浅谈5G 技术在4K/8K 超高清直播系统中的应用

　　文/郭传程

　　摘要：新媒体时代下，4K/8K超高清视频的传统传输模式面临着巨大的技术挑战。本文分析了5G技术在4K/8K超高清直播系统中的应用，阐述了5G技术的高带宽、低时延特性，以及4K/8K超高清视频的技术参数，重点探讨了网络切片、边缘计算、上行链路增强、网络编码与智能传输等关键技术在直播系统中的应用。

　　关键词：5G技术 超高清视频 网络切片 边缘计算

　　5G 技术在应用的过程中有超强的连接能力，且5G 技术在连接过程中能够同时连接的数量也非常多，根据实际的调查数据显示，5G 技术能够实现1 平方千米以内连接近100 万个物体。然而，超高清视频所需的巨大带宽和严格的传输时延要求，给现有网络架构带来巨大挑战。5G 技术凭借其高带宽、低时延、大连接的技术特点，为解决这些问题提供了全新的解决方案。本文深入探讨5G 技术在超高清直播系统中的应用，分析其关键技术要点，并通过实际案例验证其应用效果。

　　一、5G技术的特点

　　5G 技术凭借其突破性的高带宽能力，在理论峰值下行速率可达到20Gbps，上行速率可达10Gbps，这远超4G 网络的传输能力。在实际应用场景中，5G 网络可以为单用户提供稳定的100Mbps 以上的下行速率，在热点区域甚至可以达到1Gbps。在频谱资源方面，5G 技术采用了毫米波、中频段等多频段协同工作的方案，频谱范围涵盖了sub-6GHz 和24-52GHz 等不同频段[1]。

　　5G 网络的端到端时延最低可达1 毫秒，相比4G 网络的20 毫秒有了质的飞跃。这种超低时延特性主要得益于5G 新空口（NR）技术的革新，包括更短的传输时间间隔（TTI）、灵活的帧结构设计及新型的信道编码方案。低时延特性的实现还依赖于5G 网络的分布式架构设计和边缘计算能力。通过将核心网功能下沉到边缘节点，以及采用用户面功能分离（CUPS）技术，5G 网络可以实现数据处理的本地化，显著减少传输路径，从而保证超低时延性能的稳定发挥。

　　二、 5G+超高清直播系统关键技术要点

　　（一）网络切片技术

　　通过在统一的物理网络基础设施上，构建多个逻辑独立的端到端虚拟专用网络。在超高清直播系统中，可以为视频传输业务配置独立的网络切片，提供确定性的网络服务质量保证。具体来说，超高清直播专用切片可以配置高达1Gbps 的带宽资源，端到端时延控制在10ms 以内，业务可靠性达到99.999%，这些参数可以根据不同场景需求灵活调整。通过网络切片管理功能（NSMF）和网络切片子网管理功能（NSSMF）实现对切片资源的精确控制和动态调度。

　　（二）边缘计算技术

　　在超高清直播系统中，边缘计算节点可提供3——5TOPS（每秒万亿次运算）的计算能力，支持实时视频编解码、转码和内容处理。采用基于Docker 的轻量级虚拟化技术，单个边缘节点可同时处理4——6 路4K 视频流或1——2 路8K 视频流，处理时延控制在20ms 以内[2]。边缘计算节点通过MEC（移动边缘计算）平台实现资源调度和业务管理，支持应用的快速部署和弹性伸缩。系统采用分布式存储架构，每个边缘节点配备20-40TB 的高速缓存，支持NVMe 固态硬盘阵列，顺序读写速度可达3GB/s。

　　（三）上行链路增强技术

　　5G 基站支持64T64R 或更高规模的天线阵列，通过空间复用最多可支持16 个空间流的并发传输。在毫米波频段（24.25-52.6GHz），单载波带宽可达400MHz，通过载波聚合最高可实现2GHz的传输带宽，为超高清视频提供充足的上行传输通道。

　　采用高阶调制编码方案（最高支持256QAM），并结合LDPC 编码和极化码，可使频谱效率达到15——20bps/Hz。通过上行功率控制和干扰协调技术，确保边缘用户的上行传输质量，信噪比维持在15——20dB 的较高水平。

　　（四）网络编码与智能传输技术

　　网络编码技术采用先进的H.266/VVC 和AVS3 编码标准，在保证相同画质的情况下，可使码率较H.265 降低40% 以上。系统支持多种编码参数配置，可根据网络状况动态调整编码速率，4K 视频的编码延迟控制在50ms 以内，8K 视频控制在100ms 以内。通过分块编码和并行处理技术，单台编码器可同时处理多路超高清视频流，编码性能可达到400fps@4K 或100fps@8K[3]。

　　采用基于AI 的智能传输技术，通过实时分析网络状况，自适应调整传输参数。通过前向纠错（FEC）和选择性重传（HARQ）机制，将传输丢包率控制在0.01% 以下。

　　三、 5G技术在超高清直播系统中的具体应用

　　（一）直播场景应用架构

　　5G 超高清直播系统的端到端架构主要包括前端采集、传输网络和后端处理三大部分。在前端采集层，通过5G CPE 或专业终端连接4K/8K摄像机，支持多机位同步采集。专业终端可实现音视频信号的预处理和初步压缩，其中视频采用10bit 色深编码，支持HDR，可选择H.265/HEVC或H.266/VVC编码标准，音频支持5.1或7.1声道。

　　通过就近接入的边缘节点进行视频处理和分发。在大型活动直播中，可同时支持8-12 路4K 视频流或2-3 路8K 视频流的并发传输，通过智能负载均衡确保每路视频流的传输质量。

　　例如：在广州亚运会的体育赛事转播中，湖南广电采用了基于5G 的新型IP 转播方案，通过部署12 台4K 摄像机进行多机位拍摄，经由5G专网传输至现场指挥中心，实现了赛事精彩瞬间的多角度呈现。

　　（二）信号采集与处理

　　每个采集点配备5G 专业终端，内置高性能处理器可实现4K 视频实时编码，编码延迟控制在50ms 以内。通过北向接口与导播系统对接，支持远程调度和参数配置，可实现摄像机的云台控制、焦距调节和色彩校正等功能。

　　信号处理采用流水线架构，包括视频预处理、编码压缩和协议封装三个阶段。预处理阶段进行画面降噪、色彩空间转换和分辨率自适应；编码阶段根据网络状况动态调整码率，支持CBR和VBR 两种编码模式；协议封装采用SRT 或RTMP协议，内置FEC 机制，确保传输可靠性。系统还支持备份链路机制，在主链路出现故障时可快速切换到备份链路，确保直播不中断[4]。

　　例如：某大型钢铁企业引入5G+ 超高清视频监控系统，在高炉、转炉等关键生产环节部署20 余台工业级4K 摄像机。每台摄像机配备边缘智能分析单元，可实时检测设备运行状态、工艺参数等关键指标。

　　（三）传输与分发系统

　　传输系统基于5G SA 网络架构，采用端到端网络切片技术，为超高清直播业务提供独立的网络资源。通过UPF 下沉部署，减少传输路径，实现端到端时延优化。系统集成了智能路由技术，可根据网络质量自动选择最优传输路径，支持跨区域负载分担和故障切换，网络可用性达到99.999%。

　　内容分发采用多级缓存架构，在边缘节点部署分布式缓存系统，支持热点内容就近分发。通过智能调度算法，实现负载均衡和流量调优，有效减少网络拥塞。系统还支持多协议转换功能，在大型活动直播时，可通过跨区域资源调度。

　　例如：南方电网在广东某500 千伏变电站部署5G 专网系统，采用端到端切片技术保障超高清视频传输。系统配置3 个网络切片，分别用于设备监控、无人机巡检和远程操作指挥。通过就近部署MEC 服务器，实现视频流的本地化处理和分发，端到端时延控制在15ms 以内。

　　（四）播出与呈现

　　播出系统采用云化架构，支持多机房协同工作，主要功能包括多画面监看、节目切换、特效叠加和实时转码等。通过智能识别技术，可实现自动场景切换和画面追踪，减少人工操作。通过ABR（自适应码率）技术，根据终端性能和网络状况动态调整码率和分辨率。集成了低延迟解码技术，端到端延迟可控制在1 秒以内。此外，系统还提供互动功能接口，支持实时弹幕、直播连麦等增值服务，提升用户观看体验。例如：在2024 年春晚直播中，央视采用5G+8K 超高清制播系统，在多个分会场部署8K 摄像机，通过5G 专网回传至北京总控制中心。直播过程中，系统处理多路8K 视频流的同时，为不同终端用户提供4K/2K 自适应码率服务，全程在线观众突破9 亿，端到端延迟稳定保持在800ms 以内，创下了国内超高清直播系统的新纪录。

　　四、结语

　　5G 技术的发展为超高清直播系统带来了革命性的变革，不仅解决了传统有线传输系统的诸多限制，也为内容制作带来更多创新可能。通过网络切片、边缘计算等技术的深度融合，5G 超高清直播系统实现了高质量、低延迟的端到端传输。未来，随着5G 技术的持续演进和超高清视频技术的不断发展，两者的深度融合将进一步推动广播电视行业的数字化转型，为观众带来更加优质的视听体验。

　　参考文献：

　　[1] 古志勇.5G 与超高清直播的融合应用研究[J]. 电视技术,2024，48(11):186-188.

　　[2] 吴晓亮.5G 技术赋能广播电视媒体融合发展的路径[J]. 卫星电视与宽带多媒体,2024,21(20):25-27.

　　[3] 王璇.5G+8K 移动直播技术在广播电视工程中的应用[J]. 电视技术,2024,48(10):207-209.

　　[4] 任一铭. 融媒体视域下传统广播电视媒体的转型升级策略[J].卫星电视与宽带多媒体,2024,21(22):133-135.

　　（作者郭传程系山东省济宁市任城区融媒体中心主任、工程师）

　　责任编辑：苗权誉