基于5G 私有云制作系统的设计与研究.pdf

关键词5G 私有云 云制作 延时基于5G+私有云制作系统的设计与研究 作者 北京广播电视台周旭辉王丁李铮顾端随着新媒体时代的到来，云制作以强大的制作能力和低廉的成本，对广播电视制作模式起到显著的推动作用。5G 切片技术以其高性能为网络功能带来重要革新，边缘计算和私有云技术也以其低成本、高安全性的优势，成为信息网络发展的重要推动力。本文基于 5G 切片网络、边缘私有云技术，针对云制作系统的基本功能和性能进行了相关研究。摘要 一 项目背景 中国“十四五”规划纲要提出将数字中国建设提到新高度，云计算是重点产业之一，加强云计算系统和软件核心技术一体化研发。广播电视行业立足现阶段发展，构建新的发展格局，5G、云计算广泛应用，推动业务开发和产业生态的不断完善。作为广播电视行业现阶段的主流技术，云制作打破空间的限制，实现远程协同制作，提高效率、减少成本。之前我们也进行了基于公网的公有云制作测试，受网络带宽和稳定性等因素影响，全链路延时较大。这次云制作系统测试与上次基于公有云的测试不同，应用到 5G 切片、私有云、边缘计算等技术。5G 切片技术具有灵活性、隔离性、专用性等特点。主要体现在组成切片的网元可以共享，也可以单独部署，单个网元可以支持多个切片；不同切片间相互隔离，切片之间不会互相影响；一个切片可以提供单独的网络资源和服务；5G 切片技术还具有端到端的特性，包括了核心网、承载网、接入网，具备独立提供网络服务的能力。云技术因其高效的资源共享和分配，已经广泛应用到生产生活中。私有云作为云技术的组成部分，具有安全性强、数据传输稳定、服务质量高的特点。私有云可以为某个使用者单独构建网络，提供专用资源。边缘计算更是具有低延时、高带宽、安全性强等特性，表现在数据的产生、处理、应用都离数据源较近，提供就近计算的能力；也可由中心云统一调度分发，提供与传统云一样的安全防护功能。此次云制作系统设计就是基于 5G 切片网络、边缘私有云技术，针对安全制播一体化平台设备的基本功能和性能进行的相关测试。二 系统环境 1.网络环境本次测试网络资源方面，由中国电信提供 5G 切片技术、边缘计算、私有云技术，为云制作系统提供了专网、专线。物理设备方面，采用 4 台 CPU 云主机的基础配置为双志强十二核 CPU，主频 2.3G，缓存 16.5M，12 条 32G DDR4 内存，频率 2666M，双 1.6T SSD 硬盘，分别为安装 Ubuntu22.04 操作系统的 Sienna 云主机、安装 Ubuntu22.04 操作系统的协议转换系统的云主机、安装Ubuntu22.04操作系统的H5字幕云主机、安装 CentOS7.9 操作系统的 Tally 协议转换云主机；1 台 GPU 云主机的基础配置为双志强十二核 CPU，主频 2.3G，缓存 16.5M，双 TESLA V100 显卡，12条 32G DDR4 内存，频率 2400M，4 块 960G SSD 硬盘，为安装 CentOS7.9 操作系统的微帧 AI 视频画面增强系统的云主机；1 台位于阿里的云主机安装 Tally CloudServer 系统。2.设备需求本次测试应用到一些可部署到云端的服务器和本地设备，包括 Sienna PE NDI IP 综合处理设备、Sienna NDI IP 切换调度设备、Tally 协议转换服务新媒体新业务NEW MEDIA&BUSINESS038器、Tally 云服务器、微帧视频画面增强系统、Sony Z280、Havision Makito X4 编 码 器、Havision Makito X4 解 码 器、高 清 监 视 器、4K 监 视 器、电 信 5G CPE、电信 5G 卡、百兆路由器、笔记本电脑。三 系统设计 1.系统描述系统底层基于中国电信边缘云，传输基于中国电信 5G 切片网络。整个网络系统用两个中兴 CPE 模拟制作域的前后端，前端接入设备包括 Sony Z280 摄像机经过 Havision Makito X4 进行 6Mbps 编码推流，使用手机进行 6Mbps 推流；后端接入设备包括经过6Mbps Havision makito X4 解码拉流进入高清监视器和 4K 监视器，使用手机进行 6Mbps 拉流，多画面显示 PC 进行 6Mbps 拉流。中国电信边缘云 MEC 由 6台服务器组成，部署了 Sienna 云制作系统、协议转换系统、Tally 协议转换系统、H5 字幕系统、微帧 AI视频画面增强系统。中国电信边缘云 MEC 部署在北京广播电视台网络机房，中国电信核心网位于北京瀛海，边缘云 MEC 与核心网通过光纤连接，5G CPE通过 5G 基站无线接入核心网络。2.云制作系统测试系统共 5 个信号源，分别是 2 路摄像机、高清手机、高清云端媒体播放器、信号发生器，即由SRT 接收模块和 IP 流转 NDI 模块接收经 SRT 编码后的摄像机信号、手机 Larix 推送的 SRT 流信号；媒体播放器模块播放格式为 MXF 的高清视频文件；信号发生器播放的测试信号。切换台、调音台模块对信号源进行切换、调音制作，包括输出 PGM、PVW、CLEAN 信号；将信号源、PGM、PVW 等信号送入 Multiviewer 模块，并输出FULL NDI 的多画面信号给 SiennaLink TX 模块，通过优化过的 SRT 协议，使用 Sienna Remote Monitor软件进行接收和监看；Tally Engine 模块将 Tally 信息传送至 Tally 协议转换系统；编码器模块和 SRT 发送模块将最终节目信号送入 TS Encoder Adv 进行编码，通过 UDP 传送至 SRT Transmit 模块，输出 SRT 信号给最终输出。为了满足多种形式的节目制作，系统测试接收端模拟了 4 种接收设备，包括手机端 Larix、PC 端VLC、本地监视器、本地 PC 画分监看。手机端 Larix 模拟移动端接收设备的应用系统；PC 端 VLC 模拟 PC 接收设备的播放软件；本地高清、4K 监视器模拟播出端将云端制作的 PGM 信号下载到本地进行监看或其他处理；本地 PC 画分监看用于导播进行现场制作。通过 Sienna 云制作系统最终输出 PGM 信号，可实时进入H5字幕系统进行横飞、字幕条、角标等包装，也可实时进入 AI 视频画面增强系统进行超分辨率和 FakeHDR 处理；通过Sienna 云制作平台 Tally Engine 模块与Tally 服务器实现远程 Tally 功能。3.系统测试（1）5G 切片网络延时测试使用笔记本电脑通过 Wi-Fi 连接 5G CPE，Ping 位于 MEC 的 Sienna主机，测量 RTT 时间为 34ms。（2）云制作系统画分链路延时测试使用摄像机加编码器或手机Larix 两种不同拍摄设备拍摄时码画面，采用高清和 4K 两种不同信号格式，使用 Remote Monitor 进行接收，15G 边缘云云制作系统图TallyAdvanced Television Engineering039对画分链路进行了延时测试。手机推送 1080p25、6Mbps 高清画面至 5G 网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 6Mbps编码推流至 5G 网络，最终使用笔记本电脑 Remote Monitor 进行画分监看。全链路延时为 991ms。摄像机输出 1080p50 高清画面，用编码器 6Mbps编码后推送至 5G 网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 6Mbps 编码推流至 5G 网络，最终使用笔记本电脑 Remote Monitor 进行画分监看。全链路延时为 989ms。摄像机输出 2160p50 超高清画面，用编码器40Mbps 编码后推送至 5G 网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 1080p50、6Mbps 编码推流至 5G网络，最终使用笔记本电脑 Remote Monitor 进行画分监看。全链路延时为 976ms。与之前测试过相同系统架构，基于公网公有云的延时进行比对，如表 1 所示。测试链路电信 5G 边缘云测试公有云测试延时变化HD 手机-画分991ms约 2400ms降低 1409msHD 摄像机-画分989ms降低 1411ms4K 摄像机-画分976ms降低 1424ms（3）云制作系统 PGM 链路延时测试使用不同拍摄设备拍摄时码画面（摄像机+编码器、手机Larix Broadcaster），采用不同信号格式（HD、4K）、不同接收方式（解码器+监视器、手机 Larix Player）进行组合，对 PGM 链路进行了延时测试。手机推送1080p25、6Mbps高清画面至5G网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 6Mbps 编码推流至 5G 网络，最终使用解码器解码后至高清监视器。全链路延时为 2375ms。手机推送1080p25、6Mbps高清画面至5G网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 6Mbps 编码推流至5G网络，最终使用笔记本电脑VLC进行拉流。全链路延时为 3267ms。摄像机输出 2160p50 超高清画面，用编码器40Mbps 编码后推送至 5G 网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 40Mbps 编码推流至 5G 网络，最终使用解码器解码后至 4K 监视器。全链路延时为2982ms。摄像机输出 2160p50 超高清画面，用编码器40Mbps 编码后推送至 5G 网络，由 Sienna 云制作系统进行节目制作，经 40Mbps 编码推流至 5G 网络，最终使用笔记本电脑 VLC 进行拉流。全链路延时为3883ms。与之前测试过相同系统架构，基于公网公有云的延时进行比对，如表 2 所示。表1电信 5G 边缘云与公有云比对图2Sienna 云制作系统图新媒体新业务NEW MEDIA&BUSINESS040测试链路电信 5G 边缘云测试公有云测试延时变化HD 手机-监视器2375ms约 3100ms降低 725msHD 手机-VLC3267ms约 4300ms降低 1033ms4K 摄像机-监视器2982ms约 3100ms降低 118ms4K 摄像机-VLC3883ms约 4300ms降低 417ms（4）5G 私有云稳定性测试5G+私有云、云制作设备稳定性测试使用摄像机输出 1080/50i 的高清视频信号，经过 Havision Makito X4 编码器将信号转换为 SRT，由 CPE 进入电信运营商 5G 专线上传至云端，经过部署在电信私有云上的 Sienna 云制作系统，使用 6Mbps 编码，通过 CPE 最终下载至笔记本 VLC。系统测试时长为 8小时，VLC 记录共丢失 1 帧。（5）H5 字幕和 AI 视频画面增强功能测试H5 字幕系统与 AI 视频画面增强系统均可实现实时处理功能。H5 字幕和超分辨率视频画面增强效果图、H5 字幕和 FakeHDR 视频画面增强效果图，如图 3、图 4 所示。（6）Tally 功能测试由 Sienna 云制作系统 Video Mixer 模块和 Tally Engine 模块传送至 Tally 协议转换系统，再经过部署在阿里云上的 Tally 云服务器，实现远程 Tally 功能，经过测试得到 Tally 全链路延时 300ms。四 系统分析 通过测试可知 5G 切片网络往返延时为 34ms，主要由链路传输导致，而系统延时主要由 Havision Makito X4 编、解码器、Sienna 云制作系统编、解码模块产生。从延时结果可以看出，4K 格式编码后全链路延时低于高清格式，这是由于 Sienna 云制作系统SRT 接收模块设置造成。测试结果表明，在 5G 私有云环境下，全链路、画分链路延时较公网公有云都有明显降低，系统稳定性较高，H5 字幕系统和 AI 视频画面增强系统都具有实时处理能力，Tally 系统实现摄像机端和制作端处于任意位置进行制作的功能，适应更多的制作形式，满足新媒体节目制作的需要。五 总结和展望 1.项目总结广播电视技术在 2006 年进入数字高清时代，经过 10 年建设，在 2016 年出现超高清、HDR、IP 技术，随后经历快速发展阶段，8K、XR 相继出现，到今天融媒体大行其道，5G、AI，地面到云端虚拟化技术加速向广播电视领域渗透，广播电视技术迭代升级速度势不可挡。随着新媒体时代的到来，云制作作为一种新兴的技术，以强大的制作能力和低廉的成本，对广播电视制作模式起到显著的推动作用。技术的创新和进步是网络发展的核心驱动力，5G 切片技术以高性能为网络功能带来重要革新，边缘计算和私有云技术以其低成本、高安全性的优势，也成为信息网络发展的重要推动力。2.展望“十四五”时期，我国迎来开启全面建设社会主义现代化国家新征程，向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年，新一轮科技革命和产业变革深入发展，广播电视行业也迎来了新的机遇和挑战。5G 技术作为先进的移动通信技术，激发了相关产业链的蓬勃发展，也势必带来一些问题，5G 技术低延时、高速传输在远距离传播过程中会产生衰减，这就需要利用边缘云更靠近生产源的特点来解决。由此可见，边缘云技术与 5G 发展相辅相成，私有云技术又保障广播电视行业安全性。所以，未来以5G+边缘私有云为平台的云制作技术将是广播电视行业的重要发展方向。表2电信 5G 边缘云与腾讯公有云比对图3H5 字幕和超分辨率视频画面增强效果图4H5 字幕和fakeHDR 视频画面增强效果图Advanced Television Engineering041