2024年5月4日发(作者：腾讯应用宝app官网下载)

Video & Audio

视音频技术

5G+4K超高清图像传输系统原理与应用

文/天津广播电视台 高自强

天津德力仪器设备有限公司 孔祥森

摘要：本文结合笔者媒体工

作实践经验，从视频编解码技术，

数据通信传输技术，系统组成原

理，多种图传系统优劣对比等多

个角度，对5G+4K超高清图传

系统做了详细介绍。

关键词：5G 4K 图像传输

编解码 信道纠错 带宽汇聚

1 引言

随着我国科技的高速发展，4K超

高清电视正逐步走入寻常百姓家。高

分辨率、大动态、宽色域、高对比度

带来了超乎想象的视听体验，同时也

为图像传输技术带来了前所未有的挑

战。与高清图像传输相比，4K图像

传输要求更高的传输带宽、更低的传

输时延。传统的卫星传输、微波传输、

4G传输等技术都不能很好的满足要求。

5G作为最新一代移动通信技术，具有

大带宽、低时延的特点，是4K图像传

输理想的方式。本文通过对比传统广

播电视传输方式，针对基于5G通信技

术的4K超高清图像传输系统的技术特

44

.

点、先进性及其应用情况进行具体说明。

2 常用图像传输系统介绍

在各类视频传输应用中，广电行

业在新闻采访、赛事转播、晚会直播

等活动中采用的专用图传系统，对图

像质量、传输可靠性、直播时延的要

求是最高的，常见的图传解决方案主

要有以下几种。

2.1 微波图传系统

数字微波传输技术是一种利用微

波进行通信的技术，目前广泛用于各

种通信网络中，微波相比于其他的通

信技术有以下优势。

（1）安全性强

信息通过多个站点相继传输，能

够保障信息传输过程中的安全性，防

止信息传输过程中被篡改。

（2）传输能力强

具有很好的抗干扰能力，能有效

降低地理条件、气候因素对信息传输

过程中带来的干扰，使信息传输更高

效、更稳定。

（3）传输距离远

根据天线架设高度和发射功率的

不同，最大传输范围可以轻松达到数

公里。

常见的微波图传系统通常使用

DVB-T地面电视广播技术，将压缩

编码、加密后的视频进行COFDM数

字调制后迁移到几百MHz至几GHz

的频段，通过天线发射出去，接收端

进行解调解码解密后恢复出原始视

频。一路传输占用8MHz带宽，可以

传输一路1080P高清视频，整个传输

过程点对点完成，稳定可靠。但是微

波图传因为技术门槛高、天线架设困

难、传输频点受控等原因，实施成本

非常高，只有在特殊的场景中才会采

用，所以应用并不普及。

2.2 WHDI无线图传系统

WHDI技术是一种使用5GHz

自由频段中的40MHz频段在原有

802.11a技术为基础，发展而来的一

种无线传输技术。WHDI图传摒弃了

传统以数据为核心的理念，而采用了

以视频为核心的系统设计。该系统最

大的特点是，传输的视频不需要经过

压缩编码而直接传输，因此端到端传

输时延极低，可以低于1ms，是所有

图传系统中时延最低的。WHDI系统

主要应用于近距离传输，最大有效传

输范围通常小于数百米，在影视拍摄、

视频监看等领域应用广泛。由于采用

无压缩直传方案，目前WHDI系统还

支持4K视频的实时传输。

2.3 卫星图传系统

卫星图传系统是利用卫星通信

图像与音频处理 Image&Audio Process

2020年4月 月刊 总第336期

链路，实现视频图像实时传输的系统。

的图传系统，都无法满足以上条件，

行AES加密，从而确保数据在传输过

通常由图像采集模块、图像发射模块、

不适合广播级应用。

视频服务器、卫星发射小站、卫星通

信车、图像接收模块、图像显示终端

程中的信息安全。

3.2 信道纠错技术

由于5G网络属于公共通信网络，

3.3 带宽汇聚技术

为了进一步增强网络通信的可靠

等多个部分组成，其优点是覆盖面积

传输带宽会因用户数量的变化而起伏

(区域)大,通信传输距离远，通信频

不定，而且无线通信的特点也决定了

带宽、容量大，但是整个系统较微波

传输稳定性会弱于有线网络。所以必

图传和WHDI无线图传系统更为复杂，

须要采用信道纠错技术来保证5G网

架设困难，受气象条件影响大，应用

络传输的可靠性。TCP作为一种可靠

不够方便，而且卫星通信链路的租借

通信协议，被广泛地应用于各种网络

费用非常昂贵，所以卫星图传系统通

传输应用中，在视频直播和网络监控

常仅在应急通信或者重大活动等少数

行业普遍采用的RTMP和RTSP协议

特殊应用场景中使用。

就是基于TCP协议开发的专用视频直

播协议。但是在广播级4K图传系统中，

3 5G+4K图像传输系统

RTMP和RTSP协议却并不适合。主

核心技术

要原因是4K视频直播占用的带宽都

5G网络虽然具有大带宽、低时延

非常高，国标要求码率大于36Mbps，

的特点，但是它仍然属于公网，与手

这基本上要占大部分5G网络上行带宽

机用户共享带宽、无线传输波动大等

的一半以上，当手机用户量比较大的

缺点依然存在，必须要有有效的技术

时候，会出现抢占带宽的问题，TCP

手段解决这些问题才能使5G+4K图传

协议会出现“雪崩效应”，导致传输带

系统满足广播级图像传输的要求。

宽指数级下降，无法保证4K直播视频

3.1 视频采集和编解码技术

的稳定传输。所以在大带宽传输应用

广播级图传应用的主要目的是将

中，几乎百分之百都是使用UDP协议，

原始视频以最小画质损失，最快的速

辅以信道纠错或者错误重传机制来保

度传回制作域进行视频二次加工处理。

证传输的可靠进行。

因此广播级5G+4K图传系统必须满足

SRT协议就是专门为网络传输开

以下要求。

发的开源协议。具有低时延和安全可靠

（1）支持YUV422、10bit、HDR、

的特点。在传输层SRT使用UDP协议，

BT.2020质量图像的编码和传输。

具备UDP速度快、开销低的传输特性，

（2）最大编码和传输码率不小于

支持点对点传输，无需中间服务器中转，

50Mbps。

可实现几毫秒到几秒的低延时互联网传

（3）端到端时延小于500ms。

输。虽然UDP协议是一种不可靠传输

（4）具备单个12G-SDI或者是

协议，在互联网抖动与丢包的网络环境

4×3G-SDI接口。

下不稳定，但是凭借SRT强大的数据

（5）

满足Main 422 10 profile 标

恢复能力，运用前向纠正技术(FEC)等，

准的H.265/HEVC编解码能力。

将网络丢包的可能性降到最低，确保了

基于监控级编码芯片和通用GPU

SRT传输稳定性。同时SRT还可以进

性，除了采用信道纠错技术之外，还

可以使用带宽汇聚技术，建立多个传

输通道，在发送端将视频流分散到多

个通道上进行传输，确保每个通道的

流量都远小于该通道的带宽容量，增

加该通道的通信可靠性。在接收端再

将各个通道的视频流汇聚起来，恢复

出原始视频流。带宽汇聚技术通常与

实时调度算法配合使用，调度算法根

据每个传输通道的RTT时间、误包率

等指标，对传输信道进行实时质量估

计，再根据估计结果动态调整该通道

的数据传输速率，确保传输通道通信

质量恶化后，数据传输速率也能快速

降低，从而避免通信失效。

带宽汇聚技术配合实时调度算法

可以有效处理各种网络异格性、吞吐

量波动和网络抖动，提高系统的稳定

性、安全性，具有更强的连接鲁棒性。

带宽汇聚与信道纠错原理如图1

所示。

4 5G+4K图像传输系统组成

5G+4K图传系统主要由三部分组

成，发送端(又称背包)、集中管控平

台和媒体接收机。5G+4K图像传输系

统如图2所示。

4.1 背包

发送端包含了视音频采集单元、

H.265/HEVC编码单元、IP流封包

单元和5G发送单元。摄像机输出的

4K原始视音频流，经12G-SDI或

4×3G-SDI接口，进入背包的视音频

采集单元，分离出视音频流之后，进

.

45

Video & Audio

视音频技术

图1 带宽汇聚与信道纠错原理

图2 5G+4K图传系统

入编码单元，分别编码为H.265和

AAC，并复用为MPEG TS流。IP封

包单元将MPEG TS流打包成UDP包，

经多个5G通道发送出去。在传输过程

中，背包实时检测每个5G通道的传输

质量，根据传输质量实时调整通道的

瞬时传输速率，确保数据包在优质信

道中可靠传输。每个5G通道传输的

UDP数据包还会辅以信道编码和错误

重传机制，保证即使有瞬时干扰产生

丢包时，接收机也能恢复出原始数据流。

MPEG TS流进入H.265/HEVC解码

4.2媒体接收机

背包端通过多个5G模组发出的UDP

器，恢复出视音频流，从SDI接口输出。

媒体接收机需要配置公网固定IP，

4.3 集中管控平台

集中管控平台的作用是控制背包

数据包，经过5G基站和数据专线，

和媒体接收机的配对关系，传输视频

直接推送到媒体接收机。接收机的调

度模块实时检测每一条通道上UDP数

据包的误包率，通过信道纠错和错误

重传机制，恢复出原始UDP数据，并

进行汇聚重组，恢复出MPEG TS流。

监控，5G通道质量监控，以及远程控

制，包括控制背包何时启动、停止推流，

配置传输码率、传输时延、视音频编

码参数等。

集中管控平台可以管理多套背包

46

.

图像与音频处理 Image&Audio Process

2020年4月 月刊 总第336期

和媒体接收机，实现设备管理、软件

升级、版本控制、媒体素材管理、人

员权限控制等。

仪器设备有限公司联合开发了5G+4K

图像传输系统。

开发完成的系统可将外场制作的

4K超高清信号通过运营商5G网络传

智能大会转播过程中进行了应用，如

图3所示，大大强化了电视台直播的

时效性。世界智能大会作为世界智能

科技领域学术交流、展览展示、开放

创新、深化合作的盛会，自2017年起

5 5G+4K图像传输系统

开发及应用

回到台内完成节目制作。高带宽的5G

网络使传送的图像质量有了显著提升。

已在天津成功举办三届。

为拓宽外场电视新闻报道信号回

记者或摄像师可单独应用5G背包传输

传的途径，提高新闻节目即时性和现

设备完成新闻直播报道及外场大型活

场直播时效性，适应4K超高清节目制

动制作信号的回传与直播。

作需求，并实现5G网络环境下信号传

5G+4K背包传输系统开发完成后，

输需求，天津广播电视台与天津德力

天津广播电视台在2019年第三届世界

图3

图4

在2019年第三届世界智能大会电

视公共信号制作过程中，天津广播电

视台在天津梅江会展中心应用5G+4K

图像传输系统完成了现场节目的制作，

如图4所示。在首次尝试“5G+4K”

的应用模式过程中，由于现场5G信

号覆盖情况复杂，系统实施的难度比

较大，筹备期间，经过与场馆方、运

营商等单位沟通5G网络需求，制定

电视转播技术方案，在转播现场协调

搭建高清、4K演播室系统，在完成常

规高清节目录制的同时，应用5G+4K

图像传输系统首次实现演播室4K超高

清节目拍摄、制作、传输、录制全流程，

并通过5G网络将4K信号回传到台内

进行录制，首次在大型活动转播中实

现“5G+4K”技术应用。

6 结语

通过5G网络进行大带宽、低时延

的广播电视信号传输将再造节目生产

流程，并能够解决传统卫星通信、微

波通信存在的带宽低，成本高的问题。

同时，5G通信相对于光纤通信，还存

在着灵活性强，部署方便的优势。随

着我国5G通信技术的不断发展，5G

网络覆盖的改善，可以预见，应用5G

网络完成高清和超高清电视节目制作

将越来越普遍。我们也将通过不断优

化，完善现有的5G+4K超高清图像传

输系统，提高编码效率与质量，实现

每次广播电视信号的顺利传送。

.

47