Ka衛星網絡傳輸探究

徐 勝，姚 迪，張 亮，鄭 濤

（1.湖南廣播電視臺，湖南 長沙 410003；2.北京衛星電信研究所有限公司，北京 100000）

0 引言

2017年4月12日，我國成功發射了首顆高通量通信衛星“中星16號”。該衛星首次使用了Ka頻段寬帶通信技術，用戶終端可方便快捷地接入網絡，在TDMA模式上行和下行速率最高可以分別達到12 Mb/s和150 Mb/s。如今，我國已形成覆蓋全國土疆域以及亞太地區的高通量衛星通信能力，滿足“網絡強國戰略、國家信息化發展戰略”的寬帶通信需求。

對廣電行業而言，Ka衛星可應用于現場寬帶互聯網覆蓋、現場信號IP化傳輸到臺內、臺內信號IP化傳輸到現場、現場4G設備結合Ka設備進行信號傳輸、兩個現場之間的信號IP化傳輸、現場信號通過Ka設備直接推至直播平臺（如目睹直播）等場景。本文將著重解析Ka衛星涉及的應用技術理念。

1 技術優勢

1.1 Ka頻段衛星傳輸背景

衛星業務的頻段分配是在國際電信聯盟ITU的管理下進行的。ITU將全球劃分為3個區域（我國屬3區），在這些區域內，頻帶被分配給各種衛星業務，但同一種給定的業務在不同的區域可能使用不同的頻段。IEEE將4～8 GHz頻段稱為C頻段。在亞太地區，C頻段固定業務衛星多使用5850～6425/3625～4200 MHz頻段，也可使用6425～6725/3400～3700 MHz的C頻段擴展頻率，單向最大信道帶寬可達575 MHz。IEEE將12～18 GHz頻段稱為Ku頻段。在亞太地區，Ku頻段固定衛星業務多實用14.0～14.25/12.25～12.75 GHz頻段，單向最大信道帶寬可達500 MHz。IEEE將18～27 GHz頻段稱為Ka頻段。Ka頻段衛星通信可使用27.5～31/27.7～21.2 GHz頻段，單向最大信道帶寬可達3.5 GHz。Ka頻段衛星比C頻段衛星、Ku頻段衛星頻率資源更豐富，在不考慮不同波束下的頻率資源復用、頻率資源協調分配等因素，在單一極化頻譜上對不同頻段衛星碼元速率進行比對。根據香農定理，在相同信號強度下Ka頻段衛星通信可以獲得更大的傳輸速率。

按照目前人們一般對于網絡的需求，觀看高清視頻一般要求接入帶寬能達到8 Mbps左右的速率。如果衛星網絡需要滿足同樣質量的互聯網接入需求，疊加未來可能大量的終端用戶數量，現在傳統的C頻段和Ku頻段衛星已經不可能實現這樣的衛星帶寬要求。并且由于國際間衛星軌道、頻率的競爭，發射和運營新增大容量C和Ku頻段衛星，在經濟和技術上，實現難度越來越大。同時隨著地面通信業務的發展，特別是國內近年來5G通信的商用，C頻段資源逐漸有被地面通信業務侵占的趨勢。通過Ka頻段衛星發展寬帶通信業務，已成為在激烈競爭和經濟效益下的必然選擇。

1.2 Ka頻段的優勢

（1）小終端化—— 高頻率高天線增益特點，使用的天線口徑與功放相對更加小[1]。

（2）超大容量—— 頻率資源豐富，綜合點波束和頻率復用技術，Ka頻段寬帶衛星通信的系統容量得以數十倍甚至百倍以上的提高。在與C頻段、Ku頻段衛星經濟投入相差不大情況下，Ka頻段寬帶衛星可獲得更大的通信帶寬回報。VSAT網絡在TDMA模式下已接近現有4G水平，在SCPC模式下可超過4G水平，這使得衛星通信保持一定的市場競爭力。

（3）應用廣泛—— Ka寬帶衛星通信的MF-TDMA星狀結構和空地一體化，特別適合提供寬帶接入直接到終端。尤其是在光纖有線接入方案不可實現地區及應用場景中，具有天然的優勢。如運營商的基站中繼、企事業單位IP網絡中繼、突發應急通信、內容分發、新聞采集，以及機載、船載和車載類“動中通”等商對客（B2C）型相關應用場景。由于各關口站之間通過地面光纜互聯互通，也同樣可以提供其他網狀型應用。

（4）模式多樣—— Ka寬帶衛星通信的空地一體化使得網絡運營模式多樣化。Ka寬帶衛星通信的價值鏈由衛星運營、電信港設施、關口站設施、網絡運營、服務提供、終端用戶等多環節構成，這些環節組合可形成垂直一體化直營運行、批發分銷運營、虛擬化運營、獨立自營等多樣模式。

與頻率資源豐富帶寬高、抗干擾性能好相對應的不利因素是，Ka頻段抗雨衰相對較差。但隨著技術發展，雨衰問題可通過自動功率控制（AUPC）、自適應編碼（ACM）和調制技術得到有效克服。Ka頻段與傳統C、Ku頻段主要區別對比見表1。

表1 Ka與傳統C、Ku對比

2 網絡架構

中星16號衛星地面業務運營系統建有1個運營中心（包含數據中心、網管和BOSS系統）和3個信關站（包含基帶和射頻系統），運營中心部署在北京，信關站分別部署在喀什、懷來、成都三個地方。系統采用多點波束多關口站模式設計，不同波束隔離在不同地理位置上，有效避免了相同頻率沖突問題。讓不同信關站可以重復使用同一段頻率，達到成倍擴大衛星通信容量的目的。三個信關站對應中星16號衛星設計的三個饋電波束，天空衛星中繼轉發衛星網絡終端用戶和信關站的饋電波束，實現衛星網絡用戶終端側與信關站的互聯。在地面上三個信關站與運營中心、Internet、企業專網等各類網絡資源互聯，通過信關站來轉發地面和Ka衛星之間的數據，最終實現遠端衛星網絡用戶與地面各類網絡之間的互聯互通。網絡架構圖如圖1所示，天空無線射頻通信以Ka衛星為中心，連接各關口站，實現無線頻率的復用，無線信號的分發。各關口站充當空中無線信號和地面光電信號的連接轉發“網關”，實現空地聯通。地面光電通信以數據處理中心為核心，連同各關口站實現內部數據的轉發，接入外部數據資源實現與互聯網的互通，連通網絡運行中心實現對整個Ka網絡管理。

圖1 網絡結構圖

Ka頻段衛星可以被想象為天空中一個大型的微波中繼器，包含幾個轉發器。每個轉發器偵聽頻譜中的某一個部分，對入境信號進行放大；然后在另一個頻率上將放大的信號重新廣播出去；出境信號采用不同的頻率可以避免與入境信號相互干擾。天地一體化網絡總體組成采用星狀網絡架構，通信體制遵循DVB-S2/DVB-RCS協議標準。前向下行鏈路采用TDMA方式進行廣播式的業務分發，由用戶端網絡設備來區分收到的數據是否向用戶接收設備轉發還是直接丟棄，充分利用了Ka衛星下行鏈路的帶寬，可根據業務類型分配不同的時隙，實現用戶業務的高速下載；返向上行鏈路采用MF-TDMA方式，能夠充分、靈活利用衛星頻率資源，方便滿足大量用戶同時接入訪問的需求。同時，返向鏈路可定制擴展使用SCPC方式、擴頻方式，滿足特定場景的使用需求。理論上高級企業級MODEM在SCPC模式下理論最大回傳能力40 Mbps，TDMA模式下最大回傳能力是12 Mbps。

3 應用測試

3.1 測試環境

在2020年湖南衛視海口跨年演唱會上，我們會同中國衛通集團股份有限公司工程師、SRT協議網絡推流相關產品廠家技術人員，對Ka高通量寬帶衛星網絡進行了詳細系統的測試。通過調整發端編碼器參數和衛星網絡TDMA時隙等參數設置，測試Ka高通量寬帶衛星網絡傳輸現場信號的延時、穩定性和可提供的帶寬，驗證Ka高通量寬帶衛星在廣電行業直播應用的可行性[2]。

測試時在直播現場架設一臺Ka高通量衛星0.6米自動便攜站，通過便攜站連通Ka衛星網絡，提供網絡推流收發端網絡。1路現場1080@50i高清SDI機位信號接入SRT發端編碼器，編碼器輸出網絡信號接入Ka便攜站，完成SRT流信號的發送。同時為了便于現場接收監測，在現場部署移動5G終端CPE提供運營商公共互聯網絡資源。收端編碼器直接接入現場移動5G網絡，測試接收情況。測試鏈路見圖2。

圖2 測試鏈路圖

在測試時發端編碼器設置不同的編碼碼率，Ka寬帶網絡分別采用TDMA和SAPC模式設置不同的可提供帶寬。通過現場接收監看和SRT編解碼器的日志參數，驗證傳輸質量。測試情況見表2。

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3.2 測試結論

在TDMA模式下，本次測試所攜帶的Ka高通量衛星0.6米自動便攜站無法滿足廣電行業高清直播最低上行碼流9 Mbps需求，待后續測試中更換更大口徑、高級企業級MODEM的自動便攜站進行進一步測試、驗證；在SCPC模式下，10 Mbps和15 Mbps碼流H.265編碼方式下可以穩定傳輸1080 P高清視頻業務，視頻清晰流暢、無卡頓，業務感受與傳統的4G、5G地面網絡基本無差別，其中10 Mbps碼流可以應用于一般性高清直播，15 Mbps碼流可以應用于大型晚會高清直播。后續可以繼續推進測試，加大碼流，尋找傳輸效率和直播效果之間的平衡配置。本次測試結果驗證了高通量衛星可以承擔廣電行業一般性直播和大型晚會直播傳輸任務。

本次主要測試了SRT協議流的傳輸，在傳輸鏈路上分析。Ka衛星鏈路屬于“無線專網”，線路可靠、穩定性高，基本無抖動。但結合衛星單向上下270 ms左右的時延，RTT值約540 ms，鏈路延時較大。衛星運營的數據中心到接收端屬于公共互聯網網絡，鏈路存在一定不穩定性，需考慮存在一定丟包和抖動的問題。但公共互聯網網絡延時低，鏈路RTT一般在30～40 ms左右。當前主流應用層流媒體傳輸協議SRT、RTMP、RTP都涉及丟包重傳保護，如果考慮全鏈路的約600 ms的RTT（Ka衛星鏈路加互聯網網絡延時）和一般建議設置4倍于RTT的buffer值，則數據傳輸至少需要有2 s左右的延時。在實際操作中建議根據鏈路特點調整傳輸協議的選擇，在Ka衛星鏈路可考慮采用UDP+FEC模式，通過UDP減少協議交互帶來的延時。FEC前向糾錯糾正傳輸過程中可能的錯誤，且FEC占用傳輸帶寬是一個固定值，可規避流媒體協議在網絡在突發情況下，ARQ重傳占用大量帶寬的情況。在公共互聯網絡上還是采用主流的流媒體傳輸協議，解決公共網絡不可靠的問題。在Ka網絡的數據中心安裝流媒體網關設備，封裝適配內外網的傳輸協議。此模式下使用SRT協議傳輸預計可將延時控制在400 ms左右，在保障傳輸質量的前提下，降低數據傳輸的延時[3]。

結合Ka頻段衛星網絡結構特點，可以在Ka網絡數據中心部署定制相關的平臺應用服務，實現類似“5G網絡邊緣計算”的能力。如部署轉碼、畫分等廣電行業相關應用，使數據流量的發生、計算處理盡量集中在衛星網絡專網內，減少與公共互聯網交互的數據量。既保證了傳輸的高質量，又能提升數據傳輸處理過程中的安全性。我臺已有類似“新手駕到”“牛氣滿滿的哥哥”等外場節目，實現將現場多個機位信號推流到公有云平臺，借助公有云平臺相關應用，將多個機位信號做多畫面分割，再將畫分信號傳送給現場導演實時監看把握節目進度。未來可考慮將此模式在Ka頻段衛星網絡中來部署測試，進一步探究發掘Ka衛星網絡的應用。

4 結束語

目前，中國衛通集團股份有限公司有計劃發射新的Ka衛星，新衛星部署后將大幅度提升Ka的覆蓋能力和傳輸能力，賦能未來8K/4K超高清信號的傳輸。更可在Ka衛星網絡地面數據中心建立PAAS、SAAS級服務能力，或建立與各大公網云平臺之間的專線網絡，直接實現專線級別的應用服務，打造Ka網絡的整體解決方案，賦能更多的應用。■