高通量卫星多链路聚合优化传输

姚 迪，田 锟

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100094）

1 研究背景

我国地面通信网络建设较为完备、发展迅猛，4G已逐渐普及，5G开始大规模部署，中国移动、中国电信、中国联通三大运营商的通信网络已接入城市和主要农村，覆盖我国99.8%的行政村。但是各运营商地面网络的通信制式、基站覆盖范围、信号强弱、稳定性等在各地区不同，并且在地理环境复杂的边远地区，如沙漠、戈壁、草原、海岛等，仍存在通信盲区，若直播通信中采用单一制式的终端易在上述地区存在传输效果不佳甚至传输中断的风险。另外，在灾害发生现场，地面链路因通信基础设施损毁导致瘫痪，这种情况下卫星通信成为灾害现场直播场景下惟一的通信方式。

2 研究方法

中星16号卫星是中国第一颗Ka高通量通信卫星[1]，采用多波束覆盖，实现频率复用，具备容量大、通信速率高、终端小巧等优势，单颗卫星的通信总容量可达到20Gb/s。卫星通信系统中数据交换节点与当地地面网络连接，具备星地一体化通信能力，用户端通过卫星小站即可接入互联网，与传统大波束覆盖卫星相比，使得用户网络接入成本大大降低，同时具备更加多样的组网方式适应用户各类使用需求和多种使用场景[2]。

为满足偏远地区及应急灾害场景下的高清/超高清稳定直播传输需求，研究高通量卫星多链路聚合优化传输方案[3，4]，能够满足不同地理环境下的通信传输需求，摆脱了对地面网络的依赖性。该方案融合多源卫星通信链路，在单一卫星通信网络覆盖下，选择单颗卫星通信链路进行多终端链路聚合，在多卫星通信网络并存的情况下，动态实时分析各链路质量，智能化的聚合多条通信链路的带宽，从而提升上行网络速率，最大上行传输速率可达到40Mb/s，满足当下广电直播高清、超高清化的需求。除此之外，高通量卫星终端轻量化的设计打破了人们对于卫星直播传输设备体积庞大且价格昂贵的观念，单人背负即可随时随地进行高清、甚至超高清4K直播；终端一键对星的功能简化了对星入网繁琐的操作步骤，具备较高的实用性。

3 高通量卫星聚合传输系统架构

图1 高通量卫星聚合传输系统架构图

为了满足4k等高清视频传输所需要的40Mb/s传输速率，本方案采用多个卫星终端站聚合的方式提高整个系统传输速率。可根据实际使用地点，单个卫星便携站按需开通单路单载波模式（SCPC模式），则当每个小站达到20Mb/s左右的传输速率时，即可满足直播要求。

直播现场摄像机拍摄的画面，通过HDMI转IP的聚合传输设备（如直播背包或聚合路由器）将视频信号进行压缩处理并转为网络信号，聚合传输设备根据多链路实际情况将数据进行切片处理并分别经由不同卫星终端站传输上星，高通量卫星将其转发至地面信关站，再通过地面专线连接到宽带卫星网络运营中心，视频数据可通过互联网或专线的形式抵达用户侧聚合服务器，聚合服务器将多链路切片信号进行聚合并还原为源信号，实现前方超高清直播画面的实时传输。

尽管链路聚合技术已在多种场景下得到验证，但是目前链路聚合上行解决方案是通过链路整合的方式解决带宽问题，所有的传输通道通过TCP进行多链路数据分配。然而该方式无法处理在移动和复杂网络环境中持续变化的码流、丢包率和延时等状况，大部分系统只能依赖重传技术如ARQ、HARQ等，显著增加了系统的延时时间。

图2 聚合链路优化传输保障机制

与传统的链路聚合上行解决方案相比，本方案提供的链路聚合技术可通过UDP及基于IS+的高通量卫星通信链路聚合优化传输方案实时环境动态变化预测，能够持续观察数据链接状态，同步发送对应数量的提前量来保证数据包能被接收到，而不会产生潜在的丢包。这种通过上述高精度预测机制结合FEC算法、可变码率编码（VBR）及保底的数据错包重传（ARQ）手段而避免数据重传的机制，有效提升传输效率的同时，降低了网络延时。

4 结束语

提出的基于高通量卫星通信链路的聚合优化传输方案，利用多网络聚合终端将多个高通量卫星终端进行链路聚合，多条通信链路互为备份，满足无地面网络覆盖条件下，4K信号稳定高效传输的需求。聚合传输的带宽叠加、负载均衡，结合动态FEC、VBR、ARQ，具有极高的系统鲁棒性。同时在聚合接收端服务器引入多专线接入或者互联网加专线混合接入两种聚合模式，可以根据实际链路资源情况和视频传输需求实现链路资源利用最大化、使用成本最优化和传输效果稳定化。