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        5G技術(shù)的發(fā)展及其在電視直播中的應(yīng)用

        2019-10-21 08:33:20李超鋒
        河南科技 2019年16期
        關(guān)鍵詞:傳輸速率載波頻譜

        李超鋒

        摘 要:近年來,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速,隨著4K高清電視信號(hào)的出現(xiàn),4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足信號(hào)的傳輸要求,而5G在這方面已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,并在2019年的一些電視直播領(lǐng)域首次進(jìn)行了嘗試,取得了不錯(cuò)的效果。由此,本文主要對(duì)5G的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)和在電視直播中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

        關(guān)鍵詞:5G;通信網(wǎng)絡(luò);電視直播

        中圖分類號(hào):TN929.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-5168(2019)16-0012-03

        Abstract: In recent years, the development of mobile network is very rapid. With the emergence of 4K HDTV signal, the 4G network has been unable to meet the transmission requirements of the signal, and 5G has made substantial progress in this area, and in 2019, some live television field has been tried for the first time, and achieved good results. Therefore, this paper mainly discussed the status quo, key technology and application of 5G in live TV broadcasting.

        Keywords: 5G;communication network;live television

        與現(xiàn)有4G通信網(wǎng)絡(luò)相比,5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)速率得到明顯提高,且在安全性、靈活性和覆蓋性等方面都具有較大優(yōu)勢(shì)。可以說,5G通信是對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)的一次革命性提升,傳輸效率非常高。

        1 5G的發(fā)展現(xiàn)狀

        移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展多年,每一代差不多都有一個(gè)十年的發(fā)展周期[1]。目前,移動(dòng)客戶端的各種應(yīng)用占用帶寬越來越大,低頻段已經(jīng)太擁擠了。按頻譜劃分,頻率越高,越容易找到連片的大帶寬資源,帶寬越大,同時(shí)使用更優(yōu)的調(diào)制技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸速率就更快。與4G網(wǎng)絡(luò)相比,5G通信將擁有更高的能效,更穩(wěn)定快速的網(wǎng)絡(luò)連接和更快的傳輸速率。目前,4G的傳輸速率僅為75Mbps,而5G將會(huì)突破這一傳輸速率,運(yùn)用64個(gè)天線單元自適應(yīng)陣列傳輸技術(shù)滿足未來流量的大幅度增加,傳輸更高碼率的數(shù)據(jù),滿足1 000倍以上的用戶需求。移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展如圖1所示。

        2 5G的基本特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 5G的基本特點(diǎn)

        2.1.1 速度快。5G最直接的特點(diǎn)是速度快。4G與3G相比,傳輸速率有了大幅度提升。而5G與4G相比,不僅在速率上得到提升,連接功能也非常強(qiáng)大,可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面更廣泛,使用戶體驗(yàn)更加方便,效果更佳。無論人們身處何方,都可以迅速地將使用的設(shè)備連接到5G網(wǎng)絡(luò)中,如利用手機(jī)看視頻幾乎感覺不到卡頓和等待,使用舒適度大大提升。

        2.1.2 功耗低。5G出現(xiàn)后,人們的生活可能會(huì)進(jìn)入智能時(shí)代,佩戴智能產(chǎn)品、使用智能家居將成為常態(tài)。其中,人們最關(guān)注的問題是設(shè)備耗電問題,若耗電量較低,智能設(shè)備將被多數(shù)人所接受。而5G的使用具有低功耗的特點(diǎn),耗電量相對(duì)較低,耗電每個(gè)比特相比4G下降了10倍,這為智能設(shè)備的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

        2.1.3 高容量。5G的容量是4G的20倍,高容量的特點(diǎn)可以成功彌補(bǔ)4G技術(shù)由于流量需求大時(shí)傳輸速率大幅下降的缺陷。如果在人口密度相對(duì)較大的地方運(yùn)用5G技術(shù),可以將傳輸速率進(jìn)行平均分配,人們?cè)诮邮招畔r(shí)就不會(huì)出現(xiàn)卡頓和消息滯后的現(xiàn)象,從而大大提升人們的使用效果。

        2.1.4 低時(shí)延。5G由于速度非???,所以時(shí)延較低,在實(shí)際使用中,延遲為1ms,而且穩(wěn)定性和可靠度都非常高。將5G通信應(yīng)用到對(duì)時(shí)延要求較高的企業(yè)和人工智能中,將會(huì)給人們生活帶來革命性的變革,如無人駕駛技術(shù)、高精尖自動(dòng)化技術(shù)和電視4K/8K的高清直播等。

        2.1.5 萬物互聯(lián)。在過去的通信中,每個(gè)人使用的終端都非常有限,而5G的到來,將會(huì)給人們帶來較大便利,人們能同時(shí)使用數(shù)個(gè)智能設(shè)備,這些設(shè)備可以相互連接,以為人們的生活提供便利。此外,也可以將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到社會(huì)管理中,給城市管理和城市生活帶來極大便利。

        2.2 5G的關(guān)鍵技術(shù)

        5G網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與4G有很大不同,是新一代的移動(dòng)通信技術(shù),不僅整合了過去的一些先進(jìn)技術(shù),而且有自己的核心技術(shù)。其核心技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)。

        2.2.1 基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入。當(dāng)前的4G LTE和Wi-Fi系統(tǒng)廣泛采用了OFDM技術(shù),而5G也采用基于OFDM化的波形和多址接入技術(shù),主要是因?yàn)槠淇梢詳U(kuò)充帶寬應(yīng)用,且具有較低的數(shù)據(jù)復(fù)雜性和高頻譜效率,能較好地滿足5G的一些要求[2]。OFDM技術(shù)家族可實(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能,例如,通過加窗或?yàn)V波增強(qiáng)頻率本地化、在不同用戶與服務(wù)間提高多路傳輸效率,以及創(chuàng)建單載波OFDM波形,實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。

        2.2.2 實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置。為了支持更豐富的頻譜類型/帶和部署方式,5G將利用所有能利用的頻譜,連接盡可能多的智能設(shè)備,5G NR將引入可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置。LTE最高可支持20MHz的載波帶寬,每個(gè)載波帶寬為180kHz,1個(gè)載波在頻域可分為12個(gè)子載波,每個(gè)子載波帶寬為180kHz/12=15kHz,20M的帶寬就可以支持 200個(gè)子載波。這一點(diǎn)至關(guān)重要,根據(jù)信道帶寬,利用可變的快速傅氏變換算法(FFT),擴(kuò)展為更大帶寬時(shí),可以保證不增加系統(tǒng)處理的復(fù)雜性。為了支持不同信道在多種模式下帶寬的要求,5G NR采用不同的參數(shù)配置來提高多路傳輸?shù)男省?/p>

        2.2.3 OFDM加窗提高多路傳輸效率。OFDM能實(shí)現(xiàn)波形后處理(post-processing),可實(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能,可以通過加窗或?yàn)V波增強(qiáng)頻率本地化、在不同用戶與服務(wù)之間提高多路傳輸效率,以及創(chuàng)建單載波OFDM波形,實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸[3]。將來5G若實(shí)現(xiàn)商用,就可能被應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng),那么就會(huì)有很多的設(shè)備進(jìn)行相互連接,而5G此時(shí)必須要提高多路傳輸效率,以滿足數(shù)億計(jì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求。頻帶內(nèi)和頻帶外信號(hào)輻射必須盡可能小,以保證相鄰頻帶不相互干擾。

        2.2.4 靈活的框架設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)5G NR的同時(shí),采用靈活的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),進(jìn)一步提高5G服務(wù)多路傳輸?shù)男?。這種靈活性不僅體現(xiàn)在時(shí)域上,也體現(xiàn)在頻域,5G NR的框架能充分滿足5G的不同服務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景。

        2.2.5 先進(jìn)的新型無線技術(shù)。目前,用在4G LTE上的一些先進(jìn)技術(shù),也可以應(yīng)用在5G上,如載波聚合、MIMO、非共享頻譜等。這些通信技術(shù)主要有以下幾個(gè)。

        ①頻譜共享。用非授權(quán)頻譜和共享頻譜,能將5G擴(kuò)展到多個(gè)維度,以支持新的部署場(chǎng)景、使用更多頻譜、實(shí)現(xiàn)更大的容量。這不僅可以使擁有授權(quán)頻譜的移動(dòng)運(yùn)營商受益,而且還可以為沒有授權(quán)頻譜的廠商創(chuàng)造機(jī)會(huì),如物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)行業(yè)、企業(yè)和有線運(yùn)營商等,讓他們能夠充分利用5G NR技術(shù)。

        ②大規(guī)模MIMO。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量,也可以提高信道的可靠性,降低誤碼率。從2×2提高到了目前4×4MIMO。更多的天線也意味著占用更多的空間,要在空間有限的設(shè)備中容納進(jìn)更多天線顯然不現(xiàn)實(shí),只能在基站端疊加更多MIMO。從目前的理論來看,5G NR可以在基站端最多使用256根天線,通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收,在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下,成倍提高系統(tǒng)信道容量。

        ③毫米波。全新5G技術(shù)正首次將頻率大于24GHz以上頻段(通常稱為毫米波)應(yīng)用于移動(dòng)寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可以提供大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸,這將使人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)有一個(gè)更好的體驗(yàn)。但是,毫米波頻段傳輸?shù)男盘?hào)由于信號(hào)衍射能力有限,無法穿透墻體,會(huì)造成傳輸路徑受阻,面臨著波形和能量消耗等問題。

        3 5G在電視直播當(dāng)中的應(yīng)用

        5G帶寬的能量非常大,可以制作、傳輸效果更佳的高清視頻內(nèi)容,支持4K、8K及VR等全新的視頻展現(xiàn)形式。在2019年的春節(jié)晚會(huì)中,中央電視臺(tái)首次使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行4K+VR超高清直播,給觀眾帶來了視覺上的震撼感受,也是5G技術(shù)在媒體融合中的一次展示,標(biāo)志著5G時(shí)代的來臨。

        2019年4月7日,拜祖大典在新鄭舉辦,鄭州電視臺(tái)也采用5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一次電視直播嘗試。直播開始前,鄭州電視臺(tái)技術(shù)人員和相關(guān)公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)制定了詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)保障方案,移動(dòng)公司部署了多個(gè)5G無線網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn),技術(shù)人員在直播開始前反復(fù)對(duì)整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同地點(diǎn)和位置進(jìn)行了“地毯式”測(cè)試,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)調(diào)整。

        以前在電視上看到的現(xiàn)場(chǎng)直播,主要是通過導(dǎo)播切換到平面畫面,而這次直播采用的是高清攝像機(jī)拍攝的4K+VR高清畫面,其像素約是全高清視頻像素1080P的4倍,網(wǎng)絡(luò)上行速率高于50Mbps。而且現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)拍攝的信號(hào)必須使用線纜進(jìn)行回傳,機(jī)位相對(duì)固定,或者在一個(gè)小范圍移動(dòng)。有了5G網(wǎng)絡(luò),那么對(duì)4K信號(hào)的傳輸就顯得很輕松,而且還可以不受回傳方式的限制和位置限制,實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)直播車的播控平臺(tái),經(jīng)過畫面選取、編輯、疊加字幕后,經(jīng)由光纖和5G網(wǎng)絡(luò)到達(dá)觀看端,同時(shí)也解決了以往衛(wèi)星+光纜的回傳限制問題,大大降低遠(yuǎn)程直播的成本。人們?cè)诩彝ㄟ^電視可以看到不一樣的直播畫面,更具有真實(shí)感、現(xiàn)場(chǎng)感和沉浸感。在拜祖大典現(xiàn)場(chǎng),人們拿出手機(jī)點(diǎn)開“看鄭州”客戶端中的現(xiàn)場(chǎng)直播鏈接,從手機(jī)中看到的畫面和現(xiàn)場(chǎng)看到的畫面能基本保持一致,甚至能看到手機(jī)畫面中鏡頭較近的人臉上的皺紋,隨著鏡頭的移動(dòng),手機(jī)里呈現(xiàn)的畫面也非常清晰,猶如身臨拜祖大典現(xiàn)場(chǎng)。

        與以往的4G直播相比,這次直播活動(dòng)抗干擾性更強(qiáng),時(shí)延有所降低,視頻信號(hào)傳輸更穩(wěn)定,清晰度也有了質(zhì)的提升。過去使用4G無線傳輸高清4K信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)延時(shí)和卡頓,而這次使用5G網(wǎng)絡(luò),整個(gè)直播過程十分流暢、無卡頓、無中斷。這次超高清電視直播是鄭州電視臺(tái)第一次使用“5G+4K”,是對(duì)5G信號(hào)的一次嘗試,也是我們下一步探索媒體融合的一項(xiàng)重要舉措。

        4 5G未來的前景

        與4G相比,“高性能、低延時(shí)、大容量”的5G并不只有網(wǎng)速的跨越式提升,更能帶來全行業(yè)數(shù)字化的變革,與大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)協(xié)同發(fā)展,將會(huì)使人們的生活水平有一個(gè)質(zhì)的提升。除電視直播外,5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)帶人類進(jìn)入“萬物互聯(lián)”時(shí)代,信號(hào)傳輸幾乎無延時(shí),可以使無人駕駛、VR體驗(yàn)等技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。

        2019年,全國各地電視臺(tái)都在陸續(xù)嘗試使用5G進(jìn)行直播,但這只是5G應(yīng)用的冰山一角。今后,5G還將給人們的日常生活帶來巨大的變革:如智慧交通將給人們的生活帶來更加便利的出行方式;智慧家居將會(huì)給人們的生活帶來更加舒適的生活體驗(yàn);智慧醫(yī)療將會(huì)給患者提供更多的醫(yī)療資源保障等。相信在今后5G的發(fā)展過程中,會(huì)有越來越多的智能科技為人們所利用,讓人們的生活和工作變得更加方便、智慧。

        參考文獻(xiàn):

        [1]余莉, 張治中, 程方,等. 第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(4):427-433.

        [2]項(xiàng)立剛.5G的基本特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國工業(yè)和信息化,2018(5):36-43.

        [3]蘇青霄.淺談5G移動(dòng)通信發(fā)展走勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)[J].信息通信,2018(5):248-249.

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