5G NR技术在电视外场直播制作中的应用

杨柳青

（滨州市博兴县融媒体中心，山东 滨州 256500）

1 5G NR技术概述

5G新无线（New Radio，NR）是构建5G网络的全新无线接入技术，相比4G来说，具有更高的频谱效率和更低的时延。5G NR系统基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），同时引入新的调制方法，可以支持更宽的带宽（最大可达400 MHz），增强对高频段的支持，并通过新型帧结构优化了时延。5G NR的帧结构采用自适应设计，可以根据不同的频率范围和场景需求进行调整。

在子帧长度方面，NR支持多种模式：正常模式的子帧长度为1 ms，对应传统的长期演进（Long Term Evolution，LTE）子帧；缩短模式的子帧长度可降至125 μs，减少了传输时延。针对低时延需求，NR进行了Mini-slot设计，时延可降低至125 μs以下。空口接入技术上，NR不仅支持OFDM，还引入了多种多载波调制技术，如新的滤波器组多载波（Filter Bank Multi-Carrier，FBMC）技术等，可以根据场景需求进行选择。

此外，5G NR系统还支持新的调制编码方案，如新的低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC），以及高阶调制技术，如256正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），可以提供更高的数据速率。5G NR通过设计自适应帧结构、支持多种多载波调制、引入新型调制编码技术等创新措施，实现比4G系统更高的频谱效率和更低的空口传输时延，为电视外场直播高速率、低延迟的无线传输提供了重要支持。

2 电视外场直播制作中的技术需求

2.1 视频源获取的需求

电视外场直播制作的第一步是视频源的获取，直接关系到后续制作流程的画面质量。首先，外场环境需要通过无线方式采集视频信号，采集设备（如外场摄像机等）需要快速接入5G网络，建立高速率的无线连接，确保超高清视频源的实时传输。5G网络需要提供每秒数吉比特的无线接入速率，接入时延需达到毫秒级，从而为外场摄像机等设备提供高质量的无线接入服务。其次，不同类型的视频源对网络性能指标有不同的要求。例如：现场连线的主播摄像对时延非常敏感，网络必须具有极低的端到端传输时延，通常应控制在20 ms以内；用于远程访谈的手持摄像机虽然可以容忍较高的延迟，但为保证视频质量，网络需要提供足够的比特率，以避免编码压缩导致的马赛克。最后，外场环境中存在大量移动采集场景，移动过程中需要保证服务的连续性，避免出现长时间视频中断[1-2]。

2.2 编辑制作的需求

电视外场直播过程中，需要对多个采集源进行剪辑处理、多画面合成等，以输出连贯流畅的节目画面，对视频编辑系统的处理能力和时延控制提出了新要求。首先，外场直播的同时处理大量高清信号。一场典型体育赛事的外场制作可能包含上百路高清信号源，各信号源可能采用不同的编码格式、码率、颜色空间等。编辑系统需要对它们进行转码、调色等预处理，将这些画面混合成一个统一的程序视频流，并添加各种转场特效，来丰富画面的视觉效果，还需要能即时切换任意信号源，同时画面不出现卡顿。其次，外场导播需要远程控制机位摄像机，调整镜头框架、选择画面等，这就要求视频源获取端和导播端之间具备低延迟的双向交互能力[3]。最后，部分编辑工作也需要在外场环境中完成，因此编辑系统要能部署在移动设备上，通过无线网络获取视频源并实时输出节目流。这对无线网络的带宽和稳定性提出了要求，源素材必须始终高质量、低延迟地传输到移动编辑终端。

2.3 传输播出的需求

外场直播制作的最后一步是将节目信号传输到播出系统，这一环节同样具有高带宽传输、低延迟和信号可靠性三方面的需求。高质量的外场直播需要传输高码率的视频流，一般带宽在10 Mb·s-1以上，才能传输1 080P高清信号。若是进行4K超高清或8K超高清制作，所需的带宽可以达到每秒几十甚至上百兆比特，对传输系统的带宽要求非常高。

外场直播对信号延迟极为敏感，摄像头采集到播出端播放的时间通常需要控制在1 s以内，这就要求传输系统的视频编码、传输、解码等过程具有极低的延迟，各环节精确同步。任何细微的时延聚集都会导致音画不同步、画面不连贯等问题。

外场直播作为在线直播，不允许出现任何程度的信号中断，要求传输系统具备可靠的连接机制、强大的抗干扰能力等，确保信号质量平稳，即使在复杂的电磁环境中也能提供稳定服务。

3 5G NR技术在电视外场直播中的应用

3.1 无线设备接入NR网络与网络切片

在电视外场直播制作过程中，视频源的获取离不开5G NR网络提供的高速率、低延迟无线接入支持。5G NR网络可以为现场的摄像机等视频采集设备提供每秒吉比特级的超高速无线接入，充分满足实时传输高清及超高清视频源的需要。5G NR支持的多载波聚合技术绑定多个较宽的组载波，为视频源提供400 MHz以上的大容量无线接入带宽，支持源视频的高清传输。同时，NR的自适应帧结构支持125 μs超短帧长度的缩短模式[4]，可以显著降低无线接入时延。在此基础上，结合控制面时延优化，能够有效减少从视频采集到网络接入再到云传输的端到端时延。

根据不同视频源类型的网络需求，5G NR的网络切片技术可以划分出子网络切片，定制服务质量（Quality of Service，QoS）配置。例如，对于低延迟敏感的主播连线视频，网络切片可以配置超低的端到端时延参数；对于编码质量更加敏感的远程访谈视频，网络切片可以提供编码比特率保证。在外场移动视频采集场景下，5G NR网络可以运用多进多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）多天线技术进行新型的波束赋形（Beamforming），通过调整信号波束方向，增强对移动用户的无线覆盖能力，确保高速移动场景下视频源的传输质量。

3.2 多接入边缘计算

电视外场直播难以接受长时间处理和传输延迟，对视频编辑处理的实时性提出了非常高的要求。多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）是一种广泛适用于5G网络架构的移动边缘计算方案，与NR有着非常强的协同性。NR以其高速率、低时延的无线接入，为MEC服务器的部署提供了基础网络支撑，同时MEC通过就近计算弥补了5G NR在核心网时延上的不足。

MEC将编辑处理从远端的中心云下沉至网络边缘接近现场的MEC服务器，能够减少时延，使编辑处理更贴近实时需求。MEC服务器可以部署在接近外场拍摄现场的边缘节点位置，视频源可以就近接入MEC进行低延迟处理，无须传输到远端云服务器。同时，服务器可以利用图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）和现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等硬件芯片进行加速，以提升视频编解码、多路合成等处理的效率。相比中心云处理，MEC可以减少大量源数据传输时延，能够更灵活地按需调度计算资源，显著降低端到端的编辑处理延迟。MEC与中心云计算并非完全对立，MEC服务器可以分析历史数据缓存，将复杂的模型训练工作交给中心云去处理。边缘和云协同AI模型的训练和推理，MEC服务器利用边缘端采集的数据微调模型，使AI判断更加贴近具体场景，让外场编辑工作更加自动化、智能化。

3.3 高速传输、演播室低延迟与保证QoS

5G NR的强大无线传输能力可以全面提升外场直播的信号带宽、时延和可靠性保障。首先，5G NR接口支持的多载波聚合可以达到数百兆赫兹的超宽系统带宽，而且通过先进的调制编码技术能够提供每秒吉比特级的高峰值数据率。NR聚合多个100 MHz带宽的组载波扩展总带宽，支持最高400 MHz带宽，远超4G的带宽限制。其次，NR采用256QAM调制方式，每符号可以调制8 bits，明显高于4G的64QAM，引入的新一代LDPC和极化码等信道编码机制也有助于提升无线调制的可靠性，使NR理论峰值率达到20 Gb·s-1左右，满足外场超高清（Ultra High Definition，UHD）视频的传输速率需求。5G的增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）业务切片也可以为视频信号配置专门的高QoS带宽资源保障[5]。再次，5G NR网络可以达到极低的端到端传输延迟，将用户平面功能（User Plane Function，UPF）更多地部署在接入边缘，使得视频业务的用户面数据可以就近处理，避免经过核心网的多次转发造成的延迟。最后，5G NR通过切片级别的QoS保障机制，可以为视频业务流提供比普通数据服务更高的无线网络资源调度优先级。视频源获取和传输可以利用保证比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）类型的网络切片，获得稳定的无线带宽资源。关键视频业务流可以使用低延迟类型的网络切片，获得更高的无线接入优先权。

4 结语

5G NR技术在解决电视外场直播制作过程中的视频源获取、编辑制作和信号传输等方面的技术难题中发挥着重要作用。5G NR接口的高峰值数据率和超低延迟，以及MEC边缘计算和网络切片等关键技术，为电视媒体实现更高质量、更低延迟的多源远程采集和实时编辑制作提供了可能性。目前，我国5G网络仍在建设中，要想使其真正服务于电视外场直播，还需要进一步的商业部署和技术积累。NR生态的逐步成熟有望进一步丰富电视媒体的内容制作手段，推动传统电视向的转型升级。