来自UE的PDU会话提供对DN（数据网络）的本地访问。网络将LADN的可用性通知给UE,并且仅当UE在LADN的服务区域内时,才允许UE访问LADN。LADN服务区域由网络管理,5G核心网络内部的AMF跟踪UE的移动性信息。SMF从AMF和LADN服务区域了解UE的位置信息,并且只要UE在LADN服务区域内,它就允许UE使用LADN。这部分功能有助于体育比赛等大型赛事的本地直播系统的视频传输,通过感知用户的位置将用户接入局域网,最大化地利用本地网络低时延的特性优化视频传输,尤其对于将来4K/8K超高清视频的直播和点播具有重要意义。
（4）应用功能（AF）对流量路由的影响
在5G系统中,应用功能（AF）可能会影响SMF为PDU会话的流量做出的SMF路由决策。受信任的AF与网络内部的其他网络功能直接交互。对于不受信任的AF,来自AF的所有流量在到达网络内部的网络功能之前都要经过NEF。来自AF的请求被发送到PCF,PCF将AF请求转换为策略,然后在其他网络功能中对其进行适当配置,并最终应用于PDU会话。在该部分中,应用功能（AF）可以影响UPF的选择,并允许将用户流量路由到对本地数据网络的访问。该功能实现了运营商内部或者第三方的应用对UE会话的影响,运营商或者第三方可以通过AF去控制UE的会话,比如将其引到本地网络或者边缘计算节点。对于第三方音视频服务提供商来讲,运营商通过开放相关的接口实现对UE视频流的路由转发,可以提高视频传输的质量,提高用户观看体验。
（5）支持边缘计算
边缘计算的支持是5G系统中关键的技术之一,目的是通过本地具备计算能力的资源来满足低时延的传输,同时还可以节省骨干带宽资源。TS 23.501[2]通过描述如何在靠近核心网络和UE的边缘托管第三方服务来表达5G系统对边缘计算的支持。5G系统提供了不同的功能来支持边缘计算,例如：用户平面重新选择、本地路由和流量导向、会话和服务连续性、AF对UPF重新选择和流量路由的影响、网络能力暴露、服务质量（QoS）和收费管理、支持局域数据网络（LADN）。边缘计算在网络边缘为应用程序开发人员和内容提供商提供了云计算能力和IT服务环境。这种环境的特点是超低延迟和高带宽,以及应用程序可以实时访问和利用无线网络信息。运营商可以向授权的第三方服务商开放其网络边缘,从而使他们能够灵活快速地向移动用户、企业和垂直细分市场部署创新的应用程序和服务。基于边缘计算进行视频流传输的研究层出不穷[4,5,6,7,8,9],其中包括使用无线网络信息对视频流传输进行优化,利用边缘计算对热点视频进行缓存和预取等。因此看出,边缘计算的出现对5G边缘网络视频传输将起到一定的促进作用。3GPP也评估了欧洲电信标准协会（ETSI）关于多接入边缘计算（MEC）的相关白皮书[10,11],在相关标准[12]中描述了3GPP北向API和ETSI MEC API之间的关系。
（6）5G系统中的网络切片
5G系统中另一个重要的关键技术是引入了网络切片的概念,网络切片是为实现特定服务能力的端到端的逻辑功能和其所需的物理或虚拟资源集合,包括接入网、传输网、核心网等,网络切片可认为是5G网络中的虚拟化“专网”。当前,TS 23.501[2]规定了三种类型的网络切片,分别是增强型移动宽带（eMBB）、超可靠的低延迟通信（URLLC）、大规模物联网（MIoT）。其中eMBB适用于处理5G增强型移动宽带的切片,不仅限于普通消费者的移动宽带应用,还包括高质量视频流、大文件快速传输等。切片的选择由NSSF来控制,通过切片的实现,可以保证终端在传输音视频过程的稳定性,对于提升用户体验将起到很大作用。内容提供商、广播公司和运营商都可以利用eMBB切片来利用5G系统,向其用户提供点播和实时多媒体内容。
（7）网络数据分析功能
网络数据分析功能（Network Data Analytics Function,NWDAF）是3GPP在Rel 15的5G标准中引入的网络功能,主要用于网络相关数据的分析。NWDAF包括数据收集、数据分析结果反馈。可以实现和营运管理与维护（Operations, Administration and Maintenance,OAM）设备之间的双向数据交互,与第三方AF之间打通北向接口,收集业务数据。该功能可以采用智能化的方法对网络QoS参数进行调整,结合第三方AF对其业务的平均主观意见分（Mean Opinion Score,MOS）刻画来有效地监控业务传输质量。因此对于视频传输也有一定的优化作用。
2 5G流媒体通用服务架构
基于上述5G系统的一些特点,3GPP在TS 26.501[13]中定义了5G流媒体（5G Media Streaming,5GMS）的通用服务架构,以支持移动网络运营商和第三方的媒体下行流服务和媒体上行流服务。流媒体服务主要分为两种,一是媒体内容在产生时便被流式传输,被称为实时流传输,另一种是通过流式传输已经制作好的内容,这种被称为按需流式传输。整体的5G流媒体架构如图5所示。图 5
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Fig.55G media streaming within the 5G system
图5展示的是基于TS23.501[2]5G系统的5GMS架构,其中黄色填充框表示的功能在5GMS的规格范围内,灰色框指示的功能在5G系统规格中定义,蓝色框指示的功能既不在5GMS范围内,也不在5G系统规格范围内。5GMS应用提供商（5GMS Application Provider）使用5GMS提供流媒体服务,同时它在UE上提供了一个5GMS感知应用程序（5GMS Aware Application）,通过5GMS中定义的接口和API来使用5GMS客户端和相应的网络功能。对于在5GMS中定义的一些功能,将其解释如下。
媒体应用功能（Media Application Function,MediaAF）：类似于在表1中的3GPP 5G系统中定义的应用功能（Application Function,AF）,其专用于5G流媒体。
媒体应用服务（Media Application Server,Media AS）：专用于5G流媒体的应用服务器。
5GMS 客户端（5GMS Client）：专用于5G流媒体的UE内部功能。
媒体AF和媒体AS是数据网络（Data Network,DN）的功能,通过5G网络中定义的N6接口和UE通信。受信DN是指受运营商网络可信任的数据网络,在受信DN中的AF是可以直接和所有的5G核心功能进行通信的,也就是说如果媒体AF处在受信任数据网络中,可以直接和5G系统中的PCF进行通信去交换相关的控制策略。外部DN指的是非受信任的数据网络,在该数据网络中的媒体AF只能使用N33接口通过NEF与5G核心功能通信。
5G媒体服务架构还可以将图5所示的总体高级架构映射到图6所示的更详细的架构。接下来,本文仅按照下行流的传输进行相关功能的介绍。
图 6
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Fig.65G media streaming general architecture
5GMS客户端（5GMS Client）：是一个可以通过定义的接口和API访问5GMS下行链路流媒体服务的接收端。从图中看出它实际上包括两个子功能。一是媒体会话处理程序（Media Session Handler）,媒体会话处理程序是UE上与5GMS AF通信以建立、控制和支持媒体会话传递的功能。媒体会话处理程序公开了可供5GMS感知应用程序使用的API。二是媒体播放器（Media Player）,媒体播放器在UE上与5GMS AS通信以传输媒体内容并向5GMS 感知应用程序提供服务来进行媒体播放。
5GMS感知应用程序（5GMS Aware Application）：在5G流媒体的规范中并未定义5GMS感知应用程序的功能,但是其也是通过相关接口和API与5GMS客户端进行交互。
5GMS应用服务（5GMS AS）：承载5G媒体功能的应用服务器。具体实现时可以有不同的实现方式,比如采用CDN实现。
5GMS应用提供商（5GMS Application Provider）：外部应用程序或内容指定的媒体功能,它使用5GMS将流媒体传输到5GMS 感知应用程序,包括媒体的创建、编码和格式化。
5GMS应用功能（5GMS AF）：向UE上的媒体会话处理程序（Media Session Handler）和5GMS应用程序（5GMS Aware Application）提供各种控制功能。它可以中继或发起对PCF处理的请求,或者与其他网络功能进行交互。
下面针对下行流传输过程对图6中相关的接口进行介绍。
M1接口：是一个由5GMS AF对外公开的API,提供5G流媒体系统的使用接口并从该接口获得相关的反馈。
M2接口：当选择受信任DN中的媒体应用服务来托管流服务的内容时,由5GMS AS公开的可选的外部API。
M3接口：内部API,用于交换受信任DN中5GMS AS上托管内容的信息。
M4接口：5GMS AS向媒体播放器公开以传输媒体内容的API。
M5接口：媒体AF向媒体会话处理程序公开的API,用于媒体会话处理、控制和协助,还包括适当的安全机制,例如授权和认证。
M6接口：媒体会话处理程序提供的用于客户端内部通信的API,支持 5GMS感知应用程序使用5GMS的功能。
M7接口：由媒体播放器向5GMS感知应用程序和媒体会话处理程序公开以利用媒体播放器的API。
M8接口：用于在5GMS 感知应用程序和5GMS 应用提供商之间进行信息交换的接口,例如,向应用程序提供服务访问信息。该API在5G系统的外部,并且5GMS未指定。
5GMS感知应用程序（5GMS Aware Application）本身可能包含5GMS客户端（5GMS Client）或者5G UE未提供的许多功能,比如服务和内容发现、通知、社交网络等。5GMS感知应用程序还可以包括与5GMS客户端提供的功能等效的功能,而且可能仅仅使用5GMS客户端功能的子集。下面具体介绍5GMS客户端的功能。
图7展示了UE中5GMS客户端关于媒体播放器（Media Player）功能的详细组件[13]。该图和图8中的相关功能和接口在表示上多了后缀“d”,“d”表示“downlink”下行。详细介绍如下。
图 7
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图 7媒体播放器中的5G媒体下行流传输功能
Fig.7UE 5G media downlink streaming functions (media player centric)
图 8
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图 8媒体会话处理中的5G媒体下行流传输功能
Fig.8UE 5G media downlink streaming functions (control-centric)
媒体获取客户端（Media Access Client）：用来访问媒体内容,例如DASH格式的媒体段。
媒体解封装（Media Decapsulation）：提取媒体流以进行解码,并提供与媒体系统相关的功能,例如时间同步、功能信令等。
DRM客户端（DRM Client）：用于身份验证和授权,策略实施和权限检查,并提供内容保护机制。
媒体解密（Media Decryption）：媒体解密负责使用DRM许可证中提供的密钥解密媒体样本。
媒体解码器（Media Decoders）：解码音频或视频等媒体。
媒体渲染/呈现（Media Rendering / Presentation）：使用适当的输出设备呈现媒体。
图8展示了UE中5GMS客户端关于媒体会话处理程序（Media Session Handler）功能的详细组件[13]。详细介绍如下。
媒体会话处理程序的核心（Media Session Handler Core）：用于媒体通信会话的实现,与5GMS AF交互实现通信。
指标收集和报告（Metrics collection and reporting）：执行指标的收集和报告。
消费报告（Consumption reporting）：向5GMS AF报告有关当前消费媒体信息、UE功能以及媒体会话环境的信息,以便通过网络或消费报告分析进行潜在的传输优化。
相关的传递过程（Associated Delivery Procedures）：5GMS客户端提供的功能,用于支持媒体传输中的应用程序,例如位置过滤。
网络协助（Network Assistance）：提供给5GMS客户端和媒体播放器协助的功能。
上述5GMS架构能够实现流媒体的渐进式下载和基于HTTP的动态自适应流的传输（Dynamic and Adaptive Streaming over HTTP,DASH）。在TS26.501中对流媒体的指标收集和报告,消费报告等流程进行了详尽的描述,由于篇幅原因在此不做过多介绍。
5GMS支持流媒体会话过程中的动态策略更新,动态策略API允许在同一PDU会话中单独处理应用程序流。当请求动态策略时,媒体会话处理程序（Media Session Handler）提供策略类型指示以及流描述。媒体会话处理程序（Media Session Handler）向5GMS AF提供所需的信息,以便5GMS AF可以使用NEF触发动态规则更新,也可以在会话过程中更改与计费相关的规则。同时,该架构支持基于网络切片的动态规则请求,服务提供商可以请求分配多个网络切片以分配服务。服务提供商来指示与服务相对应的所需网络切片的特征,待成功为服务分配网络切片后,媒体AF将以允许的切片列表响应服务提供商。
动态策略更新功能方便了运营商和视频内容提供商的合作,比如对于定制内容的免流量计费和对于特定视频内容的QoS保证等。
在TS26.501中还有一个比较重要的特征是5GMS支持提供网络辅助的功能,这将支持标准TS26.233[14]和TS 26.247[15]中定义的服务器和网络辅助DASH（Server and Network Assisted DASH,SAND）的功能,SAND功能在ISO/IEC 23009-5 [16]中规定。TS 26.233[14]中描述了分组交换流业务（Packet-switched Streaming Service, PSS）中的SAND支持。SAND架构中的客户端向DASH感知网络元素（DANE）发送相关的参数指标,包括可用的下行比特率、客户端视频缓冲区大小等,DANE对客户端发起的请求做出响应,响应包括推荐的比特率等信息,此外在支持边缘计算的平台上,DANE还可以考虑到利用无线网络信息来优化视频比特率的推荐,这部分已经在相关研究中提出[4]。
目前关于边缘计算在5GMS中的考虑还在进一步的研究中,相关标准并未给出明确的架构,但是在TR 26.891[17]中涉及到边缘分发的相关架构,将在下文做详细介绍。
3 5G中的媒体分发系统
上文介绍了5G系统中的流媒体架构,但是从目前5G整体的发展情况看,想达到和标准完全一致的传输还是有一定的差距,那么如何利用现有的5G架构和现有的网络音视频传输体系去更好地实现5G场景下的网络音视频传输,笔者认为在相关技术报告TR 26.891[17]中给出了更加符合实际的答案。图9展示了5G参考架构下的扩展,支持类似CDN边缘和原始功能的媒体交付相关的功能架构。5G上大多数的媒体分发都是基于HTTP 1.1的自适应比特率流传输来交付基于文件的视频内容。一种非常常见的视频容器格式是fMP4（也称为ISO-BMFF）和MPEG2-TS。新出的CMAF格式是一种fMP4的配置文件,可以与其他清单格式一起使用。通常来讲,媒体段使用URL去寻址,其中域名表示内容提供商的名称,媒体分发的主要组成部分是内容准备、内容来源和交付。图 9
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Fig.9Media on 5G system architecture
从图9中可以看出,该媒体分发架构和上文中的5GMS的体系架构本质是一致的,都是通过N6接口和UE实现通信,同时和PCF、NEF通过直接或者间接的连接来实现媒体传输过程中的策略控制等功能。但是在图9中考虑了多媒体广播多播服务（Multimedia Broadcast Multicast Services,MBMS）,MBMS也是移动通信系统中进行媒体传输的重要组成部分,是用于3GPP蜂窝网络的点对多点接口规范,该规范旨在在小区内以及核心网络内提供广播和多播服务的有效传递,这将主要服务于广播公司等内容提供商。从图中看出MBMS和传统的基于PSS的媒体分发在传输架构上是相对分离的,需要提供单独的MBMS网关来实现内容的传输。MBMS是3GPP在R6中引入的基于3G的MBMS,在R9中提出了基于LTE的eMBMS（evolved MBMS）技术,提高了传输性能,在R14中,广播运营商主导引入了FeMBMS（Further eMBMS）,可以利用广播大塔的资源进行广播视频节目传输。
下面对各个主要的分发组成部分做详细介绍。
（1）边缘媒体分发功能（Edge Media Delivery function）
边缘媒体分发功能是面向客户端的CDN的一部分,并通过N6参考点连接到5G分组核心的UPF。该功能通常是HTTPS反向代理或缓存,用于为UE提供从CDN提取的内容。当从预缓存的存储中为UE提供服务时,它能够缓存内容并充当HTTPS服务器。内容预缓存可以根据客户的请求按需执行,也可以通过CDN操作员管理指令执行,该指令在正式发布内容之前用新内容预填充边缘分发（Edge Delivery）。如果发生缓存未命中,则使用HTTP从CDN中提取内容。当内容不在缓存中时,边缘分发（Edge Delivery）将连接到上游分发核心（Delivery Core）,后者最终将HTTP GET请求转发到内容源（Content Origin）。边缘分发可以基于内容的类型（实时或点播）、流连接状态和客户端设备的类型,在3GPP接入上提供差异化的媒体传递,这主要是通过PCF和NEF实现。同时边缘分发还可以考虑在传输协议配置中使用边缘分发功能（Edge Delivery function）和UE之间的路径知识,进一步优化传输。
（2）分发核心功能（Delivery Core function）
分发核心（Delivery Core）在CDN中提供了中间层缓存级别。边缘分发（Edge Delivery）中的高速缓存未命中时请求将被路由到分发核心（Delivery Core）,因此远端的内容源被分发核心屏蔽掉。如果路由到分发核心（Delivery Core）请求中的缓存再未命中,请求将被路由到内容源（Content Origin）。在大型CDN中,需要使用分发核心（Delivery Core）屏蔽本地和远端的源服务器。
（3）内容源功能（Content Origin function）
内容源是将内容放置到CDN上的入口点,通常为CDN的托管资产提供永久存储,它是CDN内的中央访问点,具有基于大文件的存储功能的HTTP服务器。视频点播（Video On Demand,VOD）、实时媒体流资产及其元数据清单存储在内容源（Content Origin）中。
（4）内容准备（Content Preparation）
①实时内容获取（Live Linear Ingest）：用于摄取包括音频、视频、字幕和元数据在内的直播频道。它支持通过IP以及其他输入（例如SDI输入）摄取H.264和H.265视频。还负责转码功能,从单个位流（MPEG2、H.264、H.265）到多个H.264或H.265的自适应流进行转码。
②视频点播内容获取（VOD ingest）：用于将点播资产获取到内容准备（Content Preparation）,然后将其推到内容源（Content Origin）中,同时实现对VOD内容的质量检查、转码和封装。
③控制（Control）：客户端请求内容时,请求首先到达控制功能里的请求路由器,该请求路由器为客户端选择合适的边缘分发,并将请求路由到该边缘分发节点。此外,请求路由还用于控制CDN内的内部流量,用于提供弹性和内容感知的内容源。控制功能里还包括DNS解析功能,主要负责为区域提供内容到边缘分发的映射和配合请求路由器的工作,以便满足来自Internet的外部DNS解析请求。
④其他文件（Other files）：内容准备功能还可以准备其他文件,例如基于HTML的元数据、资产描述和资产图像。
以上对5G媒体分发主要组成部分进行了详细介绍,可以看到主要还是针对边缘媒体分发进行研究,依据目前边缘计算的发展趋势,结合在上文5GMS中的相关内容可以构建出将来5G媒体传输的未来前进方向,比如边缘节点缓存、智能路由、内容感知等。
但是在报告中指出在5G系统中进行媒体分发架构的设计过程中也会存在一些问题,下文将对这些问题简单介绍。
（1）合适的或者最近的边缘缓存的问题
为媒体服务支持边缘缓存的能力是5G提供的新功能之一。在3GPP 5G网络中将可能有多个边缘缓存,并且可能期望将UE重定向到这些边缘缓存中的一个,因此,主要问题是如何将用户重定向到最合适的边缘缓存。DNS可以用于解析,但是DNS条目的有效时间长度还需要研究,因为某个DNS条目的有效性可能取决于UE使用的网络以及UE移动的速度,考虑到UE的移动性由AMF维护,AMF是否可以提供相关信息。
（2）通过NEF进行5G NF服务公开
要想启用媒体服务,NEF需要开放许多5G网络功能服务。例如,当部署或关闭新的边缘缓存时,可能需要在5G网络的DNS中更新到达它们的相应DNS条目,NEF需要公开更新DNS条目的功能。此外,还有其他可能暴露的信息包括可用于DANE和其他媒体应用程序相关功能的信息。
（3）在5G核心中AF影响着流量路由
5G架构引入的新功能之一是AF具有影响5G核心中流量路由的能力。第三方比如CDN如何使用此功能去优化媒体服务。
（4）SAND部署过程中的接口问题
当SAND部署在OTT（over-the-top）层的视频点播的时候,对于其中的DANE由第三方管理的情况下,如何确定DANE到其他网络元素的接口。正如上文谈到的客户端可以发送客户端的一些播放信息比如缓冲区长度等信息给DANE,但如何将接入网、核心网、数据网的带宽和延迟等信息提供给DANE需要进一步研究。此外,当DANE做出的一些决定,比如共享资源分配策略时,如何保证客户端实际可以获得这些资源。
（5）人工智能在5G媒体分发架构下的应用
如上文所述,5G中网络数据分析功能（NWDAF）的提出为网络的智能化传输提出了新的方向,如何将媒体分发和5G中的NWDAF功能结合,尤其是针对SAND的架构方案设计上还需要进一步的标准制定,包括但不限于接口和流程的规范上。
4 展望与下一步工作
本文在结合了5G新的网络特性的技术上介绍了5G中的流媒体传输和分发的相关标准,可以看出3GPP的编解码和媒体工作组针对5G中的流媒体系统架构、协议、编解码、格式等提出了相关的技术规范和技术报告,虽然其中有些地方还是值得进一步研究并提出相关标准规范,但目前提出的一些架构对于运营商或者服务提供商具体应用5G的新技术部署媒体传输具备很大的指导意义。随着一些新兴的视频展示方式的发展,比如虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等的发展,3GPP的编解码和媒体工作组正在制定相关范围的一些标准。从整体标准的制定和发展来看,蜂窝网络中的多媒体传输和网络架构的特点紧密结合起来,向着边缘化、智能化、精细化发展。此外在使用5G系统进行广播网的建设上,正沿着两个方向演进,一是R16中的“基于LTE的地面5G广播”,二是R17中的“基于5G NR的多播广播服务”,3GPP的架构组（SA2）中已经有了关于5G多播广播服务的体系结构增强的研究[18],在3GPP RAN第86次全会上关于多播广播的标准项目也被确立。笔者也将继续跟进最新的相关标准和研究。利益冲突声明
所有作者声明不存在利益冲突关系。参考文献 原文顺序
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