在之前的2G、3G、4G 网络时，网络空口的上传能力难以达到直播传输的标准要求，直播的发展受到了当时网络的条件制约[1]。即便是在4G 网络时，也要用到4~8 张卡，才能满足HD 高清直播传输的要求。4K 超高清移动直播传输在网络速率、容量和稳定性上需求更高，所以移动4K 超高清直播更是难以实现。

4K 摄像机输出一路4K 超高清的基带信号是12Gbps，需要4×3G SDI（或12G SDI）才能输出，即便是按照标准封装后的视频编码码率也有500Mbps[2]。图像在数字化后数据量极其庞大，必须经过压缩才能进行远距离的传输[3]。

将HD 高清和4K 超高清的部分参数进行对比可知：在画幅上，4K的分辨率是3840×2160，HD 的分辨率是1920×1080，4K 是HD 的4 倍；在帧率上，4K 的帧率是50p，p 是逐行扫描模式, 相当于每秒50 帧画面，HD 的是50i，i 是隔行扫描模式，相当于每秒25 帧画面，4K 是HD 的2 倍；在色域上，4K 比HD 又增加了2 倍。4K 又支持HDR（HLG）高动态，所以4K 的总输出数据量要比HD 的高出4×2+2=10 倍以上，如果不采用新的编码方式，数据量将会达到80Mbps 以上，难以移动传输。最终4K 采用了H.265（或AVS2）标准，将数据压缩得更小，最终标准定为40Mbps，保证了画质的同时更有利于传输。即使是4K 采用了新的压缩标准，但上传的码率仍然很高，可见，无论怎么传输，5G之前的网络都是不可实现的。媒体行业对于无线通信技术有着天然的需求，“到的了，拍的着，传得回”是电视节目，特别是新闻报道的重要诉求[4]。

5G的到来，其高速率、低时延、大容量的特点为媒体行业实现新发展提供了机遇。2018年12月28日，中央广播电视总台与中国电信、中国移动、中国联通及华为公司共同签署合作建设5G新媒体平台框架协议，五方决定在总台联合建设“5G媒体应用实验室”，共同推动5G媒体应用研究。5G媒体应用实验室成立以来，总台在5G网络环境下，面向制作域的4K超高清直播传输，做了大量的研发、实测和应用（直播链路如图1）。下面就5G媒体应用实验室在4K直播过程中的传输应用情况做一介绍。

一、实现验证阶段

移动4K直播传输链路：摄像机+4K编码器+5G CPE上传，经过运营商核心网，通过专线送回4K解码器，再推送到转播车（或大屏）（图2）。

摄像机选择符合国内4K输出标准（3840×2160，HLG，50P，BT.2020，4:2:2 10bit）的摄像机，摄像机将音视频输出。编码器收到音视频信息后，通过抽样、分割、补偿等方式处理后，将音视频信号压缩打包分割成一个个1380bit大小的数据包，用UDP协议，通过网口以40Mbps传输。CPE是5G无线终端接入设备，CPE将编码器传输的数据流通过基站上传到运营商的核心网。解码器接收核心网回传的数据包，将其解码还原成音视频信号，转送到转播车或者直接呈现。

为解决各设备之间的连通兼容问题，包括摄像机与编码器的兼容、编码器与CPE的兼容、解码器与切换台的兼容，进行了如下测试：

第一步，摄像机+编码器+解码器+大屏，跳过网络，直连设备测试。摄像机输出SDI信号为level B信号时，编码器不能很好地识别信号，通过更换质量更好的SDI线测试，并不能很好地解决摄像机与编码器的兼容问题，再次增强了编码器对信号的识别能力，摄像机与编码器的兼容问题得到解决。

第二步，摄像机+编码器+解码器+切换台+大屏，进行测试。发现切换台并不能很好地识别视频信号，会有视频源丢失，通过分析发现，解码器并没有提供切换台需要的CRC信息，切换台认为没有信号，通过修改解码器，让解码器主动输出CRC信息给切换台，解码器与切换台的兼容问题得到解决。

第三步，摄像机+编码器+CPE+核心网+专线+解码器+切换台+大屏，进行测试。发现CPE与编码器连接不稳定，重启CPE时，CPE收不到编码器发的数据流，不能恒定地建立链接。通过修改编码器提供主动握手，实现主动互通。

在5G媒体应用实验室，CPE灌包上传测试，上传能力在100Mbps左右。整个链路直播测试，上传可以稳定到65Mbps（图3）。

从室外的测试图上也可以发现，设备还需要接有线电源供电，整套设备还比较大，还不能大范围移动。

二、进步成长阶段

移动4K直播传输链路：摄像机+4K背包1.0+CPE（CPE PRO）上传（图4），经过运营商核心网，通过专线送回解码器，再推送到转播车（或大屏）。

4K背包是4K编码器的小型化设备，它将摄像机的V口电池底板集成到板卡上，可以直接安装2个V口电池，用电池对编码器进行供电，同时分出一路电源给CPE供电，实现了可移动和方便捷带，在多次大型活动中进行运用和展示。

为了扩大应用环境，总台与运营商进行多次实验。如：

◆ 基站切换对4K直播的影响实验；

◆ 在室外环境宏基站的条件下整个系统的稳定性实验。CPE灌包上传能力在120Mbps左右。整个链路直播测试，上传可以稳定到70Mbps；

◆ 5G的切片技术对直播的影响实验。测试发现只要策略设置正确，能很大程度上保障直播的连续稳定。

通过应用实践发现：整套 4K直播系统续航时间短，连续工作1个多小时，就需要更换电池；整体需要携带的设备还是偏大偏重；CPE移动起来时，性能不太稳定，极易受到干扰；专线网络的抖动不能太大，如果抖动偏大，会造成乱序传输；专线网络稳定性要好，不能有丢包现象，丢包会直接造成花屏现象；每次实际应用前，都需要提前进行5G覆盖测试和专线网络测试。

三、发展应用阶段

移动4K直播传输链路：摄像机+4K背包2.0+手机上传，经过运营商核心网，通过专线（或CPE PRO）送回解码器，再推送到转播车（或大屏）（图5） 。

整套4K直播系统更便于移动生产，功能也更加齐全。其中4K背包集成化程度进一步提升，体积减小，重量更轻，功耗降低。同时4K背包还能支持4×3G SDI、12G SDI、HDMI接口输入，可以适配更多型号的摄像机。用手机的共享模式代替CPE传输，移动性更强。整个系统的续航能力从之前的一小时左右到4小时以上不间断。

整套4K直播系统更便于移动生产，功能也更加齐全。其中4K背包集成化程度进一步提升，体积减小，重量更轻，功耗降低。同时4K背包还能支持4×3G SDI、12G SDI、HDMI接口输入，可以适配更多型号的摄像机。用手机的共享模式代替CPE传输，移动性更强。整个系统的续航能力从之前的一小时左右到4小时以上不间断。

为了保障大型活动直播的安全和视频流畅，使用5G手机代替CPE，移动性能更好，可以消除部分基站切换带来的影响。经过多次测试优化，可采用双手机上传，将流量均衡到两部手机上，达到了直播安全的双保险。4K背包还增添了BISS加密传输功能，确保了网络传输中的安全；支持多运营商聚合传输功能；加设电池模组，可以无间断更换电池；增加重传检验机制，如果发生网络瞬间的波动，可以重传弥补。

运营商在直播保障过程中，提升了SIM卡使用级别，确保优先使用优先保障；调改网络配比，增大网络的上传能力；修改临界区域，让切换更流畅，管理环节更直接。再经过一遍又一遍的测试验证，长时间的测试模拟，促使整个直播系统更加完善，越来越符合5G媒体实验传输的初衷。

四、5G网络环境下的移动4K直播传输的发展

今后，4K背包可将5G芯片模组集成到板卡，到时只需要插入SIM卡，就可以完成4K直播任务。甚至，每部手机都是一个编解码器，能拍摄和编码上传，也能接收解码收看，真正实现人人都能成为内容的生产者，只要有5G信号，就可以有超高码率的视频上传和下载。

5G+4K+AI新技术，将会为新的业务生产赋能，4K背包的发展将更加便捷化，将支持更多种编码（H.264/H.265/AVS2）模式；支持多种样式（4K 50P/60P，HD 50i）输出；支持多种协议（TCP/IP，UDP，RTP，RTMP，SRT，RIST等）传输；支持多种加密；支持监测信道状态（误码率、抖动、时延等）等。

任何技术都有其瓶颈点，随着5G技术商用后，用户激增会对直播的影响很大，所以切片技术的应用推广迫在眉睫。根据不同的应用场景，有些场景中边缘计算技术会让直播更安全，让路径更短暂，功耗更小，操作更简易。

5G直播作为微波、卫星和专线传输的有效补充，极大丰富了直播的灵活性，让传输模式得到了丰富和发展。以后，还会有更多更为成熟的新产品运用到直播系统中，会使直播形式更加多样，会在更多的场景中得以呈现。

参考文献：
[1] 王君月 陈建群.5G 与直播行业的突破[J]. 青年记者,2019,（8）：8-9
[2] 徐进. 中央广播电视总台4K 超高清电视节目制播技术规范[J]. 现代电视技术,2018,(8):31-35
[3] 陈波. 移动传输设备利用廉价的4K/H.265 网络编码器代替昂贵的4K 广电编码器的研究[J]. 技术与市场， 2019，26（7）：164-165
[4] 徐进. “5G+4K+AI”战略协同业务形态和技术需求[J]. 现代电视技术,2019，(7)：26-28