5G网络在广播直播传输中的应用浅析

吕兆明

中央广播电视总台 北京市 100000

引 言

5G 网络作为一种新的传输方式给广播直播带来了许多新的可能性，目前广播转播的5G网络应用模式较多是用其替代传统有线网络，用于直播信号的传输。广播转播一般会在直播现场搭建一个具备完整功能的广播直播间，由主持人在现场制作完整的播出节目信号，实时回传到台内主控再进行播出。5G 网络在直播现场提供网络接入方式，将现场直播节目信号回传到台内主控，与传统使用有线网络的区别主要在于现场的网络接入变化。

高带宽低延时的5G 网络具备足以替代有线宽带的性能指标，并且移动性更强，网络部署更灵活，无线接入的传输形式使得直播的节目形态具备更多的可能性和创新性。笔者结合工作中多次的5G 网络应用，针对遇见的一些问题，对目前的应用模式下如何在广播转播中更好使用5G 网络进行探讨。

1 广播转播的5G网络接入的方式

5G 网络的数据传输从终端发出，经过基站进入核心网。因此传输终端必须具备接入5G网络的能力。最理想的是传输设备集成5G 终端芯片或具备专用5G 适配天线，但目前纯音频传输的设备仍未有集成5G 功能的成熟产品，因此通过把5G 移动网络信号转化为网线或者WIFI，配合原有的基于IP 的纯音频传输设备使用，是目前最常用的5G 网络接入方式。转化5G 网络需要使用5G 手机或CPE设备（Customer Premise Equipment 客户终端设备），将5G 信号转化为WIFI 信号，部分CPE 设备具备将5G 网络信号转化为有线网络输出的功能，比如华为和中兴的CPE 产品。

通过5G 手机热点WIFI 的方式，可以完全脱离位置限制，灵活性最大。能最好满足需要移动直播的场景。并且通过移动电源的配合使用，能够实现长时间不中断的移动传输。并且设备轻量，十分适合解决有长时间移动需要的现场直播信号传输。

图1 有线宽带与5G 网络的直播架构对比

图2 武汉军运会开幕式现场测试无线WIFI 环境

WIFI 的数据传输是以信道为载体，在可使用的频段范围内划分出不同的信道供WIFI 网络使用。WIFI 传输协议规定终端发送数据前，需要通过先发送 一 个RTS （request to send）数据包，确保信道资源独享才会进行数据传输，此机制目的是为了在有限的无线频段资源里，充分平衡各个WIFI 网络的无线资源使用权。因此同一个环境中使用同一信道的WIFI 设备数量增加，必然会导致整体的网络性能下降。WIFI 使用的无线频段是2.4G 和5G，5G 频段技术标准是在2.4G 频段公布的10 年后2009 年公布的，在物理速率、信道带宽、吞吐量等网络性能都远超过2.4G 频段。而由于推出时间早，使用2.4G 频段的WIFI 设备数量要远远多于使用5G 频段的，并且还有其它许多无线电子设备也使用2.4G频段无线资源，比如蓝牙设备、无绳电话等。相比较5G 频段WIFI 的劣势是衰减快穿透能力弱，但只要传输设备跟5G 手机或CPE 靠近架设即可解决，因此使用上更倾向于选择将5G 网络转化成干扰少，并且性能更优的5G 频段WIFI。

通过CPE 转化5G 网络的方式，5G CPE 作为专门的5G 网络信号转化设备，在硬件上具有优势，能提供千兆级甚至万兆级的接入带宽。并且CPE 设备不受限于结构设计，比起5G 手机有足够充裕的空间实现的多天线设计，充足数量的MIMO 天线使其具备更高的5G 信号收发能力。使用CPE 能够最大限度的发挥5G 网络的性能，在性能指标上5G CPE 的网络接入甚至优于一般的互联网宽带。

图3 武汉军运会在开幕式现场5G 手机的热点WIFI（左）和5G CPE 的WIFI（右）的测速

2 提高使用5G网络的传输质量

2.1 使用无压缩的音频编解码方式

在IP 编解码传输设备的5G使用测试中，对编解码方式进行控制变量试验，对比发现设备使用的编解码方式压缩率越低，传输效果越好。常见的音频编解码方式中，L-PCM 优于FLAC 优于AAC。

使用有线网络进行传输，数据从设备发出，是有序的进入网络。常见问题是网络带宽被挤占、数据拥塞导致延时突然增加，发生数据接收的超时和乱序。通常使用更高压缩比的编码方式减少传输的数据量能有效解决。而5G 网络是无线传输，数据从设备到基站之间通过无线电波传输，最主要的问题是无线传输的不可控性，数据从设备到基站的乱序、误码和丢失。

数据量较高的L-PCM 编码方式，采用48kHz 16bit 格式的码率是1536 kb/s，常用类型的AAC 编码方式码率是100 kb/s上下。虽然有着约10 倍的数据量差别，但对于千兆级以上带宽的5G 网络，并不显现差异性。对于传输系统，t 传输延时≈t 处理延时+t 网络延时，由于LPCM 编解码无压缩，所以t 处理延时（L-PCM）≈0，得出t 传输延时（L-PCM） ≈t 网络延时（L- PCM） + t 处理延时（LPCM） ≈t 网络延时（L-PCM），通常小于10ms。对于数据量更少的AAC 编码方式，t 网络延时（AAC）≤t 网络延时（L-PCM）≤10ms，得出 t 传输延时（AAC）≈t 处理延时（AAC）+t网络延时（AAC） ≈t 处理延时（AAC），通常约200ms。在超低延时的5G 网络中，压缩编解码的数据的处理延时能会是网络延时的几十倍。AAC 编码方式所传的数据经过压缩，去除了大部分相关性，即使相对轻微的数据误码和丢失，对数据解码都会有严重的影响。单个比特的误码就有可能会在解码序列中引起一段时间区域的音频质量下降，而L-PCM 编码方式没有经过压缩，误码不会产生额外影响，并且无压缩的数据流中有前后大量的具备强相关性的数据，十分有利于数据修复和纠错。

图4 传输设备使用5G 网络时，选用AAC 编解码的丢码率（左，1.2%）和L-PCM 的丢码率（右，0.0%）对比

图5 传输设备的数据记录，对比L-PCM 编解码（右）AAC 编解码（左）的丢码主要原因是数据的包乱序

图6 传输设备使用5G 网络，传输状态稳定（左）和不稳定（右）的辅助数据（浅蓝色部分）开销对比

用于直播的传输设备绝大部分都使用UDP 传输协议，UDP采取尽力而为的非可靠数据传递机制，本身辅助控制数据开销小，数据传输处理具有很高的速度优势。传输设备的拥塞控制、丢包重传、抖动处理、智能调节等网络质量控制均由上层应用来完成。5G 网络相比较与有线网络，信号在无线传输过程中容易出现传输不稳定情况，传输不稳定时会增加辅助控制数据来应对数据乱序到达和误码丢包。

由于音频数据的量级差异在5G 网络的超高带宽中是不产生区别的，传输的数据量更小的压缩数据并不会有助于提升传输质量，相反使用无压缩的音频数所节省的编解码压缩延时，能够有更多的时间执行更多的网络质量控制，如数据包重传等，有更高的容错能力应对传输抖动和误码。

2.2 适用于直播的5G 网络接入策略

在军运会开幕式彩排现场进行5G 网络传输测试时出现过频繁的传输中断，表现为传输延时逐渐增加至传输终端。开启设备的中断自动重拨功能，发现中断后数秒内设备会重新连接成功，并且传输延时恢复到正常值。通过运营商对后台数据的追踪分析，判断是由网络的负载均衡引起。负载均衡是在通信负荷超过一定阈值后，根据情况进行动态平衡资源重配，确保用户和业务得到及时调度的一种策略。

5G 网络分NSA 和SA 两种组网方式。NSA 是非独立网络，使用4G 基站资源作为基础组建5G网络，目前我国绝大部分地区的5G 网络都是NSA 组网方式。NSA 组网5G 网络的数据使用5G网络传递，具备高带宽低延时等5G 网络特性，但是信令是通过4G 网络传递，因此在基站资源的使用上并没有与4G 用户分隔开。负载均衡是基站本身的一种运作策略，因此5G 用户也会受其影响，在使用中要避免负载均衡的影响有3 种解决方法。

第一种方法是锁小区及锁频，锁频和锁小区都可以在设备端独立进行设置并启用，操作上具有很高的便利性。通常1个基站划分有3 个无线覆盖区域，称为扇区。每个扇区使用一个或多个无线载波完成无线覆盖，每个无线载波使用某一个载波频点，或者使用同一个载波频点但不同的扰码。通过使用不同的扰码或频率在扇区中进行分层，不同的层称为小区，用于承载基站与用户之间的数据。负载均衡时基站会将高负载小区的部分用户和数据业务分散到其他负载相对低的小区，分散压力提升基站的整体效率。

负载均衡虽然对于一般的用户用使用场景是没有影响的，载波和小区的切换不会引起数据的中断，但是会影响数据传输的连贯性。发生载波转移前后的数据到达接收设备的时间会产生很大的差异，过大的抖动造成了直播的数据传输中断。通过锁频和锁小区确保设备传输数据所使用的载波和小区不变，负载均衡发生时让其他客户被分散出去，直播节目的数据流仍保持在原载波和小区上，保障数据传输的连续性，降低数据的传输延时差异，有效减少抖动发生。

第二种方法是使用QoS 保障业 务，QoS （Quality of Service服务质量）是运营商用于提升通信质量的一种技术业务，实施上涉及核心网（EPS）和无线侧（gNB）两方面，第一种方法的锁频和锁小区都属于无线侧的QoS 策略。目前5G 用户数量少，5G 核心网的资源丰富，对于小规模数据量的应用，只需针对无线侧进行优化策略既可以达到很好的效果。QoS 保障首先需要在5G 核心网进行技术参数设置，再对直播现场的5G 网络环境进行测试，根据实际情况进行基站配置，保证核心网设置的QoS 参数能够落实到用户终端。

图7 在5G 手机上通过后台APP 进行锁频和锁小区操作

对于使用4G 网络架构作为基础的NSA 组网5G 网络，QoS策略通常由核心网来控制，无线侧适配，配置核心网的专用承载，提高QCI （QoS Class Identifier，QoS 等级标识） 等级，确保数据在核心网的带宽速率不被其他用户侵占。提高ARP（Allocation Retention Priority 分配保留优先级）等级，确保承载数据的重要性，在数据的接入、数据吞吐、资源释放等重要获得优先级，不会被其他业务挤占资源。运营商QoS 保障措施与实现十分成熟，提前向运营商提出QoS 申请，在直播现场进行充分调试调整，能很好的保障直播的使用。

第三种方法是使用网络切片，网络切片是5G 网络的一种应用业务。网络切片是运营商在5G 网络上划分出多个虚拟网络的技术，每个网络切片从设备到接入网到承载网再到核心网在逻辑上隔离，同一个5G 网络里可以“切出”多个虚拟的端到端网络，并且每个切片可以根据不同的业务需求进行差异化配置，实现按需组网。

5G 网络的切片从无线接入网到承载网再到核心网的网络资源都是完全独立的，不同切片间的资源是相互隔离的，不会被其他用户侵占，避免网络风险安全性高，等同于在5G 网络中开通一条专线。只有完全基于5G 资源和技术的SA 组网方式能实现网络切片，目前5G 网络切片已经有4K 视频的传输试验，具备专用独占性的5G 网络切片将会成为传输直播节目的理想方式。

3 结束语

目前基于IP 的音频传输设备以及CPE 设备均十分成熟，能够为使用5G 作为网络接入手段来融入到广播转播中提供很好的技术支撑。使用5G 移动接入的优势在于减少了布置网络环境的时间和手续，直播技术系统搭建不受通信线路铺设的位置限制更加灵活，十分有利于转播的技术部署效率提高，尤其适合应对突发事件的直播。随着5G 网络的进一步发展完善，以及5G相关专业设备的开发完善，5G网络技术在直播传输的应用将会是未来的发展趋势。