5G技术的发展及其在电视直播中的应用

李超锋

摘 要：近年来，移动网络发展非常迅速，随着4K高清电视信号的出现，4G网络已经无法满足信号的传输要求，而5G在这方面已经取得了实质性的进展，并在2019年的一些电视直播领域首次进行了尝试，取得了不错的效果。由此，本文主要对5G的现状、关键技术和在电视直播中的应用进行探讨。

关键词：5G;通信网络;电视直播

中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：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

与现有4G通信网络相比，5G移动通信网络速率得到明显提高，且在安全性、灵活性和覆盖性等方面都具有较大优势。可以说，5G通信是对4G网络的一次革命性提升，传输效率非常高。

1 5G的发展现状

移动通信技术发展多年，每一代差不多都有一个十年的发展周期[1]。目前，移动客户端的各种应用占用带宽越来越大，低频段已经太拥挤了。按频谱划分，频率越高，越容易找到连片的大带宽资源，带宽越大，同时使用更优的调制技术，数据传输速率就更快。与4G网络相比，5G通信将拥有更高的能效，更稳定快速的网络连接和更快的传输速率。目前，4G的传输速率仅为75Mbps，而5G将会突破这一传输速率，运用64个天线单元自适应阵列传输技术满足未来流量的大幅度增加，传输更高码率的数据，满足1 000倍以上的用户需求。移动通信技术的发展如图1所示。

2 5G的基本特点和关键技术

2.1 5G的基本特点

2.1.1 速度快。5G最直接的特点是速度快。4G与3G相比，传输速率有了大幅度提升。而5G与4G相比，不仅在速率上得到提升，连接功能也非常强大，可以实现网络的覆盖面更广泛，使用户体验更加方便，效果更佳。无论人们身处何方，都可以迅速地将使用的设备连接到5G网络中，如利用手机看视频几乎感觉不到卡顿和等待，使用舒适度大大提升。

2.1.2 功耗低。5G出现后，人们的生活可能会进入智能时代，佩戴智能产品、使用智能家居将成为常态。其中，人们最关注的问题是设备耗电问题，若耗电量较低，智能设备将被多数人所接受。而5G的使用具有低功耗的特点，耗电量相对较低，耗电每个比特相比4G下降了10倍，这为智能设备的推广使用奠定了基础。

2.1.3 高容量。5G的容量是4G的20倍，高容量的特点可以成功弥补4G技术由于流量需求大时传输速率大幅下降的缺陷。如果在人口密度相对较大的地方运用5G技术，可以将传输速率进行平均分配，人们在接收信息时就不会出现卡顿和消息滞后的现象，从而大大提升人们的使用效果。

2.1.4 低时延。5G由于速度非常快，所以时延较低，在实际使用中，延迟为1ms，而且稳定性和可靠度都非常高。将5G通信应用到对时延要求较高的企业和人工智能中，将会给人们生活带来革命性的变革，如无人驾驶技术、高精尖自动化技术和电视4K/8K的高清直播等。

2.1.5 万物互联。在过去的通信中，每个人使用的终端都非常有限，而5G的到来，将会给人们带来较大便利，人们能同时使用数个智能设备，这些设备可以相互连接，以为人们的生活提供便利。此外，也可以将5G网络应用到社会管理中，给城市管理和城市生活带来极大便利。

2.2 5G的关键技术

5G网络能力和网络结构与4G有很大不同，是新一代的移动通信技术，不仅整合了过去的一些先进技术，而且有自己的核心技术。其核心技术主要有以下几点。

2.2.1 基于OFDM优化的波形和多址接入。当前的4G LTE和Wi-Fi系统广泛采用了OFDM技术，而5G也采用基于OFDM化的波形和多址接入技术，主要是因为其可以扩充带宽应用，且具有较低的数据復杂性和高频谱效率，能较好地满足5G的一些要求[2]。OFDM技术家族可实现多种增强功能，例如，通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率，以及创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输。

2.2.2 实现可扩展的OFDM间隔参数配置。为了支持更丰富的频谱类型/带和部署方式，5G将利用所有能利用的频谱，连接尽可能多的智能设备，5G NR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。LTE最高可支持20MHz的载波带宽，每个载波带宽为180kHz，1个载波在频域可分为12个子载波，每个子载波带宽为180kHz/12=15kHz，20M的带宽就可以支持 200个子载波。这一点至关重要，根据信道带宽，利用可变的快速傅氏变换算法（FFT），扩展为更大带宽时，可以保证不增加系统处理的复杂性。为了支持不同信道在多种模式下带宽的要求，5G NR采用不同的参数配置来提高多路传输的效率。

2.2.3 OFDM加窗提高多路传输效率。OFDM能实现波形后处理（post-processing），可实现多种增强功能，可以通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务之间提高多路传输效率，以及创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输[3]。将来5G若实现商用，就可能被应用于大规模物联网，那么就会有很多的设备进行相互连接，而5G此时必须要提高多路传输效率，以满足数亿计设备联网的需求。频带内和频带外信号辐射必须尽可能小，以保证相邻频带不相互干扰。

2.2.4 灵活的框架设计。设计5G NR的同时，采用灵活的5G网络架构，进一步提高5G服务多路传输的效率。这种灵活性不仅体现在时域上，也体现在频域，5G NR的框架能充分满足5G的不同服务和应用场景。

2.2.5 先进的新型无线技术。目前，用在4G LTE上的一些先进技术，也可以应用在5G上，如载波聚合、MIMO、非共享频谱等。这些通信技术主要有以下几个。

①频谱共享。用非授权频谱和共享频谱，能将5G扩展到多个维度，以支持新的部署场景、使用更多频谱、实現更大的容量。这不仅可以使拥有授权频谱的移动运营商受益，而且还可以为没有授权频谱的厂商创造机会，如物联网相关行业、企业和有线运营商等，让他们能够充分利用5G NR技术。

②大规模MIMO。利用MIMO技术可以提高信道的容量，也可以提高信道的可靠性，降低误码率。从2×2提高到了目前4×4MIMO。更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，只能在基站端叠加更多MIMO。从目前的理论来看，5G NR可以在基站端最多使用256根天线，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统信道容量。

③毫米波。全新5G技术正首次将频率大于24GHz以上频段（通常称为毫米波）应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可以提供大容量、高速数据传输，这将使人们对移动互联网有一个更好的体验。但是，毫米波频段传输的信号由于信号衍射能力有限，无法穿透墙体，会造成传输路径受阻，面临着波形和能量消耗等问题。

3 5G在电视直播当中的应用

5G带宽的能量非常大，可以制作、传输效果更佳的高清视频内容，支持4K、8K及VR等全新的视频展现形式。在2019年的春节晚会中，中央电视台首次使用5G网络进行4K+VR超高清直播，给观众带来了视觉上的震撼感受，也是5G技术在媒体融合中的一次展示，标志着5G时代的来临。

2019年4月7日，拜祖大典在新郑举办，郑州电视台也采用5G网络对现场进行了一次电视直播尝试。直播开始前，郑州电视台技术人员和相关公司的技术团队制定了详细的网络保障方案，移动公司部署了多个5G无线网络站点，技术人员在直播开始前反复对整个5G网络系统进行调试和实验，并对现场不同地点和位置进行了“地毯式”测试，对现场的各项网络指标进行排查，发现问题，及时调整。

以前在电视上看到的现场直播，主要是通过导播切换到平面画面，而这次直播采用的是高清摄像机拍摄的4K+VR高清画面，其像素约是全高清视频像素1080P的4倍，网络上行速率高于50Mbps。而且现场摄像机拍摄的信号必须使用线缆进行回传，机位相对固定，或者在一个小范围移动。有了5G网络，那么对4K信号的传输就显得很轻松，而且还可以不受回传方式的限制和位置限制，实时传输至移动直播车的播控平台，经过画面选取、编辑、叠加字幕后，经由光纤和5G网络到达观看端，同时也解决了以往卫星+光缆的回传限制问题，大大降低远程直播的成本。人们在家通过电视可以看到不一样的直播画面，更具有真实感、现场感和沉浸感。在拜祖大典现场，人们拿出手机点开“看郑州”客户端中的现场直播链接，从手机中看到的画面和现场看到的画面能基本保持一致，甚至能看到手机画面中镜头较近的人脸上的皱纹，随着镜头的移动，手机里呈现的画面也非常清晰，犹如身临拜祖大典现场。

与以往的4G直播相比，这次直播活动抗干扰性更强，时延有所降低，视频信号传输更稳定，清晰度也有了质的提升。过去使用4G无线传输高清4K信号可能会出现延时和卡顿，而这次使用5G网络，整个直播过程十分流畅、无卡顿、无中断。这次超高清电视直播是郑州电视台第一次使用“5G+4K”，是对5G信号的一次尝试，也是我们下一步探索媒体融合的一项重要举措。

4 5G未来的前景

与4G相比，“高性能、低延时、大容量”的5G并不只有网速的跨越式提升，更能带来全行业数字化的变革，与大数据、人工智能、云计算等技术协同发展，将会使人们的生活水平有一个质的提升。除电视直播外，5G网络会带人类进入“万物互联”时代，信号传输几乎无延时，可以使无人驾驶、VR体验等技术得到进一步发展。

2019年，全国各地电视台都在陆续尝试使用5G进行直播，但这只是5G应用的冰山一角。今后，5G还将给人们的日常生活带来巨大的变革：如智慧交通将给人们的生活带来更加便利的出行方式;智慧家居将会给人们的生活带来更加舒适的生活体验;智慧医疗将会给患者提供更多的医疗资源保障等。相信在今后5G的发展过程中，会有越来越多的智能科技为人们所利用，让人们的生活和工作变得更加方便、智慧。

参考文献：

[1]余莉， 张治中， 程方，等. 第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2014（4）：427-433.

[2]项立刚.5G的基本特点与关键技术[J].中国工业和信息化，2018（5）：36-43.

[3]苏青霄.浅谈5G移动通信发展走势和关键技术[J].信息通信，2018（5）：248-249.