5G技術的發展及其在電視直播中的應用

李超鋒

摘 要：近年來，移動網絡發展非常迅速，隨著4K高清電視信號的出現，4G網絡已經無法滿足信號的傳輸要求，而5G在這方面已經取得了實質性的進展，并在2019年的一些電視直播領域首次進行了嘗試，取得了不錯的效果。由此，本文主要對5G的現狀、關鍵技術和在電視直播中的應用進行探討。

關鍵詞：5G;通信網絡;電視直播

中圖分類號：TN929.53文獻標識碼：A文章編號：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

與現有4G通信網絡相比，5G移動通信網絡速率得到明顯提高，且在安全性、靈活性和覆蓋性等方面都具有較大優勢。可以說，5G通信是對4G網絡的一次革命性提升，傳輸效率非常高。

1 5G的發展現狀

移動通信技術發展多年，每一代差不多都有一個十年的發展周期[1]。目前，移動客戶端的各種應用占用帶寬越來越大，低頻段已經太擁擠了。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，同時使用更優的調制技術，數據傳輸速率就更快。與4G網絡相比，5G通信將擁有更高的能效，更穩定快速的網絡連接和更快的傳輸速率。目前，4G的傳輸速率僅為75Mbps，而5G將會突破這一傳輸速率，運用64個天線單元自適應陣列傳輸技術滿足未來流量的大幅度增加，傳輸更高碼率的數據，滿足1 000倍以上的用戶需求。移動通信技術的發展如圖1所示。

2 5G的基本特點和關鍵技術

2.1 5G的基本特點

2.1.1 速度快。5G最直接的特點是速度快。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，連接功能也非常強大，可以實現網絡的覆蓋面更廣泛，使用戶體驗更加方便，效果更佳。無論人們身處何方，都可以迅速地將使用的設備連接到5G網絡中，如利用手機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出現后，人們的生活可能會進入智能時代，佩戴智能產品、使用智能家居將成為常態。其中，人們最關注的問題是設備耗電問題，若耗電量較低，智能設備將被多數人所接受。而5G的使用具有低功耗的特點，耗電量相對較低，耗電每個比特相比4G下降了10倍，這為智能設備的推廣使用奠定了基礎。

2.1.3 高容量。5G的容量是4G的20倍，高容量的特點可以成功彌補4G技術由于流量需求大時傳輸速率大幅下降的缺陷。如果在人口密度相對較大的地方運用5G技術，可以將傳輸速率進行平均分配，人們在接收信息時就不會出現卡頓和消息滯后的現象，從而大大提升人們的使用效果。

2.1.4 低時延。5G由于速度非常快，所以時延較低，在實際使用中，延遲為1ms，而且穩定性和可靠度都非常高。將5G通信應用到對時延要求較高的企業和人工智能中，將會給人們生活帶來革命性的變革，如無人駕駛技術、高精尖自動化技術和電視4K/8K的高清直播等。

2.1.5 萬物互聯。在過去的通信中，每個人使用的終端都非常有限，而5G的到來，將會給人們帶來較大便利，人們能同時使用數個智能設備，這些設備可以相互連接，以為人們的生活提供便利。此外，也可以將5G網絡應用到社會管理中，給城市管理和城市生活帶來極大便利。

2.2 5G的關鍵技術

5G網絡能力和網絡結構與4G有很大不同，是新一代的移動通信技術，不僅整合了過去的一些先進技術，而且有自己的核心技術。其核心技術主要有以下幾點。

2.2.1 基于OFDM優化的波形和多址接入。當前的4G LTE和Wi-Fi系統廣泛采用了OFDM技術，而5G也采用基于OFDM化的波形和多址接入技術，主要是因為其可以擴充帶寬應用，且具有較低的數據復雜性和高頻譜效率，能較好地滿足5G的一些要求[2]。OFDM技術家族可實現多種增強功能，例如，通過加窗或濾波增強頻率本地化、在不同用戶與服務間提高多路傳輸效率，以及創建單載波OFDM波形，實現高能效上行鏈路傳輸。

2.2.2 實現可擴展的OFDM間隔參數配置。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備，5G NR將引入可擴展的OFDM間隔參數配置。LTE最高可支持20MHz的載波帶寬，每個載波帶寬為180kHz，1個載波在頻域可分為12個子載波，每個子載波帶寬為180kHz/12=15kHz，20M的帶寬就可以支持 200個子載波。這一點至關重要，根據信道帶寬，利用可變的快速傅氏變換算法（FFT），擴展為更大帶寬時，可以保證不增加系統處理的復雜性。為了支持不同信道在多種模式下帶寬的要求，5G NR采用不同的參數配置來提高多路傳輸的效率。

2.2.3 OFDM加窗提高多路傳輸效率。OFDM能實現波形后處理（post-processing），可實現多種增強功能，可以通過加窗或濾波增強頻率本地化、在不同用戶與服務之間提高多路傳輸效率，以及創建單載波OFDM波形，實現高能效上行鏈路傳輸[3]。將來5G若實現商用，就可能被應用于大規模物聯網，那么就會有很多的設備進行相互連接，而5G此時必須要提高多路傳輸效率，以滿足數億計設備聯網的需求。頻帶內和頻帶外信號輻射必須盡可能小，以保證相鄰頻帶不相互干擾。

2.2.4 靈活的框架設計。設計5G NR的同時，采用靈活的5G網絡架構，進一步提高5G服務多路傳輸的效率。這種靈活性不僅體現在時域上，也體現在頻域，5G NR的框架能充分滿足5G的不同服務和應用場景。

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

①頻譜共享。用非授權頻譜和共享頻譜，能將5G擴展到多個維度，以支持新的部署場景、使用更多頻譜、實現更大的容量。這不僅可以使擁有授權頻譜的移動運營商受益，而且還可以為沒有授權頻譜的廠商創造機會，如物聯網相關行業、企業和有線運營商等，讓他們能夠充分利用5G NR技術。

②大規模MIMO。利用MIMO技術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，要在空間有限的設備中容納進更多天線顯然不現實，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，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，成倍提高系統信道容量。

③毫米波。全新5G技術正首次將頻率大于24GHz以上頻段（通常稱為毫米波）應用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可以提供大容量、高速數據傳輸，這將使人們對移動互聯網有一個更好的體驗。但是，毫米波頻段傳輸的信號由于信號衍射能力有限，無法穿透墻體，會造成傳輸路徑受阻，面臨著波形和能量消耗等問題。

3 5G在電視直播當中的應用

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容，支持4K、8K及VR等全新的視頻展現形式。在2019年的春節晚會中，中央電視臺首次使用5G網絡進行4K+VR超高清直播，給觀眾帶來了視覺上的震撼感受，也是5G技術在媒體融合中的一次展示，標志著5G時代的來臨。

2019年4月7日，拜祖大典在新鄭舉辦，鄭州電視臺也采用5G網絡對現場進行了一次電視直播嘗試。直播開始前，鄭州電視臺技術人員和相關公司的技術團隊制定了詳細的網絡保障方案，移動公司部署了多個5G無線網絡站點，技術人員在直播開始前反復對整個5G網絡系統進行調試和實驗，并對現場不同地點和位置進行了“地毯式”測試，對現場的各項網絡指標進行排查，發現問題，及時調整。

以前在電視上看到的現場直播，主要是通過導播切換到平面畫面，而這次直播采用的是高清攝像機拍攝的4K+VR高清畫面，其像素約是全高清視頻像素1080P的4倍，網絡上行速率高于50Mbps。而且現場攝像機拍攝的信號必須使用線纜進行回傳，機位相對固定，或者在一個小范圍移動。有了5G網絡，那么對4K信號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，實時傳輸至移動直播車的播控平臺，經過畫面選取、編輯、疊加字幕后，經由光纖和5G網絡到達觀看端，同時也解決了以往衛星+光纜的回傳限制問題，大大降低遠程直播的成本。人們在家通過電視可以看到不一樣的直播畫面，更具有真實感、現場感和沉浸感。在拜祖大典現場，人們拿出手機點開“看鄭州”客戶端中的現場直播鏈接，從手機中看到的畫面和現場看到的畫面能基本保持一致，甚至能看到手機畫面中鏡頭較近的人臉上的皺紋，隨著鏡頭的移動，手機里呈現的畫面也非常清晰，猶如身臨拜祖大典現場。

與以往的4G直播相比，這次直播活動抗干擾性更強，時延有所降低，視頻信號傳輸更穩定，清晰度也有了質的提升。過去使用4G無線傳輸高清4K信號可能會出現延時和卡頓，而這次使用5G網絡，整個直播過程十分流暢、無卡頓、無中斷。這次超高清電視直播是鄭州電視臺第一次使用“5G+4K”，是對5G信號的一次嘗試，也是我們下一步探索媒體融合的一項重要舉措。

4 5G未來的前景

與4G相比，“高性能、低延時、大容量”的5G并不只有網速的跨越式提升，更能帶來全行業數字化的變革，與大數據、人工智能、云計算等技術協同發展，將會使人們的生活水平有一個質的提升。除電視直播外，5G網絡會帶人類進入“萬物互聯”時代，信號傳輸幾乎無延時，可以使無人駕駛、VR體驗等技術得到進一步發展。

2019年，全國各地電視臺都在陸續嘗試使用5G進行直播，但這只是5G應用的冰山一角。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;智慧家居將會給人們的生活帶來更加舒適的生活體驗;智慧醫療將會給患者提供更多的醫療資源保障等。相信在今后5G的發展過程中，會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：

[1]余莉， 張治中， 程方，等. 第五代移動通信網絡體系架構及其關鍵技術[J]. 重慶郵電大學學報（自然科學版），2014（4）：427-433.

[2]項立剛.5G的基本特點與關鍵技術[J].中國工業和信息化，2018（5）：36-43.

[3]蘇青霄.淺談5G移動通信發展走勢和關鍵技術[J].信息通信，2018（5）：248-249.