【摘要】隨著5G和8K技術(shù)的飛速發(fā)展，廣播電視工程領域正面臨前所未有的轉(zhuǎn)型機遇與挑戰(zhàn)。本文綜述了5G高速網(wǎng)絡和8K超高清視頻技術(shù)的基本概念，深入探討了5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中的應用難點，特別是高帶寬和低延遲的需求以及5G信號覆蓋的不均和穩(wěn)定性問題，并提出了一系列應用策略，包括網(wǎng)絡優(yōu)化和邊緣計算的應用，使用信號增強和備用技術(shù)以保障信號連續(xù)性，采用先進的編碼技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸效率以及電源管理和備用電源系統(tǒng)的設計確保直播過程的穩(wěn)定性。

【關鍵詞】5G；8K；移動直播技術(shù)；廣播電視工程

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.24.002

在傳統(tǒng)的廣播電視直播系統(tǒng)中，高質(zhì)量視頻傳輸通常依賴于專用的傳輸線路和設備，這在很大程度上限制了直播活動的靈活性和覆蓋范圍。而5G+8K移動直播技術(shù)的出現(xiàn)，意味著可以在更廣泛的地域范圍內(nèi)，以更靈活的方式，提供高清晰度的直播服務。這不僅提升了觀眾的觀看體驗，也為內(nèi)容創(chuàng)造者提供了更多樣化的表現(xiàn)手法和創(chuàng)新的可能性。本文探討了5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中的實際應用及其面臨的挑戰(zhàn)，同時提出了相應的解決策略，以優(yōu)化直播質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1. 5G和8K技術(shù)概述

1.1 5G

5G技術(shù)，即第五代移動通信技術(shù)，是繼4G之后的新一代通信技術(shù)，其核心優(yōu)勢在于高速率、低延遲和大連接數(shù)。在廣播電視工程領域，5G技術(shù)的應用開啟了高清視頻傳輸和實時互動的新時代。與以往技術(shù)相比，5G顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，達到了每秒上Gbps級別，這使得4K、8K等超高清視頻內(nèi)容的實時傳輸成為可能，極大地豐富了觀眾的視覺體驗，5G技術(shù)的低延遲特性，延遲降至毫秒級，這對于直播等實時性要求極高的應用尤為重要，有效減少了畫面?zhèn)鬏敽吞幚淼臅r間，提高了播出的流暢性和互動性。

5G還支持更多的設備連接，這在大型活動直播中尤為關鍵，能夠處理成千上萬的并發(fā)連接，無論是現(xiàn)場的攝像設備還是觀眾的移動設備均能保持穩(wěn)定連接。這種大連接數(shù)的特性，也使得虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)在廣播電視領域得到了更廣泛的應用，觀眾可以通過VR/AR設備獲得沉浸式的觀看體驗，這不僅提升了觀眾的觀看體驗，也為廣播電視內(nèi)容的創(chuàng)新和多樣化提供了技術(shù)支持。

1.2 8K

8K技術(shù)代表了電視和廣播工程領域的一次飛躍，它以7680×4320像素的分辨率定義了一種超高清視頻格式，是目前普及的4K分辨率的四倍，總像素數(shù)達到了驚人的3300萬以上。這種技術(shù)能夠提供前所未有的圖像清晰度，使得畫面細節(jié)更加豐富，色彩表現(xiàn)更加精準，為觀眾帶來更為逼真的視覺體驗。隨著8K技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是電視機，還有專業(yè)監(jiān)視器、放映設備以及拍攝和制作工具都在逐漸適應這一變革。

8K技術(shù)的應用不僅僅局限于內(nèi)容的顯示，它還對內(nèi)容的采集、編輯、傳輸和存儲提出了更高的要求。攝影機和攝像機需要具備高速度的數(shù)據(jù)讀取能力，以處理巨大的數(shù)據(jù)流量。視頻編輯和后期處理軟件也必須升級以支持8K內(nèi)容的高效處理。

2. 5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中的應用難點

2.1 高帶寬和低延遲需求

在當今廣播電視工程領域，5G+8K移動直播技術(shù)的運用正逐漸成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，這一前沿技術(shù)在實際應用中面臨著一系列挑戰(zhàn)，尤其是在滿足高帶寬和低延遲需求方面的難題尤為突出。5G網(wǎng)絡雖然相較于4G網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸速度和延遲上有了顯著的提升，但是8K視頻內(nèi)容的傳輸對網(wǎng)絡的帶寬提出了前所未有的挑戰(zhàn)。8K視頻以其7680×4320的超高分辨率定義了清晰度的新標準，其數(shù)據(jù)密度是4K甚至是1080P高清視頻的數(shù)倍。在這種情況下即便是5G網(wǎng)絡也需要承載極其龐大的數(shù)據(jù)流量，這對于網(wǎng)絡的傳輸能力提出了極高的要求。

8K視頻流的實時傳輸更是將網(wǎng)絡帶寬的需求推向了極限，在移動直播的場景中，由于直播的即時性要求，視頻信號需要幾乎無延遲地被捕捉、編碼、傳輸并最終呈現(xiàn)給觀眾，這意味著從內(nèi)容產(chǎn)生到消費的整個鏈路上，網(wǎng)絡必須提供持續(xù)穩(wěn)定且高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，由于移動直播的環(huán)境多變，直播設備可能會在各種地理位置和不同的網(wǎng)絡環(huán)境中運作，這些因素都可能對網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和傳輸速度產(chǎn)生不利影響。

2.2 5G信號覆蓋不均和穩(wěn)定性問題

5G+8K移動直播技術(shù)的應用是未來媒體傳輸?shù)那把胤较?，它承諾提供前所未有的高分辨率視頻內(nèi)容傳輸體驗，5G網(wǎng)絡本身的信號覆蓋不均和穩(wěn)定性問題成了一個不可忽視的難點。隨著5G技術(shù)的部署，盡管它在理論上能夠提供高速率、大容量和低延遲的通信服務，這些優(yōu)勢往往受到信號覆蓋范圍和穩(wěn)定性的制約。由于5G網(wǎng)絡使用的是較高頻段的無線電波，這些高頻信號的傳播距離較短，穿透力相對較弱，特別是在城市中的高樓大廈和其他建筑物林立的環(huán)境中，信號的傳播受到了嚴重的挑戰(zhàn)。這導致了5G信號覆蓋的不均勻性，尤其是在一些偏遠地區(qū)或者人口稠密的城市區(qū)域。在偏遠地區(qū)，由于基站布置稀疏，5G信號覆蓋的連續(xù)性難以保證，而在人口稠密的地區(qū)，盡管基站數(shù)量可能較多，但用戶密度大，網(wǎng)絡容量和信號質(zhì)量往往難以滿足高負載的需求。

3. 5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中的應用策略

3.1 網(wǎng)絡優(yōu)化和邊緣計算

通過網(wǎng)絡切片技術(shù)，可以為8K移動直播分配專用的高帶寬通道，可以設定一個切片專門用于8K視頻流，為其配置至少100 MHz的頻譜資源，并保證至少1 Gbps的下行速率，確保連續(xù)的高數(shù)據(jù)吞吐量。這樣的配置能夠使8K視頻流在傳輸過程中擁有足夠的資源，從而避免因帶寬競爭而導致的質(zhì)量下降。在數(shù)據(jù)流的管理上，實時監(jiān)控直播流量，動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡資源分配是至關重要的。例如，在8K直播視頻的高峰時段，可以通過動態(tài)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)將其他非關鍵業(yè)務的帶寬降低5%至10%，從而為8K直播提供額外的頻譜資源。這一策略需要依賴于高度智能化的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測網(wǎng)絡流量并預測流量趨勢，以在必要時刻迅速重新分配資源。

邊緣計算在這一體系中發(fā)揮著至關重要的作用，通過在網(wǎng)絡邊緣部署計算資源，可以將8K視頻內(nèi)容的處理和緩存任務從中心服務器轉(zhuǎn)移到用戶接近的位置，可以在距離用戶平均距離不超過30公里的位置部署邊緣服務器，并確保每個邊緣服務器至少配備10 Gbps的網(wǎng)絡連接和具備處理至少兩路8K視頻流的計算能力。這樣的布局可以將8K視頻內(nèi)容的延遲降低到20 ms以下，大幅提升直播體驗。

為了進一步優(yōu)化，邊緣計算資源的分配不是一成不變的，根據(jù)直播事件的地理位置和用戶密度，對邊緣服務器的計算資源進行動態(tài)調(diào)配。例如，如果某次大型體育賽事在特定區(qū)域吸引了大量用戶觀看直播，邊緣計算平臺可以即時增加該區(qū)域服務器的計算資源，通過臨時分配額外的虛擬機來支持處理更多的并發(fā)8K視頻流，每增加一路8K視頻流處理能力，相應地增加2個虛擬CPU和4GB內(nèi)存。假設一場大型演唱會正在進行8K直播，邊緣計算平臺可以依據(jù)用戶需求，實時調(diào)整邊緣節(jié)點的資源[1]。在演唱會開始前的幾小時，邊緣節(jié)點可以預先緩存演唱會的相關內(nèi)容，比如之前的演唱會視頻、藝人資料等，每個邊緣節(jié)點預留出至少500 GB的存儲空間用于緩存這些內(nèi)容。演唱會開始后，邊緣節(jié)點監(jiān)測到用戶請求量激增，將自動啟動額外的計算資源，每增加1000個并發(fā)觀眾，邊緣節(jié)點將增加1個虛擬CPU和2 GB內(nèi)存，以確保流暢的直播體驗。

3.2 使用信號增強和備用技術(shù)

在5G+8K移動直播技術(shù)的實際應用中，信號增強和備用技術(shù)的實施涉及一系列詳細的技術(shù)步驟和策略，以確保廣播電視工程中直播的高質(zhì)量和連續(xù)性，針對信號增強，特別是在大型活動或偏遠地區(qū)的直播，通常采用部署臨時移動基站的策略。例如，在一個計劃進行8K直播的大型音樂節(jié)上，根據(jù)場地的地理和人流分布數(shù)據(jù)，部署了三個臨時移動基站，每個基站覆蓋半徑設定為500 m，這樣的設置可以有效覆蓋整個活動區(qū)域，為了實現(xiàn)信號的最大化覆蓋，還會在活動中心區(qū)域額外部署兩個小型基站，每個基站的覆蓋半徑為200 m，確保在人群密集的區(qū)域內(nèi)也能保持高質(zhì)量的信號傳輸。

在備用技術(shù)方面，建立一個多網(wǎng)絡融合的直播系統(tǒng)是關鍵，在上述音樂節(jié)的直播中，除了主要的5G網(wǎng)絡，還預先配置了4G和Wi-Fi網(wǎng)絡作為備用傳輸路徑。在直播前，通過對各網(wǎng)絡信號強度和穩(wěn)定性的測試，記錄下5G網(wǎng)絡的平均下載速度為1.2 Gbps，而4G網(wǎng)絡的平均下載速度為300 Mbps，Wi-Fi的速度則為100 Mbps。直播系統(tǒng)被設置為優(yōu)先使用5G網(wǎng)絡，但一旦5G網(wǎng)絡的信號強度下降至-95 dBm以下或網(wǎng)絡延遲超過10 ms，系統(tǒng)將自動切換到4G網(wǎng)絡。如果4G網(wǎng)絡也出現(xiàn)類似問題，系統(tǒng)則進一步切換到Wi-Fi網(wǎng)絡，直播設備采用了雙SIM卡設計，同時連接5G和4G網(wǎng)絡。這種設計允許設備在兩個網(wǎng)絡間進行無縫切換，幾乎不影響直播的連續(xù)性，這種設置使得直播信號在遇到任何單一網(wǎng)絡故障時，都能快速恢復，平均切換時間不超過2秒，確保了直播畫面的流暢性和清晰度。

在信號增強和備用技術(shù)的實施中，還涉及詳細的監(jiān)測和調(diào)整，通過在現(xiàn)場設置多個監(jiān)測點，收集實時數(shù)據(jù)包括信號強度、網(wǎng)絡帶寬使用率、數(shù)據(jù)傳輸速度等，確保直播過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并做出調(diào)整[2]。

3.3 采用先進編碼技術(shù)

5G+8K移動直播技術(shù)的應用策略顯著依賴于采用先進的視頻編碼技術(shù)以確保傳輸效率和畫質(zhì)的最優(yōu)化，特別是在處理高分辨率的8K視頻內(nèi)容時，數(shù)據(jù)的巨大體量對傳輸帶寬和存儲設施提出了極高的要求，采用H.266/VVC編碼標準成為一種高效的解決方案。H.266/VVC，作為最新的視頻編碼標準，相較于前代HEVC標準，在相同的視頻質(zhì)量下，可以減少約50%的數(shù)據(jù)量。

結(jié)合人工智能技術(shù)優(yōu)化視頻編碼過程，可以實現(xiàn)更為精細的數(shù)據(jù)壓縮效果，AI技術(shù)能通過學習大量的視頻數(shù)據(jù)，識別視頻中的各種模式和重復元素，從而在不犧牲視頻質(zhì)量的前提下，更有效地壓縮數(shù)據(jù)，AI輔助的H.266/VVC編碼器可以動態(tài)地調(diào)整編碼策略，比如在視覺上不那么敏感的區(qū)域使用更高的壓縮比，而在細節(jié)豐富或運動頻繁的場景中保持較低的壓縮比。通過這種方式，同樣一個8K直播視頻，AI優(yōu)化后的平均比特率可以進一步下降至20 Mbps，而畫質(zhì)損失幾乎不可察覺。為了保證8K視頻內(nèi)容的實時傳輸，編碼器需要具備極高的處理能力。在這方面采用基于GPU的并行處理技術(shù)可以顯著提高編碼速度。例如，在具體的直播項目中，通過配置多個GPU并行處理單元，編碼處理時間可以從原來的每幀30 ms降低到10 ms，這不僅滿足了實時傳輸?shù)男枰€大幅提升了直播的流暢性和觀看體驗[3]。

至于網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性，5G技術(shù)的引入為8K視頻直播提供了強有力的支持。5G網(wǎng)絡的高帶寬和低延遲特性使得即使是數(shù)據(jù)量巨大的8K視頻，也能夠?qū)崿F(xiàn)從拍攝地點到用戶端的高速傳輸。在一個8K直播的案例中，通過5G網(wǎng)絡，視頻數(shù)據(jù)的傳輸延遲可以控制在10 ms以內(nèi)，遠低于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡的50 ms，極大地增強了直播的互動性和觀眾的沉浸感，通過采用H.266/VVC編碼標準，并結(jié)合AI技術(shù)和GPU加速等方法，可以有效地處理和傳輸8K視頻內(nèi)容，不僅保證了視頻質(zhì)量，也滿足了實時性和經(jīng)濟性的雙重需求。

3.4 電源管理和備用電源系統(tǒng)

5G+8K移動直播技術(shù)的應用需要高效且穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)來保證連續(xù)的直播輸出，為了優(yōu)化移動直播設備的電源管理系統(tǒng)，并提高能源使用效率，采取一系列具體措施是必要的，直播設備應設計為能夠監(jiān)測實時電源狀態(tài)，包括電池電量、電壓、電流和溫度。這可以通過集成智能電源管理芯片來實現(xiàn)，這些芯片能夠提供準確的電源使用數(shù)據(jù)，從而使操作人員能夠?qū)崟r了解設備的電源狀況，并據(jù)此做出相應的電源調(diào)整。為了提高能源使用效率，直播設備應具備模塊化電源設計，允許根據(jù)需要快速更換電池組，一旦電量低下，可以迅速更換備用電池組而不影響直播，這些電池組應采用高能量密度材料制成，以減輕攜帶負擔并延長使用時間[4]。

為了確保設備在長時間直播中的穩(wěn)定運行，移動直播設備還應配備便攜式充電解決方案，例如，一個移動直播團隊負責一項大型戶外體育賽事的直播。在賽事開始前，團隊會先對所有設備的電源進行全面檢查，確保每塊電池都已充滿電。在直播過程中直播控制室的工作人員會通過智能電源管理系統(tǒng)監(jiān)控各個攝像機和傳輸設備的電源狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某個設備電量低于預設閾值，立即通知現(xiàn)場技術(shù)人員更換備用電池組。由于電池組是模塊化設計，技術(shù)人員可以迅速完成更換，不會影響到直播的連續(xù)性[5]。為了進一步提高電源系統(tǒng)的可靠性，可以實施電源冗余設計，即每一類重要設備都配備雙線路供電。這種設計可以在一條供電線路出現(xiàn)問題時，另一條線路可以無縫接管供電任務，從而最大程度地減少直播過程中的任何電源故障風險。

應對極端情況直播車還應配備移動電源車或便攜式發(fā)電機作為第三電源解決方案。這種設備通常在出現(xiàn)長時間電源中斷或現(xiàn)場電源完全不可用的情況下使用。例如，在直播一個在偏遠地區(qū)進行的文化節(jié)時，由于現(xiàn)場缺乏足夠的電力支持，移動直播車便通過預先部署的移動電源車來提供所需的電力，確保了整個活動的順利直播，高效的電源管理和備用電源系統(tǒng)是5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中成功應用的基石。

4. 結(jié)束語

在探討了5G+8K移動直播技術(shù)在廣播電視工程中的應用后，可以看到這項技術(shù)不僅僅是對現(xiàn)有技術(shù)的簡單升級，而是對廣播電視產(chǎn)業(yè)生態(tài)的一次深刻變革，5G網(wǎng)絡的高速率和低延遲特性以及8K超高清技術(shù)的細膩畫面，共同為廣播電視行業(yè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)與機遇，這一技術(shù)的實踐應用，不僅極大地推動了技術(shù)創(chuàng)新，而且促進了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。

參考文獻：

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