跨时代的技术与革新——“5G+8K”

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1 5G 技术

1.1 5G 技术简介

5G 技术是第五代移动通信技术的简称，英文全名为 5th Generation Mobile Communication Technology，它是在 2G、3G、4G 技术的延伸和发展，具有“大宽带、低时延、广连接”等特点，能够满足受限于移动通信 4G 时代无法满足的高传输速率、低时延、低成本、低时延、大容量等方面的需求。而 5G 虽然只是一个通信技术，却承载着非同寻常的意义和期待，它是“万物互联”的技术基础， 借助 5G 的高速率传播能力，我们能够将任何数据等事物通过网络结合关联起来， 创造出更多的信息和行动。而 5G 与其它行业的其它行业的联合发展近年来也一直为人所重视，甚至不少人认为 5G 与其它行业的融合将会为许多传统行业带来巨大的机遇和飞跃，这将会比单独研发 5G 技术具有更大的意义和使用价值。

因此，5G 技术自诞生以来就被世界诸国所重视，截止 2020 年底就有 13 个

国家和地区的 412 家运营商在这个领域上进行大规模投资，甚至许多运营商已经在此基础上推出它们规划设计的运营服务。而在这些国家和地区中，美、日、中、德、韩、英、法七个国家无疑处于开发前沿，如我国更是投入了 1.03 万亿美元占据了近 24%的资本份额。令人欣喜的是，在投入了巨大人力物力的基础之上， 我国在 5G 建设方面成果斐然，截止 2020 年年底共计搭建 5G 基站多达 70 万个， 占全球基站总数目的 70%以上。此外，我国的 5G 用户数目也极其庞大，在全球约 1.7 亿的用户中有近八成的用户是属于中国的。而在一些芯片研制，技术研发方面，我国也始终走在世界前列，国内企业主导的技术标准数量众多，占 5G 所有技术项目的 40%以上。

1.2 5G 关键技术

5G 技术无疑是人类在通信技术上的一个巨大飞跃和迈进，而目前它的研发和突破主要集中在以下 6 大关键技术。

（1） 毫米波极高频传播

现在的无线通信工作频段主要集中在 300MHz~3GHz 的特高频分米波频段，尽管这个频带宽度已经十分惊人，可随着目前网络技术的飞速发展，相关无线设备也在不断增加，原先的频带宽度显而易见地不能再满足人类大规模传输的发展需求。而超高频、极高频段却尚未开发，足量可用的富余带宽无疑正是 5G 的大容量、高速率传输所需求的。因此，毫米波极高频传播技术无疑可以缓解频谱资源紧缺的困境，满足 5G 通信的要求。

（2） 大规模 MIMO 技术

为了缓解 5G 时代急速增长的通信话务需求，大规模天线数量的增加是无可避免的，而大规模 MIMO 技术更是大势所趋。采用大规模 MIMO 技术，不仅可以有效提高频谱的效率，而且尤其符合 5G 大容量广覆盖的要求，既能增加网络覆盖的灵活性，还能带来惊人的容量增益，把整个时空上的优越性利用到了极限，大规模 MIMO 技术正是 5G 时代的核心技术之一。

（3）5G 空口同频同时全双工技术

5G 作为新一代移动通信技术，必须满足连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接以及低时延高可靠的要求，因此它对数据速率、系统能量效率、频谱效率、可靠性以及性比价等都有着极高的提升需求。而 5G 空口同频同时全双工技术通过终端与网络间上下行链路协同工作，使用相同的频率同时传输数据，它把FDD 和 TDD 紧密结合在了一起，对不同的要求灵活地安排工作方式以发挥不同方式的各自优势，以此大幅提升网络的性能和效率[1]。 

（4） D2D 组网方式

D2D 组网方式是对此前蜂窝通信方式的改良，此前的蜂窝通信方式是以基站为中心向周围辐射以全覆盖，这种方法无疑会有很大的功率消耗。而 D2D 终端直通技术则是用户之间点对点直接通行，在这个网络模式中，用户不仅是客户端同时也是服务器，信号不必一定要通过基站就能被用户接收。这无疑很大程度上地拓展了网络接入方式，同时信道质量也会因为较短的通信距离而有所提升，D2D 组网方式满足了 5G 通信对于低时延、低功耗以及高传输速率的要求。

（5） 超密度异构网络

超高密度异构网络是在 D2D 技术和 SDN 架构的基础上设计提出的，D2D 技术的引用避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，提高网络吞吐量。SDN 通过集中式的控制器以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置，使得动态快速分配计算资源和存储资源成为可能。在超密集异构网络中采用这两种架构将大大提升有效网络资源利用率，还能实现网络集中式管理。基于此设计可以有效降低时延性，因为对业务进行了分流处理所以减少了网络拥塞，在有限的网络资源下满足时延敏感和数据完整性敏感两类业务的传输要求，提高了网络资源利用率和网络容量，很好地解决了数据爆炸式增长造成的容量有限问题。

（6）C-RAN 新型网络架构

基于 5G 网络更高带宽和更低时延以及海量连接等的需求，C-RAN 作为一种新型网络架构应运而生，并也随着 5G 技术的需求不断与时俱进。在引入了集中和分布单元 CU/DU 的功能重构及下一代前传网络接口 NGFI 前传架构后，C-RAN 架构就相当于 CU、DU、RRU3 层架构，实现了端到端灵活资源编排能力和配置能力，满足运营商快速按需的业务部署需求。

1.3 5G 技术发展困境

在当前 5G 技术的发展主要受制于国内和国际两方面的因素，国际方面主要是由于新冠疫情造成的全球化进程停滞以及 5G 相关技术的研发的进程缓慢，而由于国际纠纷，许多国家也禁止向中国厂商供应高精尖器件和技术。国内则大致要面临以下三个方面的挑战：

尽管我国目前基站数量位列全球第一，但距离 5G 通信所需求的全覆盖尚有很长一段距离，整体来看区域差别也十分明显，中西部地区要远远落后又经济发达的东南沿海。

（2）5G 支撑技术尚未成熟

尽管 5G 标准日新月异，早已演变到了 R16 版本，但现实是支持低时延高可靠的这套标准尚需一两年的时间才能得到商用和实践。此外，一些如网络切片和边缘计算等的应用新技术也还处于测试初期，它们的稳定性和实用性还需要一段时间的实验与改良。

（3）5G 应用配套支撑体系还处于发展初期

与 5G 应用配套的体系还没有成熟，各个应用领域也只是初见雏形，没有形成成熟完全的体系，与 VR/AR、8K 等技术的联动融合也亟待时间去检验。而除此之外，硬件方面芯片、模组等核心产业也大大限制了 5G 终端的多样性。

2 8K 技术

2.1 8K 技术简介

与近些年才崭新面世的 5G 技术不同的是，8K 很早就登上了历史的舞台。日本放送协会（NHK）从 1995 年起就开始研究，而早在十六年前，NHK 就在博览会上向世界展现了 8K 技术及其相关成果，并且在之后相关组织也一直致力于 8K 技术的研究和发展。8K 作为一种视频标准更是在 2012 年就作为数字视频标准被推向世界。 

8K 技术是一种视频技术系统的名称，它涵盖了设备的前端、编码、传输和播出以及平台应用等多个方面，还同时突破高分辨率、高帧率、高色深、宽色域、高动态范围等五个维度的技术，它能为观众来更加身临其境的观影临场体验[2]。 

（1） 高分辨率

高分辨率（7680×4320）技术让画面层次更加丰富，画面细节更为细致，场景的立体空间感也能被很好地表现出来。

（2） 高帧率 

高帧率技术能更好地提高影像的细腻度和流畅度，予人以更舒适的观感体验，在 120Hz 以上的的高帧率中，运动镜头的画面跳停与模糊现象会被大幅度改良，高亮度宽视角情况下的闪烁现象也能被消除[3]。 

（3） 高色深

色深即色彩深度，也被称为色彩位数，它通常被用来表示系统能支持颜色的最高上限。高色深技术让视频呈现颜色种类增加，提高灰阶层次过渡的表现能力、防止出现色彩平滑过渡区域的色带、提升暗场的显示效果、降低画质噪点。

（4） 宽色域

色域即为一个技术系统能够产生的颜色综合，宽色域技术大大提升了系统的色彩表现能力，它让系统显示出来的颜色更加丰富，也让系统影像更加接近自然界色彩[3]。

（5） 高动态范围

人眼的亮度动态范围是有限的，大约在 ~nits，而高动态范围能让

人眼看到更纯粹的纯色，也能完善画面黑暗处和高光处的细节，使画面色彩更加饱和和立体。

综上所述，8K 是目前电视视频的最高水平，也是未来视频技术的发展大势。

2.2 8K 技术发展困境

8K 技术的进程却远不如想象中的顺利，相比于此前 4K 技术的风靡与全面开花，前些年 8K 技术则一度陷入停滞困局。这主要是以下几个方面所导致的：

（1）8K 视频制作成本高，视频源少

虽然如京东等厂商早已推出 8K 电视和 PC 平板等设备，但 8K 设备的价格仍一直居高不下，比如 8K 摄像机就有着极其昂贵的价格。而未经压缩的一分钟原始 8K 文件的容量高达 200GB，这样巨大的存储空间需求这是寻常设备的容量难以满足的，也是 8K 技术推广普及民用路上的一道难题。因此，8K 视频的制作需要极高的制作成本，这也是造成 8K 视频源稀少的原因。

（2） 传播成本高

对于运营级 8K 视频，经 H.265 压缩后的码率也在 100Mbps，要达到实时传输，没有一定的网络传输速率是不行的。2G、3G、4G 等通信技术远不能满足需求。

（3） 用户体验成本高

绝大多数 8K 电视都售价高昂，有的甚至折合人民币后高达 103 万元，这是普通家庭难以承受的。而且局限于房间面积，在普通家庭观看电视的距离内，8K 视频在普通尺寸电视上的呈现效果与 4K 并无多大差别，因此大尺寸、高成本的8K 电视很难被普通家庭所接受。

3 “5G+8K”组合模式

3.1 “5G+8K”技术简介

如前文所述，在 5G 的众多应用领域里，高新视频一直被认为是 5G 最重要和最早开展的业务，而上文中曾经 8K 发展所面临的种种困境都可以依托于 5G 通信技术一一解决，“信息视频化、视频超高清化”已成为全球信息产业发展的大趋势。“5G+8K”相结合的相关规模产业迅速扩展，针对这个发展态势，中央广播电视总台也于 2021 年 3 月 26 日启动了“5 G+4K/8K+AI”的研究计划，并且在随之而来的春节联欢晚会中采用了“5G+8K/4K+AI”的组合模式，这场直播无疑是 8K 超高清应用领域的标志性里程碑。

随着 5G 技术的日趋成熟，毋庸置疑的是 8K 超高清产业已经进入了高速发展的时代，甚至成为行业的新标配，并将逐渐在更多的场景领域里得到应用。

3.2 “5G+8K”应用领域

“5G+8K”的应用场景十分广泛，覆盖人们的各式各样的生活娱乐方式，同时推动着工业产业的发展，它将会深入人们的生活赋予大家更好更棒的生活体验，也将带动产业走向更加智能化的时代。

（1）8K 直播/点播

基于 5G 网络的高速率传播，许多大型表演活动等场景都能通过 8K/VR 技术进行直播/点播，与以往的直播/点播不同，在“5G+8K”技术应用基础之上，8K 直播/点播能带给用户更加真实的沉浸临场体验，用户的视听交互体验效果也将大幅提升。

（2） VR 游戏

 “5G+8K”与 VR 技术相结合，能让玩家走入虚拟世界，获得更好地游戏沉浸体验，也能增强游戏的交互性，这无疑会对用户产生巨大的吸引力。