文/郭傳程

　　摘要：新媒體時(shí)代下，4K/8K超高清視頻的傳統(tǒng)傳輸模式面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文分析了5G技術(shù)在4K/8K超高清直播系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了5G技術(shù)的高帶寬、低時(shí)延特性，以及4K/8K超高清視頻的技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)探討了網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、上行鏈路增強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)編碼與智能傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)在直播系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：5G技術(shù) 超高清視頻 網(wǎng)絡(luò)切片 邊緣計(jì)算

　　5G 技術(shù)在應(yīng)用的過程中有超強(qiáng)的連接能力，且5G 技術(shù)在連接過程中能夠同時(shí)連接的數(shù)量也非常多，根據(jù)實(shí)際的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，5G 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1 平方千米以內(nèi)連接近100 萬個(gè)物體。然而，超高清視頻所需的巨大帶寬和嚴(yán)格的傳輸時(shí)延要求，給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來巨大挑戰(zhàn)。5G 技術(shù)憑借其高帶寬、低時(shí)延、大連接的技術(shù)特點(diǎn)，為解決這些問題提供了全新的解決方案。本文深入探討5G 技術(shù)在超高清直播系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析其關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證其應(yīng)用效果。

　　一、5G技術(shù)的特點(diǎn)

　　5G 技術(shù)憑借其突破性的高帶寬能力，在理論峰值下行速率可達(dá)到20Gbps，上行速率可達(dá)10Gbps，這遠(yuǎn)超4G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。在實(shí)際應(yīng)用場景中，5G 網(wǎng)絡(luò)可以為單用戶提供穩(wěn)定的100Mbps 以上的下行速率，在熱點(diǎn)區(qū)域甚至可以達(dá)到1Gbps。在頻譜資源方面，5G 技術(shù)采用了毫米波、中頻段等多頻段協(xié)同工作的方案，頻譜范圍涵蓋了sub-6GHz 和24-52GHz 等不同頻段[1]。

　　5G 網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延最低可達(dá)1 毫秒，相比4G 網(wǎng)絡(luò)的20 毫秒有了質(zhì)的飛躍。這種超低時(shí)延特性主要得益于5G 新空口（NR）技術(shù)的革新，包括更短的傳輸時(shí)間間隔（TTI）、靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新型的信道編碼方案。低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)還依賴于5G 網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)和邊緣計(jì)算能力。通過將核心網(wǎng)功能下沉到邊緣節(jié)點(diǎn)，以及采用用戶面功能分離（CUPS）技術(shù)，5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的本地化，顯著減少傳輸路徑，從而保證超低時(shí)延性能的穩(wěn)定發(fā)揮。

　　二、 5G+超高清直播系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

　　（一）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

　　通過在統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，構(gòu)建多個(gè)邏輯獨(dú)立的端到端虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。在超高清直播系統(tǒng)中，可以為視頻傳輸業(yè)務(wù)配置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片，提供確定性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保證。具體來說，超高清直播專用切片可以配置高達(dá)1Gbps 的帶寬資源，端到端時(shí)延控制在10ms 以內(nèi)，業(yè)務(wù)可靠性達(dá)到99.999%，這些參數(shù)可以根據(jù)不同場景需求靈活調(diào)整。通過網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（NSMF）和網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF）實(shí)現(xiàn)對(duì)切片資源的精確控制和動(dòng)態(tài)調(diào)度。

　?。ǘ┻吘売?jì)算技術(shù)

　　在超高清直播系統(tǒng)中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可提供3——5TOPS（每秒萬億次運(yùn)算）的計(jì)算能力，支持實(shí)時(shí)視頻編解碼、轉(zhuǎn)碼和內(nèi)容處理。采用基于Docker 的輕量級(jí)虛擬化技術(shù)，單個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)可同時(shí)處理4——6 路4K 視頻流或1——2 路8K 視頻流，處理時(shí)延控制在20ms 以內(nèi)[2]。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度和業(yè)務(wù)管理，支持應(yīng)用的快速部署和彈性伸縮。系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)配備20-40TB 的高速緩存，支持NVMe 固態(tài)硬盤陣列，順序讀寫速度可達(dá)3GB/s。

　　（三）上行鏈路增強(qiáng)技術(shù)

　　5G 基站支持64T64R 或更高規(guī)模的天線陣列，通過空間復(fù)用最多可支持16 個(gè)空間流的并發(fā)傳輸。在毫米波頻段（24.25-52.6GHz），單載波帶寬可達(dá)400MHz，通過載波聚合最高可實(shí)現(xiàn)2GHz的傳輸帶寬，為超高清視頻提供充足的上行傳輸通道。

　　采用高階調(diào)制編碼方案（最高支持256QAM），并結(jié)合LDPC 編碼和極化碼，可使頻譜效率達(dá)到15——20bps/Hz。通過上行功率控制和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，確保邊緣用戶的上行傳輸質(zhì)量，信噪比維持在15——20dB 的較高水平。

　?。ㄋ模┚W(wǎng)絡(luò)編碼與智能傳輸技術(shù)

　　網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)采用先進(jìn)的H.266/VVC 和AVS3 編碼標(biāo)準(zhǔn)，在保證相同畫質(zhì)的情況下，可使碼率較H.265 降低40% 以上。系統(tǒng)支持多種編碼參數(shù)配置，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼速率，4K 視頻的編碼延遲控制在50ms 以內(nèi)，8K 視頻控制在100ms 以內(nèi)。通過分塊編碼和并行處理技術(shù)，單臺(tái)編碼器可同時(shí)處理多路超高清視頻流，編碼性能可達(dá)到400fps@4K 或100fps@8K[3]。

　　采用基于AI 的智能傳輸技術(shù)，通過實(shí)時(shí)分析網(wǎng)絡(luò)狀況，自適應(yīng)調(diào)整傳輸參數(shù)。通過前向糾錯(cuò)（FEC）和選擇性重傳（HARQ）機(jī)制，將傳輸丟包率控制在0.01% 以下。

　　三、 5G技術(shù)在超高清直播系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

　?。ㄒ唬┲辈鼍皯?yīng)用架構(gòu)

　　5G 超高清直播系統(tǒng)的端到端架構(gòu)主要包括前端采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)和后端處理三大部分。在前端采集層，通過5G CPE 或?qū)I(yè)終端連接4K/8K攝像機(jī)，支持多機(jī)位同步采集。專業(yè)終端可實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的預(yù)處理和初步壓縮，其中視頻采用10bit 色深編碼，支持HDR，可選擇H.265/HEVC或H.266/VVC編碼標(biāo)準(zhǔn)，音頻支持5.1或7.1聲道。

　　通過就近接入的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視頻處理和分發(fā)。在大型活動(dòng)直播中，可同時(shí)支持8-12 路4K 視頻流或2-3 路8K 視頻流的并發(fā)傳輸，通過智能負(fù)載均衡確保每路視頻流的傳輸質(zhì)量。

　　例如：在廣州亞運(yùn)會(huì)的體育賽事轉(zhuǎn)播中，湖南廣電采用了基于5G 的新型IP 轉(zhuǎn)播方案，通過部署12 臺(tái)4K 攝像機(jī)進(jìn)行多機(jī)位拍攝，經(jīng)由5G專網(wǎng)傳輸至現(xiàn)場指揮中心，實(shí)現(xiàn)了賽事精彩瞬間的多角度呈現(xiàn)。

　?。ǘ┬盘?hào)采集與處理

　　每個(gè)采集點(diǎn)配備5G 專業(yè)終端，內(nèi)置高性能處理器可實(shí)現(xiàn)4K 視頻實(shí)時(shí)編碼，編碼延遲控制在50ms 以內(nèi)。通過北向接口與導(dǎo)播系統(tǒng)對(duì)接，支持遠(yuǎn)程調(diào)度和參數(shù)配置，可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的云臺(tái)控制、焦距調(diào)節(jié)和色彩校正等功能。

　　信號(hào)處理采用流水線架構(gòu)，包括視頻預(yù)處理、編碼壓縮和協(xié)議封裝三個(gè)階段。預(yù)處理階段進(jìn)行畫面降噪、色彩空間轉(zhuǎn)換和分辨率自適應(yīng)；編碼階段根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率，支持CBR和VBR 兩種編碼模式；協(xié)議封裝采用SRT 或RTMP協(xié)議，內(nèi)置FEC 機(jī)制，確保傳輸可靠性。系統(tǒng)還支持備份鏈路機(jī)制，在主鏈路出現(xiàn)故障時(shí)可快速切換到備份鏈路，確保直播不中斷[4]。

　　例如：某大型鋼鐵企業(yè)引入5G+ 超高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在高爐、轉(zhuǎn)爐等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)部署20 余臺(tái)工業(yè)級(jí)4K 攝像機(jī)。每臺(tái)攝像機(jī)配備邊緣智能分析單元，可實(shí)時(shí)檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。

　　（三）傳輸與分發(fā)系統(tǒng)

　　傳輸系統(tǒng)基于5G SA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為超高清直播業(yè)務(wù)提供獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源。通過UPF 下沉部署，減少傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延優(yōu)化。系統(tǒng)集成了智能路由技術(shù)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量自動(dòng)選擇最優(yōu)傳輸路徑，支持跨區(qū)域負(fù)載分擔(dān)和故障切換，網(wǎng)絡(luò)可用性達(dá)到99.999%。

　　內(nèi)容分發(fā)采用多級(jí)緩存架構(gòu)，在邊緣節(jié)點(diǎn)部署分布式緩存系統(tǒng)，支持熱點(diǎn)內(nèi)容就近分發(fā)。通過智能調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和流量調(diào)優(yōu)，有效減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。系統(tǒng)還支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，在大型活動(dòng)直播時(shí)，可通過跨區(qū)域資源調(diào)度。

　　例如：南方電網(wǎng)在廣東某500 千伏變電站部署5G 專網(wǎng)系統(tǒng)，采用端到端切片技術(shù)保障超高清視頻傳輸。系統(tǒng)配置3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，分別用于設(shè)備監(jiān)控、無人機(jī)巡檢和遠(yuǎn)程操作指揮。通過就近部署MEC 服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)視頻流的本地化處理和分發(fā)，端到端時(shí)延控制在15ms 以內(nèi)。

　?。ㄋ模┎コ雠c呈現(xiàn)

　　播出系統(tǒng)采用云化架構(gòu)，支持多機(jī)房協(xié)同工作，主要功能包括多畫面監(jiān)看、節(jié)目切換、特效疊加和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼等。通過智能識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)場景切換和畫面追蹤，減少人工操作。通過ABR（自適應(yīng)碼率）技術(shù)，根據(jù)終端性能和網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率和分辨率。集成了低延遲解碼技術(shù)，端到端延遲可控制在1 秒以內(nèi)。此外，系統(tǒng)還提供互動(dòng)功能接口，支持實(shí)時(shí)彈幕、直播連麥等增值服務(wù)，提升用戶觀看體驗(yàn)。例如：在2024 年春晚直播中，央視采用5G+8K 超高清制播系統(tǒng)，在多個(gè)分會(huì)場部署8K 攝像機(jī)，通過5G 專網(wǎng)回傳至北京總控制中心。直播過程中，系統(tǒng)處理多路8K 視頻流的同時(shí)，為不同終端用戶提供4K/2K 自適應(yīng)碼率服務(wù)，全程在線觀眾突破9 億，端到端延遲穩(wěn)定保持在800ms 以內(nèi)，創(chuàng)下了國內(nèi)超高清直播系統(tǒng)的新紀(jì)錄。

　　四、結(jié)語

　　5G 技術(shù)的發(fā)展為超高清直播系統(tǒng)帶來了革命性的變革，不僅解決了傳統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)的諸多限制，也為內(nèi)容制作帶來更多創(chuàng)新可能。通過網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)的深度融合，5G 超高清直播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、低延遲的端到端傳輸。未來，隨著5G 技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)和超高清視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，兩者的深度融合將進(jìn)一步推動(dòng)廣播電視行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為觀眾帶來更加優(yōu)質(zhì)的視聽體驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 古志勇.5G 與超高清直播的融合應(yīng)用研究[J]. 電視技術(shù),2024，48(11):186-188.

　　[2] 吳曉亮.5G 技術(shù)賦能廣播電視媒體融合發(fā)展的路徑[J]. 衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2024,21(20):25-27.

　　[3] 王璇.5G+8K 移動(dòng)直播技術(shù)在廣播電視工程中的應(yīng)用[J]. 電視技術(shù),2024,48(10):207-209.

　　[4] 任一銘. 融媒體視域下傳統(tǒng)廣播電視媒體的轉(zhuǎn)型升級(jí)策略[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2024,21(22):133-135.

　?。ㄗ髡吖鶄鞒滔瞪綎|省濟(jì)寧市任城區(qū)融媒體中心主任、工程師）

　　責(zé)任編輯：苗權(quán)譽(yù)

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