2022 北京马拉松 5G 接收分发系统应用

本文介绍了2022 年北京马拉松赛事直播保障中，基于5G 网络传输的多路超高清视频信号接收系统的技术方案，对接收系统架构、防灾备份手段、工作原理等进行了说明。

作者：中央广播电视总台尹利
来源：《现代电视技术》

2022 年11 月6 日，第四十届北京马拉松开跑，本次北京马拉松直播首次采用5G 网络进行多路超高清视频信号传输。本次马拉松直播中男子、女子移动车及3 辆移动拍摄车共5 路4K 超高清信源使用 5G 背包编码，通过5G 网络进行实时回传至总台主备超高清聚合网关、超高清矩阵进行信号复制、分发调度，信号调度至终点转播车进行解码，参与公共信号制作，同时满足各节点对信号的监看需求。本次直播保障的难点在于多路超高清信号同时移动回传、起终点区域多手机终端同时接入抢占基站资源及接收端的稳定可靠性。技术保障团队前期进行了多次路测，协调运营商对5G 网络无覆盖、弱覆盖地区进行优化、补点，实现多运营商5G 网络全线覆盖。采用5QI4 切片技术、多链路聚合传输技术、动态码率编码技术保障传输终端的上行能力，实现同一基站及基站切换中多路超高清信号同时移动状态下平稳回传。5G+4K 传输接收分发系统采用简单、安全、可靠的方式进行保障，本文重点介绍北京马拉松基于5G 网络的多路4K 超高清信号的接收分发系统。

本次直播保障的接收分发系统主要使用超高清聚合网关、超高清IP 矩阵及超高清解码器等设备，使现场采集的超高清信号通过异构聚合接收、安全备份、无人值守、多路分发、返监信号等策略，实现信号安全传输至各监看节点及终点转播车，同时通过5G+4K 超高清背包的地图打点功能，实时监看赛场直播机位的位置、信号指标并根据指标实时调整5G 背包参数，保证了北京马拉松基于5G 网络的多路4K 超高清信号安全稳定传输。

一超高清聚合网关异构接收系统

为保证北京马拉松赛场超高清信号安全接收，超高清聚合网关采用3 种互不相通的异构网络进行组网搭建，即互联网络、联通切片网络和移动切片网络，对3 种网络接收的数据进行数据包识别、排序，重新组成完整数据流，并转换协议为UDP-TS 输出至下一环节。当某一网络断开，前方回传数据会自动分配到其他网络通道进行传输。通过超高清聚合网关与赛场5G+4K 超高清背包握手协议探测机制、毫秒级智能计算各通道传输带宽能力，根据各通道传输性能，实时将一个超高清节目流拆分为每个传输通道带宽能承受的数据片进行并发传输，并根据传输数据丢包情况，同时利用传输纠错和自动逐片补发技术，最大限度利用了5G 网络带宽，保证了后方数据接收的完整性。其中智能网络探测、智能数据流拆分、实时数据纠错和数据包重传等关键技术功能的融合，实现了全程平均码率40Mbps 无盲点多路超高清信号的实时稳定传输。

赛事直播中通过超高清聚合网关5G 背包的聚合编码算法，将传输数据动态分配到移动、联通和电信3 家运营商5G/4G 网络的7 个通道上，降低了传输过程的上行峰值带宽，缓解了运营商基站的压力，提升了传输稳定性。超高清聚合网关对应提供7 个通道进行接收，分别为移动切片通道、联通切片通道和5 个5G/4G 互联网通道，这些通道分别接收经赛场5G+4K 超高清背包智能分配的IP 流，通过配置聚合接收延时，实现多机位间画面同步。超高清聚合网关搭建使用热备份方式，当主聚合网关处在不工作状态，后方监看岗位人员通过综合网管系统远程修改5G+4K 超高清背包目的地址，实现信号快速经过备网关接收并传输至下一节点。此次赛事中，超高清聚合网关配置端到端延时2.1 秒，可以保证5 路回传移动机位信号延时帧级同步，实现制作域各机位间安全平滑切换。

通过异构网络聚合方式构建接收系统，可以保障业务“零抢占”“零拥塞”，高优先级保障切片卡速率、延时和网络质量的稳定性，通过超高清聚合网关和5G+4K 超高清背包握手通信的算法，实时分析各通道的传输能力，自动为带宽稳定、延时更低的通道动态分配更多的传输码率，这样可以减轻其他带宽较小通道的压力；安全性上，异构网络聚合的方式，即使某一通道完全断开，也不会影响其他通道传输的稳定性，数据会智能动态地分配到其他通道，实现传输稳定不丢包、画质满足播出要求；效率上，异构网络聚合方式可以更多地降低网络抖动，实现在相同时间传输更多有效数据，为超高清网关对传输有效数据判别提供更充足的时间，更加提升超高清聚合网关的效率。

超高清聚合网关可以通过局域网络进行控制、监测信号状态，也可以通过自带模组，通过互联网方式进行远程控制和监测，实现多人多地同时监测，通过监测系统，可以及时反馈接收通道信息，如码率、延时、通断等信息。

二超高清矩阵接收及备份系统

超高清矩阵接收超高清聚合网关输出的UDP-TS 信号，通过基准码流平滑处理、码流PCR 等指标修整，使码流抗网络抖动能力增强，各监测、调度点及终点转播车接收到的码流指标保持稳定，更利于监测和增加解码的稳定性；通过主备超高清矩阵数据勾连，实现主备超高清矩阵主备同时输出赛场信号，相互备份。通过主备两条链路传输至前场，主备任何一条传输链路断开，均不影响前场解码的稳定性。同时，矩阵通过多口分发，将信号分发至各监看、调度、播出节点，对信号进行码流监测、解码上屏、录制等处理。

超高清矩阵主路通过两个网口分别接收马拉松赛场3 路信号，经过自身平台做码率基准、端口流备份、流PCR 等指标处理后，分发到各监看、调度节点及超高清矩阵备路；超高清矩阵备路接收马拉松赛场2 路信号，处理方法同超高清主路矩阵；如此，矩阵自身做了流信号备份、监测、自动切换等处理，同时超高清矩阵主路和备路上，均接收到了完整的5 路赛场信号，通过光、电口分别传输到各监看节点和终点转播车，且各监看点可以接收到来自终点转播车解码器环回的 UDP-TS 信号，便于后方监看直播流画面。

超高清矩阵采用端口流备份技术即主、备路通过数据勾连、数据阈值监测、码流指标修整、码流备份等功能，实现了自动备份、自动切换的无人值守形态，大大提高了传输安全性、减轻了后方监控压力。超高清矩阵可以通过分组形式对输入输出信号进行一键切换，最多可以实现输入输出128×128 切换，同时对输入信号进行监测告警，支持多种切换模式（主路优先、单向切换、浮动模式、手动切换），切换条件支持灵活设置，可以实现传统的码率阈值切换，也支持更加准确的TR 101-290 标准的一级、二级、三级码流错误切换条件，如同步错误、连续计数错误、 PAT 错误、PMT 错误等。切换单元可通过策略配置防止发生误切换，创新地引入错误延时和恢复延时两个参数，通过配置两个参数值，使触发信号延后，在延后时间内，系统如果再次收到触发切换的码流错误才会启动切换，避免误切动作。超高清视频矩阵采用嵌入式专属硬件设计，结合FPGA 自有算法库，结合码流信息的快速获取能力，对码流信息分析和错误判定在毫秒级即可完成，保障了系统切换的高效性和实时性。赛事直播时当主路矩阵工作正常时，备路矩阵保持热备状态，与主路同时进行相同的业务处理及数据传输，当切换条件触发端口流备份策略后，通过算法在1ms 内快速地检索和定位切换位置，备路矩阵开始进行数据传输，高效完成码流切换。相较于传统通过人员监看、手动切换，这种自动监测、自动切换的手段更加简单、安全、可靠。

三超高清解码器搭建部署

本次马拉松赛事采用符合总台超高清视频播出标准的超高清分辨率3840×2160、色度采样4:2:2、高动态范围HLG 方式进行解码，同时前方音频采用 7 声道编码传输方式，解码端将7 声道音频解码还原。解码器接入转播车BB 信号使解码出的视频信号完全同步后，通过4×3G SDI 接口进入视频矩阵，接入制作域进行制作、播出。

超高清解码器部署在总台各监看、调度节点及终点转播车，用于解码马拉松赛场信号，输出12G SDI/4×3G SDI 基带信号供制作播出、上屏监控和收录使用；同时超高清解码器环出输入UDP-TS 流，返送总台，供后台监看使用。监看中心同时解码经视频矩阵调度的超高清网关接收到的信号及转播车解码器环回的信号，通过同源不同路由的两路信号监看及码流分析仪数据快速判定故障节点。

四实时位置监看系统

马拉松赛事与场地内赛事不同，具有时空点位多、移动线路长、传输时间久、无线环境复杂等客观难题，整个直播过程中，面临着每一个5G 基站都有至少1~2 个移动机位，每路40Mbps 码率超高清拍摄画面实时传输的技术难点，需要实时监看到每个移动机位的位置信息。

本次赛事中，使用手机关联5G+4K 超高清背包，共同上报位置及5G+4K 超高清背包状态信息的方式，在地图上展现5G+4K 超高清背包位置信息、传输速率信息、SIM 卡状态信息等。前期踏勘期间，工作人员使用5G 背包在实际播出路线上行进，后方可以通过该系统实时得到现场的运行轨迹、信号强度、传输能力的直观反馈，为现场人员对现场网络的了解、运营商优化网络提供了宝贵的数据。直播保障期间后方保障人员可以通过该系统实时掌握背包运动位置，对于赛道上某些点位需要预设的操作可以提前准备，提高了工作效率。

通过地图上显示的位置信息及主用3 张SIM 卡信号强度、传输速率和延时等信息，可以实时直观监测 5G+4K 超高清背包的位置和运行状态信息，通过颜色标记，可以判断5G+4K 超高清背包回传信号速率情况，为提前调整直播信号争取时间。

五总结

北京马拉松赛事直播接收系统通过自动备份、自动切换等技术手段实现了简单、安全、可靠为全节点监控，系统按预置要求自动进行信号备份切换，赛事直播全流程传输安全、画质稳定。在CCTV-5 完美呈现，圆满完成了通过5G 信号传输多路超高清直播保障的任务，也为今后基于5G 网络的多机位、移动化超高清直播积累了宝贵经验。