5G技術在廣播電視工程中的應用

李 杰

（沂水縣融媒體中心，山東 沂水 276400）

5G時代的到來，為廣播電視工程建設提供了新的融合建設方向。現階段，5G技術在全國范圍內已經得到了廣泛的商用普及，市場、用戶對5G這一概念都已經不再陌生。在廣播電視工程領域，5G技術以其較低的傳輸延時、傳輸通信設備的智能兼容和信號的強穩定性，逐漸成為廣播電視工程建設的主要方向，為改造傳統廣播電視系統、滿足廣播電視受眾的新需求提供了新思路。

1 5G時代通信技術的演變趨勢

1.1 更快的傳輸速率

相較于4G網絡靜止通信速率的標準峰值1 000 Mbps，5G網絡的靜止傳輸速率已經達到20 000 Mbps，理論傳輸速率擴大了近20倍[1]。截至2022年上半年，全國5G網絡移動連接存量達到120億，相較4G網絡（自2016年起至今，移動連接存量85億），在普及規模、連接數量和傳輸速率上都有著明顯的優勢。當前，在廣播電視工程中，一般選用低頻傳輸，頻段在600 MHz～2.925 GH z之間。低頻傳輸的優勢在于能做到大面積的覆蓋且維護成本較低，在4G時代，利用載波聚合技術也能將數個不連續的低頻載波加以整合，以滿足網絡傳輸需求，但隨著技術迭代，廣播電視傳播對傳輸速率的要求越來越高，廣播電視工程在應用傳輸技術時，更關注高頻段（70～600 GHz）的開發，5G的信號傳輸模式正符合高頻段資源開發的技術趨勢。

1.2 更高的通信質量

5G傳輸的一個重要特征是D2D（Device to Device，終端直聯）模式。傳統模式下，廣播電視的信號傳輸需要將信號從起始終端發送至中間基站，再由中間基站轉發至另一終端[2]。而在D2D模式下，蜂窩頻譜的復用使頻譜在免授權的情況下即可在終端間建立直接通信，不再依賴中間基站的數據轉發，網絡頻譜的工作效率、吞吐量均得到大幅提升，通信容量較4G時代更大。D2D模式對頻譜的復用可以在保證被復用的蜂窩用戶的通信質量的前提下，傳輸較大的數據量，同時依靠PBS（Proximity Based Service，鄰近服務）解決基站中轉的能耗和延時問題，顯著提升小范圍內的信號質量，因此，其在公共安全通信、近場通信、社交通信、車載通信領域均得到了廣泛的應用。

1.3 更低的傳輸延時

隨著技術的發展，4G-LTE的網絡延遲已經被控制在10毫秒以內，5G時代網絡延遲被進一步降低。以5G技術中的uRLLC（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，低延時高可靠通信）為例，LTE的傳輸時間間隔（TTI）為固定的1毫秒，而5G的靈活幀技術可以將數據傳輸的時隙值壓縮至最短0.125毫秒[3]，信號傳輸可以不具備固定的傳輸時間間隔，新空口（New Radio，NR）技術還允許子幀獨立，將數據傳輸、信令控制等步驟在單獨的子幀內分別完成，從整體上大幅降低傳輸延時。集成了5G蜂窩網絡的TSN（Time-Sensitive Network，時間敏感網絡）技術，可以將內置的5G網絡轉化為高速TSN網橋，將精確時間協議數據單元的5G QoS流指示符映射到TSN網絡，實現以太網傳輸的低延。

2 5G技術在廣播電視工程中的應用

2.1 應急廣播建設中的5G NR MBS組網技術

應急廣播建設是近年來各地廣播電視系統工程建設的重點內容，尤其在一些邊遠地區和災害多發的地區，亟須建設完善的應急廣播體系，從通信傳播領域保證當地人民的人身安全和財產安全。在應急廣播建設中，基于3GPP技術的5G廣播建設能夠在700 MHz頻段內發揮重要作用[4]。目前，由于運營商的建設重點與廣電不同，我國農村地區的基站在700 MHz頻段上的5G信號覆蓋半徑超出4 900 MHz的3倍以上，基站數量也遠超后者，因此，當前的應急廣播建設多基于700 MHz頻段的使用新空口（NR）組網廣播（Multicast/Broadcast Service，MBS），由蜂窩網絡與發射塔同步處理，實現單對多的數據傳輸。支持MBS的5G網絡具體設計包括會話管理功能（Session Management Function，SMF）和用戶面功能（User Plane Function，UPF）兩個部分，SMF與UPF同時支持兩種會話模式，能夠部署MBS會話的專屬網元，由5GC控制傳輸信道是否共享，NR-RAN控制傳輸單對單或單對多的模式切換。

在應急廣播建設中，3GPP標準所定義的關鍵任務服務（MCS）就是利用低延時、高速率、穩定且安全性強的通信技術優先處理應急廣播信息。因此在具體建設中，MBS能夠憑借技術迭代，不斷擴大信號覆蓋面和信息傳輸的精準程度，不僅被應用于應急救災信息的下行傳播與范圍推送，還能夠將受災地區需要上行的信息盡快返回中心[5]，完成應急廣播建設對MCS關鍵任務服務的新要求。MBS會話、MBS QoS流的交換，都可以做到對MC媒體內容的精準控制，連接5G核心網絡和MCS的UE通信管道。在5G NR的整體廣播系統傳輸建設框架中，上行鏈路被專門用于單播資源傳輸，下行鏈路則根據使用場景的不同，既可以采取單播傳輸方式，也可以在多小區情況下MBS傳輸方式或二者的組合方式。在下行鏈路中，數據的單對多傳輸依靠不同的QoS流組成會話，會話主要分為廣播會話與組播會話，廣播會話的數據使用NR空口同時發送給應急廣播覆蓋區域的所有用戶，首先由應用層建立通信群組，群組成員以單播的形式接收下行數據，然后激活組播會話，形成包含組播會話信息標識的會話信息，然后UE加入組播會話，服務端決定開始使用組播發送數據，并停止所有的單播數據傳輸；組播會話則通過PTP或PTM，對空口數據按照群組組別進行分發，區別在于形成包含廣播會話信息標識（TMGI）后，MC保存TMGI，開始監聽廣播信道的接收質量，然后UE上報，進入廣播發送數據的流程。在以上兩種過程中，實現MC關鍵任務的基本流程是：由服務器激活兩種不同MBS會話，同時向MC客戶端發送會話信息，然后UE信道向服務器上報所有會話數據，再由服務器分發下行數據。

MCS的應用場景比較廣泛，其業務形態包括MCPTT（Mission Critical Push To Talk，關鍵任務一鍵通）、MCData、MCVideo等，MCPTT在群組通信場景中應用較多，可以預置小組、聊天組和臨時廣播組，在單對多、多對多的語音通話中都能起到較好的接通效果；MCData則側重于短信、文件的發送，能夠在消息通知、文件傳遞等方面優化應急廣播的配套體驗；MCVideo則主要服務于應急通信中的視頻需求，是應急廣播形態演變的重要服務基礎，廣播覆蓋區域的受險用戶，可以通過終端經實時視頻流與通信中心取得聯系，也可以將視頻通信的優先級調高，標記其緊急程度，以取得優先的通信資源分配與通信時效，這些通信服務都體現了5G組播/廣播技術對應急廣播優化的新趨勢。

2.2 VR新聞直播系統建設中的5G高速傳輸網絡

隨著計算機虛擬環境和即時生成能力的不斷增強，虛擬現實（VR）技術在各領域已經得到了廣泛的應用。對于廣播電視系統來說，建設VR新聞直播系統能夠實現對新聞的全天候360°全景無縫播報，同時在全景直播的基礎上通過虛擬植入增添直播趣味，吸引觀眾的注意力。在VR新聞直播系統的設計中，5G網絡能夠滿足高清場景切換、報道內容變更等傳輸需求。

一般來說，VR新聞直播系統分為5個子系統，首先由攝像機360°全景采集影像，再將采集到的影像傳回全景縫合的云服務，由云服務端進行云編碼，最后通過智能云根據用戶設備進行推送。在這一過程中，5G高速傳輸網絡的架設是實現全過程傳輸的基礎。一方面，全景攝像機的攝錄基準為4K分辨率，每分鐘錄制視頻大小在375 MB以上，環繞新聞直播間的多臺攝像機上傳至云端的實時數據傳輸量巨大，只有5G傳輸網絡的能夠滿足高速上載和實時消息傳輸協議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）的需求[6]；另一方面，技術人員一般會根據5G架構的規范在現場布設無線TSN網絡，滿足現場智能設備的實時傳輸需求，現場5G網絡的架設能夠進一步提升VR新聞直播系統的工作效率。

2.3 電視信號轉播系統建設中的5G CP-OFDM調制技術

電視轉播的5G信號傳輸系統，其調制方案根據具體場景有所不同，但核心都是OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）調制技術的改進。在OFDM調制下，不同的濾波器結構會導致調制結果不同，而5G技術在此的應用方案CP-OFDM可以借助快速傅里葉變換等方式，與MIMO結構相結合，靈活調整時域與頻域下的載波，可以在頻道資源非緊張的狀態下，省去帶通濾波器，大幅簡化轉播系統的硬件構成。在時域上，5G傳輸能夠對子載波間隔進行靈活控制，可以滿足低時延、低覆蓋范圍或高時延、高覆蓋范圍兩種不同的轉播需求；在頻域上，5G下的OFDM支持多種子載波間隔，其嵌套關系相當于利用5G網絡支持多重子載波的特性制作一種收納信號的“信號盒”[7]，在“信號盒”中能夠同時“封裝”不同的信號，填充不同速率的信息，從而實現多種網絡傳輸方式的智能組合。

在應用層面，CP-OFDM調制的5G信號目前需主要攻克的傳輸問題是基站切換時的信號質量下降問題，類似于超清、高清等格式的網絡直播等流媒體傳輸，在基站切換時可能遇到傳輸速率驟降、傳輸過程丟包等問題，解決方案是通過完善UPF緩存機制，建立終端空閑狀態下的UPF緩存，使發往UPF終端的流量在終端因基站切換而暫時處于離線狀態時，不會出現較大程度的丟包現象（正常情況下丟包率可以控制在10%以內），同時由UPF主動尋呼終端，能夠使終端在基站切換后第一時間與UPF連接，接收緩存的數據。UPF還可以對數據包進行內容檢測，分析用戶上行流量中數據包的內容，生成流量報告，同時為流向網絡環境以外的數據包添加QoS標記，當網絡出現擁堵時，外部傳輸網絡可以根據數據包的QoS標記判斷數據傳輸的優先級，按照優先程度處理各數據包的傳輸。

3 結束語

5G技術使“萬物互聯”的概念進一步成為現實，在廣播電視工程建設中，也以其劃時代的傳輸優勢得到了廣泛的應用，從技術生態和實際應用上改造了傳統的信息傳播方式，甚至改變了廣播電視媒體的運營邏輯，為廣播電視工程建設提供了新的規范。未來，隨著傳輸技術與傳輸介質的不斷迭代，5G技術將持續為廣播電視行業的技術升級賦能，與廣播電視工程建設的聯系將更加緊密。■