5G 與廣播電視技術(shù)的融合

李尤佳

（曲靖市廣播電視臺(tái)，云南 曲靖 655000）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)數(shù)字化元素被大量生產(chǎn)出來(lái)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)信息開始不斷嵌入人們的生活。為了高效利用這些信息，需要實(shí)現(xiàn)多元化通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。5G 與廣播電視技術(shù)的全面融合，可以有效應(yīng)對(duì)這種大通量信息的產(chǎn)生與傳輸。為此，研究廣播電視技術(shù)與5G 融合的過程，探討5G 與廣播電視技術(shù)融合的策略，有助于理清二者的發(fā)展輪廓，加速二者的融合。本文對(duì)此展開研究。

1 5G 的概念與特征

1.1 5G 的概念

5G 是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱。與4G 網(wǎng)絡(luò)相比，5G 具有顯著的差異性。5G 通信具有高速率信號(hào)傳輸、低延時(shí)信號(hào)傳遞和大通量信息發(fā)送等典型特征，是能夠?qū)嵤?shù)據(jù)大規(guī)模、瞬時(shí)傳輸?shù)男乱淮苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[1]。

目前，在5G 網(wǎng)絡(luò)下，信號(hào)延時(shí)時(shí)間可以縮短至1 ms。同時(shí)，其頻譜效率要比傳統(tǒng)的4G 時(shí)代長(zhǎng)期演進(jìn)（Long-Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高出3 倍以上[2]。5G 通信在連續(xù)廣域信號(hào)支撐下，用戶端最終能感受到的信號(hào)傳輸速率可以達(dá)到100 Mb·s-1[3]。由于5G 通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)具有低延時(shí)、高速度傳播的特征，且能夠容納大容量的信息要素，所以它在應(yīng)對(duì)爆炸式數(shù)據(jù)增長(zhǎng)時(shí)能夠平穩(wěn)地接收和高效地輸出相關(guān)信息要素，為通信系統(tǒng)提供便捷、快速化的信號(hào)傳輸能力[4]。

1.2 5G 的特征

5G 的特征之一是使用了信息切片功能。5G 網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過信息切片的延伸，更多的信號(hào)通道被拓展，信息密度被提升，從而使信號(hào)傳輸速率大幅度提高[5]。

5G 在發(fā)展過程中還呈現(xiàn)高頻化特征。與以往的低頻信號(hào)相比，5G 通信系統(tǒng)中的信號(hào)頻譜更加密集，且波長(zhǎng)伴隨著頻段的大幅度躍遷而越來(lái)越短[6]。

5G 具有顯著的波束賦形特征。原來(lái)非5G 時(shí)代的信息通信和信號(hào)傳輸都需要無(wú)線發(fā)射過程向著信號(hào)塔四周進(jìn)行信號(hào)傳輸和散播。而5G 信號(hào)可以有效地使信息波朝著一個(gè)固定的方向傳輸，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形，使自己能夠適應(yīng)不同方向上用戶群體的信號(hào)使用頻率[7]。

目前，5G 在發(fā)展過程中已經(jīng)使用了端到端直接通信（Device-to-Device，D2D）技術(shù)。在這一信號(hào)傳輸過程中，兩個(gè)用戶進(jìn)行5G 通信時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的信息傳輸，避免了以往信息調(diào)制的過程[8]。當(dāng)前，我國(guó)5G 商用已經(jīng)全面推開，中國(guó)電信已經(jīng)獲得3 400 ～3 500 MHz 頻段，廣播電視系統(tǒng)也取得了5G 商用許可，可利用5G 開展融合化的廣播電視技術(shù)演進(jìn)。

2 廣播電視5G 通信信號(hào)傳播過程

5G 通信傳輸系統(tǒng)中，核心的系統(tǒng)框架主要由5G 基站系統(tǒng)和5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成?；鞠到y(tǒng)主要由信號(hào)接收器（如手機(jī)）以及信號(hào)發(fā)射臺(tái)（如基站）等組成，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由核心5G 網(wǎng)絡(luò)組成[9]。隨著5G 信號(hào)的觸發(fā)，核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信息信號(hào)并傳輸，大量的網(wǎng)絡(luò)信息信號(hào)經(jīng)過基站的接收和定向發(fā)射，可以使各種信號(hào)接收端口（如手機(jī)）接收到高速度、大容量、低延時(shí)的5G 信號(hào)，從而完成整個(gè)5G 信號(hào)的傳輸[10]。整個(gè)過程如圖1 所示。

圖1 5G 通信傳輸系統(tǒng)信號(hào)過程

5G 信號(hào)傳輸系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)結(jié)合，就形成了廣播電視5G 通信信號(hào)的傳播過程。以中央廣播電視總臺(tái)的5G 廣播電視系統(tǒng)為例，如圖2 所示，廣播電視信號(hào)進(jìn)行5G 傳輸時(shí)，整個(gè)廣播演播室、辦公區(qū)等信息產(chǎn)生場(chǎng)所都會(huì)接入5G 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，由5G 核心網(wǎng)進(jìn)行信息的接收。這些廣播電視信息經(jīng)由5G 核心網(wǎng)傳輸?shù)竭_(dá)廣播電視5G 傳輸分發(fā)平臺(tái)。5G 傳輸分發(fā)平臺(tái)通過一系列網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）終端的IP 矩陣進(jìn)行信號(hào)的集成制作與信號(hào)切換[11]。通過IP 終端的信號(hào)傳導(dǎo)，最終5G 信息經(jīng)由廣播電視傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)了信息傳播的內(nèi)容呈現(xiàn)。

圖2 中央廣播電視總臺(tái)的5G 廣播電視系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

3 5G 與廣播電視技術(shù)融合的優(yōu)勢(shì)

廣播電視5G 信號(hào)的發(fā)展能夠有效促進(jìn)5G 與廣播電視技術(shù)的全面融合。二者的融合能夠?qū)崿F(xiàn)信息的高集成度傳輸，這是二者融合的顯著性優(yōu)勢(shì)之一。

首先，高集成性信號(hào)傳輸過程能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的廣播電視信號(hào)，確保廣播電視信號(hào)傳輸具有高清晰度、高音質(zhì)和高畫質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的信息推送。高集成度的信息傳輸還能夠有效促進(jìn)廣播電視實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多碼分值、視頻、音頻信號(hào)的高密度壓縮和轉(zhuǎn)制，也能夠有效實(shí)現(xiàn)廣播電視信號(hào)的加密防偽處理[12]。總而言之，二者的全面融合，能夠有效地使廣播電視信號(hào)得到高質(zhì)量保證。

其次，5G 與廣播電視技術(shù)全面融合，能夠有效地規(guī)避外界的干擾。由于在5G 通信信號(hào)傳輸過程中采用的是分布式信息網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，這種信息傳播過程相比于傳統(tǒng)的信息通信過程有著更強(qiáng)的抗干擾性，能夠有效地使用濾波器過濾掉干擾性信號(hào)和其他雜質(zhì)信號(hào)。

最后，5G 與廣播電視技術(shù)全面融合構(gòu)建的新型廣電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著更寬的帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)各種信號(hào)接收終端的多路徑接入。如可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電視終端、平板電腦終端、手機(jī)終端等的信號(hào)接入，可以有效打破傳統(tǒng)的廣播電視信號(hào)傳輸、接收模式，改變以往只能由電視進(jìn)行廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收的狀態(tài)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的廣播電視觀眾覆蓋，同時(shí)使更多觀眾多元化、自由地進(jìn)行廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的選擇。事實(shí)上，正是由于5G 與廣播電視技術(shù)實(shí)施全面融合，形成的數(shù)字化廣播電視信號(hào)才代替了傳統(tǒng)的純模擬信號(hào)。該數(shù)字化廣播電視模擬信號(hào)將相關(guān)信息傳輸至編碼接收系統(tǒng)，隨后對(duì)這些編碼進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，再送入前端編碼集合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字化信息傳輸過程，最終在解碼器的解碼下，廣播電視信號(hào)在終端顯示器上顯示出來(lái)。由于5G 大量使用微基站，基站體積大幅度縮減，便攜式的通信基站可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)海量微型5G 基站的部署，使得廣播電視信號(hào)的傳輸覆蓋范圍大幅度增加。

4 5G 與廣播電視技術(shù)的融合策略

4.1 優(yōu)化5G 下的4K 超高清電視視頻編碼結(jié)構(gòu)

5G 網(wǎng)絡(luò)下，4K 超高清電視技術(shù)開發(fā)應(yīng)用需要特別注意對(duì)視頻編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的調(diào)整。以5G為支持的4K 超高清電視編碼不同的組合方式會(huì)直接對(duì)4K 超高清視頻的壓縮率產(chǎn)生重大的影響。而壓縮率是確保超高清電視視頻信號(hào)清晰度的關(guān)鍵參數(shù)，視頻編碼結(jié)構(gòu)還會(huì)對(duì)4K 超高清電視視頻信號(hào)的切割組合產(chǎn)生差異化的影響。因此，以5G 為支持的4K 超高清電視編碼結(jié)構(gòu)可以采用四叉樹的編碼結(jié)構(gòu)原理，實(shí)施視頻編碼的壓縮和遞歸計(jì)算，從而確保4K 超高清電視視頻信號(hào)單元塊不發(fā)生結(jié)構(gòu)重組和變化，最終實(shí)現(xiàn)5G 下的廣播電視高清4K 信號(hào)生成。

4.2 基于5G 的數(shù)字化調(diào)音臺(tái)的集成式開發(fā)

基于5G 的數(shù)字化廣播電視系統(tǒng)的全面啟用，使得數(shù)字音頻技術(shù)不斷拓展自身的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大了廣播電視工程中數(shù)字化調(diào)音臺(tái)的應(yīng)用范圍。實(shí)踐中，可以利用數(shù)字調(diào)音臺(tái)，以5G 下的數(shù)字化自動(dòng)控制和精準(zhǔn)識(shí)別、精準(zhǔn)調(diào)制為基準(zhǔn)，提高調(diào)音臺(tái)的頻率。一般需要將數(shù)字調(diào)音臺(tái)的固定頻率調(diào)制在0.025 ～30 kHz，要保障頻響的不均勻度小于2 dB，總的諧波失真小于0.015%。這樣5G 下的數(shù)字音頻技術(shù)將可以極大地?cái)U(kuò)展調(diào)音臺(tái)調(diào)音的精確度和調(diào)音的可選擇范圍。相對(duì)于傳統(tǒng)型的信號(hào)調(diào)音臺(tái)而言，5G 下的數(shù)字調(diào)音臺(tái)能夠滿足觀眾多樣化的數(shù)字信號(hào)調(diào)制需求，實(shí)現(xiàn)不同音頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的精準(zhǔn)接收，能夠很好地確保聲音信號(hào)的相互協(xié)調(diào)。

4.3 5G 下的數(shù)字信號(hào)接收開發(fā)

5G 下的數(shù)字音頻技術(shù)集成式開發(fā)應(yīng)用，可以提升廣播電視工程中數(shù)字信號(hào)的接收能力。原來(lái)的數(shù)字音頻模擬信號(hào)傳輸與接收程序中，模擬信號(hào)在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的衰減，在音頻上限20 ～25 Hz 處，其衰減為0.7 ～0.9 dB，會(huì)導(dǎo)致其遇到其他信號(hào)干擾時(shí)可能出現(xiàn)信號(hào)失真、信息丟失。

對(duì)此，可以在廣播電視中使用5G+數(shù)字信號(hào)集成開發(fā)模式，嵌入數(shù)字信號(hào)音頻集成式開發(fā)的電路模型。這樣數(shù)字信號(hào)形成的音頻傳輸系統(tǒng)就能夠大大增強(qiáng)信號(hào)傳輸中的信息接收能力、信號(hào)抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)廣播電視傳播信號(hào)與接收終端之間的信息匹配，提高數(shù)字信號(hào)信息承載效率，加大數(shù)字信號(hào)的脈沖強(qiáng)度。在音頻上限20 ～25 Hz 處，5G+數(shù)字信號(hào)僅衰減0.3 ～0.4 dB，故采用這種方法可提高數(shù)字音頻信號(hào)傳輸?shù)男堋?/p>

4.4 加大5G 頻譜與廣播電視C 波段干擾處理

在5G 和廣播電視技術(shù)融合發(fā)展的過程中，為有效實(shí)現(xiàn)二者的高效率融合，需要切實(shí)有效地加強(qiáng)5G 頻譜與廣播電視C 波段的抗干擾處理。

目前，我國(guó)5G 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所使用的5G 頻譜與廣播電視系統(tǒng)中所使用的C 波段之間有著較好的融合性。所以在二者實(shí)現(xiàn)頻譜信號(hào)融合時(shí)能夠做到較好的融合。但是，由于廣播電視C 波段的信號(hào)內(nèi)部往往夾雜著其他不穩(wěn)定的信號(hào)源，會(huì)對(duì)5G 信號(hào)和廣播電視信號(hào)之間的融合產(chǎn)生干擾。這種干擾會(huì)導(dǎo)致廣播電視數(shù)字化信號(hào)在終端接收時(shí)產(chǎn)生頻閃或信號(hào)波動(dòng)，導(dǎo)致接收到的視頻信號(hào)花屏、音頻信號(hào)失真。為此，需要全面強(qiáng)化5G 頻譜與廣播電視C 波段信號(hào)的抗干擾處理，可以同時(shí)在廣播電視網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化通信系統(tǒng)中加入信號(hào)屏蔽網(wǎng)，對(duì)干擾性的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，通過對(duì)屏蔽網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，可以有效實(shí)現(xiàn)5G 廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的高質(zhì)量輸出。另外，可以在廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收系統(tǒng)中嵌入濾波器，實(shí)現(xiàn)高效的干擾信號(hào)過濾。

4.5 實(shí)現(xiàn)LTE 與eMBMS 的技術(shù)融合

目前，隨著移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的全面擴(kuò)張，廣播電視系統(tǒng)對(duì)于視頻類流量的渴求越來(lái)越強(qiáng)烈，移動(dòng)終端視頻業(yè)務(wù)成為重要的廣播電視傳播信息。為此，在進(jìn)一步促進(jìn)5G 與廣播電視技術(shù)融合過程中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大LTE 與增強(qiáng)型多媒體廣播多播業(yè)務(wù)（evolved Multimedia Broadcast Multicast Service，eMBMS）的全面融合。在5G 通信基礎(chǔ)上，eMBMS在整個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行了容量擴(kuò)容、技術(shù)升級(jí)和優(yōu)化。使用eMBMS 技術(shù)嵌入到LTE 技術(shù)框架下，可以有效地減少?gòu)V播電視在移動(dòng)終端、視頻業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)拓展方面的發(fā)展成本，同時(shí)也優(yōu)化了客戶的終端視頻感知體驗(yàn)，使客戶能夠獲得更加清晰穩(wěn)定的視頻傳輸信號(hào)。

當(dāng)前，隨著我國(guó)在LTENGB-W 標(biāo)準(zhǔn)上持續(xù)投入，整個(gè)eMBMS 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的適應(yīng)性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。中國(guó)聯(lián)通2019 年將LTE 主播平臺(tái)融合eMBMS 技術(shù)實(shí)施商業(yè)化應(yīng)用，大幅度提升了廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸效率，極大地優(yōu)化了廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻譜資源配置，使得廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸質(zhì)量得到明顯提升。下一步繼續(xù)推動(dòng)LTE 技術(shù)與eMBMS 技術(shù)的拓展性創(chuàng)新，有助于實(shí)現(xiàn)更加高效化、穩(wěn)健化的廣播電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著5G 的不斷開發(fā)，廣播電視技術(shù)的全面深化，二者之間的融合范圍進(jìn)一步加大，融合領(lǐng)域越來(lái)越多。下一步，在做好二者各自技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的前提下，持續(xù)加大4K 超高清電視視頻編碼結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的創(chuàng)新式開發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化5G 頻譜與廣播電視C 波段干擾處理，實(shí)現(xiàn)LTE 與eMBMS 技術(shù)的全面融合等，將是5G 與廣播電視技術(shù)全方面融合的重要方向，也是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)5G 與廣播電視技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要渠道。