5G NR技術(shù)在電視外場直播制作中的應(yīng)用

楊柳青

（濱州市博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

1 5G NR技術(shù)概述

5G新無線（New Radio，NR）是構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)的全新無線接入技術(shù)，相比4G來說，具有更高的頻譜效率和更低的時延。5G NR系統(tǒng)基于正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），同時引入新的調(diào)制方法，可以支持更寬的帶寬（最大可達(dá)400 MHz），增強對高頻段的支持，并通過新型幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化了時延。5G NR的幀結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)設(shè)計，可以根據(jù)不同的頻率范圍和場景需求進(jìn)行調(diào)整。

在子幀長度方面，NR支持多種模式：正常模式的子幀長度為1 ms，對應(yīng)傳統(tǒng)的長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）子幀；縮短模式的子幀長度可降至125 μs，減少了傳輸時延。針對低時延需求，NR進(jìn)行了Mini-slot設(shè)計，時延可降低至125 μs以下?？湛诮尤爰夹g(shù)上，NR不僅支持OFDM，還引入了多種多載波調(diào)制技術(shù)，如新的濾波器組多載波（Filter Bank Multi-Carrier，F(xiàn)BMC）技術(shù)等，可以根據(jù)場景需求進(jìn)行選擇。

此外，5G NR系統(tǒng)還支持新的調(diào)制編碼方案，如新的低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），以及高階調(diào)制技術(shù)，如256正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），可以提供更高的數(shù)據(jù)速率。5G NR通過設(shè)計自適應(yīng)幀結(jié)構(gòu)、支持多種多載波調(diào)制、引入新型調(diào)制編碼技術(shù)等創(chuàng)新措施，實現(xiàn)比4G系統(tǒng)更高的頻譜效率和更低的空口傳輸時延，為電視外場直播高速率、低延遲的無線傳輸提供了重要支持。

2 電視外場直播制作中的技術(shù)需求

2.1 視頻源獲取的需求

電視外場直播制作的第一步是視頻源的獲取，直接關(guān)系到后續(xù)制作流程的畫面質(zhì)量。首先，外場環(huán)境需要通過無線方式采集視頻信號，采集設(shè)備（如外場攝像機等）需要快速接入5G網(wǎng)絡(luò)，建立高速率的無線連接，確保超高清視頻源的實時傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)需要提供每秒數(shù)吉比特的無線接入速率，接入時延需達(dá)到毫秒級，從而為外場攝像機等設(shè)備提供高質(zhì)量的無線接入服務(wù)。其次，不同類型的視頻源對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)有不同的要求。例如：現(xiàn)場連線的主播攝像對時延非常敏感，網(wǎng)絡(luò)必須具有極低的端到端傳輸時延，通常應(yīng)控制在20 ms以內(nèi)；用于遠(yuǎn)程訪談的手持?jǐn)z像機雖然可以容忍較高的延遲，但為保證視頻質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)需要提供足夠的比特率，以避免編碼壓縮導(dǎo)致的馬賽克。最后，外場環(huán)境中存在大量移動采集場景，移動過程中需要保證服務(wù)的連續(xù)性，避免出現(xiàn)長時間視頻中斷[1-2]。

2.2 編輯制作的需求

電視外場直播過程中，需要對多個采集源進(jìn)行剪輯處理、多畫面合成等，以輸出連貫流暢的節(jié)目畫面，對視頻編輯系統(tǒng)的處理能力和時延控制提出了新要求。首先，外場直播的同時處理大量高清信號。一場典型體育賽事的外場制作可能包含上百路高清信號源，各信號源可能采用不同的編碼格式、碼率、顏色空間等。編輯系統(tǒng)需要對它們進(jìn)行轉(zhuǎn)碼、調(diào)色等預(yù)處理，將這些畫面混合成一個統(tǒng)一的程序視頻流，并添加各種轉(zhuǎn)場特效，來豐富畫面的視覺效果，還需要能即時切換任意信號源，同時畫面不出現(xiàn)卡頓。其次，外場導(dǎo)播需要遠(yuǎn)程控制機位攝像機，調(diào)整鏡頭框架、選擇畫面等，這就要求視頻源獲取端和導(dǎo)播端之間具備低延遲的雙向交互能力[3]。最后，部分編輯工作也需要在外場環(huán)境中完成，因此編輯系統(tǒng)要能部署在移動設(shè)備上，通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取視頻源并實時輸出節(jié)目流。這對無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性提出了要求，源素材必須始終高質(zhì)量、低延遲地傳輸?shù)揭苿泳庉嫿K端。

2.3 傳輸播出的需求

外場直播制作的最后一步是將節(jié)目信號傳輸?shù)讲コ鱿到y(tǒng)，這一環(huán)節(jié)同樣具有高帶寬傳輸、低延遲和信號可靠性三方面的需求。高質(zhì)量的外場直播需要傳輸高碼率的視頻流，一般帶寬在10 Mb·s-1以上，才能傳輸1 080P高清信號。若是進(jìn)行4K超高清或8K超高清制作，所需的帶寬可以達(dá)到每秒幾十甚至上百兆比特，對傳輸系統(tǒng)的帶寬要求非常高。

外場直播對信號延遲極為敏感，攝像頭采集到播出端播放的時間通常需要控制在1 s以內(nèi)，這就要求傳輸系統(tǒng)的視頻編碼、傳輸、解碼等過程具有極低的延遲，各環(huán)節(jié)精確同步。任何細(xì)微的時延聚集都會導(dǎo)致音畫不同步、畫面不連貫等問題。

外場直播作為在線直播，不允許出現(xiàn)任何程度的信號中斷，要求傳輸系統(tǒng)具備可靠的連接機制、強大的抗干擾能力等，確保信號質(zhì)量平穩(wěn)，即使在復(fù)雜的電磁環(huán)境中也能提供穩(wěn)定服務(wù)。

3 5G NR技術(shù)在電視外場直播中的應(yīng)用

3.1 無線設(shè)備接入NR網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)切片

在電視外場直播制作過程中，視頻源的獲取離不開5G NR網(wǎng)絡(luò)提供的高速率、低延遲無線接入支持。5G NR網(wǎng)絡(luò)可以為現(xiàn)場的攝像機等視頻采集設(shè)備提供每秒吉比特級的超高速無線接入，充分滿足實時傳輸高清及超高清視頻源的需要。5G NR支持的多載波聚合技術(shù)綁定多個較寬的組載波，為視頻源提供400 MHz以上的大容量無線接入帶寬，支持源視頻的高清傳輸。同時，NR的自適應(yīng)幀結(jié)構(gòu)支持125 μs超短幀長度的縮短模式[4]，可以顯著降低無線接入時延。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合控制面時延優(yōu)化，能夠有效減少從視頻采集到網(wǎng)絡(luò)接入再到云傳輸?shù)亩说蕉藭r延。

根據(jù)不同視頻源類型的網(wǎng)絡(luò)需求，5G NR的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以劃分出子網(wǎng)絡(luò)切片，定制服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）配置。例如，對于低延遲敏感的主播連線視頻，網(wǎng)絡(luò)切片可以配置超低的端到端時延參數(shù)；對于編碼質(zhì)量更加敏感的遠(yuǎn)程訪談視頻，網(wǎng)絡(luò)切片可以提供編碼比特率保證。在外場移動視頻采集場景下，5G NR網(wǎng)絡(luò)可以運用多進(jìn)多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）多天線技術(shù)進(jìn)行新型的波束賦形（Beamforming），通過調(diào)整信號波束方向，增強對移動用戶的無線覆蓋能力，確保高速移動場景下視頻源的傳輸質(zhì)量。

3.2 多接入邊緣計算

電視外場直播難以接受長時間處理和傳輸延遲，對視頻編輯處理的實時性提出了非常高的要求。多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）是一種廣泛適用于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的移動邊緣計算方案，與NR有著非常強的協(xié)同性。NR以其高速率、低時延的無線接入，為MEC服務(wù)器的部署提供了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐，同時MEC通過就近計算彌補了5G NR在核心網(wǎng)時延上的不足。

MEC將編輯處理從遠(yuǎn)端的中心云下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣接近現(xiàn)場的MEC服務(wù)器，能夠減少時延，使編輯處理更貼近實時需求。MEC服務(wù)器可以部署在接近外場拍攝現(xiàn)場的邊緣節(jié)點位置，視頻源可以就近接入MEC進(jìn)行低延遲處理，無須傳輸?shù)竭h(yuǎn)端云服務(wù)器。同時，服務(wù)器可以利用圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等硬件芯片進(jìn)行加速，以提升視頻編解碼、多路合成等處理的效率。相比中心云處理，MEC可以減少大量源數(shù)據(jù)傳輸時延，能夠更靈活地按需調(diào)度計算資源，顯著降低端到端的編輯處理延遲。MEC與中心云計算并非完全對立，MEC服務(wù)器可以分析歷史數(shù)據(jù)緩存，將復(fù)雜的模型訓(xùn)練工作交給中心云去處理。邊緣和云協(xié)同AI模型的訓(xùn)練和推理，MEC服務(wù)器利用邊緣端采集的數(shù)據(jù)微調(diào)模型，使AI判斷更加貼近具體場景，讓外場編輯工作更加自動化、智能化。

3.3 高速傳輸、演播室低延遲與保證QoS

5G NR的強大無線傳輸能力可以全面提升外場直播的信號帶寬、時延和可靠性保障。首先，5G NR接口支持的多載波聚合可以達(dá)到數(shù)百兆赫茲的超寬系統(tǒng)帶寬，而且通過先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)能夠提供每秒吉比特級的高峰值數(shù)據(jù)率。NR聚合多個100 MHz帶寬的組載波擴展總帶寬，支持最高400 MHz帶寬，遠(yuǎn)超4G的帶寬限制。其次，NR采用256QAM調(diào)制方式，每符號可以調(diào)制8 bits，明顯高于4G的64QAM，引入的新一代LDPC和極化碼等信道編碼機制也有助于提升無線調(diào)制的可靠性，使NR理論峰值率達(dá)到20 Gb·s-1左右，滿足外場超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻的傳輸速率需求。5G的增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）業(yè)務(wù)切片也可以為視頻信號配置專門的高QoS帶寬資源保障[5]。再次，5G NR網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到極低的端到端傳輸延遲，將用戶平面功能（User Plane Function，UPF）更多地部署在接入邊緣，使得視頻業(yè)務(wù)的用戶面數(shù)據(jù)可以就近處理，避免經(jīng)過核心網(wǎng)的多次轉(zhuǎn)發(fā)造成的延遲。最后，5G NR通過切片級別的QoS保障機制，可以為視頻業(yè)務(wù)流提供比普通數(shù)據(jù)服務(wù)更高的無線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度優(yōu)先級。視頻源獲取和傳輸可以利用保證比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）類型的網(wǎng)絡(luò)切片，獲得穩(wěn)定的無線帶寬資源。關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)流可以使用低延遲類型的網(wǎng)絡(luò)切片，獲得更高的無線接入優(yōu)先權(quán)。

4 結(jié)語

5G NR技術(shù)在解決電視外場直播制作過程中的視頻源獲取、編輯制作和信號傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)難題中發(fā)揮著重要作用。5G NR接口的高峰值數(shù)據(jù)率和超低延遲，以及MEC邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)，為電視媒體實現(xiàn)更高質(zhì)量、更低延遲的多源遠(yuǎn)程采集和實時編輯制作提供了可能性。目前，我國5G網(wǎng)絡(luò)仍在建設(shè)中，要想使其真正服務(wù)于電視外場直播，還需要進(jìn)一步的商業(yè)部署和技術(shù)積累。NR生態(tài)的逐步成熟有望進(jìn)一步豐富電視媒體的內(nèi)容制作手段，推動傳統(tǒng)電視向的轉(zhuǎn)型升級。