5G高清視頻回傳方案探討

李 斌，馬 麗（中國聯通甘肅省分公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

4G 時代視頻監控的高清實時回傳帶來了一定網絡條件的提升，但是多路高清視頻卻往往只能看一路高清視頻，存在時延大、畫面抖動不清晰、傳送速率低等問題。這都是因為4G 雖然比3G 提升了一定帶寬，但是仍然無法滿足多路高清同時上傳的要求。

與4G 不同，5G 不僅僅是下一代移動技術，還是一種全新網絡，將萬事萬物以最優的方式連接起來，這種統一的連接架構將會把移動技術的優勢擴展到全新行業，并創造全新商業模式。5G 網絡下，高清視頻傳輸具有流暢、不卡頓、清晰度高、時延低等優勢。

在當前NSA 組網下，傳統視頻回傳方案采用3GNET 接入點，當所有視頻采集側CPE 和視頻展示側CPE位于同一臺SAEGW的時候，才能完成正常的視頻回傳，但3GNET接入點無法完成固定選擇某一臺SAEGW，導致視頻回傳概率性失敗，本案例通過對多種視頻回傳解決方案的深入分析和場景測試，采用APN 的方式來解決傳統視頻回傳方案中遇到的問題。

1 5G NSA組網模式下視頻業務網絡架構

1.1 NSA網絡架構和信令流程

當前5G NSA 主要采用EN-DC（E-UTRAN New Radio-Dual Connectivity）技術，支持EN-DC 的終端可以同時連接到4G 網絡的MN-eNB（Master Node eNB）和5G網絡的SN-gNB（Secondary Node gNB）。

一個支持EN-DC 業務的終端首先要附著到4G 網絡，當終端接收到的5G 信號強度足以支持5G 服務的時候，LTE MN-eNB 指導SN-gNB 完成資源的分派使得終端同時連接到4G和5G網絡。NSA 存在多種組網方案，中國聯通當前首選OPTION 3X，如圖1所示。

在NSA 組網中，支持EN-DC 的UE 首先附著到4G LTE 網絡，然后通過消息S1AP E-RAB Modification Indication 與NR gNB 建立用戶面連接，UE 同時連接到MN-eNB 和SN-gNB，對于核心網而言，信令面連接到LTE MN-eNB，用戶面直接連接到NR SN-gNB，用戶面流量可能繼續從X2 接口送到eNB，最終流向UE，也有可能直接從gNB 流到UE。詳細信令流程見表1。

1.2 5G高清視頻回傳網絡架構

表1 5G NSA OPTION 3X 信令流程

5G CPE 采集終端附著到5G 網絡后，獲得對應的IP 地址，演示大屏側5G CPE 會主動拉流，從各個視頻采集端CPE 獲取對應的視頻碼流，拉流采用TCP 協議，演示大屏側CPE 會與各個視頻采集端CPE 建立3次握手，成功后即可完成正常的視頻顯示，如圖2 所示。

2 業務場景測試及解決方案

2.1 業務呈現前的場景測試分析

a）演示大屏側的5G CPE 終端使用動態地址。演示大屏側的5G CPE 終端在SAEGW 網元動態分配地址10.120.90.80，采集側CPE終端在HSS網元綁定靜態地址：124.152.202.2，124.152.202.3，124.152.202.5，所有的CPE終端采用APN為3GNET，如圖3所示。

圖2 5G高清視頻回傳拓撲圖

圖3 3GNET動態分配地址拓撲圖

b）信令分析。演示大屏的5G CPE 終端向視頻采集端發送了大量TCP 握手消息，均沒有收到回應，該場景下視頻回傳業務無法呈現。

c）存在的問題。由于演示側5G CPE 終端采用動態私網地址，根據網絡安全設定，SAEGW 設備有安全策略，不允許SAEGW 上面UE-TO-UE 私網地址之間的通信，該方案的視頻回傳業務無法實現。

d）解決措施。演示大屏終端采用3GNET 動態分配地址的方案無法滿足要求，計劃演示大屏終端采用3GNET 靜態綁定地址進行場景測試，來驗證視頻回傳業務是否正常。

2.2 傳統方案的場景測試分析

2.2.1 演示大屏側的5G CPE終端使用靜態綁定地址

演示大屏側的5G CPE 終端在HSS 網元綁定靜態地址為124.152.202.120，采集側CPE 終端在HSS 網元綁定靜態地址，124.152.202.2，124.152.202.3，124.152.202.5，所有的CPE 終端采用APN 為3GNET，如圖4所示。

圖4 3GNET靜態綁定地址拓撲圖

2.2.2 信令分析及多場景測試

a）信令分析。演示大屏的5G CPE 終端地址124.152.202.120 向視頻采集端124.152.202.2 發送了TCP 握手消息，均收到回應，建立了正常的TCP 連接，進行了數據傳送。因此演示大屏終端采用3GNET 靜態綁定地址的方案理論上可以滿足要求，需要進行多場景驗證。

b）多場景測試。大橋飯店、中山橋基站的CPE 終端為5G 網絡，上傳速率為500 kBit/s以上；會展中心的CPE 終端為4G 網絡，上傳速率為132 kBit/s。通過演示大屏上傳速率對比，在高清視頻回傳中，5G 網絡上傳速率比4G 網絡上傳速率要快4 倍以上，同時5G 網絡上傳視頻的畫質更加清晰、更加穩定。

2.2.3 存在的問題

當CPE 終端使用3GNET 接入點時，通過DNS 解析，會隨機選擇SAEGW POOL 內的其中1 臺SAEGW，HSS 為每張USIM 卡簽約了固定的靜態IP 地址，通過大量的場景測試，發現視頻回傳業務失敗的概率很大。由于靜態地址綁定的情況下，需要SAEGW 向外部CE 發布UE 的地址，但是SAEGW 設備無法同時在2臺設備上發布同樣的路由信息，因為UE 只能附著在1臺SAEGW 上，僅當視頻采集和視頻展示CPE 終端同時在1臺SAEGW 上時，同時該SAEGW 向CE發布了路由，才能正常完成視頻回傳。由于DNS 局數據規范要求，3GNET 接入點無法固定選擇唯一的SAEGW，故需要嘗試采用不同的APN完成測試要求。

2.2.4 解決措施

解決措施1：在MME 上面將所有的CPE 終端對應的MSISDN 號碼綁定在1 臺固定的SAEGW 上面，MME配置綁定關系時，需要把MSISDN、APN、SGW IP、PGW IP等4個網元參數一一對應，如表2所示。

由于甘肅聯通部分廠家MME 只能綁定1 個號碼，因此該方案不完善，無法解決問題，解決措施1不能滿足要求，需要嘗試采用其他解決方法進行驗證。

解決措施2：采用新的APN 為SPJK.GS，該APN 配置某1 臺固定SAEGW 網元，在分組域內部DNS 中，將該APN的解析僅指向固定的1臺SAEGW，這樣理論上可以解決此問題，需要驗證采用APN 為SPJK.GS，能否保證視頻回傳業務的正常呈現。

表2 MME、APN、PGW綁定關系

2.3 創新方案的場景測試分析

2.3.1 演示大屏側的5G CPE終端使用靜態綁定地址

演示大屏側的5G CPE 終端在HSS 網元綁定靜態地址為124.152.202.121，采集側CPE 終端在HSS 網元綁定靜態地址：124.152.202.2，124.152.202.3，124.152.202.5，所有的CPE 終端采用APN 為SPJK.GS，如圖5所示。

圖5 SPJK.GS靜態綁定地址拓撲圖

2.3.2 信令分析

演示大屏的5G CPE 終端124.152.202.121 地址向視頻采集124.152.202.2 發送了TCP 握手消息，均收到回應，建立了正常的TCP連接，進行了數據傳送。由于所有的CPE終端都在1臺固定的SAEGW 設備上面，因此演示大屏終端采用SPJK.GS靜態綁定地址的方案在實際中完全滿足要求，多場景測試后，高清視頻回傳業務正常。

2.3.3 現場演示

5G 高清視頻創新方案經過現場演示，視頻回傳畫面、清晰度非常流暢。甘肅聯通省分公司對該創新解決方案的穩定性、實用性、創新性非常滿意、非常認可，該創新方案為甘肅聯通在其他5G技術的推廣應用奠定了網絡基礎。網絡維護人員需要深耕網絡，鉆研技術，學習5G新知識，運用技術手段、采用創新的辦法去發現、解決、消除網絡中存在的問題和隱患，保障網絡安全穩定運行。

傳統方案和創新方案的技術比較如表3所示。

傳統方案的缺點：所有的CPE 終端激活在不同的SAEGW，視頻回傳業務部分終端無法正常呈現拉流視頻。

表3 解決方案技術比較

創新方案的優點：所有的CPE 終端激活在1 臺固定的SAEGW，視頻回傳業務可以正常穩定地呈現。

3 網絡配置技術方案

3.1 5G CPE終端

終端負責將攝像頭采集的視頻信息通過5G 無線網絡、核心網絡、視頻服務器，最終傳送至演示大屏。傳統5G 高清視頻回傳中，終端的APN 為3GNET。創新方案中終端APN為SPJK.GS。

3.2 核心網HSS

HSS 設備負責用戶標識、編號、路由信息，用戶安全信息包括用戶鑒權、完整性保護和加密的安全信息，用戶位置信息包括HSS 支持用戶注冊，并存儲系統間的位置信息、用戶其他屬性信息等。

核心網HSS 中，5G CPE 終端中USIM 卡綁定公網地址、簽約高速率的上下行帶寬、簽約高速率的QoS、保證視頻傳送時的速率。HSS負責對終端簽約的數據進行鑒權認證，如表4所示。

3.3 核心網MME

MME 設備負責移動性管理、會話管理、用戶鑒權和密鑰管理、NAS 信令加密和完整性保護、合法監聽、TA LIST管理和P-GW/S-GW 選擇等功能。

MME增加4G錨點站TAC-LAC對應關系，5G NSA網絡架構下，5G 基站通過4G 錨點站與核心網交互信令消息。傳統方案與創新方案的MME網元配置相同。

表4 HSS中CPE終端簽約信息

3.4 核心網SAEGW

S-GW 和P-GW 通常在物理網元合一部署，被稱為SAEGW。S-GW 服務網關，是3GPP 內不同接入網絡間的用戶錨點，負責用戶在不同接入技術之間移動時用戶面的數據交換，S-GW 承擔EPC 的網關功能，終結E-UTRAN 方向的接口。P-GW 被稱為PDN 網關，是3GPP 接入網絡和非3GPP 接入網絡之間的用戶錨點。P-GW 與外部PDN 連接的網元，終結于PDN 相連的SGi接口。

傳統方案中SAEGW設備配置APN為3GNET的私網地址池數據，將公網124.152.X.X 地址段路由通過SGi 接口對外發布。創新方案中SAEGW 配置APN 為SPJK.GS，并對外發布124.152.X.X，并將該接入點地址分派方式修改為靜態分派。

3.5 核心網DNS

DNS 設備在會話激活過程中，通過對APN 域名解析尋址SAEGW地址。

在DNS 設備配置的APN 解析中，傳統方案需增加3GNET 業務5G 相關配置NC-NR，并將其解析到SAEGW 池（POOL），創新方案需增加SPJK.GS業務的5G 相關配置NC-NR，將其解析到某臺單獨的SAEGW。

傳統方案：

創新方案：

DNS 還需要增加錨點站TAC 的5G 相關配置NCNR數據，該錨點站才能與5G基站進行信令交互通信。

3.6 防火墻、PS-Gi-CE

防火墻需要配置公網地址124.152.X.X 的策略路由數據，允許從外網訪問SAEGW 里的124.152.X.X 地址，也允許從SAEGW 的124.152.X.X地址訪問外網，保證數據包出入訪問正常，同時將124.152.X.X地址發布給PS-Gi-CE。

PS-Gi-CE 將124.152.X.X 地址發布到169 網動態路由中，即城域網CR方向。

傳統方案和創新方案在防火墻、PS-Gi-CE的配置相同。

4 結論

綜上所述，在5G 技術快速發展的今天，目前甘肅聯通5G NSA 組網架構僅支持eMBB 類展示，進行高清視頻類應用部署。5G 接入的多樣性和復雜性，對運營商5G業務的運維提出了更高的要求。通過5G高清視頻回傳方案比較，可以更好地提升5G行業用戶的使用體驗，為中國聯通未來開拓5G垂直行業市場提供網絡資源基礎。