5G 在視頻場(chǎng)景下的典型應(yīng)用

江 南

（湖北廣播電視臺(tái)，武漢 430071）

1 5G 發(fā)展歷程

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱5G，是為滿足新時(shí)代移動(dòng)通信的高要求發(fā)展而來(lái)的全新移動(dòng)通信系統(tǒng)。相對(duì)于4G，5G 的頻譜利用率與能效非常高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、傳輸資源的利用率都有一個(gè)很大的提升。

2013年5月，韓國(guó)三星公司宣布已成功開發(fā)5G 核心技術(shù)；2015年，美國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商Verizon 無(wú)線公司宣布將從2016年開始試用5G 網(wǎng)絡(luò)；2017年12月，3GPP 組織正式完成并發(fā)布5G 非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）標(biāo)準(zhǔn)；2018年6月，3GPP 5G 獨(dú)立組網(wǎng)（（SA））標(biāo)準(zhǔn)也宣告完成，這也標(biāo)志著首個(gè)真正完整意義的國(guó)際5G 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立而成，第五代移動(dòng)通信步入了規(guī)范商用的時(shí)代。2019年6月，我國(guó)工業(yè)與信息化部向中國(guó)電信、中國(guó)廣電、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通分別發(fā)放了5G 商用的牌照，標(biāo)志著中國(guó)步入了5G 商用的新時(shí)代。

1G 通信時(shí)代，擁有一臺(tái)大哥大就是時(shí)髦的象征。但是1G 網(wǎng)絡(luò)采用模擬信號(hào)傳輸，存在信號(hào)不穩(wěn)定、覆蓋不夠廣、容易被竊聽等問題，且僅限于語(yǔ)音通信。2G 網(wǎng)絡(luò)最大的變化是采用了數(shù)字調(diào)制，得益于此，發(fā)短信成為當(dāng)時(shí)最前衛(wèi)的交流方式。隨著3G 技術(shù)的突飛猛進(jìn)，全世界的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)走上了快速發(fā)展的軌道。在3G 時(shí)代，屏幕的觸摸控制得到廣泛應(yīng)用，安裝和升級(jí)了多種APP 的智能化終端受到追捧，成為一種時(shí)尚。智能終端不再只是接發(fā)通信信息的載體，其本身更成為信息的生產(chǎn)工廠。在第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)推出4年之后，高速的4G 網(wǎng)絡(luò)讓視頻緩存變得不易察覺，更增強(qiáng)了人與人之間的交流。時(shí)隔5年，第五代移動(dòng)通信技術(shù)也走到了臺(tái)前。結(jié)合當(dāng)下的萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢(shì)，以及VR/AR、智慧醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等重要應(yīng)用的出現(xiàn)，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)不單單成為無(wú)線通信的接入方式和技術(shù)，更是多種通信技術(shù)整合、集約后的總體解決方案。

2 現(xiàn)實(shí)需求

在政策上，湖北省5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019-2021年）發(fā)展目標(biāo)中提到行業(yè)應(yīng)用目標(biāo)，包括有重點(diǎn)推進(jìn)超高清視頻和VR即虛擬現(xiàn)實(shí)、AR 即增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)、MR 即混合現(xiàn)實(shí)、智慧旅游、北斗位置服務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧物流商貿(mào)、智慧教育、智慧農(nóng)業(yè)和數(shù)字政府、智慧園區(qū)等領(lǐng)域的5G 應(yīng)用，其中，視頻方面的應(yīng)用占有較重的比例。

在市場(chǎng)中，現(xiàn)今視頻監(jiān)控行業(yè)的傳輸分為有線和無(wú)線兩種傳輸方式，現(xiàn)在主導(dǎo)地位的有線傳輸視頻監(jiān)控產(chǎn)品與技術(shù)正在向著高清化、智能化飛速發(fā)展。但是受限于速度和部署，有線傳輸方式無(wú)法滿足發(fā)展的需求，市場(chǎng)急需5G 技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)行提升與革新。在醫(yī)療行業(yè)中，新冠肺炎的爆發(fā)導(dǎo)致醫(yī)院無(wú)法正常接納眾多的病人，遠(yuǎn)程醫(yī)療作為一種有力而高效的應(yīng)急治療手段得到了大量應(yīng)用，并取得了很好的效果。此外，還有遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程會(huì)議、遠(yuǎn)程旅游等應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)，并為疫情期間的人們解決了很多困難。

3 5G 關(guān)鍵技術(shù)

下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)主要的5G 關(guān)鍵技術(shù)：

（1）關(guān)鍵技術(shù)一：全雙工。基于自干擾抑制理論和技術(shù)，全雙工可以使頻譜效率提升一倍，主要包括全雙工系統(tǒng)的自干擾抑制技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)。

（2）關(guān)鍵技術(shù)二：大規(guī)模天線。我們假設(shè)5G 基站一邊的天線數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于使用者一側(cè)的天線數(shù)量時(shí)，從5G 基站到每個(gè)使用者的信道會(huì)趨向于正交；對(duì)于這樣的情形，使用者之間的干擾會(huì)趨向于漸漸減少以至沒有。超大的陣列增益則可以高效地使各個(gè)使用者的S/N（SIGNAL-NOISE RATIO）得到提升，進(jìn)而可以在同樣的時(shí)頻資源上讓更加多的使用者進(jìn)行傳輸。

（3）關(guān)鍵技術(shù)三：全頻譜接入。這個(gè)技術(shù)牽涉到6 GHz 以下的低頻段以及6 GHz 以上的高頻段，低頻段作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)核心頻段，會(huì)在無(wú)縫覆蓋中使用到，而高頻段則是輔助的頻段，可以提升熱點(diǎn)區(qū)域速率。全頻譜接入技術(shù)使用高、低頻混合組網(wǎng)的模式，可以極大地發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保證5G 網(wǎng)絡(luò)的高速率、大容量、低時(shí)延與無(wú)縫覆蓋。

（4）關(guān)鍵技術(shù)四：超密集組網(wǎng)。這個(gè)技術(shù)可以利用密集的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和實(shí)施，從而會(huì)得到更好的頻率復(fù)用效率，進(jìn)而提升部分使用頻率高的區(qū)域的系統(tǒng)容量，量級(jí)可達(dá)到數(shù)百倍。

（5）關(guān)鍵技術(shù)五：新型多載波。F-OFDM，F(xiàn)BOFDM，UFOFDM 這三種多載波技術(shù)，都使用了濾波器機(jī)制，帶外泄露相對(duì)比較低，保護(hù)帶開銷也可相對(duì)減少，通過新型多載波支撐靈活可配的新空口。F-OFDM 可以通過子帶濾波實(shí)現(xiàn)子帶之間參數(shù)配置的解耦，因此，系統(tǒng)帶寬可以根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，劃分成不同的子帶，并在每個(gè)子帶上配置不同的TTI、子載波間隔和CP 長(zhǎng)度等，從而讓空口的使用靈活可控，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于各類業(yè)務(wù)的供應(yīng)完成度也可以增大，系統(tǒng)發(fā)展的變化度與可伸縮性更會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

4 視頻場(chǎng)景下的典型應(yīng)用

4.1 視頻直播

5G 無(wú)人機(jī)直播。利用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭進(jìn)行定向巡航，實(shí)現(xiàn)視頻場(chǎng)景內(nèi)外的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程直播，結(jié)合AI 技術(shù)，對(duì)人、物進(jìn)行動(dòng)作的識(shí)別、捕捉和靜態(tài)識(shí)別，以便及時(shí)針對(duì)直播場(chǎng)景切換鏡頭、角度。4G 的峰值速率在100 Mb/s 以內(nèi)，5G 的峰值速率是4G 的10多倍，可以支持多線路的4K 超高清視頻實(shí)時(shí)直播。利用無(wú)人機(jī)飛行的靈活性和機(jī)動(dòng)性，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)高速率、低時(shí)延、大帶寬的技術(shù)特點(diǎn)，5G 無(wú)人機(jī)視頻直播能讓人感受到與普通直播不一樣的高空視角！

5G 多點(diǎn)VR 直播。在體育賽事中，以足球比賽為例，在足球場(chǎng)上可以安裝數(shù)個(gè)全景超清攝像頭，拍攝到的超高清比賽視頻可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，然后利用5G 的傳輸終端（CPE）將視頻通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到VR 終端上，頭戴VR 終端的觀眾們可以如臨現(xiàn)場(chǎng)一般地觀看比賽。傳統(tǒng)的VR 直播會(huì)讓人有一種眩暈感，這種眩暈感是由于網(wǎng)速較慢，畫面來(lái)不及加載而讓人在視覺上產(chǎn)生模糊感帶來(lái)的眩暈。5G 的高速率、低時(shí)延、大帶寬特點(diǎn)保證了畫面的及時(shí)下載和更新，不會(huì)讓人再產(chǎn)生眩暈感，而是可以實(shí)實(shí)在在地帶給人身臨其境的觀看體驗(yàn)。

4.2 視頻錄播

5G 互動(dòng)式視頻錄播。例如，通過在某景區(qū)多處重點(diǎn)區(qū)域規(guī)劃、布放超高清全景攝像頭，將畫面通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫??！坝慰汀笨梢源魃蟅R 眼鏡，通過5G 網(wǎng)絡(luò)在云端直接觀看景區(qū)的實(shí)況，沉浸式體驗(yàn)讓人身臨其境。同時(shí)還可以加載互動(dòng)性的解說(shuō)，“游客”點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕即可收到“導(dǎo)游”的針對(duì)性講解，并且可以利用人工智能進(jìn)行語(yǔ)音互動(dòng)。

4.3 視頻分發(fā)

5G 視頻時(shí)間切片。如果可以在體育賽場(chǎng)周圍安裝多達(dá)100個(gè)攝像頭，獲取不同角度的視頻信息，視頻流通過5G 網(wǎng)絡(luò)同步上傳到服務(wù)器，就可以同時(shí)分發(fā)到不同的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。用戶在通過手機(jī)觀看比賽時(shí)，不僅可以選擇從不同的角度觀看比賽，還可以在多平臺(tái)上隨意回看精彩瞬間?！皶r(shí)間切片”可以應(yīng)用于諸如短道速滑、花樣滑冰等類型的體育項(xiàng)目。

5 結(jié)束語(yǔ)

盡管在一段時(shí)間內(nèi)，信息通信技術(shù)建立的基礎(chǔ)通信功能給人們的生活與工作帶來(lái)了極大的便利，但是通信和農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)的結(jié)合還有較大的提升空間。第五代移動(dòng)通信將深入到人們生活和社會(huì)生產(chǎn)的每一個(gè)角落，它將再次定位傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，降本增效，讓我們的世界更便捷更美好。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用與融合，第五代移動(dòng)通信必將提升社會(huì)的生產(chǎn)力，繼而對(duì)教育、民生以及人類精神生活等多個(gè)方面產(chǎn)生重大影響。