“4K+5G”技术在电视转播场景中的应用分析

李 竞

（作者单位：青岛市广播电视台）

4K超高清技术和5G移动通信技术是影像传输领域中的两项重要标志性技术，它们之间的有机结合在电视转播领域中展现出巨大的应用潜力。4K超高清技术通过将图像分辨率提高到2 000线以上、支持Rec.2020广色域、采用10位编码色深等技术手段，大幅提升了画面的呈现力和真实感。5G技术凭借支持超过10 Gbps的峰值速率、毫秒级的终端时延以及海量连接等显著优势，能够有效解决无线高清电视信号传输中的带宽和延时痛点。成功实现4K超高清节目内容，通过5G网络进行远程采集和传输，使电视转播系统呈现出前所未有的高清晰度和高效率。本文通过解析4K超高清技术和5G技术的定义及特点，重点阐明两者在电视转播中的结合方式，包括如何实现无线高清信号传输、支持多点远程采集和建设灵活的转播网络等；然后从系统架构设计、内容制播流程、信号传输方案、终端呈现技术进行分析。

1 “4K+5G”技术概述

1.1 “4K＋5G”技术定义与特征

“4K+5G”是将第四代超高清电视技术与第五代移动通信技术进行融合的技术，目的是实现无线高清电视信号传输。4K超高清的分辨率达到3 840×2 160，是1 920×1 080的高清图像的4倍。4K超高清符合ITU-R BT.2020的宽广色域标准，色域体积较BT.709高清标准扩大超过50%。其采用10位的编码色深，是8位编码的高清电视的4倍，色阶数量达到10亿级。这三大提升使4K超高清图像相较于高清图像有了质的飞跃，呈现出更精细流畅的画面质感和更丰富、细腻的色彩层次。5G移动通信作为第五代无线技术，其核心指标与4G网络相比呈数量级提升：峰值速率提升到10 Gbps以上，是4G网络的10倍；无线接入时延降低到1 ms以内，是4G的1/10[1]。5G网络具有大带宽、低时延、多连接的特征，可为无线电视信号传输提供持续稳定的管道。将4K超高清图像技术和5G无线传输技术进行有机结合，可以更好地保障无线高清电视信号的稳定传输，使电视转播系统实现无线化和高质量。

1.2 技术标准化进程

目前，4K超高清技术和5G移动通信技术的标准逐渐成熟，为两者的融合应用奠定了基础。4K超高清视频技术从2006年开始研发，2009年第一份标准SMPTE 4096确立，标志着4K标准化进入正轨。在此后数年里，4K超高清视频的核心标准（包括2012年国际电信联盟制定的UHDTV-1参数标准，以及2015年HDMI 2.0接口标准和HDCP 2.2内容保护标准）陆续形成并完善，4K超高清视频技术的标准体系日趋成熟，已经进入广泛应用阶段。同一时期，5G移动通信标准化也在快速推进。早在2012年，5G的概念就已提出，2016年，第一个5G新无线标准确立，此后，非独立组网（Non-Standalone, NSA）和独立组网（Standalone, SA）两种5G网络部署方案相继确定。2019年，工信部向中国电信、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，2020年5G实现大规模商用。随着运营商网络基础建设速度的加快，5G通信技术的各项标准也在持续迭代，4K超高清视频和5G移动通信这两项标志性技术在发展的时间进程上高度吻合，且日趋成熟，为“4K+5G”的技术创新应用奠定了基础。

2 “4K+5G”技术在电视转播中的应用优势

2.1 无线高清转播

5G网络提供了宽阔、低时延的无线传输通道，可有效解决传统电视转播系统存在的有线连接依赖问题，实现真正意义上的无缆化转播。相较于4G网络百兆级的最大数据率，5G网络提高到10 Gbps量级，足以传输数10路4K超高清电视信号。以高效率视频编码（High Efficiency Video Coding, HEVC）编码一路4K视频流大约需要10～20 Mbps的码率计，5G网络可以轻松传输上百路这样的信号，而4G网络几乎无法承载一路4K视频[2]。5G网络的无线接入时延可降至1 ms量级，是4G网络的1/10。这种毫秒级的低时延特性非常适合电视转播对实时性的苛刻需求，可以大幅降低从信号采集到终端呈现的端到端延迟，确保电视画面精准同步，尤其适合对实时性要求极高的现场直播。

2.2 多点位远程采集

由于无线覆盖范围广，5G网络能够支持电视转播在多个场景中实现远程无线采集，彻底打破以往微波链路等无线传输方式对机位布置的限制。5G系统覆盖不同频段，且能够提供相应的服务，如在700～900 MHz的低频段可实现上万米的长距离无线传输，适用于车载机位等远距离采集。因此，可按转播需求选择合适的频段进行远程无线连接。4G和其他早期的无线网络标准，通常只能支持几十路的连接，即同一时间内，每个节点只能与少数几十个设备建立连接，5G网络单一节点的无线连接数量可以达到百万级别，远远超过前者。这样，在转播现场就可以建立起一个广覆盖、大容量的无线采集网络，无须再设置大量的有线中继站，大幅降低了系统布置和管理的复杂度。5G提供了强大的无线覆盖和容量保障，相关工作人员可根据转播需要建立起灵活可扩展的多点远程采集模式，使转播系统更加灵活高效。

2.3 灵活的转播网络

5G网络可按需快速搭建灵活可扩展的电视转播无线网络。首先，5G支持网络切片技术，可根据转播内容和场景需求进行差异化网络部署，如针对体育赛事转播，设置更高带宽，更严苛的传输延迟指标，并进行用户隔离来保证服务质量。其次，5G基站具备快速部署和扩容弹性，转播时工作人员可根据实际需要在现场临时部署小规模基站，活动结束后及时拆除，无须长期占用资源。5G终端具有快速接入的特点，其数量可以根据转播过程中的机位和内容需求灵活调整。这些终端能够实时接入、切换和释放，构建出一个能够弹性调节的无线网络。总之，5G技术具备按需、快速、弹性扩容的特性，可根据转播场景需求构建灵活高效的无线网络，显著增强转播系统的可扩展性和可复用性。

2.4 丰富转播内容和形式

4K超高清技术提供更精致逼真的画面效果，5G技术的大带宽则可传输更丰富的音视频内容，二者相结合可极大拓展电视转播的手段。4K超高清的高分辨显示更精细流畅的画面细节，10位编码展现更丰富细腻的色彩层次，HDR技术呈现高达10 000∶1的宽广动态范围。5G技术提供的带宽，可以传输多声道数的立体声音效、丰富的环境音效以及多语言声道，并使其与画面精确同步，更好地烘托节目氛围。此外，多视角画面的实时切换也成为可能，导播人员可以选择不同的机位导播，优选视听视角。

3 “4K+5G”技术在电视转播中的具体应用

3.1 系统架构设计

“4K+5G”电视转播系统需要进行整体的网络架构设计，实现源端内容采集编码、无线传输和目的端解码播出。源端部署专业级4K摄像机进行高清晰图像采集，并使用HEVC/H.265等高效编码方式进行源压缩，减少数据量；编码后的视频流通过5G基站进行无线发射。在目的端，设置专业4K解码设备对视频流进行解码复原图像，并接入专业级4K显示设备进行节目画面播出。此外，源端和目的端都要与5G核心网实现互联，进行业务流量管理、调度控制等。5G网络方面，工作人员要在转播覆盖范围内布设5G基站，实现宽范围的无线接入；5G核心网负责服务质量（Quality of Service, QoS）保障、终端管理、信令控制等功能[3]。源端和目的端通过5G终端接入网络，同时要设置传输监控子系统，对视频传输质量进行监测反馈。通过高效的系统架构设计，4K超高清视频内容可以通过5G实现无线端到端传送，满足电视转播的无线化需求。

3.2 内容制播

“4K+5G”电视转播系统按照采集、编码、传输、播出的流程进行内容处理。首先，使用专业4K摄像机采集高清晰图像，同时采集立体声音频、字幕、数据等多源信号。然后，通过画质调节模块进行HDR、色彩增强等画面后期处理，并使用数字音频混音台进行多路音频混合，使用HEVC等高效编码方式对视频、音频源进行数字化编码，并进行多路信号的打包复用。复用后的源数据流，通过5G基站进行无线发射，系统采用网络切片、多连接传输等方式进行QoS优化和策略调度。最后，目的端通过4K解码设备进行解复用分路，恢复原始视频和音频信号，再通过节目播出调度平台播出[4]。通过适宜的流程规划，4K超高清源内容可以进行数字编码压缩后无线传输，最终实现精准的端到端传送与播出。

3.3 传输网络

“4K+5G”电视转播系统需要通过优化传输网络方案，确保内容的高质量无线传输。以赛事转播为例：首先，根据转播场地情况，采用多频段小基站形成覆盖网格，实现场馆区域的基本无线接入覆盖，同时要协调运营商在赛事场馆等转播周边地区进行无线网络规划，适当加密宏基站和微基站的部署，形成对重要机位点的无线覆盖强化。对于一些重要的观察点，如主播台、导播室等，可以设置专用的定向小基站实现专门覆盖。按照转播时间段、传输容量需求等组建专用网络切片实例，配置更丰富的无线带宽资源，采用针对转播业务的调度优先策略。另外，还要建立冗余设计机制，如设置主基站与备用基站发射同内容，以及通过多基站同时无线传输单源内容，即使局部网络出现故障，也不会中断视频传输[5]。

3.4 终端显示

“4K+5G”电视转播系统在目的端选用集成先进核心技术的高端专业显示设备，以充分还原超高清信号的效果。首先，选择原彩色激光等4K及以上超高分辨显示面板，覆盖广阔的Rec.2020等色域，展现细腻丰富的色彩层次。其次，需要支持HDR技术，通过高动态范围的信号编码结合显示端的本地调光运算，可呈现高达10 000∶1强烈对比感的画面效果。此外，显示设备还需支持高刷新率的画面播放，匹配4K高帧率视频源的拍摄参数，呈现流畅细致的画面运动过程。最后，显示端要集成智能化的画质分析优化算法，能对不同类型的画面内容进行智能分析，实时进行最优的参数调整，达到更好的显示效果。只有选择集成上述分辨率、色彩、高动态范围、高帧率以及智能画质优化等多项核心技术的专业级显示设备，才能对超高清源进行匹配和优化，真正呈现“4K+5G”转播系统传输的精良画面。

3.5 融合网络直播

“4K+5G”电视转播系统还要考虑与网络直播方式的集成，实现多屏终端同步传输。首先，在编码系统中增设支持基于HTTP的自适应码率流媒体传输协议（HTTP Live Streaming,HLS）、实时信息传输协议（Real Time Message Protocol, RTMP）等流媒体协议的功能模块，对4K视频源内容同时进行格式适配和协议封装，输出可通过互联网和移动网传输的编码流。然后，通过内容分发网络（Content Delivery Network, CDN）或者其他网络传输手段，将不同协议的流媒体信号分发至转播流监视器（Watcher）端。观众通过电视机顶盒、计算机、手机等支持流媒体播放的智能终端，接入Watcher端观看网络分发的4K直播内容。通过在编码系统内置支持多协议的流媒体输出模块，“4K+5G”转播信号自适应编码输出HLS、RTMP等标准的流媒体，丰富传输渠道，实现通过互联网、移动网等方式进行多屏同步观看，扩大转播内容的传播范围和受众需求。

4 结语

随着用户对视听体验要求的不断提升和行业竞争的日益激烈，传统电视转播方式面临着革新和升级。4K超高清和5G技术为传统转播注入了新的活力，不仅极大提升了转播内容的质量，也使转播实现了无线化和智能化，为行业发展提供了更多的可能性。青岛市广播电视台将5G技术广泛应用于信号传输、外场连线、多点采集转播制作中。展望未来，“4K+5G”等新技术与电视转播行业的深度融合，将推动转播方式实现由定点向多点的扩展，实现内容制播、信号传输、终端呈现等全链路的革新进步。这必将极大拓展电视转播的应用空间，使其在新闻采访、重大活动直播等领域发挥更大作用，为观众提供更好的视听体验。