5G技術在4K電視直播系統中的應用

【摘要】隨著5G融合應用不斷深入探索，其在信息消費、融合媒體、工業互聯網等領域的應用持續深化，同時也推動了超高清視頻行業的發展，5G+4K/8K+VR+AR等融合應用模式在廣播電視領域廣泛應用。本文聚焦于5G技術在4K電視節目直播中的應用，介紹了5G技術及4K超高清視頻技術，分析了5G+4K制作傳輸系統架構，并探討了5G+4K/8K多場景現場直播系統架構的核心優勢，為4K電視節目直播發展提供一些可供參考的建議，最后分析了5G通信技術給現代電視制播系統帶來的先進制作理念，并結合VR和AR技術，展望了5G+4K新技術的應用給觀眾帶來的全新感官體驗。

【關鍵詞】5G；4K電視節目直播；系統架構；融合媒體

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.015

《中國5G應用白皮書（2020）》明確提出加快5G商用進程，推進5G與人工智能、大數據、云計算等新興產業的融合發展。在智慧文旅領域，展望了未來5G+VR/AR全景直播的應用發展，這對5G技術在廣播電視媒體直播行業的發展具有積極的推動作用。5G+VR/AR全景直播需要4K/8K視頻采編、5G視頻傳輸、VR視頻制作以及分發等一系列技術支持和服務。

5G（第五代移動互聯網通信技術）相較于4G，其在無線傳輸速率、網絡延時性、互聯互通性等方面具有顯著的通信優勢。

隨著4K超高清產業的不斷發展，視網膜級別的超高清分辨率影視娛樂已經逐漸豐富了我們的生活。在5G技術的支持下，5G+4K電視直播領域的應用發展逐漸顯露出潛在價值，進一步推動5G+8K/VR新興產業的發展。

5G+融合媒體多場景應用主要體現在三個方面。首先，5G即時攝影、瞬時導播、實時投屏。其次，5G+4K/8K+VR全場景、超高清直播。最后，5G+融合媒體應用推廣路徑。5G技術在人工智能、大數據、云計算等領域的融合發展，進一步提升了融合媒體帶給觀眾交互性和沉浸式的體驗觀感。

1. 5G和4K技術的簡介

1.1 5G簡介及關鍵技術

5G網絡屬于當前一種新型的網絡方式，是移動通信網絡發展中的第五代網絡，主要有三大應用場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和大規模機器類型通信（mMTC）。

4K超高清電視直播要想達到理想的直播效果，就需要5G網絡中兩項關鍵技術的支持：即網絡切片和邊緣計算。

網絡切片是指將物理網絡劃分出多個虛擬網絡以滿足不同服務端需求的網絡技術手段，它可以配置4K超高清電視直播領域視頻所用的專屬網絡帶寬，各項傳輸數據更具穩定性。這確保了直播信號傳輸的穩定性和效率，沒有任何中斷或故障問題。網絡切片技術還支持虛擬現實（Virtual Reality，VR）和增強現實（Augmented Reality，AR）服務，可以增強用戶的沉浸式體驗。

邊緣計算是指靠近對象或數據源側的超近計算服務。邊緣計算是利用網絡中廣泛存在的邊界端的各種信息，對其進行運算，并對其進行相應的處理，從而實現對數據的分流與使用。

通過5G技術的應用，大多數電視業務可以部署在邊緣云側，提供網絡處理、數據計算、存儲和應用等功能，豐富了電視業務應用模式。它最顯著的特征就是大帶寬，低延時，大輸入量，而且它的數據傳送效率比一般的移動通信技術要高得多，最高速率可達到10Gbps；很大程度降低了網絡的延時，實現1毫秒以內的傳輸效果；網絡能夠承載巨量的交互數據，能夠極大地提高數據傳輸密度，甚至遠超原有技術數百倍，而且頻率效率比LTE提高了10倍以上。

1.2 4K視音頻技術參數

從《2022全國廣播電視行業統計公報》了解到，截至2022年底，1082個高清電視頻道、8個4K超高清電視頻道和2個8K超高清電視信道已獲得全國地級以上廣播機構的批準。新聞資訊類節目、綜藝益智類節目的高清和超高清制作比例分別達到70.72%和64.99%，比去年分別提高8.39和5.56個百分點，電視節目的高清、超高清進程明顯加快。全國有線電視網融合和5G廣播電視建設取得突破性進展。5G廣播電視網絡已正式開通運營，5G廣播和電視用戶超過550萬。4K超高清視頻和音頻的標準參數如表1所示。

1.3 5G+4K電視節目直播應用

媒體行業因新聞的時效性，決定了它與其他行業存在著非常大的區別。電視節目的直播恰恰是新聞時效性的體現。目前4G網絡面臨傳輸能力的不確定性，已然給電視節目直播領域的發展造成負面影響。隨著通信領域的不斷創新和發展，實現了基于5G網絡的4K超高清素材回傳和信號直播，從而徹底解決了超高清海量數據傳輸難題，給4K電視節目直播帶來了較好的解決方案。

電視節目的實況轉播分為三個部分，即采集，編輯和播出。采集主要指的是4K超高清視音頻的采集和回傳，編輯可以通過現場制作、后臺編輯和超高清視音頻云制作三種方式來實現，播出指的是將清晰、流暢的4K超高清視音頻推送到客戶端平臺進行播出。

隨著時代發展與進步，在電視節目的采、編、播各個環節中，視頻畫面分辨率已經達到4K甚至8K的水平，幀率大于50幀，并逐漸向逐行掃描的方式轉變，因此導致了系統的運算量很大，數據傳輸對網絡環境的要求也在逐漸提高，而8K視音頻的傳輸比特更高，甚至可以達到100Mbps。

理論上，5G網絡的上行鏈路和下行鏈路的傳輸速度分別為10Gbps和20Gbps。目前5G網絡能夠提供穩定百兆上行、千兆下行的網絡帶寬，可以實現超高清視頻大量數據傳輸要求，并且信號運行更加穩定和安全，提升了電視節目直播的網絡傳輸和處理能力。

2. 5G+4K制作傳輸系統架構

2.1 5G+4K電視直播制作系統

5G技術的支持，推動了廣播電視4K直播的快速發展和應用。

5G+4K電視直播制作系統分為：視頻系統與音頻系統。視頻系統包含信號源的采集、傳輸、制播等流程。信號源采集設備包括：4K攝像機、4K無人機和4KVR/AR裝置等。視頻傳輸設備分為有線傳輸設備和無線傳輸設備：有線傳輸設備包含4K光端機等，無線傳輸設備包括4K圖傳、5G背包及5G推流等設備；視頻制播設備包括視頻矩陣、切換臺、字幕機、錄像機、編碼推流等設備。

5G+4K電視直播制作系統先將采集到的視音頻畫面通過視頻發射裝置傳輸到系統內部的接收裝置，再經過解嵌分離視頻信號和音頻信號，單獨將視頻信號送進矩陣或者切換臺，進行簡單的制作和在線包裝，再將調音臺調制出的音頻加嵌到視頻中，最后輸出理想的PGM視音頻信號用來現場錄播或者遠程傳輸制播。

音頻系統主要的設備包括話筒、功放、音響、主備調音臺、音頻交換機及音頻信號處理器等，是將采集的音頻信號通過調音臺混音、5.1環繞聲調制，輸出到視音頻加嵌器，完成視頻和音頻的疊加。

2.2 5G+4K傳輸系統架構

目前，5G+4K直播的應用場景多為戶外大型直播活動。由于戶外環境復雜，在無有線網絡、人流量密集大、5G信號全覆蓋的情況下，將4K超高清視音頻回傳至主會場，再進一步地進行錄制和播放，就需要5G+4K視音頻直播系統架構來解決和實現，5G+4K傳輸架構是承載4KHDR電視節目實時直播運作正常的系統保障。

5G+4K視音頻傳輸分為現場制作和遠程制作兩種工作模式?，F場制作主要是通過直播車在直播現場進行信號處理工作。5GCPE設備傳輸視頻圖像和音頻數據，機位調度和制作工作通過直播車完成。最后，輸出的視音頻PGM信號會被傳回電視臺進行播出。遠程制作可以分為后臺制作和云端制作，后臺制作是通過5GCPE、5G基站，利用5G通信網絡高速率、低時延、大連接的優勢，將所有數據回傳至電視臺，解碼后進行制作、編輯，最后推流直播。云端制作即經現場視音頻信號通過5GCPE、5G基站傳輸，到達5G指定的云應用平臺，利用云產品編輯工具，對視音頻信號進行制作處理，再經過5G網絡將信號推流到指定客戶端進行播出。

2.3 5G+4K/8K多場景現場直播系統架構的核心優勢

一站式解決方案。5G+4K/8K多場景現場直播系統為廣電行業帶來了一套完整的技術解決方案，它支持無線傳輸、視頻編碼回傳、多格式接收、解碼和監看、演播室包裝、多屏幕分發、安全切換直播、收錄和后期制作等環節，解決電視直播多樣化的場景難題。

在人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術的支持下，可實現所有終端高畫質體驗。AI通過對視頻增強、智能編碼、HDR/SDR等技術的應用，進行自主學習和認知，從而更好地實現5G+4K/8K多場景任務需求，可以在電視端、手機端、PC端等多個終端進行高質量播放和覆蓋，給更多用戶帶來接近視網膜級別清晰的三維全景視聽感受。

信號傳輸具有超低時延的穩定性。該系統擁有5G通信帶寬大、延時低和傳輸高速率的優勢，支持超低延時編碼和回傳的多場景直播，全程直播畫質高，直播信號延時控制在毫秒以內。5G+4K/8K多場景直播系統是通過安全可靠傳輸（Secure Reliable Transport，SRT）協議來實現信號的穩定性，有效避免了網絡產生抖動，從而確保了電視直播節目穩定、流暢地播出。

全鏈路4K/8KHDR技術的支持。系統采用4K/8K編碼器、4K/8K轉播車等方式，提供全鏈路4K/8K HDR、60fps、BT.2020寬色域、10位量化、HLG/PQ/動態HDR技術服務，實現多場景直播。

可靠且安全的直播。該系統使用主備雙鏈路架構，鏈路獨立運行且能交叉使用，系統能夠多級自動保存備份，通過自主延時、素材插播和直播墊播等功能，實現多級播控，確保多場景直播地安全播出。

實現3D音頻超高清直播。該音頻系統可以調制出3D聲和立體聲，可以實現兩種制式的音頻輸出。

3. 5G+4K/8K電視直播系統的新技術應用

5G+4K/8K多場景現場電視直播系統廣泛應用于廣播電視臺的跨年晚會、綜藝節目、大型體育賽事等直播領域。2020年12月，《神武4·動感地帶第十四屆音樂盛典咪咕匯》采用5G+4K/8K多場景現場直播系統，通過專線和5G網絡直播流雙鏈路完成信號傳輸，1s內可進行實時切換，傳輸信號穩定率100%，不僅給用戶提供高質量的8K畫質，還有效的保證了畫面的流暢度，給4K影院的用戶帶來極高的沉浸式視聽體驗。

2022年1月31日，除夕春晚的《只此青綠》舞劇，也是采用5G+4K+XR+全息掃描技術，將宋朝的《千里江山圖》展現在了舞臺，觀眾置身于青山綠水的優美畫卷里，沉醉其中；《星星夢》兒童舞蹈同樣采用5G+4K/8K+XR+AR技術，并投影到720度穹頂屏幕，展示出夢幻多彩的星空，演員和觀眾仿佛沉浸其中。這次春晚通過5G+4K+AR+XR的視頻直播新技術，給觀眾帶來一次終身難忘的沉浸式春晚直播視聽體驗。

2022年2月4日，5G+4K/8K多場景直播系統應用在了北京冬奧會開閉幕式和重要賽事中，給用戶呈現有史以來“最全面”“最清晰”“最身臨其境”的冬奧觀看體驗，為冰雪賽事創造了多維互動的觀賽感受。

4. 結束語

5G+4K電視直播技術，已經被廣泛應用于多場景電視直播，通過超高清視頻與5G技術賦予直播更具臨場感、沉浸感、真實感、新鮮感的視聽體驗，深刻改變了傳統電視的直播方式，進一步推動了5G+4K/8K+VR+AR+XR等新技術的融合發展。

將來，隨著研發創新力度的不斷加大，5G網絡切片和邊緣計算技術會更加成熟，高速率、大帶寬、低延時等特點將會帶動視頻產業進一步升級，5G+4K電視直播的應用場景將會更加豐富，VR和AR技術也將帶動更多產業的升級和發展，越來越多的新產品會得到人們的喜愛，人類可以不斷領略科技發展給生活帶來的精彩變化。

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作者簡介：段亮，陜西咸陽，助理工程師，研究方向：廣播電視工程.