5G技术在广播电视工程中的应用

李 杰

（沂水县融媒体中心，山东 沂水 276400）

5G时代的到来，为广播电视工程建设提供了新的融合建设方向。现阶段，5G技术在全国范围内已经得到了广泛的商用普及，市场、用户对5G这一概念都已经不再陌生。在广播电视工程领域，5G技术以其较低的传输延时、传输通信设备的智能兼容和信号的强稳定性，逐渐成为广播电视工程建设的主要方向，为改造传统广播电视系统、满足广播电视受众的新需求提供了新思路。

1 5G时代通信技术的演变趋势

1.1 更快的传输速率

相较于4G网络静止通信速率的标准峰值1 000 Mbps，5G网络的静止传输速率已经达到20 000 Mbps，理论传输速率扩大了近20倍[1]。截至2022年上半年，全国5G网络移动连接存量达到120亿，相较4G网络（自2016年起至今，移动连接存量85亿），在普及规模、连接数量和传输速率上都有着明显的优势。当前，在广播电视工程中，一般选用低频传输，频段在600 MHz～2.925 GH z之间。低频传输的优势在于能做到大面积的覆盖且维护成本较低，在4G时代，利用载波聚合技术也能将数个不连续的低频载波加以整合，以满足网络传输需求，但随着技术迭代，广播电视传播对传输速率的要求越来越高，广播电视工程在应用传输技术时，更关注高频段（70～600 GHz）的开发，5G的信号传输模式正符合高频段资源开发的技术趋势。

1.2 更高的通信质量

5G传输的一个重要特征是D2D（Device to Device，终端直联）模式。传统模式下，广播电视的信号传输需要将信号从起始终端发送至中间基站，再由中间基站转发至另一终端[2]。而在D2D模式下，蜂窝频谱的复用使频谱在免授权的情况下即可在终端间建立直接通信，不再依赖中间基站的数据转发，网络频谱的工作效率、吞吐量均得到大幅提升，通信容量较4G时代更大。D2D模式对频谱的复用可以在保证被复用的蜂窝用户的通信质量的前提下，传输较大的数据量，同时依靠PBS（Proximity Based Service，邻近服务）解决基站中转的能耗和延时问题，显著提升小范围内的信号质量，因此，其在公共安全通信、近场通信、社交通信、车载通信领域均得到了广泛的应用。

1.3 更低的传输延时

随着技术的发展，4G-LTE的网络延迟已经被控制在10毫秒以内，5G时代网络延迟被进一步降低。以5G技术中的uRLLC（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，低延时高可靠通信）为例，LTE的传输时间间隔（TTI）为固定的1毫秒，而5G的灵活帧技术可以将数据传输的时隙值压缩至最短0.125毫秒[3]，信号传输可以不具备固定的传输时间间隔，新空口（New Radio，NR）技术还允许子帧独立，将数据传输、信令控制等步骤在单独的子帧内分别完成，从整体上大幅降低传输延时。集成了5G蜂窝网络的TSN（Time-Sensitive Network，时间敏感网络）技术，可以将内置的5G网络转化为高速TSN网桥，将精确时间协议数据单元的5G QoS流指示符映射到TSN网络，实现以太网传输的低延。

2 5G技术在广播电视工程中的应用

2.1 应急广播建设中的5G NR MBS组网技术

应急广播建设是近年来各地广播电视系统工程建设的重点内容，尤其在一些边远地区和灾害多发的地区，亟须建设完善的应急广播体系，从通信传播领域保证当地人民的人身安全和财产安全。在应急广播建设中，基于3GPP技术的5G广播建设能够在700 MHz频段内发挥重要作用[4]。目前，由于运营商的建设重点与广电不同，我国农村地区的基站在700 MHz频段上的5G信号覆盖半径超出4 900 MHz的3倍以上，基站数量也远超后者，因此，当前的应急广播建设多基于700 MHz频段的使用新空口（NR）组网广播（Multicast/Broadcast Service，MBS），由蜂窝网络与发射塔同步处理，实现单对多的数据传输。支持MBS的5G网络具体设计包括会话管理功能（Session Management Function，SMF）和用户面功能（User Plane Function，UPF）两个部分，SMF与UPF同时支持两种会话模式，能够部署MBS会话的专属网元，由5GC控制传输信道是否共享，NR-RAN控制传输单对单或单对多的模式切换。

在应急广播建设中，3GPP标准所定义的关键任务服务（MCS）就是利用低延时、高速率、稳定且安全性强的通信技术优先处理应急广播信息。因此在具体建设中，MBS能够凭借技术迭代，不断扩大信号覆盖面和信息传输的精准程度，不仅被应用于应急救灾信息的下行传播与范围推送，还能够将受灾地区需要上行的信息尽快返回中心[5]，完成应急广播建设对MCS关键任务服务的新要求。MBS会话、MBS QoS流的交换，都可以做到对MC媒体内容的精准控制，连接5G核心网络和MCS的UE通信管道。在5G NR的整体广播系统传输建设框架中，上行链路被专门用于单播资源传输，下行链路则根据使用场景的不同，既可以采取单播传输方式，也可以在多小区情况下MBS传输方式或二者的组合方式。在下行链路中，数据的单对多传输依靠不同的QoS流组成会话，会话主要分为广播会话与组播会话，广播会话的数据使用NR空口同时发送给应急广播覆盖区域的所有用户，首先由应用层建立通信群组，群组成员以单播的形式接收下行数据，然后激活组播会话，形成包含组播会话信息标识的会话信息，然后UE加入组播会话，服务端决定开始使用组播发送数据，并停止所有的单播数据传输；组播会话则通过PTP或PTM，对空口数据按照群组组别进行分发，区别在于形成包含广播会话信息标识（TMGI）后，MC保存TMGI，开始监听广播信道的接收质量，然后UE上报，进入广播发送数据的流程。在以上两种过程中，实现MC关键任务的基本流程是：由服务器激活两种不同MBS会话，同时向MC客户端发送会话信息，然后UE信道向服务器上报所有会话数据，再由服务器分发下行数据。

MCS的应用场景比较广泛，其业务形态包括MCPTT（Mission Critical Push To Talk，关键任务一键通）、MCData、MCVideo等，MCPTT在群组通信场景中应用较多，可以预置小组、聊天组和临时广播组，在单对多、多对多的语音通话中都能起到较好的接通效果；MCData则侧重于短信、文件的发送，能够在消息通知、文件传递等方面优化应急广播的配套体验；MCVideo则主要服务于应急通信中的视频需求，是应急广播形态演变的重要服务基础，广播覆盖区域的受险用户，可以通过终端经实时视频流与通信中心取得联系，也可以将视频通信的优先级调高，标记其紧急程度，以取得优先的通信资源分配与通信时效，这些通信服务都体现了5G组播/广播技术对应急广播优化的新趋势。

2.2 VR新闻直播系统建设中的5G高速传输网络

随着计算机虚拟环境和即时生成能力的不断增强，虚拟现实（VR）技术在各领域已经得到了广泛的应用。对于广播电视系统来说，建设VR新闻直播系统能够实现对新闻的全天候360°全景无缝播报，同时在全景直播的基础上通过虚拟植入增添直播趣味，吸引观众的注意力。在VR新闻直播系统的设计中，5G网络能够满足高清场景切换、报道内容变更等传输需求。

一般来说，VR新闻直播系统分为5个子系统，首先由摄像机360°全景采集影像，再将采集到的影像传回全景缝合的云服务，由云服务端进行云编码，最后通过智能云根据用户设备进行推送。在这一过程中，5G高速传输网络的架设是实现全过程传输的基础。一方面，全景摄像机的摄录基准为4K分辨率，每分钟录制视频大小在375 MB以上，环绕新闻直播间的多台摄像机上传至云端的实时数据传输量巨大，只有5G传输网络的能够满足高速上载和实时消息传输协议（Real Time Messaging Protocol，RTMP）的需求[6]；另一方面，技术人员一般会根据5G架构的规范在现场布设无线TSN网络，满足现场智能设备的实时传输需求，现场5G网络的架设能够进一步提升VR新闻直播系统的工作效率。

2.3 电视信号转播系统建设中的5G CP-OFDM调制技术

电视转播的5G信号传输系统，其调制方案根据具体场景有所不同，但核心都是OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）调制技术的改进。在OFDM调制下，不同的滤波器结构会导致调制结果不同，而5G技术在此的应用方案CP-OFDM可以借助快速傅里叶变换等方式，与MIMO结构相结合，灵活调整时域与频域下的载波，可以在频道资源非紧张的状态下，省去带通滤波器，大幅简化转播系统的硬件构成。在时域上，5G传输能够对子载波间隔进行灵活控制，可以满足低时延、低覆盖范围或高时延、高覆盖范围两种不同的转播需求；在频域上，5G下的OFDM支持多种子载波间隔，其嵌套关系相当于利用5G网络支持多重子载波的特性制作一种收纳信号的“信号盒”[7]，在“信号盒”中能够同时“封装”不同的信号，填充不同速率的信息，从而实现多种网络传输方式的智能组合。

在应用层面，CP-OFDM调制的5G信号目前需主要攻克的传输问题是基站切换时的信号质量下降问题，类似于超清、高清等格式的网络直播等流媒体传输，在基站切换时可能遇到传输速率骤降、传输过程丢包等问题，解决方案是通过完善UPF缓存机制，建立终端空闲状态下的UPF缓存，使发往UPF终端的流量在终端因基站切换而暂时处于离线状态时，不会出现较大程度的丢包现象（正常情况下丢包率可以控制在10%以内），同时由UPF主动寻呼终端，能够使终端在基站切换后第一时间与UPF连接，接收缓存的数据。UPF还可以对数据包进行内容检测，分析用户上行流量中数据包的内容，生成流量报告，同时为流向网络环境以外的数据包添加QoS标记，当网络出现拥堵时，外部传输网络可以根据数据包的QoS标记判断数据传输的优先级，按照优先程度处理各数据包的传输。

3 结束语

5G技术使“万物互联”的概念进一步成为现实，在广播电视工程建设中，也以其划时代的传输优势得到了广泛的应用，从技术生态和实际应用上改造了传统的信息传播方式，甚至改变了广播电视媒体的运营逻辑，为广播电视工程建设提供了新的规范。未来，随着传输技术与传输介质的不断迭代，5G技术将持续为广播电视行业的技术升级赋能，与广播电视工程建设的联系将更加紧密。■