作者：湖南廣播電視臺 潘磊 汪豐毅 傅煒楊
摘要
本文主要介紹了湖南衛視2019-2020跨年演唱會中，利用現有5G網絡進行8K視頻傳輸應用的具體方案和關鍵技術，具體從系統架構、技術要點和應用前景等幾方面進行了闡述。
關鍵詞
5G網絡 8K超高清 視頻編解碼 傳輸網絡流保護 網絡糾錯
一、概述
在4G時代，移動通信網絡有了較大進步，其傳輸速率、鏈路延時和網絡可靠性相比以前都有了長足進步，可以滿足大多數大型直播晚會、體育賽事以及新聞連線等直播報導活動。隨著十年一代的移動通信技術的發展，5G網絡開始逐步進入應用時代，其超高速率、超低延時、海量連接和更高可靠性等優勢帶來廣播電視傳輸技術的新一輪發展，當前廣播電視技術正逐步邁向超高清時期，5G作為衛星、微波、光纖之後的另一種傳輸技術，可全面契合當前4K/8K視頻傳輸應用，極大簡化人員配置、降低節目製作成本，為節目生產提供更加多樣化的支持手段。
二、5G+8K+網際網路傳輸應用系統介紹
本次傳輸應用秉承技術創新、穩定可靠、簡要實用的原則，充分利用現有5G網絡現狀，採用最可靠的傳輸模式，實現大流量數據的傳輸，將8K視頻編碼解碼、網絡傳輸保護、5G網絡技術等多種技術和條件成功結合，實現創新應用，全系統鏈路圖見圖1，為進一步闡述系統架構，我們將此次傳輸應用系統分為五個部分。
1、信源及編碼處理部分
湖南衛視2019-2020跨年演唱會期間，在會場中央架設一臺Sony UHC 8300攝像機，拍攝全景畫面，提供8K信源，攝像機CCU，CCU可提供4×12G-SDI信源，8K畫面需要採用4個獨立的4K畫面拼接，每個4K畫面的解析度滿足3840×2160。在實際傳輸應用中，近距離可通過裸光纖傳輸，遠距離傳輸需要對基帶8K信號進行壓縮編碼，即使如此，8K的數據量依然很大，使用5G網+網際網路方式傳輸也是一種挑戰。為保障編碼效率及編碼碼流的穩定，本次傳輸測試採用數碼視訊8K硬體編碼器，其主要架構由4個4K編碼子板構成，Sony CCU提供的4路12G-SDI信源，分別接入四個編碼板，通過HEVC（H.256）編碼方式將每一路12G-SDI視頻依次壓縮至10M/20M/25M，音頻採用MPEG-1編碼192Kbps，CBR模式下每個編碼板各輸出一路IP碼流，採用UDP協議，組播輸出至數據交換機。
2、保護網關部分
由於傳輸鏈路採用5G+網際網路形式，考慮現有運營商5G網絡的組網模式和網際網路鏈路的波動情況，因此需要在收發端採用傳輸保護網關，保障信號傳輸的穩定性和安全性。保護網關在數據交換機中接收來自編碼器輸出的4路IP碼流，通過網關設備進行解封裝與再封裝，實現在5G+網際網路鏈路中的點對點傳輸，此外，利用當前網關設備傳輸糾錯機制，使用ARQ和FEC糾錯技術，在複雜網絡環境中實現穩定、可靠傳輸效果；此外，為防止當前運營商5G網絡上傳帶寬不足、鏈路不穩等問題，通過網關設置鏈路匯聚和冗餘備份機制，形成同運營商相同或不同CPE下的5G上傳通道的聚合和備份。
實際使用時，採用Net insight VA225網關保護設備，利用移動、電信兩家運營商提供的兩條5G鏈路，先採用single傳輸模式，每條鏈路傳輸2個20Mbps碼流，實測發現鏈路穩定，trip延時在50ms以內，鏈路平均丟包率在5%左右，再運用bond和standby模式實現兩家運營商5G上傳通道的邏輯綁定和冗餘功能，採用兩家運營商鏈路實現4路20M碼流傳輸，在實際傳輸時關閉其中一條臺CPE模擬鏈路終端後，單鏈路傳輸仍能穩定傳輸80Mbps碼流，見圖2，圖3。
3、網絡鏈路部分
網絡鏈路分為兩個部分，具體如下文所述。
（1）5G網絡
跨年晚會期間，利用中國移動、中國電信已部署好的5G基站，在室外轉播區域實現5G網絡覆蓋，兩家運營商均採用NSA方式，通過基站與核心網間的專線鏈路共用現有4G核心網，採用speedtest測試，兩家運營商的5G上傳速率能達到80Mbps~90Mbps，能實現8K視頻編碼碼流傳輸，鏈路端對端延時能維持在30ms以內；實際傳輸過程中，為儘可能實現鏈路穩定、可靠，運營商經過了一系列網絡優化，並實時在CPE端運用工具將模擬UDP數據包實時發送至現網接收伺服器中，不斷測試鏈路的傳輸抖動和延時。
（2）網際網路專線
通過中國移動拉通一條200M對等網際網路專線至展示區，收端網關架設在網際網路一側，網關設備端設置中國移動提供的公網IP、mask及gateway等信息，接收來自發端網關的實時碼流信號，收發端網關本身適用於在公網傳輸環境中，採用UDP點對點傳輸機制。
4、接收及解碼部分
架設在網際網路端的網關設備，通過UDP 2088埠實現數據的互聯互通，通過內部push模式實現碼流的實時接收，接收端將UDP單播碼流接收後進行解封裝處理，在TS碼流前端重新添加包頭後形成4個獨立的UDP組播碼流給數據交換機；解碼則由數碼視訊EMR解碼器進行解碼處理，從交換機獲取4路組播分配給4個解碼板，每個解碼板負責一個4K畫面的解碼，輸出4×12G-SDI信號給8K SDI轉HDMI轉換器，供大屏展示。解碼器同時還需對4路4K畫面的每一幀幀間信息進行同步，4路碼流經解碼器解碼處理後，在內部採用緩存機制，將帶有時間戳的幀間信息進行對齊，使4幅4K畫面在顯示端拼接時幀間圖像能保持一致。
5、顯示監看部分
終端監看設備採用Sony 85寸8K專業顯示器，解碼器輸出4路4K畫面後，經SDI轉HDMI設備，通過HDMI3.0接口實現視頻信號進入大屏實時展示，在實際傳輸應用過程中，解碼輸出畫面經拼接整合，能完整展示在顯示器中，從主觀角度觀察，無論從畫面清晰度、同步狀態和拼接間隙均能呈現良好的視覺效果，畫面全程流暢，無卡頓、丟幀等情況，也間接表明，4K信號HEVC（H.265）編碼，在20M編碼碼率下能實現較好的視頻傳輸效果，解碼端畫面失真度較小。
三、技術要點
1、5G網絡在大流量數據的實際應用
高清晰度視頻意味著需要更高的傳輸帶寬，當前，國內三大運營商已經逐步開始鋪開5G試驗網絡，先期採用NSA方式，逐步開展5G網絡的應用，本次湖南衛視跨年晚會應用5G網絡傳輸8K視頻是很有價值的一次實驗，證實在5G網絡中傳輸高帶寬、大流量數據視頻的可行性和可靠性，為5G網絡在4K、8K超高清視頻領域的傳輸應用奠定了堅實基礎，為今後開展更廣泛的應用做了相關技術儲備。
2、8K視頻編解碼技術
作為最新一代的超高清視頻傳輸應用，採用H.265編碼技術不可或缺，其編碼算法相比於H.264而言，效率提升30%，在同樣場景下，可實現用更低的碼率傳輸相同畫面質量的信號。本次傳輸應用中，即採用4路4K信號經HEVC編碼壓縮後形成獨立的四路碼流，在此過程中出現一個新的問題，如何在解碼端實現4個畫面的幀間信息同步？我們的方案是在編碼過程中對每個幀增加時間戳，在解碼端還原時，解碼畫面不直接輸出，而是建立相應緩存機制，在緩存中將編碼端添加的時間戳進行對齊，以保障每一幀畫面在顯示環節進行拼接時能完整實現各畫面之間的信息同步。
3、網絡傳輸流保護及組網模式的運用
目前5G網絡仍處在試驗階段，且本次採用5G網絡+網際網路形式，對於傳輸鏈路是比較複雜的，特別是網際網路的環境具有不確定性，網絡的瞬時波動不可預測，因此增加網關保護設備不可或缺；在信號傳輸環節，如何保障傳輸信號穩定可靠是我們重點考慮的問題，在這其中，我們利用兩種方案來實施本次應用。
（1）網絡糾錯
採用ARQ和FEC兩種糾錯機制，ARQ技術通過在發端設置緩存機制，在收端檢測數據包時，若發現其中一個或多個數據包沒有收到，則存在於發端緩存區內數據包將重新進行發送；而FEC則利用傳輸帶寬的10%作為糾錯碼預留帶寬，在收端進行自糾錯處理，通過不斷調整和測試，發現傳輸鏈路出現瞬時網絡波動，丟包率在30%時仍能進行有效糾錯，有力保障了本次8K視頻的傳輸應用。
（2）組網設計
利用兩家運營商的5G網絡，通過bond（鏈路聚合）和standby（備份）模式進行設計，如採用大帶寬數據傳輸時，由於一家運營商5G網絡上傳帶寬不足，可利用bond模式進行組網，實現兩個5G網絡匯聚，在邏輯上實現一條大帶寬數據鏈路；而standby模式更加具有傳輸意義，實現了物理鏈路的冗餘備份，可在真正意義上實現廣播電視信號的傳輸要求，並可在發端實現碼流的無縫切換。為今後實現傳輸領域的組網設計提供了重要的參考和借鑑。（圖4）
四、總結
本次傳輸應用建立在大流量數據的基礎上，充分利用5G高帶寬、高速率的優勢，在傳統使用衛星、微波、光纖等傳輸技術手段上的一次新創新、新應用，具有完整的鏈路傳輸保護措施，可直接作為5G應用的傳輸手段，為解決今後廣播電視傳輸下一代超高清視頻提供了一整套解決方案。也進一步促進了節目製作、傳輸等環節不斷發展，為節目提供更多、更可靠的傳輸方式。不足之處在於，當前5G組網技術仍採用NSA模式、大規模部署需要大量投入，許多更具節目生產的實際應用暫時無法實現，如D2D、網絡切片等，我們也期待在今後SA模式下，開創更多基於5G網絡下廣播電視技術的新應用。
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