淺談5G技術在4K/8K超高清直播系統(tǒng)中的應用

5G技術在應用的過程中有超強的連接能力，且5G技術在連接過程中能夠同時連接的數(shù)量也非常多，根據(jù)實際的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，5G技術能夠實現(xiàn)1平方千米以內(nèi)連接近100萬個物體。然而，超高清視頻所需的巨大帶寬和嚴格的傳輸時延要求，給現(xiàn)有網(wǎng)絡架構帶來巨大挑戰(zhàn)。5G技術憑借其高帶寬、低時延、大連接的技術特點，為解決這些問題提供了全新的解決方案。本文深入探討5G技術在超高清直播系統(tǒng)中的應用，分析其關鍵技術要點，并通過實際案例驗證其應用效果。

一、5G技術的特點

5G技術憑借其突破性的高帶寬能力，在理論峰值下行速率可達到20Gbps，上行速率可達10Gbps，這遠超4G網(wǎng)絡的傳輸能力。在實際應用場景中，5G網(wǎng)絡可以為單用戶提供穩(wěn)定的100Mbps以上的下行速率，在熱點區(qū)域甚至可以達到1Gbps。在頻譜資源方面，5G技術采用了毫米波、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[]。

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

二、 5 G + 超高清直播系統(tǒng)關鍵技術要點

（一）網(wǎng)絡切片技術

通過在統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡基礎設施上，構建多個邏輯獨立的端到端虛擬專用網(wǎng)絡。在超高清直播系統(tǒng)中，可以為視頻傳輸業(yè)務配置獨立的網(wǎng)絡切片，提供確定性的網(wǎng)絡服務質量保證。具體來說，超高清直播專用切片可以配置高達1Gbps的帶寬資源，端到端時延控制在10ms以內(nèi)，業(yè)務可靠性達到 9 9 . 9 9 9 % ，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)絡切片管理功能（NSMF）和網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF）實現(xiàn)對切片資源的精確控制和動態(tài)調(diào)度。

（二）邊緣計算技術

在超高清直播系統(tǒng)中，邊緣計算節(jié)點可提供3—5TOPS（每秒萬億次運算）的計算能力，支持實時視頻編解碼、轉碼和內(nèi)容處理。采用基于Docker的輕量級虛擬化技術，單個邊緣節(jié)點可同時處理4—6路4K視頻流或1—2路8K視頻流，處理時延控制在20ms以內(nèi)[2。邊緣計算節(jié)點通過MEC（移動邊緣計算）平臺實現(xiàn)資源調(diào)度和業(yè)務管理，支持應用的快速部署和彈性伸縮。系統(tǒng)采用分布式存儲架構，每個邊緣節(jié)點配備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3GB/s。

（三）上行鏈路增強技術

5G基站支持64T64R或更高規(guī)模的天線陣列，通過空間復用最多可支持16個空間流的并發(fā)傳輸。在毫米波頻段（24.25-52.6GHz），單載波帶寬可達 4 0 0 M H z ，通過載波聚合最高可實現(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），并結合LDPC編碼和極化碼，可使頻譜效率達到15—20bps/Hz。通過上行功率控制和干擾協(xié)調(diào)技術，確保邊緣用戶的上行傳輸質量，信噪比維持在15—20dB的較高水平。

（四）網(wǎng)絡編碼與智能傳輸技術

網(wǎng)絡編碼技術采用先進的H.266/VVC和AVS3編碼標準，在保證相同畫質的情況下，可使碼率較H.265降低 4 0 % 以上。系統(tǒng)支持多種編碼參數(shù)配置，可根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(tài)調(diào)整編碼速率，4K視頻的編碼延遲控制在 5 0 m s 以內(nèi)，8K視頻控制在 以內(nèi)。通過分塊編碼和并行處理技術，單臺編碼器可同時處理多路超高清視頻流，編碼性能可達到400fps@4K或100fps@8K[3]。

采用基于AI的智能傳輸技術，通過實時分析網(wǎng)絡狀況，自適應調(diào)整傳輸參數(shù)。通過前向糾錯（FEC）和選擇性重傳（HARQ）機制，將傳輸丟包率控制在 0 . 0 1 % 以下。

三、5G技術在超高清直播系統(tǒng)中的具體應用

（一）直播場景應用架構

5G超高清直播系統(tǒng)的端到端架構主要包括前端采集、傳輸網(wǎng)絡和后端處理三大部分。在前端采集層，通過5GCPE或專業(yè)終端連接4K/8K攝像機，支持多機位同步采集。專業(yè)終端可實現(xiàn)音視頻信號的預處理和初步壓縮，其中視頻采用10bit色深編碼，支持HDR，可選擇H.265/HEVC或H.266/VVC編碼標準，音頻支持5.1或7.1聲道。

通過就近接入的邊緣節(jié)點進行視頻處理和分發(fā)。在大型活動直播中，可同時支持8-12路4K視頻流或2-3路8K視頻流的并發(fā)傳輸，通過智能負載均衡確保每路視頻流的傳輸質量。

例如：在廣州亞運會的體育賽事轉播中，湖南廣電采用了基于5G的新型IP轉播方案，通過部署12臺4K攝像機進行多機位拍攝，經(jīng)由5G專網(wǎng)傳輸至現(xiàn)場指揮中心，實現(xiàn)了賽事精彩瞬間的多角度呈現(xiàn)。

（二）信號采集與處理

每個采集點配備5G專業(yè)終端，內(nèi)置高性能處理器可實現(xiàn)4K視頻實時編碼，編碼延遲控制在50ms以內(nèi)。通過北向接口與導播系統(tǒng)對接，支持遠程調(diào)度和參數(shù)配置，可實現(xiàn)攝像機的云臺控制、焦距調(diào)節(jié)和色彩校正等功能。

信號處理采用流水線架構，包括視頻預處理、編碼壓縮和協(xié)議封裝三個階段。預處理階段進行畫面降噪、色彩空間轉換和分辨率自適應；編碼階段根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(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機制，確保傳輸可靠性。系統(tǒng)還支持備份鏈路機制，在主鏈路出現(xiàn)故障時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 5 G+ 超高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在高爐、轉爐等關鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)部署20余臺工業(yè)級4K攝像機。每臺攝像機配備邊緣智能分析單元，可實時檢測設備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)等關鍵指標。

（三）傳輸與分發(fā)系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)基于5GSA網(wǎng)絡架構，采用端到端網(wǎng)絡切片技術，為超高清直播業(yè)務提供獨立的網(wǎng)絡資源。通過UPF下沉部署，減少傳輸路徑，實現(xiàn)端到端時延優(yōu)化。系統(tǒng)集成了智能路由技術，可根據(jù)網(wǎng)絡質量自動選擇最優(yōu)傳輸路徑，支持跨區(qū)域負載分擔和故障切換，網(wǎng)絡可用性達到99. 9 9 9 % 0

內(nèi)容分發(fā)采用多級緩存架構，在邊緣節(jié)點部署分布式緩存系統(tǒng)，支持熱點內(nèi)容就近分發(fā)。通過智能調(diào)度算法，實現(xiàn)負載均衡和流量調(diào)優(yōu)，有效減少網(wǎng)絡擁塞。系統(tǒng)還支持多協(xié)議轉換功能，在大型活動直播時，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保障超高清視頻傳輸。系統(tǒng)配置3個網(wǎng)絡切片，分別用于設備監(jiān)控、無人機巡檢和遠程操作指揮。通過就近部署MEC服務器，實現(xiàn)視頻流的本地化處理和分發(fā)，端到端時延控制在15ms以內(nèi)。

（四）播出與呈現(xiàn)

播出系統(tǒng)采用云化架構，支持多機房協(xié)同工作，主要功能包括多畫面監(jiān)看、節(jié)自切換、特效疊加和實時轉碼等。通過智能識別技術，可實現(xiàn)自動場景切換和畫面追蹤，減少人工操作。

通過ABR（自適應碼率）技術，根據(jù)終端性能和網(wǎng)絡狀況動態(tài)調(diào)整碼率和分辨率。集成了低延遲解碼技術，端到端延遲可控制在1秒以內(nèi)。此外，系統(tǒng)還提供互動功能接口，支持實時彈幕、直播連麥等增值服務，提升用戶觀看體驗。例如：在2024年春晚直播中，央視采用 5 G + 8 K 超高清制播系統(tǒng)，在多個分會場部署8K攝像機，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，為不同終端用戶提供4K/2K自適應碼率服務，全程在線觀眾突破9億，端到端延遲穩(wěn)定保持在 以內(nèi)，創(chuàng)下了國內(nèi)超高清直播系統(tǒng)的新紀錄。

四、結語

5G技術的發(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)絡切片、邊緣計算等技術的深度融合，5G超高清直播系統(tǒng)實現(xiàn)了高質量、低延遲的端到端傳輸。未來，隨著5G技術的持續(xù)演進和超高清視頻技術的不斷發(fā)展，兩者的深度融合將進一步推動廣播電視行業(yè)的數(shù)字化轉型，為觀眾帶來更加優(yōu)質的視聽體驗。

參考文獻：

[1]古志勇.5G與超高清直播的融合應用研究[J].電視技術，2024，

48（11）：186-188.

[2]吳曉亮.5G技術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. 5 G + 8 K 移動直播技術在廣播電視工程中的應用[J].電視技術，2024，48（10）：207-209.

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

（作者郭傳程系山東省濟寧市任城區(qū)融媒體中心主任、工程師）

責任編輯：苗權譽