5G NR技術在電視外場直播制作中的應用

楊柳青

（濱州市博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

1 5G NR技術概述

5G新無線（New Radio，NR）是構建5G網絡的全新無線接入技術，相比4G來說，具有更高的頻譜效率和更低的時延。5G NR系統基于正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），同時引入新的調制方法，可以支持更寬的帶寬（最大可達400 MHz），增強對高頻段的支持，并通過新型幀結構優化了時延。5G NR的幀結構采用自適應設計，可以根據不同的頻率范圍和場景需求進行調整。

在子幀長度方面，NR支持多種模式：正常模式的子幀長度為1 ms，對應傳統的長期演進（Long Term Evolution，LTE）子幀；縮短模式的子幀長度可降至125 μs，減少了傳輸時延。針對低時延需求，NR進行了Mini-slot設計，時延可降低至125 μs以下。空口接入技術上，NR不僅支持OFDM，還引入了多種多載波調制技術，如新的濾波器組多載波（Filter Bank Multi-Carrier，FBMC）技術等，可以根據場景需求進行選擇。

此外，5G NR系統還支持新的調制編碼方案，如新的低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），以及高階調制技術，如256正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），可以提供更高的數據速率。5G NR通過設計自適應幀結構、支持多種多載波調制、引入新型調制編碼技術等創新措施，實現比4G系統更高的頻譜效率和更低的空口傳輸時延，為電視外場直播高速率、低延遲的無線傳輸提供了重要支持。

2 電視外場直播制作中的技術需求

2.1 視頻源獲取的需求

電視外場直播制作的第一步是視頻源的獲取，直接關系到后續制作流程的畫面質量。首先，外場環境需要通過無線方式采集視頻信號，采集設備（如外場攝像機等）需要快速接入5G網絡，建立高速率的無線連接，確保超高清視頻源的實時傳輸。5G網絡需要提供每秒數吉比特的無線接入速率，接入時延需達到毫秒級，從而為外場攝像機等設備提供高質量的無線接入服務。其次，不同類型的視頻源對網絡性能指標有不同的要求。例如：現場連線的主播攝像對時延非常敏感，網絡必須具有極低的端到端傳輸時延，通常應控制在20 ms以內；用于遠程訪談的手持攝像機雖然可以容忍較高的延遲，但為保證視頻質量，網絡需要提供足夠的比特率，以避免編碼壓縮導致的馬賽克。最后，外場環境中存在大量移動采集場景，移動過程中需要保證服務的連續性，避免出現長時間視頻中斷[1-2]。

2.2 編輯制作的需求

電視外場直播過程中，需要對多個采集源進行剪輯處理、多畫面合成等，以輸出連貫流暢的節目畫面，對視頻編輯系統的處理能力和時延控制提出了新要求。首先，外場直播的同時處理大量高清信號。一場典型體育賽事的外場制作可能包含上百路高清信號源，各信號源可能采用不同的編碼格式、碼率、顏色空間等。編輯系統需要對它們進行轉碼、調色等預處理，將這些畫面混合成一個統一的程序視頻流，并添加各種轉場特效，來豐富畫面的視覺效果，還需要能即時切換任意信號源，同時畫面不出現卡頓。其次，外場導播需要遠程控制機位攝像機，調整鏡頭框架、選擇畫面等，這就要求視頻源獲取端和導播端之間具備低延遲的雙向交互能力[3]。最后，部分編輯工作也需要在外場環境中完成，因此編輯系統要能部署在移動設備上，通過無線網絡獲取視頻源并實時輸出節目流。這對無線網絡的帶寬和穩定性提出了要求，源素材必須始終高質量、低延遲地傳輸到移動編輯終端。

2.3 傳輸播出的需求

外場直播制作的最后一步是將節目信號傳輸到播出系統，這一環節同樣具有高帶寬傳輸、低延遲和信號可靠性三方面的需求。高質量的外場直播需要傳輸高碼率的視頻流，一般帶寬在10 Mb·s-1以上，才能傳輸1 080P高清信號。若是進行4K超高清或8K超高清制作，所需的帶寬可以達到每秒幾十甚至上百兆比特，對傳輸系統的帶寬要求非常高。

外場直播對信號延遲極為敏感，攝像頭采集到播出端播放的時間通常需要控制在1 s以內，這就要求傳輸系統的視頻編碼、傳輸、解碼等過程具有極低的延遲，各環節精確同步。任何細微的時延聚集都會導致音畫不同步、畫面不連貫等問題。

外場直播作為在線直播，不允許出現任何程度的信號中斷，要求傳輸系統具備可靠的連接機制、強大的抗干擾能力等，確保信號質量平穩，即使在復雜的電磁環境中也能提供穩定服務。

3 5G NR技術在電視外場直播中的應用

3.1 無線設備接入NR網絡與網絡切片

在電視外場直播制作過程中，視頻源的獲取離不開5G NR網絡提供的高速率、低延遲無線接入支持。5G NR網絡可以為現場的攝像機等視頻采集設備提供每秒吉比特級的超高速無線接入，充分滿足實時傳輸高清及超高清視頻源的需要。5G NR支持的多載波聚合技術綁定多個較寬的組載波，為視頻源提供400 MHz以上的大容量無線接入帶寬，支持源視頻的高清傳輸。同時，NR的自適應幀結構支持125 μs超短幀長度的縮短模式[4]，可以顯著降低無線接入時延。在此基礎上，結合控制面時延優化，能夠有效減少從視頻采集到網絡接入再到云傳輸的端到端時延。

根據不同視頻源類型的網絡需求，5G NR的網絡切片技術可以劃分出子網絡切片，定制服務質量（Quality of Service，QoS）配置。例如，對于低延遲敏感的主播連線視頻，網絡切片可以配置超低的端到端時延參數；對于編碼質量更加敏感的遠程訪談視頻，網絡切片可以提供編碼比特率保證。在外場移動視頻采集場景下，5G NR網絡可以運用多進多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）多天線技術進行新型的波束賦形（Beamforming），通過調整信號波束方向，增強對移動用戶的無線覆蓋能力，確保高速移動場景下視頻源的傳輸質量。

3.2 多接入邊緣計算

電視外場直播難以接受長時間處理和傳輸延遲，對視頻編輯處理的實時性提出了非常高的要求。多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）是一種廣泛適用于5G網絡架構的移動邊緣計算方案，與NR有著非常強的協同性。NR以其高速率、低時延的無線接入，為MEC服務器的部署提供了基礎網絡支撐，同時MEC通過就近計算彌補了5G NR在核心網時延上的不足。

MEC將編輯處理從遠端的中心云下沉至網絡邊緣接近現場的MEC服務器，能夠減少時延，使編輯處理更貼近實時需求。MEC服務器可以部署在接近外場拍攝現場的邊緣節點位置，視頻源可以就近接入MEC進行低延遲處理，無須傳輸到遠端云服務器。同時，服務器可以利用圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）和現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等硬件芯片進行加速，以提升視頻編解碼、多路合成等處理的效率。相比中心云處理，MEC可以減少大量源數據傳輸時延，能夠更靈活地按需調度計算資源，顯著降低端到端的編輯處理延遲。MEC與中心云計算并非完全對立，MEC服務器可以分析歷史數據緩存，將復雜的模型訓練工作交給中心云去處理。邊緣和云協同AI模型的訓練和推理，MEC服務器利用邊緣端采集的數據微調模型，使AI判斷更加貼近具體場景，讓外場編輯工作更加自動化、智能化。

3.3 高速傳輸、演播室低延遲與保證QoS

5G NR的強大無線傳輸能力可以全面提升外場直播的信號帶寬、時延和可靠性保障。首先，5G NR接口支持的多載波聚合可以達到數百兆赫茲的超寬系統帶寬，而且通過先進的調制編碼技術能夠提供每秒吉比特級的高峰值數據率。NR聚合多個100 MHz帶寬的組載波擴展總帶寬，支持最高400 MHz帶寬，遠超4G的帶寬限制。其次，NR采用256QAM調制方式，每符號可以調制8 bits，明顯高于4G的64QAM，引入的新一代LDPC和極化碼等信道編碼機制也有助于提升無線調制的可靠性，使NR理論峰值率達到20 Gb·s-1左右，滿足外場超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻的傳輸速率需求。5G的增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）業務切片也可以為視頻信號配置專門的高QoS帶寬資源保障[5]。再次，5G NR網絡可以達到極低的端到端傳輸延遲，將用戶平面功能（User Plane Function，UPF）更多地部署在接入邊緣，使得視頻業務的用戶面數據可以就近處理，避免經過核心網的多次轉發造成的延遲。最后，5G NR通過切片級別的QoS保障機制，可以為視頻業務流提供比普通數據服務更高的無線網絡資源調度優先級。視頻源獲取和傳輸可以利用保證比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）類型的網絡切片，獲得穩定的無線帶寬資源。關鍵視頻業務流可以使用低延遲類型的網絡切片，獲得更高的無線接入優先權。

4 結語

5G NR技術在解決電視外場直播制作過程中的視頻源獲取、編輯制作和信號傳輸等方面的技術難題中發揮著重要作用。5G NR接口的高峰值數據率和超低延遲，以及MEC邊緣計算和網絡切片等關鍵技術，為電視媒體實現更高質量、更低延遲的多源遠程采集和實時編輯制作提供了可能性。目前，我國5G網絡仍在建設中，要想使其真正服務于電視外場直播，還需要進一步的商業部署和技術積累。NR生態的逐步成熟有望進一步豐富電視媒體的內容制作手段，推動傳統電視向的轉型升級。