呂兆明

中央廣播電視總臺 北京市 100000

引 言

5G 網(wǎng)絡(luò)作為一種新的傳輸方式給廣播直播帶來了許多新的可能性，目前廣播轉(zhuǎn)播的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式較多是用其替代傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，用于直播信號的傳輸。廣播轉(zhuǎn)播一般會在直播現(xiàn)場搭建一個具備完整功能的廣播直播間，由主持人在現(xiàn)場制作完整的播出節(jié)目信號，實時回傳到臺內(nèi)主控再進行播出。5G 網(wǎng)絡(luò)在直播現(xiàn)場提供網(wǎng)絡(luò)接入方式，將現(xiàn)場直播節(jié)目信號回傳到臺內(nèi)主控，與傳統(tǒng)使用有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要在于現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)接入變化。

高帶寬低延時的5G 網(wǎng)絡(luò)具備足以替代有線寬帶的性能指標，并且移動性更強，網(wǎng)絡(luò)部署更靈活，無線接入的傳輸形式使得直播的節(jié)目形態(tài)具備更多的可能性和創(chuàng)新性。筆者結(jié)合工作中多次的5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，針對遇見的一些問題，對目前的應(yīng)用模式下如何在廣播轉(zhuǎn)播中更好使用5G 網(wǎng)絡(luò)進行探討。

1 廣播轉(zhuǎn)播的5G網(wǎng)絡(luò)接入的方式

5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸從終端發(fā)出，經(jīng)過基站進入核心網(wǎng)。因此傳輸終端必須具備接入5G網(wǎng)絡(luò)的能力。最理想的是傳輸設(shè)備集成5G 終端芯片或具備專用5G 適配天線，但目前純音頻傳輸?shù)脑O(shè)備仍未有集成5G 功能的成熟產(chǎn)品，因此通過把5G 移動網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化為網(wǎng)線或者WIFI，配合原有的基于IP 的純音頻傳輸設(shè)備使用，是目前最常用的5G 網(wǎng)絡(luò)接入方式。轉(zhuǎn)化5G 網(wǎng)絡(luò)需要使用5G 手機或CPE設(shè)備（Customer Premise Equipment 客戶終端設(shè)備），將5G 信號轉(zhuǎn)化為WIFI 信號，部分CPE 設(shè)備具備將5G 網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化為有線網(wǎng)絡(luò)輸出的功能，比如華為和中興的CPE 產(chǎn)品。

通過5G 手機熱點WIFI 的方式，可以完全脫離位置限制，靈活性最大。能最好滿足需要移動直播的場景。并且通過移動電源的配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間不中斷的移動傳輸。并且設(shè)備輕量，十分適合解決有長時間移動需要的現(xiàn)場直播信號傳輸。

圖1 有線寬帶與5G 網(wǎng)絡(luò)的直播架構(gòu)對比

圖2 武漢軍運會開幕式現(xiàn)場測試無線WIFI 環(huán)境

WIFI 的數(shù)據(jù)傳輸是以信道為載體，在可使用的頻段范圍內(nèi)劃分出不同的信道供WIFI 網(wǎng)絡(luò)使用。WIFI 傳輸協(xié)議規(guī)定終端發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要通過先發(fā)送 一 個RTS （request to send）數(shù)據(jù)包，確保信道資源獨享才會進行數(shù)據(jù)傳輸，此機制目的是為了在有限的無線頻段資源里，充分平衡各個WIFI 網(wǎng)絡(luò)的無線資源使用權(quán)。因此同一個環(huán)境中使用同一信道的WIFI 設(shè)備數(shù)量增加，必然會導(dǎo)致整體的網(wǎng)絡(luò)性能下降。WIFI 使用的無線頻段是2.4G 和5G，5G 頻段技術(shù)標準是在2.4G 頻段公布的10 年后2009 年公布的，在物理速率、信道帶寬、吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能都遠超過2.4G 頻段。而由于推出時間早，使用2.4G 頻段的WIFI 設(shè)備數(shù)量要遠遠多于使用5G 頻段的，并且還有其它許多無線電子設(shè)備也使用2.4G頻段無線資源，比如藍牙設(shè)備、無繩電話等。相比較5G 頻段WIFI 的劣勢是衰減快穿透能力弱，但只要傳輸設(shè)備跟5G 手機或CPE 靠近架設(shè)即可解決，因此使用上更傾向于選擇將5G 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成干擾少，并且性能更優(yōu)的5G 頻段WIFI。

通過CPE 轉(zhuǎn)化5G 網(wǎng)絡(luò)的方式，5G CPE 作為專門的5G 網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化設(shè)備，在硬件上具有優(yōu)勢，能提供千兆級甚至萬兆級的接入帶寬。并且CPE 設(shè)備不受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計，比起5G 手機有足夠充裕的空間實現(xiàn)的多天線設(shè)計，充足數(shù)量的MIMO 天線使其具備更高的5G 信號收發(fā)能力。使用CPE 能夠最大限度的發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)的性能，在性能指標上5G CPE 的網(wǎng)絡(luò)接入甚至優(yōu)于一般的互聯(lián)網(wǎng)寬帶。

圖3 武漢軍運會在開幕式現(xiàn)場5G 手機的熱點WIFI（左）和5G CPE 的WIFI（右）的測速

2 提高使用5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量

2.1 使用無壓縮的音頻編解碼方式

在IP 編解碼傳輸設(shè)備的5G使用測試中，對編解碼方式進行控制變量試驗，對比發(fā)現(xiàn)設(shè)備使用的編解碼方式壓縮率越低，傳輸效果越好。常見的音頻編解碼方式中，L-PCM 優(yōu)于FLAC 優(yōu)于AAC。

使用有線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，數(shù)據(jù)從設(shè)備發(fā)出，是有序的進入網(wǎng)絡(luò)。常見問題是網(wǎng)絡(luò)帶寬被擠占、數(shù)據(jù)擁塞導(dǎo)致延時突然增加，發(fā)生數(shù)據(jù)接收的超時和亂序。通常使用更高壓縮比的編碼方式減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能有效解決。而5G 網(wǎng)絡(luò)是無線傳輸，數(shù)據(jù)從設(shè)備到基站之間通過無線電波傳輸，最主要的問題是無線傳輸?shù)牟豢煽匦裕瑪?shù)據(jù)從設(shè)備到基站的亂序、誤碼和丟失。

數(shù)據(jù)量較高的L-PCM 編碼方式，采用48kHz 16bit 格式的碼率是1536 kb/s，常用類型的AAC 編碼方式碼率是100 kb/s上下。雖然有著約10 倍的數(shù)據(jù)量差別，但對于千兆級以上帶寬的5G 網(wǎng)絡(luò)，并不顯現(xiàn)差異性。對于傳輸系統(tǒng)，t 傳輸延時≈t 處理延時+t 網(wǎng)絡(luò)延時，由于LPCM 編解碼無壓縮，所以t 處理延時（L-PCM）≈0，得出t 傳輸延時（L-PCM） ≈t 網(wǎng)絡(luò)延時（L- PCM） + t 處理延時（LPCM） ≈t 網(wǎng)絡(luò)延時（L-PCM），通常小于10ms。對于數(shù)據(jù)量更少的AAC 編碼方式，t 網(wǎng)絡(luò)延時（AAC）≤t 網(wǎng)絡(luò)延時（L-PCM）≤10ms，得出 t 傳輸延時（AAC）≈t 處理延時（AAC）+t網(wǎng)絡(luò)延時（AAC） ≈t 處理延時（AAC），通常約200ms。在超低延時的5G 網(wǎng)絡(luò)中，壓縮編解碼的數(shù)據(jù)的處理延時能會是網(wǎng)絡(luò)延時的幾十倍。AAC 編碼方式所傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮，去除了大部分相關(guān)性，即使相對輕微的數(shù)據(jù)誤碼和丟失，對數(shù)據(jù)解碼都會有嚴重的影響。單個比特的誤碼就有可能會在解碼序列中引起一段時間區(qū)域的音頻質(zhì)量下降，而L-PCM 編碼方式?jīng)]有經(jīng)過壓縮，誤碼不會產(chǎn)生額外影響，并且無壓縮的數(shù)據(jù)流中有前后大量的具備強相關(guān)性的數(shù)據(jù)，十分有利于數(shù)據(jù)修復(fù)和糾錯。

圖4 傳輸設(shè)備使用5G 網(wǎng)絡(luò)時，選用AAC 編解碼的丟碼率（左，1.2%）和L-PCM 的丟碼率（右，0.0%）對比

圖5 傳輸設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄，對比L-PCM 編解碼（右）AAC 編解碼（左）的丟碼主要原因是數(shù)據(jù)的包亂序

圖6 傳輸設(shè)備使用5G 網(wǎng)絡(luò)，傳輸狀態(tài)穩(wěn)定（左）和不穩(wěn)定（右）的輔助數(shù)據(jù)（淺藍色部分）開銷對比

用于直播的傳輸設(shè)備絕大部分都使用UDP 傳輸協(xié)議，UDP采取盡力而為的非可靠數(shù)據(jù)傳遞機制，本身輔助控制數(shù)據(jù)開銷小，數(shù)據(jù)傳輸處理具有很高的速度優(yōu)勢。傳輸設(shè)備的擁塞控制、丟包重傳、抖動處理、智能調(diào)節(jié)等網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量控制均由上層應(yīng)用來完成。5G 網(wǎng)絡(luò)相比較與有線網(wǎng)絡(luò)，信號在無線傳輸過程中容易出現(xiàn)傳輸不穩(wěn)定情況，傳輸不穩(wěn)定時會增加輔助控制數(shù)據(jù)來應(yīng)對數(shù)據(jù)亂序到達和誤碼丟包。

由于音頻數(shù)據(jù)的量級差異在5G 網(wǎng)絡(luò)的超高帶寬中是不產(chǎn)生區(qū)別的，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更小的壓縮數(shù)據(jù)并不會有助于提升傳輸質(zhì)量，相反使用無壓縮的音頻數(shù)所節(jié)省的編解碼壓縮延時，能夠有更多的時間執(zhí)行更多的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量控制，如數(shù)據(jù)包重傳等，有更高的容錯能力應(yīng)對傳輸抖動和誤碼。

2.2 適用于直播的5G 網(wǎng)絡(luò)接入策略

在軍運會開幕式彩排現(xiàn)場進行5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸測試時出現(xiàn)過頻繁的傳輸中斷，表現(xiàn)為傳輸延時逐漸增加至傳輸終端。開啟設(shè)備的中斷自動重撥功能，發(fā)現(xiàn)中斷后數(shù)秒內(nèi)設(shè)備會重新連接成功，并且傳輸延時恢復(fù)到正常值。通過運營商對后臺數(shù)據(jù)的追蹤分析，判斷是由網(wǎng)絡(luò)的負載均衡引起。負載均衡是在通信負荷超過一定閾值后，根據(jù)情況進行動態(tài)平衡資源重配，確保用戶和業(yè)務(wù)得到及時調(diào)度的一種策略。

5G 網(wǎng)絡(luò)分NSA 和SA 兩種組網(wǎng)方式。NSA 是非獨立網(wǎng)絡(luò)，使用4G 基站資源作為基礎(chǔ)組建5G網(wǎng)絡(luò)，目前我國絕大部分地區(qū)的5G 網(wǎng)絡(luò)都是NSA 組網(wǎng)方式。NSA 組網(wǎng)5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)使用5G網(wǎng)絡(luò)傳遞，具備高帶寬低延時等5G 網(wǎng)絡(luò)特性，但是信令是通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳遞，因此在基站資源的使用上并沒有與4G 用戶分隔開。負載均衡是基站本身的一種運作策略，因此5G 用戶也會受其影響，在使用中要避免負載均衡的影響有3 種解決方法。

第一種方法是鎖小區(qū)及鎖頻，鎖頻和鎖小區(qū)都可以在設(shè)備端獨立進行設(shè)置并啟用，操作上具有很高的便利性。通常1個基站劃分有3 個無線覆蓋區(qū)域，稱為扇區(qū)。每個扇區(qū)使用一個或多個無線載波完成無線覆蓋，每個無線載波使用某一個載波頻點，或者使用同一個載波頻點但不同的擾碼。通過使用不同的擾碼或頻率在扇區(qū)中進行分層，不同的層稱為小區(qū)，用于承載基站與用戶之間的數(shù)據(jù)。負載均衡時基站會將高負載小區(qū)的部分用戶和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分散到其他負載相對低的小區(qū)，分散壓力提升基站的整體效率。

負載均衡雖然對于一般的用戶用使用場景是沒有影響的，載波和小區(qū)的切換不會引起數(shù)據(jù)的中斷，但是會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B貫性。發(fā)生載波轉(zhuǎn)移前后的數(shù)據(jù)到達接收設(shè)備的時間會產(chǎn)生很大的差異，過大的抖動造成了直播的數(shù)據(jù)傳輸中斷。通過鎖頻和鎖小區(qū)確保設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)所使用的載波和小區(qū)不變，負載均衡發(fā)生時讓其他客戶被分散出去，直播節(jié)目的數(shù)據(jù)流仍保持在原載波和小區(qū)上，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，降低數(shù)據(jù)的傳輸延時差異，有效減少抖動發(fā)生。

第二種方法是使用QoS 保障業(yè) 務(wù)，QoS （Quality of Service服務(wù)質(zhì)量）是運營商用于提升通信質(zhì)量的一種技術(shù)業(yè)務(wù)，實施上涉及核心網(wǎng)（EPS）和無線側(cè)（gNB）兩方面，第一種方法的鎖頻和鎖小區(qū)都屬于無線側(cè)的QoS 策略。目前5G 用戶數(shù)量少，5G 核心網(wǎng)的資源豐富，對于小規(guī)模數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，只需針對無線側(cè)進行優(yōu)化策略既可以達到很好的效果。QoS 保障首先需要在5G 核心網(wǎng)進行技術(shù)參數(shù)設(shè)置，再對直播現(xiàn)場的5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行測試，根據(jù)實際情況進行基站配置，保證核心網(wǎng)設(shè)置的QoS 參數(shù)能夠落實到用戶終端。

圖7 在5G 手機上通過后臺APP 進行鎖頻和鎖小區(qū)操作

對于使用4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為基礎(chǔ)的NSA 組網(wǎng)5G 網(wǎng)絡(luò)，QoS策略通常由核心網(wǎng)來控制，無線側(cè)適配，配置核心網(wǎng)的專用承載，提高QCI （QoS Class Identifier，QoS 等級標識） 等級，確保數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)的帶寬速率不被其他用戶侵占。提高ARP（Allocation Retention Priority 分配保留優(yōu)先級）等級，確保承載數(shù)據(jù)的重要性，在數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)吞吐、資源釋放等重要獲得優(yōu)先級，不會被其他業(yè)務(wù)擠占資源。運營商QoS 保障措施與實現(xiàn)十分成熟，提前向運營商提出QoS 申請，在直播現(xiàn)場進行充分調(diào)試調(diào)整，能很好的保障直播的使用。

第三種方法是使用網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片是5G 網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片是運營商在5G 網(wǎng)絡(luò)上劃分出多個虛擬網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，每個網(wǎng)絡(luò)切片從設(shè)備到接入網(wǎng)到承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)在邏輯上隔離，同一個5G 網(wǎng)絡(luò)里可以“切出”多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，并且每個切片可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進行差異化配置，實現(xiàn)按需組網(wǎng)。

5G 網(wǎng)絡(luò)的切片從無線接入網(wǎng)到承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源都是完全獨立的，不同切片間的資源是相互隔離的，不會被其他用戶侵占，避免網(wǎng)絡(luò)風險安全性高，等同于在5G 網(wǎng)絡(luò)中開通一條專線。只有完全基于5G 資源和技術(shù)的SA 組網(wǎng)方式能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，目前5G 網(wǎng)絡(luò)切片已經(jīng)有4K 視頻的傳輸試驗，具備專用獨占性的5G 網(wǎng)絡(luò)切片將會成為傳輸直播節(jié)目的理想方式。

3 結(jié)束語

目前基于IP 的音頻傳輸設(shè)備以及CPE 設(shè)備均十分成熟，能夠為使用5G 作為網(wǎng)絡(luò)接入手段來融入到廣播轉(zhuǎn)播中提供很好的技術(shù)支撐。使用5G 移動接入的優(yōu)勢在于減少了布置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時間和手續(xù)，直播技術(shù)系統(tǒng)搭建不受通信線路鋪設(shè)的位置限制更加靈活，十分有利于轉(zhuǎn)播的技術(shù)部署效率提高，尤其適合應(yīng)對突發(fā)事件的直播。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展完善，以及5G相關(guān)專業(yè)設(shè)備的開發(fā)完善，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在直播傳輸?shù)膽?yīng)用將會是未來的發(fā)展趨勢。