5G技术在4K电视直播系统中的应用

【摘要】随着5G融合应用不断深入探索，其在信息消费、融合媒体、工业互联网等领域的应用持续深化，同时也推动了超高清视频行业的发展，5G+4K/8K+VR+AR等融合应用模式在广播电视领域广泛应用。本文聚焦于5G技术在4K电视节目直播中的应用，介绍了5G技术及4K超高清视频技术，分析了5G+4K制作传输系统架构，并探讨了5G+4K/8K多场景现场直播系统架构的核心优势，为4K电视节目直播发展提供一些可供参考的建议，最后分析了5G通信技术给现代电视制播系统带来的先进制作理念，并结合VR和AR技术，展望了5G+4K新技术的应用给观众带来的全新感官体验。

【关键词】5G；4K电视节目直播；系统架构；融合媒体

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.015

《中国5G应用白皮书（2020）》明确提出加快5G商用进程，推进5G与人工智能、大数据、云计算等新兴产业的融合发展。在智慧文旅领域，展望了未来5G+VR/AR全景直播的应用发展，这对5G技术在广播电视媒体直播行业的发展具有积极的推动作用。5G+VR/AR全景直播需要4K/8K视频采编、5G视频传输、VR视频制作以及分发等一系列技术支持和服务。

5G（第五代移动互联网通信技术）相较于4G，其在无线传输速率、网络延时性、互联互通性等方面具有显著的通信优势。

随着4K超高清产业的不断发展，视网膜级别的超高清分辨率影视娱乐已经逐渐丰富了我们的生活。在5G技术的支持下，5G+4K电视直播领域的应用发展逐渐显露出潜在价值，进一步推动5G+8K/VR新兴产业的发展。

5G+融合媒体多场景应用主要体现在三个方面。首先，5G即时摄影、瞬时导播、实时投屏。其次，5G+4K/8K+VR全场景、超高清直播。最后，5G+融合媒体应用推广路径。5G技术在人工智能、大数据、云计算等领域的融合发展，进一步提升了融合媒体带给观众交互性和沉浸式的体验观感。

1. 5G和4K技术的简介

1.1 5G简介及关键技术

5G网络属于当前一种新型的网络方式，是移动通信网络发展中的第五代网络，主要有三大应用场景，即增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（uRLLC）和大规模机器类型通信（mMTC）。

4K超高清电视直播要想达到理想的直播效果，就需要5G网络中两项关键技术的支持：即网络切片和边缘计算。

网络切片是指将物理网络划分出多个虚拟网络以满足不同服务端需求的网络技术手段，它可以配置4K超高清电视直播领域视频所用的专属网络带宽，各项传输数据更具稳定性。这确保了直播信号传输的稳定性和效率，没有任何中断或故障问题。网络切片技术还支持虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）服务，可以增强用户的沉浸式体验。

边缘计算是指靠近对象或数据源侧的超近计算服务。边缘计算是利用网络中广泛存在的边界端的各种信息，对其进行运算，并对其进行相应的处理，从而实现对数据的分流与使用。

通过5G技术的应用，大多数电视业务可以部署在边缘云侧，提供网络处理、数据计算、存储和应用等功能，丰富了电视业务应用模式。它最显著的特征就是大带宽，低延时，大输入量，而且它的数据传送效率比一般的移动通信技术要高得多，最高速率可达到10Gbps；很大程度降低了网络的延时，实现1毫秒以内的传输效果；网络能够承载巨量的交互数据，能够极大地提高数据传输密度，甚至远超原有技术数百倍，而且频率效率比LTE提高了10倍以上。

1.2 4K视音频技术参数

从《2022全国广播电视行业统计公报》了解到，截至2022年底，1082个高清电视频道、8个4K超高清电视频道和2个8K超高清电视信道已获得全国地级以上广播机构的批准。新闻资讯类节目、综艺益智类节目的高清和超高清制作比例分别达到70.72%和64.99%，比去年分别提高8.39和5.56个百分点，电视节目的高清、超高清进程明显加快。全国有线电视网融合和5G广播电视建设取得突破性进展。5G广播电视网络已正式开通运营，5G广播和電视用户超过550万。4K超高清视频和音频的标准参数如表1所示。

1.3 5G+4K电视节目直播应用

媒体行业因新闻的时效性，决定了它与其他行业存在着非常大的区别。电视节目的直播恰恰是新闻时效性的体现。目前4G网络面临传输能力的不确定性，已然给电视节目直播领域的发展造成负面影响。随着通信领域的不断创新和发展，实现了基于5G网络的4K超高清素材回传和信号直播，从而彻底解决了超高清海量数据传输难题，给4K电视节目直播带来了较好的解决方案。

电视节目的实况转播分为三个部分，即采集，编辑和播出。采集主要指的是4K超高清视音频的采集和回传，编辑可以通过现场制作、后台编辑和超高清视音频云制作三种方式来实现，播出指的是将清晰、流畅的4K超高清视音频推送到客户端平台进行播出。

随着时代发展与进步，在电视节目的采、编、播各个环节中，视频画面分辨率已经达到4K甚至8K的水平，帧率大于50帧，并逐渐向逐行扫描的方式转变，因此导致了系统的运算量很大，数据传输对网络环境的要求也在逐渐提高，而8K视音频的传输比特更高，甚至可以达到100Mbps。

理论上，5G网络的上行链路和下行链路的传输速度分别为10Gbps和20Gbps。目前5G网络能够提供稳定百兆上行、千兆下行的网络带宽，可以实现超高清视频大量数据传输要求，并且信号运行更加稳定和安全，提升了电视节目直播的网络传输和处理能力。

2. 5G+4K制作传输系统架构

2.1 5G+4K电视直播制作系统

5G技术的支持，推动了广播电视4K直播的快速发展和应用。

5G+4K电视直播制作系统分为：视频系统与音频系统。视频系统包含信号源的采集、传输、制播等流程。信号源采集设备包括：4K摄像机、4K无人机和4KVR/AR装置等。视频传输设备分为有线传输设备和无线传输设备：有线传输设备包含4K光端机等，无线传输设备包括4K图传、5G背包及5G推流等设备；视频制播设备包括视频矩阵、切换台、字幕机、录像机、编码推流等设备。

5G+4K电视直播制作系统先将采集到的视音频画面通过视频发射装置传输到系统内部的接收装置，再经过解嵌分离视频信号和音频信号，单独将视频信号送进矩阵或者切换台，进行简单的制作和在线包装，再将调音台调制出的音频加嵌到视频中，最后输出理想的PGM视音频信号用来现场录播或者远程传输制播。

音频系统主要的设备包括话筒、功放、音响、主备调音台、音频交换机及音频信号处理器等，是将采集的音频信号通过调音台混音、5.1环绕声调制，输出到视音频加嵌器，完成视频和音频的叠加。

2.2 5G+4K传输系统架构

目前，5G+4K直播的应用场景多为户外大型直播活动。由于户外环境复杂，在无有线网络、人流量密集大、5G信号全覆盖的情况下，将4K超高清视音频回传至主会场，再进一步地进行录制和播放，就需要5G+4K视音频直播系统架构来解决和实现，5G+4K传输架构是承载4KHDR电视节目实时直播运作正常的系统保障。

5G+4K视音频传输分为现场制作和远程制作两种工作模式。现场制作主要是通过直播车在直播现场进行信号处理工作。5GCPE设备传输视频图像和音频数据，机位调度和制作工作通过直播车完成。最后，输出的视音频PGM信号会被传回电视台进行播出。远程制作可以分为后台制作和云端制作，后台制作是通过5GCPE、5G基站，利用5G通信网络高速率、低时延、大连接的优势，将所有数据回传至电视台，解码后进行制作、编辑，最后推流直播。云端制作即经现场视音频信号通过5GCPE、5G基站传输，到达5G指定的云应用平台，利用云产品编辑工具，对视音频信号进行制作处理，再经过5G网络将信号推流到指定客户端进行播出。

2.3 5G+4K/8K多场景现场直播系统架构的核心优势

一站式解决方案。5G+4K/8K多场景现场直播系统为广电行业带来了一套完整的技术解决方案，它支持无线传输、视频编码回传、多格式接收、解码和监看、演播室包装、多屏幕分发、安全切换直播、收录和后期制作等环节，解决电视直播多样化的场景难题。

在人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的支持下，可实现所有终端高画质体验。AI通过对视频增强、智能编码、HDR/SDR等技术的应用，进行自主学习和认知，从而更好地实现5G+4K/8K多场景任务需求，可以在电视端、手机端、PC端等多个终端进行高质量播放和覆盖，给更多用户带来接近视网膜级别清晰的三维全景视听感受。

信号传输具有超低时延的稳定性。该系统拥有5G通信带宽大、延时低和传输高速率的优势，支持超低延时编码和回传的多场景直播，全程直播画质高，直播信号延时控制在毫秒以内。5G+4K/8K多场景直播系统是通过安全可靠传输（Secure Reliable Transport，SRT）协议来实现信号的稳定性，有效避免了网络产生抖动，从而确保了电视直播节目稳定、流畅地播出。

全链路4K/8KHDR技术的支持。系统采用4K/8K编码器、4K/8K转播车等方式，提供全链路4K/8K HDR、60fps、BT.2020宽色域、10位量化、HLG/PQ/动态HDR技术服务，实现多场景直播。

可靠且安全的直播。该系统使用主备双链路架构，链路独立运行且能交叉使用，系统能够多级自动保存备份，通过自主延时、素材插播和直播垫播等功能，实现多级播控，确保多场景直播地安全播出。

实现3D音频超高清直播。该音频系统可以调制出3D声和立体声，可以实现两种制式的音频输出。

3. 5G+4K/8K电视直播系统的新技术应用

5G+4K/8K多场景现场电视直播系统广泛应用于广播电视台的跨年晚会、综艺节目、大型体育赛事等直播领域。2020年12月，《神武4·动感地带第十四届音乐盛典咪咕汇》采用5G+4K/8K多场景现场直播系统，通过专线和5G网络直播流雙链路完成信号传输，1s内可进行实时切换，传输信号稳定率100%，不仅给用户提供高质量的8K画质，还有效的保证了画面的流畅度，给4K影院的用户带来极高的沉浸式视听体验。

2022年1月31日，除夕春晚的《只此青绿》舞剧，也是采用5G+4K+XR+全息扫描技术，将宋朝的《千里江山图》展现在了舞台，观众置身于青山绿水的优美画卷里，沉醉其中；《星星梦》儿童舞蹈同样采用5G+4K/8K+XR+AR技术，并投影到720度穹顶屏幕，展示出梦幻多彩的星空，演员和观众仿佛沉浸其中。这次春晚通过5G+4K+AR+XR的视频直播新技术，给观众带来一次终身难忘的沉浸式春晚直播视听体验。

2022年2月4日，5G+4K/8K多场景直播系统应用在了北京冬奥会开闭幕式和重要赛事中，给用户呈现有史以来“最全面”“最清晰”“最身临其境”的冬奥观看体验，为冰雪赛事创造了多维互动的观赛感受。

4. 结束语

5G+4K电视直播技术，已经被广泛应用于多场景电视直播，通过超高清视频与5G技术赋予直播更具临场感、沉浸感、真实感、新鲜感的视听体验，深刻改变了传统电视的直播方式，进一步推动了5G+4K/8K+VR+AR+XR等新技术的融合发展。

将来，随着研发创新力度的不断加大，5G网络切片和边缘计算技术会更加成熟，高速率、大带宽、低延时等特点将会带动视频产业进一步升级，5G+4K电视直播的应用场景将会更加丰富，VR和AR技术也将带动更多产业的升级和发展，越来越多的新产品会得到人们的喜爱，人类可以不断领略科技发展给生活带来的精彩变化。

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作者简介：段亮，陕西咸阳，助理工程师，研究方向：广播电视工程.