摘要

本文主要介绍了湖南卫视2019-2020跨年演唱会中，利用现有5G网络进行8K视频传输应用的具体方案和关键技术，具体从系统架构、技术要点和应用前景等几方面进行了阐述。

关键词

5G网络 8K超高清 视频编解码 传输网络流保护 网络纠错

一、概述

在4G时代，移动通信网络有了较大进步，其传输速率、链路延时和网络可靠性相比以前都有了长足进步，可以满足大多数大型直播晚会、体育赛事以及新闻连线等直播报道活动。随着十年一代的移动通信技术的发展，5G网络开始逐步进入应用时代，其超高速率、超低延时、海量连接和更高可靠性等优势带来广播电视传输技术的新一轮发展，当前广播电视技术正逐步迈向超高清时期，5G作为卫星、微波、光纤之后的另一种传输技术，可全面契合当前4K/8K视频传输应用，极大简化人员配置、降低节目制作成本，为节目生产提供更加多样化的支持手段。

二、5G+8K+互联网传输应用系统介绍

本次传输应用秉承技术创新、稳定可靠、简要实用的原则，充分利用现有5G网络现状，采用最可靠的传输模式，实现大流量数据的传输，将8K视频编码解码、网络传输保护、5G网络技术等多种技术和条件成功结合，实现创新应用，全系统链路图见图1，为进一步阐述系统架构，我们将此次传输应用系统分为五个部分。

1、信源及编码处理部分

湖南卫视2019-2020跨年演唱会期间，在会场中央架设一台Sony UHC 8300摄像机，拍摄全景画面，提供8K信源，摄像机CCU，CCU可提供4×12G-SDI信源，8K画面需要采用4个独立的4K画面拼接，每个4K画面的分辨率满足3840×2160。在实际传输应用中，近距离可通过裸光纤传输，远距离传输需要对基带8K信号进行压缩编码，即使如此，8K的数据量依然很大，使用5G网+互联网方式传输也是一种挑战。为保障编码效率及编码码流的稳定，本次传输测试采用数码视讯8K硬件编码器，其主要架构由4个4K编码子板构成，Sony CCU提供的4路12G-SDI信源，分别接入四个编码板，通过HEVC（H.256）编码方式将每一路12G-SDI视频依次压缩至10M/20M/25M，音频采用MPEG-1编码192Kbps，CBR模式下每个编码板各输出一路IP码流，采用UDP协议，组播输出至数据交换机。

2、保护网关部分

由于传输链路采用5G+互联网形式，考虑现有运营商5G网络的组网模式和互联网链路的波动情况，因此需要在收发端采用传输保护网关，保障信号传输的稳定性和安全性。保护网关在数据交换机中接收来自编码器输出的4路IP码流，通过网关设备进行解封装与再封装，实现在5G+互联网链路中的点对点传输，此外，利用当前网关设备传输纠错机制，使用ARQ和FEC纠错技术，在复杂网络环境中实现稳定、可靠传输效果；此外，为防止当前运营商5G网络上传带宽不足、链路不稳等问题，通过网关设置链路汇聚和冗余备份机制，形成同运营商相同或不同CPE下的5G上传通道的聚合和备份。

实际使用时，采用Net insight VA225网关保护设备，利用移动、电信两家运营商提供的两条5G链路，先采用single传输模式，每条链路传输2个20Mbps码流，实测发现链路稳定，trip延时在50ms以内，链路平均丢包率在5%左右，再运用bond和standby模式实现两家运营商5G上传通道的逻辑绑定和冗余功能，采用两家运营商链路实现4路20M码流传输，在实际传输时关闭其中一条台CPE模拟链路终端后，单链路传输仍能稳定传输80Mbps码流，见图2，图3。

3、网络链路部分

网络链路分为两个部分，具体如下文所述。

（1）5G网络

跨年晚会期间，利用中国移动、中国电信已部署好的5G基站，在室外转播区域实现5G网络覆盖，两家运营商均采用NSA方式，通过基站与核心网间的专线链路共用现有4G核心网，采用speedtest测试，两家运营商的5G上传速率能达到80Mbps~90Mbps，能实现8K视频编码码流传输，链路端对端延时能维持在30ms以内；实际传输过程中，为尽可能实现链路稳定、可靠，运营商经过了一系列网络优化，并实时在CPE端运用工具将模拟UDP数据包实时发送至现网接收服务器中，不断测试链路的传输抖动和延时。

（2）互联网专线

通过中国移动拉通一条200M对等互联网专线至展示区，收端网关架设在互联网一侧，网关设备端设置中国移动提供的公网IP、mask及gateway等信息，接收来自发端网关的实时码流信号，收发端网关本身适用于在公网传输环境中，采用UDP点对点传输机制。

4、接收及解码部分

架设在互联网端的网关设备，通过UDP 2088端口实现数据的互联互通，通过内部push模式实现码流的实时接收，接收端将UDP单播码流接收后进行解封装处理，在TS码流前端重新添加包头后形成4个独立的UDP组播码流给数据交换机；解码则由数码视讯EMR解码器进行解码处理，从交换机获取4路组播分配给4个解码板，每个解码板负责一个4K画面的解码，输出4×12G-SDI信号给8K SDI转HDMI转换器，供大屏展示。解码器同时还需对4路4K画面的每一帧帧间信息进行同步，4路码流经解码器解码处理后，在内部采用缓存机制，将带有时间戳的帧间信息进行对齐，使4幅4K画面在显示端拼接时帧间图像能保持一致。

5、显示监看部分

终端监看设备采用Sony 85寸8K专业显示器，解码器输出4路4K画面后，经SDI转HDMI设备，通过HDMI3.0接口实现视频信号进入大屏实时展示，在实际传输应用过程中，解码输出画面经拼接整合，能完整展示在显示器中，从主观角度观察，无论从画面清晰度、同步状态和拼接间隙均能呈现良好的视觉效果，画面全程流畅，无卡顿、丢帧等情况，也间接表明，4K信号HEVC（H.265）编码，在20M编码码率下能实现较好的视频传输效果，解码端画面失真度较小。

三、技术要点

1、5G网络在大流量数据的实际应用

高清晰度视频意味着需要更高的传输带宽，当前，国内三大运营商已经逐步开始铺开5G试验网络，先期采用NSA方式，逐步开展5G网络的应用，本次湖南卫视跨年晚会应用5G网络传输8K视频是很有价值的一次实验，证实在5G网络中传输高带宽、大流量数据视频的可行性和可靠性，为5G网络在4K、8K超高清视频领域的传输应用奠定了坚实基础，为今后开展更广泛的应用做了相关技术储备。

2、8K视频编解码技术

作为最新一代的超高清视频传输应用，采用H.265编码技术不可或缺，其编码算法相比于H.264而言，效率提升30%，在同样场景下，可实现用更低的码率传输相同画面质量的信号。本次传输应用中，即采用4路4K信号经HEVC编码压缩后形成独立的四路码流，在此过程中出现一个新的问题，如何在解码端实现4个画面的帧间信息同步？我们的方案是在编码过程中对每个帧增加时间戳，在解码端还原时，解码画面不直接输出，而是建立相应缓存机制，在缓存中将编码端添加的时间戳进行对齐，以保障每一帧画面在显示环节进行拼接时能完整实现各画面之间的信息同步。

3、网络传输流保护及组网模式的运用

目前5G网络仍处在试验阶段，且本次采用5G网络+互联网形式，对于传输链路是比较复杂的，特别是互联网的环境具有不确定性，网络的瞬时波动不可预测，因此增加网关保护设备不可或缺；在信号传输环节，如何保障传输信号稳定可靠是我们重点考虑的问题，在这其中，我们利用两种方案来实施本次应用。

（1）网络纠错

采用ARQ和FEC两种纠错机制，ARQ技术通过在发端设置缓存机制，在收端检测数据包时，若发现其中一个或多个数据包没有收到，则存在于发端缓存区内数据包将重新进行发送；而FEC则利用传输带宽的10%作为纠错码预留带宽，在收端进行自纠错处理，通过不断调整和测试，发现传输链路出现瞬时网络波动，丢包率在30%时仍能进行有效纠错，有力保障了本次8K视频的传输应用。

（2）组网设计

利用两家运营商的5G网络，通过bond（链路聚合）和standby（备份）模式进行设计，如采用大带宽数据传输时，由于一家运营商5G网络上传带宽不足，可利用bond模式进行组网，实现两个5G网络汇聚，在逻辑上实现一条大带宽数据链路；而standby模式更加具有传输意义，实现了物理链路的冗余备份，可在真正意义上实现广播电视信号的传输要求，并可在发端实现码流的无缝切换。为今后实现传输领域的组网设计提供了重要的参考和借鉴。（图4）

四、总结

本次传输应用建立在大流量数据的基础上，充分利用5G高带宽、高速率的优势，在传统使用卫星、微波、光纤等传输技术手段上的一次新创新、新应用，具有完整的链路传输保护措施，可直接作为5G应用的传输手段，为解决今后广播电视传输下一代超高清视频提供了一整套解决方案。也进一步促进了节目制作、传输等环节不断发展，为节目提供更多、更可靠的传输方式。不足之处在于，当前5G组网技术仍采用NSA模式、大规模部署需要大量投入，许多更具节目生产的实际应用暂时无法实现，如D2D、网络切片等，我们也期待在今后SA模式下，开创更多基于5G网络下广播电视技术的新应用。

摘自：2020年第2期《现代电视技术》