淺談5G技術在4K/8K超高清直播系統中的應用

5G技術在應用的過程中有超強的連接能力，且5G技術在連接過程中能夠同時連接的數量也非常多，根據實際的調查數據顯示，5G技術能夠實現1平方千米以內連接近100萬個物體。然而，超高清視頻所需的巨大帶寬和嚴格的傳輸時延要求，給現有網絡架構帶來巨大挑戰。5G技術憑借其高帶寬、低時延、大連接的技術特點，為解決這些問題提供了全新的解決方案。本文深入探討5G技術在超高清直播系統中的應用，分析其關鍵技術要點，并通過實際案例驗證其應用效果。

一、5G技術的特點

5G技術憑借其突破性的高帶寬能力，在理論峰值下行速率可達到20Gbps，上行速率可達10Gbps，這遠超4G網絡的傳輸能力。在實際應用場景中，5G網絡可以為單用戶提供穩定的100Mbps以上的下行速率，在熱點區域甚至可以達到1Gbps。在頻譜資源方面，5G技術采用了毫米波、中頻段等多頻段協同工作的方案，頻譜范圍涵蓋了 sub-6GHz 和 24-52GHz 等不同頻段[]。

5G 網絡的端到端時延最低可達1毫秒，相比4G網絡的20毫秒有了質的飛躍。這種超低時延特性主要得益于5G新空口（NR）技術的革新，包括更短的傳輸時間間隔（TTI）、靈活的幀結構設計及新型的信道編碼方案。低時延特性的實現還依賴于5G網絡的分布式架構設計和邊緣計算能力。通過將核心網功能下沉到邊緣節點，以及采用用戶面功能分離（CUPS）技術，5G網絡可以實現數據處理的本地化，顯著減少傳輸路徑，從而保證超低時延性能的穩定發揮。

二、 5 G + 超高清直播系統關鍵技術要點

（一）網絡切片技術

通過在統一的物理網絡基礎設施上，構建多個邏輯獨立的端到端虛擬專用網絡。在超高清直播系統中，可以為視頻傳輸業務配置獨立的網絡切片，提供確定性的網絡服務質量保證。具體來說，超高清直播專用切片可以配置高達1Gbps的帶寬資源，端到端時延控制在10ms以內，業務可靠性達到 9 9 . 9 9 9 % ，這些參數可以根據不同場景需求靈活調整。通過網絡切片管理功能（NSMF）和網絡切片子網管理功能（NSSMF）實現對切片資源的精確控制和動態調度。

（二）邊緣計算技術

在超高清直播系統中，邊緣計算節點可提供3—5TOPS（每秒萬億次運算）的計算能力，支持實時視頻編解碼、轉碼和內容處理。采用基于Docker的輕量級虛擬化技術，單個邊緣節點可同時處理4—6路4K視頻流或1—2路8K視頻流，處理時延控制在20ms以內[2。邊緣計算節點通過MEC（移動邊緣計算）平臺實現資源調度和業務管理，支持應用的快速部署和彈性伸縮。系統采用分布式存儲架構，每個邊緣節點配備20-40TB的高速緩存，支持NVMe固態硬盤陣列，順序讀寫速度可達3GB/s。

（三）上行鏈路增強技術

5G基站支持64T64R或更高規模的天線陣列，通過空間復用最多可支持16個空間流的并發傳輸。在毫米波頻段（24.25-52.6GHz），單載波帶寬可達 4 0 0 M H z ，通過載波聚合最高可實現2GHz的傳輸帶寬，為超高清視頻提供充足的上行傳輸通道。

采用高階調制編碼方案（最高支持256QAM），并結合LDPC編碼和極化碼，可使頻譜效率達到15—20bps/Hz。通過上行功率控制和干擾協調技術，確保邊緣用戶的上行傳輸質量，信噪比維持在15—20dB的較高水平。

（四）網絡編碼與智能傳輸技術

網絡編碼技術采用先進的H.266/VVC和AVS3編碼標準，在保證相同畫質的情況下，可使碼率較H.265降低 4 0 % 以上。系統支持多種編碼參數配置，可根據網絡狀況動態調整編碼速率，4K視頻的編碼延遲控制在 5 0 m s 以內，8K視頻控制在 以內。通過分塊編碼和并行處理技術，單臺編碼器可同時處理多路超高清視頻流，編碼性能可達到400fps@4K或100fps@8K[3]。

采用基于AI的智能傳輸技術，通過實時分析網絡狀況，自適應調整傳輸參數。通過前向糾錯（FEC）和選擇性重傳（HARQ）機制，將傳輸丟包率控制在 0 . 0 1 % 以下。

三、5G技術在超高清直播系統中的具體應用

（一）直播場景應用架構

5G超高清直播系統的端到端架構主要包括前端采集、傳輸網絡和后端處理三大部分。在前端采集層，通過5GCPE或專業終端連接4K/8K攝像機，支持多機位同步采集。專業終端可實現音視頻信號的預處理和初步壓縮，其中視頻采用10bit色深編碼，支持HDR，可選擇H.265/HEVC或H.266/VVC編碼標準，音頻支持5.1或7.1聲道。

通過就近接入的邊緣節點進行視頻處理和分發。在大型活動直播中，可同時支持8-12路4K視頻流或2-3路8K視頻流的并發傳輸，通過智能負載均衡確保每路視頻流的傳輸質量。

例如：在廣州亞運會的體育賽事轉播中，湖南廣電采用了基于5G的新型IP轉播方案，通過部署12臺4K攝像機進行多機位拍攝，經由5G專網傳輸至現場指揮中心，實現了賽事精彩瞬間的多角度呈現。

（二）信號采集與處理

每個采集點配備5G專業終端，內置高性能處理器可實現4K視頻實時編碼，編碼延遲控制在50ms以內。通過北向接口與導播系統對接，支持遠程調度和參數配置，可實現攝像機的云臺控制、焦距調節和色彩校正等功能。

信號處理采用流水線架構，包括視頻預處理、編碼壓縮和協議封裝三個階段。預處理階段進行畫面降噪、色彩空間轉換和分辨率自適應；編碼階段根據網絡狀況動態調整碼率，支持CBR和VBR兩種編碼模式；協議封裝采用SRT或RTMP協議，內置FEC機制，確保傳輸可靠性。系統還支持備份鏈路機制，在主鏈路出現故障時可快速切換到備份鏈路，確保直播不中斷[4]。

例如：某大型鋼鐵企業引入 5 G+ 超高清視頻監控系統，在高爐、轉爐等關鍵生產環節部署20余臺工業級4K攝像機。每臺攝像機配備邊緣智能分析單元，可實時檢測設備運行狀態、工藝參數等關鍵指標。

（三）傳輸與分發系統

傳輸系統基于5GSA網絡架構，采用端到端網絡切片技術，為超高清直播業務提供獨立的網絡資源。通過UPF下沉部署，減少傳輸路徑，實現端到端時延優化。系統集成了智能路由技術，可根據網絡質量自動選擇最優傳輸路徑，支持跨區域負載分擔和故障切換，網絡可用性達到99. 9 9 9 % 0

內容分發采用多級緩存架構，在邊緣節點部署分布式緩存系統，支持熱點內容就近分發。通過智能調度算法，實現負載均衡和流量調優，有效減少網絡擁塞。系統還支持多協議轉換功能，在大型活動直播時，可通過跨區域資源調度。

例如：南方電網在廣東某500千伏變電站部署5G專網系統，采用端到端切片技術保障超高清視頻傳輸。系統配置3個網絡切片，分別用于設備監控、無人機巡檢和遠程操作指揮。通過就近部署MEC服務器，實現視頻流的本地化處理和分發，端到端時延控制在15ms以內。

（四）播出與呈現

播出系統采用云化架構，支持多機房協同工作，主要功能包括多畫面監看、節自切換、特效疊加和實時轉碼等。通過智能識別技術，可實現自動場景切換和畫面追蹤，減少人工操作。

通過ABR（自適應碼率）技術，根據終端性能和網絡狀況動態調整碼率和分辨率。集成了低延遲解碼技術，端到端延遲可控制在1秒以內。此外，系統還提供互動功能接口，支持實時彈幕、直播連麥等增值服務，提升用戶觀看體驗。例如：在2024年春晚直播中，央視采用 5 G + 8 K 超高清制播系統，在多個分會場部署8K攝像機，通過5G專網回傳至北京總控制中心。直播過程中，系統處理多路8K視頻流的同時，為不同終端用戶提供4K/2K自適應碼率服務，全程在線觀眾突破9億，端到端延遲穩定保持在 以內，創下了國內超高清直播系統的新紀錄。

四、結語

5G技術的發展為超高清直播系統帶來了革命性的變革，不僅解決了傳統有線傳輸系統的諸多限制，也為內容制作帶來更多創新可能。通過網絡切片、邊緣計算等技術的深度融合，5G超高清直播系統實現了高質量、低延遲的端到端傳輸。未來，隨著5G技術的持續演進和超高清視頻技術的不斷發展，兩者的深度融合將進一步推動廣播電視行業的數字化轉型，為觀眾帶來更加優質的視聽體驗。

參考文獻：

[1]古志勇.5G與超高清直播的融合應用研究[J].電視技術，2024，

48（11）：186-188.

[2]吳曉亮.5G技術賦能廣播電視媒體融合發展的路徑[J].衛星電視與寬帶多媒體，2024，21（20）：25-27.

[3]王璇. 5 G + 8 K 移動直播技術在廣播電視工程中的應用[J].電視技術，2024，48（10）：207-209.

[4]任一銘.融媒體視域下傳統廣播電視媒體的轉型升級策略[J].衛星電視與寬帶多媒體，2024，21（22）：133-135.

（作者郭傳程系山東省濟寧市任城區融媒體中心主任、工程師）

責任編輯：苗權譽