李 競

（作者單位：青島市廣播電視臺）

4K超高清技術和5G移動通信技術是影像傳輸領域中的兩項重要標志性技術，它們之間的有機結合在電視轉播領域中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。4K超高清技術通過將圖像分辨率提高到2 000線以上、支持Rec.2020廣色域、采用10位編碼色深等技術手段，大幅提升了畫面的呈現(xiàn)力和真實感。5G技術憑借支持超過10 Gbps的峰值速率、毫秒級的終端時延以及海量連接等顯著優(yōu)勢，能夠有效解決無線高清電視信號傳輸中的帶寬和延時痛點。成功實現(xiàn)4K超高清節(jié)目內容，通過5G網絡進行遠程采集和傳輸，使電視轉播系統(tǒng)呈現(xiàn)出前所未有的高清晰度和高效率。本文通過解析4K超高清技術和5G技術的定義及特點，重點闡明兩者在電視轉播中的結合方式，包括如何實現(xiàn)無線高清信號傳輸、支持多點遠程采集和建設靈活的轉播網絡等；然后從系統(tǒng)架構設計、內容制播流程、信號傳輸方案、終端呈現(xiàn)技術進行分析。

1 “4K+5G”技術概述

1.1 “4K＋5G”技術定義與特征

“4K+5G”是將第四代超高清電視技術與第五代移動通信技術進行融合的技術，目的是實現(xiàn)無線高清電視信號傳輸。4K超高清的分辨率達到3 840×2 160，是1 920×1 080的高清圖像的4倍。4K超高清符合ITU-R BT.2020的寬廣色域標準，色域體積較BT.709高清標準擴大超過50%。其采用10位的編碼色深，是8位編碼的高清電視的4倍，色階數量達到10億級。這三大提升使4K超高清圖像相較于高清圖像有了質的飛躍，呈現(xiàn)出更精細流暢的畫面質感和更豐富、細膩的色彩層次。5G移動通信作為第五代無線技術，其核心指標與4G網絡相比呈數量級提升：峰值速率提升到10 Gbps以上，是4G網絡的10倍；無線接入時延降低到1 ms以內，是4G的1/10[1]。5G網絡具有大帶寬、低時延、多連接的特征，可為無線電視信號傳輸提供持續(xù)穩(wěn)定的管道。將4K超高清圖像技術和5G無線傳輸技術進行有機結合，可以更好地保障無線高清電視信號的穩(wěn)定傳輸，使電視轉播系統(tǒng)實現(xiàn)無線化和高質量。

1.2 技術標準化進程

目前，4K超高清技術和5G移動通信技術的標準逐漸成熟，為兩者的融合應用奠定了基礎。4K超高清視頻技術從2006年開始研發(fā)，2009年第一份標準SMPTE 4096確立，標志著4K標準化進入正軌。在此后數年里，4K超高清視頻的核心標準（包括2012年國際電信聯(lián)盟制定的UHDTV-1參數標準，以及2015年HDMI 2.0接口標準和HDCP 2.2內容保護標準）陸續(xù)形成并完善，4K超高清視頻技術的標準體系日趨成熟，已經進入廣泛應用階段。同一時期，5G移動通信標準化也在快速推進。早在2012年，5G的概念就已提出，2016年，第一個5G新無線標準確立，此后，非獨立組網（Non-Standalone, NSA）和獨立組網（Standalone, SA）兩種5G網絡部署方案相繼確定。2019年，工信部向中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，2020年5G實現(xiàn)大規(guī)模商用。隨著運營商網絡基礎建設速度的加快，5G通信技術的各項標準也在持續(xù)迭代，4K超高清視頻和5G移動通信這兩項標志性技術在發(fā)展的時間進程上高度吻合，且日趨成熟，為“4K+5G”的技術創(chuàng)新應用奠定了基礎。

2 “4K+5G”技術在電視轉播中的應用優(yōu)勢

2.1 無線高清轉播

5G網絡提供了寬闊、低時延的無線傳輸通道，可有效解決傳統(tǒng)電視轉播系統(tǒng)存在的有線連接依賴問題，實現(xiàn)真正意義上的無纜化轉播。相較于4G網絡百兆級的最大數據率，5G網絡提高到10 Gbps量級，足以傳輸數10路4K超高清電視信號。以高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding, HEVC）編碼一路4K視頻流大約需要10～20 Mbps的碼率計，5G網絡可以輕松傳輸上百路這樣的信號，而4G網絡幾乎無法承載一路4K視頻[2]。5G網絡的無線接入時延可降至1 ms量級，是4G網絡的1/10。這種毫秒級的低時延特性非常適合電視轉播對實時性的苛刻需求，可以大幅降低從信號采集到終端呈現(xiàn)的端到端延遲，確保電視畫面精準同步，尤其適合對實時性要求極高的現(xiàn)場直播。

2.2 多點位遠程采集

由于無線覆蓋范圍廣，5G網絡能夠支持電視轉播在多個場景中實現(xiàn)遠程無線采集，徹底打破以往微波鏈路等無線傳輸方式對機位布置的限制。5G系統(tǒng)覆蓋不同頻段，且能夠提供相應的服務，如在700～900 MHz的低頻段可實現(xiàn)上萬米的長距離無線傳輸，適用于車載機位等遠距離采集。因此，可按轉播需求選擇合適的頻段進行遠程無線連接。4G和其他早期的無線網絡標準，通常只能支持幾十路的連接，即同一時間內，每個節(jié)點只能與少數幾十個設備建立連接，5G網絡單一節(jié)點的無線連接數量可以達到百萬級別，遠遠超過前者。這樣，在轉播現(xiàn)場就可以建立起一個廣覆蓋、大容量的無線采集網絡，無須再設置大量的有線中繼站，大幅降低了系統(tǒng)布置和管理的復雜度。5G提供了強大的無線覆蓋和容量保障，相關工作人員可根據轉播需要建立起靈活可擴展的多點遠程采集模式，使轉播系統(tǒng)更加靈活高效。

2.3 靈活的轉播網絡

5G網絡可按需快速搭建靈活可擴展的電視轉播無線網絡。首先，5G支持網絡切片技術，可根據轉播內容和場景需求進行差異化網絡部署，如針對體育賽事轉播，設置更高帶寬，更嚴苛的傳輸延遲指標，并進行用戶隔離來保證服務質量。其次，5G基站具備快速部署和擴容彈性，轉播時工作人員可根據實際需要在現(xiàn)場臨時部署小規(guī)模基站，活動結束后及時拆除，無須長期占用資源。5G終端具有快速接入的特點，其數量可以根據轉播過程中的機位和內容需求靈活調整。這些終端能夠實時接入、切換和釋放，構建出一個能夠彈性調節(jié)的無線網絡?？傊?，5G技術具備按需、快速、彈性擴容的特性，可根據轉播場景需求構建靈活高效的無線網絡，顯著增強轉播系統(tǒng)的可擴展性和可復用性。

2.4 豐富轉播內容和形式

4K超高清技術提供更精致逼真的畫面效果，5G技術的大帶寬則可傳輸更豐富的音視頻內容，二者相結合可極大拓展電視轉播的手段。4K超高清的高分辨顯示更精細流暢的畫面細節(jié)，10位編碼展現(xiàn)更豐富細膩的色彩層次，HDR技術呈現(xiàn)高達10 000∶1的寬廣動態(tài)范圍。5G技術提供的帶寬，可以傳輸多聲道數的立體聲音效、豐富的環(huán)境音效以及多語言聲道，并使其與畫面精確同步，更好地烘托節(jié)目氛圍。此外，多視角畫面的實時切換也成為可能，導播人員可以選擇不同的機位導播，優(yōu)選視聽視角。

3 “4K+5G”技術在電視轉播中的具體應用

3.1 系統(tǒng)架構設計

“4K+5G”電視轉播系統(tǒng)需要進行整體的網絡架構設計，實現(xiàn)源端內容采集編碼、無線傳輸和目的端解碼播出。源端部署專業(yè)級4K攝像機進行高清晰圖像采集，并使用HEVC/H.265等高效編碼方式進行源壓縮，減少數據量；編碼后的視頻流通過5G基站進行無線發(fā)射。在目的端，設置專業(yè)4K解碼設備對視頻流進行解碼復原圖像，并接入專業(yè)級4K顯示設備進行節(jié)目畫面播出。此外，源端和目的端都要與5G核心網實現(xiàn)互聯(lián)，進行業(yè)務流量管理、調度控制等。5G網絡方面，工作人員要在轉播覆蓋范圍內布設5G基站，實現(xiàn)寬范圍的無線接入；5G核心網負責服務質量（Quality of Service, QoS）保障、終端管理、信令控制等功能[3]。源端和目的端通過5G終端接入網絡，同時要設置傳輸監(jiān)控子系統(tǒng)，對視頻傳輸質量進行監(jiān)測反饋。通過高效的系統(tǒng)架構設計，4K超高清視頻內容可以通過5G實現(xiàn)無線端到端傳送，滿足電視轉播的無線化需求。

3.2 內容制播

“4K+5G”電視轉播系統(tǒng)按照采集、編碼、傳輸、播出的流程進行內容處理。首先，使用專業(yè)4K攝像機采集高清晰圖像，同時采集立體聲音頻、字幕、數據等多源信號。然后，通過畫質調節(jié)模塊進行HDR、色彩增強等畫面后期處理，并使用數字音頻混音臺進行多路音頻混合，使用HEVC等高效編碼方式對視頻、音頻源進行數字化編碼，并進行多路信號的打包復用。復用后的源數據流，通過5G基站進行無線發(fā)射，系統(tǒng)采用網絡切片、多連接傳輸等方式進行QoS優(yōu)化和策略調度。最后，目的端通過4K解碼設備進行解復用分路，恢復原始視頻和音頻信號，再通過節(jié)目播出調度平臺播出[4]。通過適宜的流程規(guī)劃，4K超高清源內容可以進行數字編碼壓縮后無線傳輸，最終實現(xiàn)精準的端到端傳送與播出。

3.3 傳輸網絡

“4K+5G”電視轉播系統(tǒng)需要通過優(yōu)化傳輸網絡方案，確保內容的高質量無線傳輸。以賽事轉播為例：首先，根據轉播場地情況，采用多頻段小基站形成覆蓋網格，實現(xiàn)場館區(qū)域的基本無線接入覆蓋，同時要協(xié)調運營商在賽事場館等轉播周邊地區(qū)進行無線網絡規(guī)劃，適當加密宏基站和微基站的部署，形成對重要機位點的無線覆蓋強化。對于一些重要的觀察點，如主播臺、導播室等，可以設置專用的定向小基站實現(xiàn)專門覆蓋。按照轉播時間段、傳輸容量需求等組建專用網絡切片實例，配置更豐富的無線帶寬資源，采用針對轉播業(yè)務的調度優(yōu)先策略。另外，還要建立冗余設計機制，如設置主基站與備用基站發(fā)射同內容，以及通過多基站同時無線傳輸單源內容，即使局部網絡出現(xiàn)故障，也不會中斷視頻傳輸[5]。

3.4 終端顯示

“4K+5G”電視轉播系統(tǒng)在目的端選用集成先進核心技術的高端專業(yè)顯示設備，以充分還原超高清信號的效果。首先，選擇原彩色激光等4K及以上超高分辨顯示面板，覆蓋廣闊的Rec.2020等色域，展現(xiàn)細膩豐富的色彩層次。其次，需要支持HDR技術，通過高動態(tài)范圍的信號編碼結合顯示端的本地調光運算，可呈現(xiàn)高達10 000∶1強烈對比感的畫面效果。此外，顯示設備還需支持高刷新率的畫面播放，匹配4K高幀率視頻源的拍攝參數，呈現(xiàn)流暢細致的畫面運動過程。最后，顯示端要集成智能化的畫質分析優(yōu)化算法，能對不同類型的畫面內容進行智能分析，實時進行最優(yōu)的參數調整，達到更好的顯示效果。只有選擇集成上述分辨率、色彩、高動態(tài)范圍、高幀率以及智能畫質優(yōu)化等多項核心技術的專業(yè)級顯示設備，才能對超高清源進行匹配和優(yōu)化，真正呈現(xiàn)“4K+5G”轉播系統(tǒng)傳輸的精良畫面。

3.5 融合網絡直播

“4K+5G”電視轉播系統(tǒng)還要考慮與網絡直播方式的集成，實現(xiàn)多屏終端同步傳輸。首先，在編碼系統(tǒng)中增設支持基于HTTP的自適應碼率流媒體傳輸協(xié)議（HTTP Live Streaming,HLS）、實時信息傳輸協(xié)議（Real Time Message Protocol, RTMP）等流媒體協(xié)議的功能模塊，對4K視頻源內容同時進行格式適配和協(xié)議封裝，輸出可通過互聯(lián)網和移動網傳輸的編碼流。然后，通過內容分發(fā)網絡（Content Delivery Network, CDN）或者其他網絡傳輸手段，將不同協(xié)議的流媒體信號分發(fā)至轉播流監(jiān)視器（Watcher）端。觀眾通過電視機頂盒、計算機、手機等支持流媒體播放的智能終端，接入Watcher端觀看網絡分發(fā)的4K直播內容。通過在編碼系統(tǒng)內置支持多協(xié)議的流媒體輸出模塊，“4K+5G”轉播信號自適應編碼輸出HLS、RTMP等標準的流媒體，豐富傳輸渠道，實現(xiàn)通過互聯(lián)網、移動網等方式進行多屏同步觀看，擴大轉播內容的傳播范圍和受眾需求。

4 結語

隨著用戶對視聽體驗要求的不斷提升和行業(yè)競爭的日益激烈，傳統(tǒng)電視轉播方式面臨著革新和升級。4K超高清和5G技術為傳統(tǒng)轉播注入了新的活力，不僅極大提升了轉播內容的質量，也使轉播實現(xiàn)了無線化和智能化，為行業(yè)發(fā)展提供了更多的可能性。青島市廣播電視臺將5G技術廣泛應用于信號傳輸、外場連線、多點采集轉播制作中。展望未來，“4K+5G”等新技術與電視轉播行業(yè)的深度融合，將推動轉播方式實現(xiàn)由定點向多點的擴展，實現(xiàn)內容制播、信號傳輸、終端呈現(xiàn)等全鏈路的革新進步。這必將極大拓展電視轉播的應用空間，使其在新聞采訪、重大活動直播等領域發(fā)揮更大作用，為觀眾提供更好的視聽體驗。