未來廣播電視技術(shù)中5G技術(shù)的應(yīng)用

李劍鋒

【摘要】將廣播電視運用5G技術(shù)進行傳輸，把傳輸數(shù)據(jù)的速度提高上來，讓電視信號變得更加穩(wěn)定。本文簡要論述了5G技術(shù)的發(fā)展歷程還有其關(guān)鍵原理、應(yīng)用范圍，對于在超高清制播過程中5G技術(shù)的應(yīng)用，做了詳細介紹，包括信息的采集、5G背包還有具體傳輸要求等，特別是5G+VR的具體制播流程，詳實的呈現(xiàn)了電視制播中5G技術(shù)與4K的結(jié)合應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】廣播電視技術(shù);5G技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.22.008

由于我們國家5G基站的陸續(xù)開通，廣播電視也在國家工信部實行700MHz解綁后，正式開啟了5G時代，在我們國家4K電視傳輸測試中，5G技術(shù)的運用取得的進步很大。如何把廣播電視節(jié)目傳入移動終端中是一個關(guān)鍵性問題。5G技術(shù)是借助傳統(tǒng)技術(shù)逐步發(fā)展起來的，基于4G引入無限技術(shù)進行補充，讓解決方案變得更加全面。在未來把5G技術(shù)融入生活中的每一個領(lǐng)域，讓用戶體驗到光纖的速度，連接千億設(shè)備的強大能力，把網(wǎng)絡(luò)的能效給一次性提升百倍以上。5G有助于構(gòu)筑數(shù)字化的經(jīng)濟社會，它能引領(lǐng)各行業(yè)經(jīng)濟進入一個新的發(fā)展階段。到2030年預(yù)計帶動產(chǎn)出總值可以達到6.3萬億元，帶動的間接貢獻也能達到10.6萬億元的總產(chǎn)出。

1. 5G技術(shù)簡述

5G技術(shù)是移動通信方面的第五代技術(shù)，與以前的3G，4G差異很大，其本質(zhì)區(qū)別是基本特征是否受限于時空，5G技術(shù)能實現(xiàn)光帶化發(fā)展目標(biāo)，且綠色節(jié)能。5G技術(shù)的容量很高，而且延時比較低，我們國家工業(yè)在高科技，尤其是人工智能技術(shù)等帶動下，開始體驗5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)的性能十分突出，時延特別短。5G技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展能提升我們國家的網(wǎng)絡(luò)效率，5G技術(shù)所需成本投入并沒有比4G高出太多。5G網(wǎng)絡(luò)更能夠貼近用戶真實的服務(wù)需求，最有代表性的一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力就是移動邊緣的計算。虛擬化功能在5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用形成的網(wǎng)絡(luò)切片，是其關(guān)鍵性特征，能夠就近為移動用戶實施業(yè)務(wù)計算，讓網(wǎng)絡(luò)從一種接入管道變成了信息化服務(wù)。華為在2018年時率先通過了由IMT-2020組織發(fā)起的第三階段5G技術(shù)核心網(wǎng)研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能測試。這種非獨立的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試對5G商用部署的快速實現(xiàn)具有非凡意義。

2. 5G與4K的結(jié)合

媒體行業(yè)對時效性方面的要求較高，其中以新聞報道為最，特別是距離遠、數(shù)據(jù)量大的信息傳輸，對于電視傳輸業(yè)務(wù)而言，真的是說不出的痛。直到無線通信技術(shù)為我們開啟了如今的5G時代，5G技術(shù)帶來的寬帶網(wǎng)絡(luò)特別穩(wěn)定，既可以百兆上行，還能千兆下行，有了5G專用網(wǎng)絡(luò)，讓超高清視頻的快速、大量、穩(wěn)定傳輸不再是夢想，讓高清的直播跟素材回傳成為現(xiàn)實。

3. 視頻的制播

高清視頻已具有了4K到8K的分辨率，50以上的幀率，至少10比特的圖像采樣率，并開始采用逐行掃描方式，早就導(dǎo)致數(shù)據(jù)量一下子變得很大，因此對其傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的環(huán)境要求也變得更高。按H.265編碼的話，4K視頻對于傳輸碼率方面的要求是至少也要達到25Mbps，但是不能超過40Mbps，要是4K HDR的話，對碼率要求更高，通常在45Mbps到60Mbps之間。如果是8K視的，所要求的傳輸碼率必然會更高，這樣的數(shù)據(jù)量至少要100Mbps。同時對帶寬要求也會相應(yīng)提高。5G技術(shù)的傳輸能力，完全可以實現(xiàn)對4K、8K音頻內(nèi)容的穩(wěn)定傳輸。按5G應(yīng)用實際，參照總臺的相關(guān)規(guī)范要求，對超高清4K視音頻數(shù)據(jù)的具體參數(shù)提出表1所示要求。5G網(wǎng)絡(luò)在采集、編制、播放各方面，提供了制播節(jié)目所需的各項處理、承載能力。在利用5G+4K制播節(jié)目時，5G技術(shù)的“采”跟超高清音視頻制播的“采集回傳”相對應(yīng)，5G技術(shù)的“編”跟超高清視音頻素材的“云端制作”相對應(yīng)，5G技術(shù)的“播”也就是節(jié)目音視頻信號的播出。圖1給出了整個流程，前端的是4K/8K攝像機，負(fù)責(zé)拍攝素材，后面的3GSDI負(fù)責(zé)把它傳給5G編碼專用的推流設(shè)備，把它處理成傳輸協(xié)議里面要求的那種IP數(shù)據(jù)流。再借助各種渠道把它傳給5G基站，現(xiàn)在大多是選擇5GCPE方式。由于5G手機的功能日趨完善，選擇5G手機來執(zhí)行發(fā)送指令也愈發(fā)的常見了。還有一種方式是把視頻數(shù)據(jù)通過5G集成模組里面的編碼推流設(shè)備，往5G基站傳輸?，F(xiàn)在的背包基本都具有這些功能，這樣一來，移動傳輸就很容易實現(xiàn)，不再需要鋪設(shè)線纜，操作方式也特別的靈活。

5G基站把收到的視音頻信號經(jīng)核心網(wǎng)絡(luò)，傳往系統(tǒng)的直播中心，視音頻數(shù)據(jù)存儲在直播中心，由中心負(fù)責(zé)向各個顯示終端分發(fā)，發(fā)送視頻的方式可以有很多種。在此期間，云端設(shè)備可以運用預(yù)先安裝的視頻編制軟件，完成對素材的云制作。選擇桌面應(yīng)用軟件來對素材做編輯、包裝處理，制再經(jīng)由5G網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各類終端。由于5G技術(shù)越來越成熟，背包也變得輕便了許多，功能也趨于完善，續(xù)航能力也在不斷增強。因此在對拍攝信號回傳的時候，大多會用5G背包設(shè)備。背包里面不但有信號采集、編碼、分錄還集成了輸出設(shè)備，處理起音視頻信號來即快捷又簡便。前端信號先由背包做預(yù)處理，通過編碼后，生成的數(shù)字信號，能夠符合5G傳輸要求的標(biāo)準(zhǔn)，再借助無線終端提供的接口進入，這樣一來外部傳輸就結(jié)束了。為安全起見，背包還集成了加密功能跟糾錯功能，這樣一來，接收到的數(shù)據(jù)就能夠保持完整性。選擇5G網(wǎng)絡(luò)對高清視頻進行傳輸時，如果碼率不同，對鏈路要求，包括上下行的時延、帶寬等等。當(dāng)碼率=40Mbps，上行鏈路帶寬至少要達到60Mbps;當(dāng)碼率=60Mbps，上行鏈路的帶寬至少要達到80Mbps。且下行鏈路帶寬至少要有200Mbps。在終端跟中心服務(wù)器之間做往返傳輸時，其（Round-Trip Time）峰值被限制在40ms以內(nèi)，相應(yīng)的時延抖動一定要控制在80ms以內(nèi)，要是選擇了無糾錯協(xié)議（UDP）的話，那么丟包率就得是0;若選擇的是有糾錯協(xié)議（RTP/SRT/RIST）的話，那么丟包率要求在1%以內(nèi)。從現(xiàn)階段音視頻節(jié)目的制播流程來看，5G技術(shù)在整個流程各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。而這些功能的實現(xiàn)，全都是靠5G網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的超強處理能力、同時上、下行的快速、穩(wěn)定的傳輸能力。特別是在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)跟數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，5G更是起到了突出的作用，現(xiàn)場采集到基帶信號后，先由編碼器做壓縮處理，所得結(jié)果再按UDP、SRT、RTP、RIST、RTMP協(xié)議要求封裝起來，這樣輸出的數(shù)據(jù)流就可以在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中傳輸。所謂的現(xiàn)場制作就是把轉(zhuǎn)播車設(shè)在現(xiàn)場，借助5G網(wǎng)絡(luò)把采集到的超高清音視頻信號壓縮后傳給轉(zhuǎn)播車，直接在轉(zhuǎn)播車上按設(shè)置的機位來做調(diào)度處理，接下來再傳到中心播出;而遠程制作，現(xiàn)場只需要采集信號即可，不需要做任何處理，然后借助5G網(wǎng)絡(luò)把音視頻信號傳回電視臺，再進行調(diào)度解碼、制作，然后播出。兩者的主要差別就是制作在哪里完成，可按實際情況，還有制播系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定選擇節(jié)目以哪種方式來制作。

5G技術(shù)現(xiàn)在已開始在多種節(jié)目特別是超高清節(jié)目制播中應(yīng)用。2018年的春晚就啟用了5G網(wǎng)絡(luò)，來實時傳輸超高清視頻節(jié)目。從分會場現(xiàn)場攝取4K信號用5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳，再把城市景觀用5G網(wǎng)絡(luò)傳到分會場設(shè)置的導(dǎo)播機房里面，兩路信號在分會場設(shè)置的導(dǎo)播機房中的屏幕實時放出來。5G在電視臺的應(yīng)用自此拉開帷幕，并活躍于各類重大活動的直播中，譬如2019年春晚、兩會還有“一帶一路”高峰論壇等，給觀眾們帶來直播內(nèi)容，質(zhì)量邁入了更高的層次。同時，下一屆的奧運會、冬奧會也會選擇8K的方式實現(xiàn)現(xiàn)場拍攝，以多路回傳的形式來實現(xiàn)直播，到那個時候，單節(jié)目帶寬就能有100Mbps，應(yīng)用5G技術(shù)后，再制播8K音視頻節(jié)目，其空間十分可觀。

4. 5G+VR全景制播

在演唱會、晚會還有賽事等大型直播活動中，VR制作的應(yīng)用十分普遍，VR全景制播有了5G技術(shù)的大力支撐，獲得了飛快發(fā)展。圖2就是VR全景制播的具體流程，由攝像機采集各處的平面圖像，并借助縫合服務(wù)器，將其合成沒有任何畸變的球形畫面。再由編碼服務(wù)器把它壓縮一下，做好編碼，把它變成符合傳輸協(xié)議的視頻流，再由5G終端接到CPE設(shè)備上，借助5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)給遠程系統(tǒng)繼續(xù)制作。此時也可在云端展開云制作，對節(jié)目的圖文進行包裝。在導(dǎo)播切換中心當(dāng)中，可以切換的5G信號流機位可不是只有一路，多路信號都可以收錄，也能夠監(jiān)看，并能通過5G網(wǎng)絡(luò)往各平臺分發(fā)，在不同的新媒體當(dāng)中播放出來。在VR制播過程中，其選擇的框架方案一般來說以NDI（Network Device Interface）協(xié)議居多，以確保系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備能夠互聯(lián)互通，同時確保畫質(zhì)超高清、低時延。需要多路直播時，所有信號都支持NDI協(xié)議，并在交換機端同步輸入輸出。由前端傳過來的5G信號觸發(fā)IP矩陣，實施協(xié)議封裝之后，還要轉(zhuǎn)碼，接下來再傳輸出去。在制作2019年的春晚節(jié)目時，分會場在采集和傳輸超高清VR信號時，用的就是5G+VR系統(tǒng)，以5G技術(shù)實時拼合現(xiàn)場信號，并向北京演播室回傳，全方位的給觀眾呈現(xiàn)一個精彩春晚。

5. 結(jié)語

我們國家的5G廣播系統(tǒng)當(dāng)中5G技術(shù)的運用，有效的促進了移動業(yè)務(wù)與高清視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，通過原本廣播電視資源的整合利用，打造出具有特色的5G系統(tǒng)。由于我們國家VR/AR等技術(shù)的迅猛發(fā)展，沉浸式視頻、高質(zhì)量投屏都成了熱點，運營商也轉(zhuǎn)而運營起綜合視頻業(yè)務(wù)，現(xiàn)階段這些目標(biāo)單靠運營商恐怕不能夠?qū)崿F(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用5G技術(shù)后其傳輸速度也會大幅度提高，能夠承載的視頻也會更加的豐富，在5G時代引領(lǐng)下廣播電視也能夠發(fā)展得更好。

參考文獻：

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