5G 網絡與4K 超高清視頻制播

樊曉珂

（中央廣播電視總臺，北京 100020）

0 引 言

在當今的移動互聯網時代，視頻已成為社會信息傳播的主要載體。據業內統計，2019 年，視頻信息占據約60%的網絡流量。2020 年，視頻信息占據約82%的網絡流量。5G 時代的來臨，不僅顛覆了媒體內容生產的組織方式，更是帶來視頻行業的新一輪爆發，進一步加速了內容消費。5G 移動通信網絡以其高速率、低時延、大容量的特點，為超高清視頻傳輸和應用提供了基礎，有力促進了數字內容制作、分發、呈現的全產業鏈升級[1]。5G 技術與4K、8K 超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻以及虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）等應用結合在一起，將會給視頻內容的采集、編輯、傳輸及播出帶來巨大變化?？梢哉f，超高清電視（UHDTV）是電視發展的未來，而5G 網絡則為超高清電視提供了無線傳輸保障[2]。

作為國家級媒體，中央廣播電視總臺（以下簡稱總臺）緊緊抓住4K/8K 超高清電視推廣和5G 應用這一重大機遇，大力推進4K/8K+5G+AI 戰略。依托5G 移動通信網絡，一方面從節目制作和片源上提供精良的4K/8K 音視頻產品，滿足廣大人民群眾更高的視聽感受和需求；另一方面發揮自身優勢，努力推動技術發展和產業協同，引領和打造超高清視頻制播產業鏈。同時，順應形勢發展、進行媒體融合，在移動互聯網時代積極參與多終端、多場景、多內容視頻消費市場。

1 4K/8K 超高清電視

早在2005 年，包括迪士尼、20 世紀?？怂?、派拉蒙、索尼電影、華納兄弟等電影巨頭組成的數字電影聯盟（Digital Cinema Initiatives，DCI）推出了4K 分辨率標準，即4 096×2 160 分辨率，支持1.9 ∶1 寬高比，規范電影拍攝方和影院播放4K 分辨率片源。而在廣播電視領域，標準高清電視的寬高比是16 ∶9（約1.78 ∶1），對應4K 的分辨率是3 840×2 160，比影院4K 橫向少了256 像素。

值得一提的是，目前社會上和行業內對視頻清晰度或者說分辨率有著很多的劃分方法，當下比較流行的劃分如圖1 所示。主要劃分如下。

圖1 常見高清分辨率對比圖

（1）高清（High Definition，HD），分辨率720p，屏幕物理像素點1 280×720 個，合計約92 萬像素。

（2）全高清（Full High Definition，FHD），分辨率1 080p，屏幕物理像素點1 920×1 080 個，合計約200 萬像素。

（3）超高清（Ultra High Definition，UHD），分辨率2 160p，又稱4K，屏幕物理像素點3 840×2 160 個，合計約829 萬像素。

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）標準定義了兩種超高清視頻3 840×2 160 和7 680×4 320，按其水平分辨率，分別稱之為4K 和8K。相應地，之前存在的高清HD 視頻1 920×1 080 則稱為2K。

目前，中央廣播電視總臺播出系統中有三種分辨率視頻信號，分別是標清（720p）、高清（1 080p）及超高清（2 160p），符合ITU 相關標準的定義。

1.1 超高清視頻4K 標準

2012 年8 月，ITU 發布了超高清電視國際標準ITU-RBT.2020。相對于之前的BT.709 標準，該最新標準定義了寬高比16 ∶9 的兩種分辨率標準4K 和8K，大幅度提升了視頻信號的性能規范。在清晰度方面，像素數分別達到了829 萬和3 320 萬，相對于1 080p 高清，4K 超高清是其4 倍，而8K 超高清是其16 倍，圖像更加清晰細膩；色彩深度方面，由BT.709 標準的8 bit 提升至10 bit 或12 bit，采用了比BT.709 標準更寬廣的色域空間，色彩飽和逼真，對于整個影像在色彩層次與過渡方面得到了極大的增強。BT.2020 標準另外一個很重要的改變是，取消了隔行掃描，所有超高清標準下的影像都是基于逐行掃描，有效提升了超高清影像的細膩度與流暢感，是視頻標準的歷史性突破。

在移動互聯網時代，信息的傳遞和交換已不局限于傳統的“電視臺-家庭”模式，而是多終端（電視機、電腦、手機）、多場景（錄播、直播、互動）、多內容（AR/VR、教育、游戲、醫療）、多方位（本地、異地、固定、移動）的新形態，其核心是移動互聯。因此，超高清電視的應用離不開移動特征，廣播電視的發展也必須與移動通信網絡緊密結合，融入時代發展的大潮，才能進一步煥發出勃勃生機。

1.2 超高清電視對網絡寬帶能力的要求

按照4K 標準，以10 位編碼、60 幀率計算，16 ∶9 格式的超高清電視（UHDTV）需要的傳輸速率為：3 840×2 160×10×3×60 ≈15 Gb·s-1，加上音頻編碼等，約需17 Gb·s-1。

由此可見，相較于1 080p 高清的2.5 Gb·s-1，超高清電視對于數據帶寬的要求是非常高的，必須通過視頻編碼技術進行壓縮處理。上述17 Gb·s-1的傳輸速率經H.265 標準壓縮后約為17 ～48 Mb·s-1。需要指出的是，以中國為主制定的AVS 音視頻編碼標準，作為國際上三大視頻編碼標準之一，目前AVS2 的壓縮比基本與H.265 處于同一水準且性能略高。AVS 標準在總臺已正式全面推廣，率先在廣電行業普及，后文還會提到。

在無壓縮的情況下，傳輸（或者說觀看）一路4K 節目需要約17 Gb·s-1的帶寬。這在實際應用中無法實現，也是沒有意義的；經過AVS2（或H.265）標準壓縮后也需要數十兆帶寬。據統計資料，各國4K 內容現場測試的傳輸速率在18 ～35 Mb·s-1，央視網數據顯示約在50 Mb·s-1左右。所以，為保障電視信號質量，傳輸4K 數字信號需要至少50 Mb·s-1的穩定帶寬。

目前，世界各國的移動通信4G 網絡設計能力可以提供100 Mb·s-1的峰值速率，但在實際使用中，速率在8 ～60 Mb·s-1，網絡時延約50 ms，難以穩定承載4K。前面提到的移動互聯網時代多終端、多場景、多內容、多方位等各種應用，難以借助4G 網絡體現出來。

進入5G 時代，5G 網絡高達10 Gb·s-1超過4G網100 倍的速率，低至1 ms 的網絡時延，多至千億級的設備接入量，為信息時代開辟出了新的發展空間。超高清視頻成為5G 網絡的重要應用，需要很強帶寬和低延時網絡支撐的新興媒體格式，包括賽事/劇場體驗式觀看、VR、AR、云游戲等沉浸式場景應用得以實現，4K+5G 帶動廣播電視、文教娛樂、智慧城市等各行各業迅猛發展。

2 5G 移動通信網絡與UHD 的結合

2.1 關于5G

5G 是第五代移動通信網（5th generation mobile networks）的簡稱，是最新一代蜂窩移動通信技術。不同于之前的第一到第四代移動通信（1G ～4G），5G 網絡以其前所未有的超大帶寬、超廣連接、超低時延三大新型特性，為人與人、人與物、物與物之間的永續互聯打下基礎，超越了移動通信的傳統狹義范疇。

4K/8K 超高清視頻與5G 通信網絡良好的匹配，就是因為超大數據量的UHDTV、重大活動/賽事的現場直播、基于人工智能（Artificial Intelligence，AI）的AR/VR 等沉浸式場景、大型網絡游戲等，在5G 強大網絡支撐下徹底解開了束縛，性能得以充分發揮[3]。國際標準化組織3GPP（第三代移動通信合作計劃）對5G 定義的三大應用場景中，第一項就是增強移動寬帶業務（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），典型代表就是超高清視頻、AR/VR、移動游戲等大流量應用。

2.2 移動通信的發展變化

2018 年6 月13 日，3GPP 組織第80 次全會上，5G NR 標準獨立組網（Standalone，SA）正式完成并發布，這標志著首個真正完整意義的國際5G 標準正式出臺，全球進入了產業全面沖刺新階段。僅僅一年之后，2019 年6 月6 日，我國工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放四張5G 商用牌照，中國正式進入5G 商用元年。從廣電系統首次獲頒移動通信商用牌照可以看出，5G 時代的到來必將對傳統廣播電視行業產生巨大的沖擊、帶來新時代新發展的巨大機遇，這也是本文開篇強調、貫穿始終的觀點。因此，作為廣電行業的從業者，有必要對移動通信網有所了解。

第一代移動通信（1G）誕生于20 世紀80 年代，到現在的5G，基本上每10 年一代。1G（first generation）時代基于模擬技術實現了移動電話，但不能跨網漫游，信號質量和保密性差；2G 采用數字通信技術，標志著數字時代的到來，除了接打電話還支持發送短信，第一次有了數據傳輸的能力；3G代表著數據時代的到來，數據通信不再是語音通信的附屬，無線通信與國際互聯網等多媒體通信首次結合在一起，由此標志著移動互聯網時代的到來，也迎來了智能手機時代；4G 徹底取消了電路交換技術，推出了全IP 系統，數據業務全面爆發，視頻播放從傳統的電視開始轉向網絡。第五代移動通信是最新一代蜂窩移動通信技術，是通信與信息的真正融合，實現了移動通信從以技術為中心向以用戶為中心的轉變，開始實現萬物互聯。

縱觀從1G 到5G 的演變，從技術發展的角度看，1G 首次實現了移動通信（電話），實屬革命性的進展；3G 一舉扭轉了數據依附于語音的從屬地位，強大的數據通信功能賦予移動通信勃勃生機，可稱第二次革命性進展；5G 提供了前所未有的移動增強寬帶、海量物聯、低時延高可靠連接，將移動通信、互聯網、智能網、物聯網融為一體，奠定了人與萬物互聯的堅實基礎，可稱為移動通信的第三次革命性進程。

2.3 歸納5G 的主要特性

圖2 列出了5G 與4G 的主要性能指標差異。以下著重介紹幾項與高清視頻制播關聯密切的性能指標。

圖2 5G 與4G 的差異

2.3.1 高速度

5G 網絡的峰值速率達到10 Gb·s-1，用戶端速率達到100 Mb·s-1，4K 超高清視頻得以暢通無阻傳輸。與之相伴的直播、虛擬現實、增強現實等應用技術得以實現突破，同時也會催生出大量新的市場機會與運營機制。

2.3.2 低時延

3G 網絡的時延在百毫秒量級，4G 網絡約50 ms，到了5G 時代，時延降至1 ～10 ms，可以較好地支持UHD 直播、大型多人在線游戲等視頻應用場景。

2.3.3 邊緣計算

在靠近移動設備、傳感器及用戶的網絡邊緣部署節點，進行數據緩存和計算，可以有效減輕核心網絡的負載，同時降低數據傳輸時延。

2.3.4 網絡切片

網絡切片是一種按需組網的方式，通過網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV），可以在5G 網絡中分離出多個虛擬的端到端網絡[4]。每個網絡切片從無線接入網、承載網再到核心網上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應用，從而實現靈活組網業務。比如，對一個大型重要集會場景，需要多機位攝像、現場互動制作、前后方視音頻協同等多種形式的超高清視頻引用，5G 網絡可為這個場景實時部署專有網絡，服務的效率將大大提高，集會現場所需要的網絡性能也能夠得到保障。

2.4 細看5G 對UHD 的承載

5G 的諸多特性中，高速率（峰值10 Gb·s-1、用戶端100 Mb·s-1）、低時延（1 ～10 ms）強力支撐了超高清視頻傳輸，邊緣計算、網絡切片等技術有力保障了UHDTV 現場場景的采編播。

在當前視頻編碼標準AVS2（國外采用H.265）情況下，4K 超高清視頻對于承載網的總體要求是端到端帶寬要大于50 Mb·s-1，往返時延要小于20 ms，丟包率要小于10-5。目前的4G 移動通信網絡雖然能夠提供100 Mb·s-1的峰值速率，但是實際使用速率在8 ～60 Mb·s-1，時延50 ms，在終端大量接入的情況下體驗速率甚至更低，卡頓現象嚴重。所以，4G 網絡承載高清1 080p 視頻沒有問題，但承載4K就很困難。5G 網絡用戶端最低速率為100 Mb·s-1，時延僅數毫秒，從理論上講，5G 網絡對于4K 超高清視頻有著良好的承載能力，能夠完全滿足4K 視頻的傳輸和觀看。從總臺和各大電信運營商的試驗以及后續的實踐來看，4K+5G 能夠很好地體現UHDTV 的各項突出特點和應用。

再來看看8K 的情況。按照16 ∶9 格式，7 680×4 320 分辨率，10 位編碼，60 幀率的基本型8K UHD，未經壓縮的原始速率約為：7 680×4 320×10×3×60=59.7 Gb·s-1，在現行的AVS2 或H.265 編碼標準下壓縮后約為62 ～170 Mb·s-1，業內普遍認為需要130 Mb·s-1左右的帶寬才能保證8K 超高清視頻傳輸質量。顯然，4G 網絡無法承載，5G 網絡也不能提供穩定的性能保障。在數字信息處理領域，我國目前正在制定的第三代AVS3 標準已取得突破性進展，并在全球范圍內率先推出，有望在不久的將來，AVS3（H.266）將會使視音頻編碼在前代基礎上再壓縮一倍，這樣，8K 超高清視頻帶寬需求將會降到50 ～60 Mb·s-1，仍然可由5G 網絡承載，這也正是總臺4K/8K+5G+AI 協同發展戰略在技術上的基礎之一。

3 總臺引領4K+5G 應用

作為國家級媒體，中央廣播電視總臺（總臺）不僅擔負著重要的廣播電視制播任務，同時也在新技術、新應用方面走在前沿。2018 年10 月，中央廣播電視總臺建立了國內第一個4K 電視頻道，以內容、制播為抓手，串起了4K 在整機、終端、網絡、軟件的整個產業鏈。這是國家在超高清領域從無到有的突破，對全行業起到了非常明顯的示范帶動作用。總臺在大量4K+5G 先發行動的基礎上，于2020 年7 月發布《中央廣播電視總臺5G 媒體應用白皮書（2020 版）》，這是媒體行業首次對于5G 技術應用提出的技術規范。在5G 媒體應用上的探索，總臺在國內、國際均走在了第一方陣，在4K 超高清電視引領產業發展的同時，緊密結合最新一代5G 通信網絡，繼續引領4K+5G 發展，堅持守正創新，深化融合發展，體現出了作為新時代國家級媒體更高層面的視角和應有的擔當。

3.1 總臺引領4K/8K+5G 應用

2018 年以來，總臺全力推進4K 超高清電視技術工程建設、5G 與4K/8K 超高清視頻應用、從內容到播出的新媒體融合，并起到引領示范作用。2018年10 月，全國首個4K 超高清電視頻道在總臺正式開播。2018 年12 月，總臺與國內三大電信運營商和華為公司共同搭建5G 新媒體平臺，進行了基于5G 網絡的4K 傳輸各項測試，同期，總臺成立了5G媒體實驗室，開展基于5G 網絡環境的媒體應用創新研究，進行了5G+（4K傳輸、VR制作、移動云制作、網絡家庭環境）課題研究和應用實踐。隨后在2019年春節聯歡晚會上，總臺首次實現了在5G 網絡上實時傳輸4K 視頻，并應用了VR 技術進行直播。

2019 年7 月，廣電和三大電信運營商同時獲頒5G 商用牌照。2019 年底，總臺申報的“超高清制播國家重點實驗室”獲得科技部批準?？偱_以此為依托，進行5G+4K/8K+AI 技術研究和應用創新。到2020 年中，《中央廣播電視總臺5G 媒體應用白皮書（2020 版）》發布，提出了5G 網絡環境下媒體采集傳輸、移動云制作、VR 制作及分發等關鍵環節的業務和技術標準，如圖3 所示。

圖3 5G 媒體應用白皮書

2020 年11 月，在工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺、廣東省政府共同主辦的“2020 世界超高清視頻（4K/8K）產業發展大會”上，“超清視界，5G 賦能”成為大會主題。大會達成跨界重要共識——超高清視頻與5G 網絡融合遠不止改變人們的娛樂體驗，它還將惠及人類生產生活的方方面面。

2021 年春節聯歡晚會，總臺首次開展4K 和HD 同步制作和直播，同期開展8K 制作，首次采用了AVS3 編碼標準，在總臺內部IPTV 平臺以8K 頻道方式進行直播試驗。

3.2 基于4K/8K+5G 的創新應用

5G 高帶寬、低時延的網絡承載能力給視頻媒體的采編和傳送帶來變革，云端強大的計算和存儲能力大大降低了視頻編輯處理的門檻，而人工智能（Artificial Intelligence，AI）使轉碼、審核、編輯、廣告推薦等實現了智能化并延伸到操作端[5]。5G、云和AI 融合，將對媒體行業的采、編、播、傳等各個環節帶來革命性的變化?？偱_在4K/8K+5G 架構建設、節目制作、現場直播、多媒體融合等方面全方位發力，將5G+4K/8K+AI 戰略落到實處。

3.2.1 4K 播出基礎架構

總臺4K 播出架構按以下原則設計部署：

（1）播出域內網絡統一規劃，統一架構，兼顧4K播出系統及未來新建高清播出系統的擴展需求；

（2）基礎IT 平臺以通用設備為主，保留播出系統高可靠、高可用、高可維的設計要求；

（3）引入刀片服務器及虛擬化平臺等已經過驗證的數據中心成熟技術，提高集成度，降低布線復雜度，降低空間功耗；

（4）網絡安全方案設計滿足等級保護2.0 標準要求。

3.2.2 視音頻系統

總臺本期建設6 套UHD 播出系統（系統1 目前是UHD 及高清同播），直播信號常態下由總控提供。其中，系統1、系統2 共享主4 路、備4 路直播信號；系統3、系統4 共享主2 路、備2 路直播信號，系統5、系統6 共享主4 路、備4 路直播信號，共主10 路、備10 路直播信號。

每頻道末級輸出主備2 路UHD 信號（系統1還有主備各1 路HD 信號），采用前級共享調度+頻道切換的信號調度方式，采用主備雙鏈路+末級2選1 實現播出末級信號應急倒換。

采取通道包裝“虛擬內鍵”方式，同時完成臺標和時鐘以及環繞聲等副標的疊加，通過下變換方式實現同播，同時完成動態范圍、色域、幀率的轉換，采用標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR）/高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）分離監看。如圖4 所示。

圖4 4K 播出音視頻系統架構

3.2.3 管理系統

管理系統圍繞總臺超高清電視內容運營的實際情況和業務拓展要求，為總臺在UHDTV 領域的長遠發展提供可靠支撐，實現超高清播出系統與臺內現有業務系統間的全流程系統對接，安全高效地完成超高清節目文件的備播整備工作，提供高度穩定可靠的自動播出控制手段，實現超高清節目、廣告和直播信號的幀精度切換播出，并能夠自動監控、診斷系統運行狀態，確保各項播出任務高質量有序完成。項目一期建設4K 超高清播出系統6 套，滿足3 ～5 個頻道的4K 超高清播出。播出控制及管理系統總體架構如圖5 所示。

圖5 播出控制及管理系統

3.2.4 虛擬切換

當前，4K/8K 超高清電視節目內容還比較少，對此，總臺采用智能虛擬切換技術，實現了4K 伴隨HD 制作和直播模式，有效解決了這一短板。如圖6所示，通過增加的4K 攝像機、多通道收錄系統和新建智能虛擬切換系統，實現了在原有的高清電視制播平臺上同步制作4K 超高清電視節目。

圖6 4K/HD 同步制播

3.2.5 VR 和虛擬網絡交互系統

為提升“VR 視頻+三維聲”節目制作能力和質量，總臺研發了虛擬網絡交互系統（VNIS），在外場地進行VR 全景+三維聲采集，通過5G 將信號傳輸到虛擬演播室，實現了主持人在多場景穿越呈現，大幅度提升了VR 全景視音頻的沉浸式體驗效果，如圖7 所示。

圖7 VR 虛擬制作

3.2.6 5G+4K/8K 移動傳輸系統（5G 背包）

以往的大型重要活動、演出、體育賽事、突發事件現場直播，通常由轉播車系統、信號傳輸系統以及后方制播系統等組成，現場內容通過攝像機送入轉播車，經過技術處理后，再通過光纖、衛星或微波回傳方式將信號傳輸至演播導控室。在體育場、大劇院等固定的場所內直播時，通常在現場部署專用光纖，將信號回傳至中心機房，而且攝像機點位通常是固定的，需要移動拍攝時需要拖著電纜；對于室外全程跟隨拍攝的場景，如馬拉松賽事直播，需要提前沿途架設微波通道，通過微波進行移動回傳。微波由于頻率高、直線傳輸特性，直播時還要注意避開建筑物阻擋，而且時延比較大，遇到互動情景，后方主持人與現場記者的對話經常有數秒甚至十幾秒的延遲，影響觀看效果。

如今，5G 背包（如圖8 所示）內置5G 客戶前置設備（Customer Premise Equipment，CPE），連上超高清攝影機和編碼器，再通過5G 網絡將視音頻數據流實時傳送到演播導控室，不再需要敷設大量光纖，也不再需要微波系統和衛星轉播車，前方記者背著包就可以完成現場采編任務。5G 背包不僅解決了直播布線尤其是轉播車無法到達現場的問題，而且具備無線覆蓋功能，可以同時連接手機、攝像機、PAD、無人機等各種終端，多現場、前后方可以直接在視頻中實時互動，并支持回看與實時數據統計，這是傳統直播無法比擬的。5G 背包的拓撲結構如圖9 所示。此外，5G 超高帶寬可以同時支持4K 超高清信號的多路直播回傳，實現了超高清直播節目的多屏、多視角全新場景。

圖8 5G 背包

圖9 5G 背包拓撲

4 結 語

4K超高清視頻給人們帶來前所未有的震撼體驗，5G 網絡的高速率、低時延、高可靠性、萬物互聯和邊緣計算、網絡切片這些前所未有的網絡能力極好地承載了4K 傳輸應用，并有效支撐了人工智能從中心節點向邊緣終端拓展，使AI 計算架構實現云端和終端側之間最靈活的配比，從而向虛擬現實、增強現實、混合現實等新興應用注入了活力。5G+4K/8K+AI 必將催生包括數字內容生產、制作、傳輸、分發在內的全產業鏈升級，為用戶帶來極致體驗，也將深刻改變視頻行業產業格局，孕育巨大的發展機遇。