Ka卫星网络传输探究

徐 胜，姚 迪，张 亮，郑 涛

（1.湖南广播电视台，湖南 长沙 410003；2.北京卫星电信研究所有限公司，北京 100000）

0 引言

2017年4月12日，我国成功发射了首颗高通量通信卫星“中星16号”。该卫星首次使用了Ka频段宽带通信技术，用户终端可方便快捷地接入网络，在TDMA模式上行和下行速率最高可以分别达到12 Mb/s和150 Mb/s。如今，我国已形成覆盖全国土疆域以及亚太地区的高通量卫星通信能力，满足“网络强国战略、国家信息化发展战略”的宽带通信需求。

对广电行业而言，Ka卫星可应用于现场宽带互联网覆盖、现场信号IP化传输到台内、台内信号IP化传输到现场、现场4G设备结合Ka设备进行信号传输、两个现场之间的信号IP化传输、现场信号通过Ka设备直接推至直播平台（如目睹直播）等场景。本文将着重解析Ka卫星涉及的应用技术理念。

1 技术优势

1.1 Ka频段卫星传输背景

卫星业务的频段分配是在国际电信联盟ITU的管理下进行的。ITU将全球划分为3个区域（我国属3区），在这些区域内，频带被分配给各种卫星业务，但同一种给定的业务在不同的区域可能使用不同的频段。IEEE将4～8 GHz频段称为C频段。在亚太地区，C频段固定业务卫星多使用5850～6425/3625～4200 MHz频段，也可使用6425～6725/3400～3700 MHz的C频段扩展频率，单向最大信道带宽可达575 MHz。IEEE将12～18 GHz频段称为Ku频段。在亚太地区，Ku频段固定卫星业务多实用14.0～14.25/12.25～12.75 GHz频段，单向最大信道带宽可达500 MHz。IEEE将18～27 GHz频段称为Ka频段。Ka频段卫星通信可使用27.5～31/27.7～21.2 GHz频段，单向最大信道带宽可达3.5 GHz。Ka频段卫星比C频段卫星、Ku频段卫星频率资源更丰富，在不考虑不同波束下的频率资源复用、频率资源协调分配等因素，在单一极化频谱上对不同频段卫星码元速率进行比对。根据香农定理，在相同信号强度下Ka频段卫星通信可以获得更大的传输速率。

按照目前人们一般对于网络的需求，观看高清视频一般要求接入带宽能达到8 Mbps左右的速率。如果卫星网络需要满足同样质量的互联网接入需求，叠加未来可能大量的终端用户数量，现在传统的C频段和Ku频段卫星已经不可能实现这样的卫星带宽要求。并且由于国际间卫星轨道、频率的竞争，发射和运营新增大容量C和Ku频段卫星，在经济和技术上，实现难度越来越大。同时随着地面通信业务的发展，特别是国内近年来5G通信的商用，C频段资源逐渐有被地面通信业务侵占的趋势。通过Ka频段卫星发展宽带通信业务，已成为在激烈竞争和经济效益下的必然选择。

1.2 Ka频段的优势

（1）小终端化—— 高频率高天线增益特点，使用的天线口径与功放相对更加小[1]。

（2）超大容量—— 频率资源丰富，综合点波束和频率复用技术，Ka频段宽带卫星通信的系统容量得以数十倍甚至百倍以上的提高。在与C频段、Ku频段卫星经济投入相差不大情况下，Ka频段宽带卫星可获得更大的通信带宽回报。VSAT网络在TDMA模式下已接近现有4G水平，在SCPC模式下可超过4G水平，这使得卫星通信保持一定的市场竞争力。

（3）应用广泛—— Ka宽带卫星通信的MF-TDMA星状结构和空地一体化，特别适合提供宽带接入直接到终端。尤其是在光纤有线接入方案不可实现地区及应用场景中，具有天然的优势。如运营商的基站中继、企事业单位IP网络中继、突发应急通信、内容分发、新闻采集，以及机载、船载和车载类“动中通”等商对客（B2C）型相关应用场景。由于各关口站之间通过地面光缆互联互通，也同样可以提供其他网状型应用。

（4）模式多样—— Ka宽带卫星通信的空地一体化使得网络运营模式多样化。Ka宽带卫星通信的价值链由卫星运营、电信港设施、关口站设施、网络运营、服务提供、终端用户等多环节构成，这些环节组合可形成垂直一体化直营运行、批发分销运营、虚拟化运营、独立自营等多样模式。

与频率资源丰富带宽高、抗干扰性能好相对应的不利因素是，Ka频段抗雨衰相对较差。但随着技术发展，雨衰问题可通过自动功率控制（AUPC）、自适应编码（ACM）和调制技术得到有效克服。Ka频段与传统C、Ku频段主要区别对比见表1。

表1 Ka与传统C、Ku对比

2 网络架构

中星16号卫星地面业务运营系统建有1个运营中心（包含数据中心、网管和BOSS系统）和3个信关站（包含基带和射频系统），运营中心部署在北京，信关站分别部署在喀什、怀来、成都三个地方。系统采用多点波束多关口站模式设计，不同波束隔离在不同地理位置上，有效避免了相同频率冲突问题。让不同信关站可以重复使用同一段频率，达到成倍扩大卫星通信容量的目的。三个信关站对应中星16号卫星设计的三个馈电波束，天空卫星中继转发卫星网络终端用户和信关站的馈电波束，实现卫星网络用户终端侧与信关站的互联。在地面上三个信关站与运营中心、Internet、企业专网等各类网络资源互联，通过信关站来转发地面和Ka卫星之间的数据，最终实现远端卫星网络用户与地面各类网络之间的互联互通。网络架构图如图1所示，天空无线射频通信以Ka卫星为中心，连接各关口站，实现无线频率的复用，无线信号的分发。各关口站充当空中无线信号和地面光电信号的连接转发“网关”，实现空地联通。地面光电通信以数据处理中心为核心，连同各关口站实现内部数据的转发，接入外部数据资源实现与互联网的互通，连通网络运行中心实现对整个Ka网络管理。

图1 网络结构图

Ka频段卫星可以被想象为天空中一个大型的微波中继器，包含几个转发器。每个转发器侦听频谱中的某一个部分，对入境信号进行放大；然后在另一个频率上将放大的信号重新广播出去；出境信号采用不同的频率可以避免与入境信号相互干扰。天地一体化网络总体组成采用星状网络架构，通信体制遵循DVB-S2/DVB-RCS协议标准。前向下行链路采用TDMA方式进行广播式的业务分发，由用户端网络设备来区分收到的数据是否向用户接收设备转发还是直接丢弃，充分利用了Ka卫星下行链路的带宽，可根据业务类型分配不同的时隙，实现用户业务的高速下载；返向上行链路采用MF-TDMA方式，能够充分、灵活利用卫星频率资源，方便满足大量用户同时接入访问的需求。同时，返向链路可定制扩展使用SCPC方式、扩频方式，满足特定场景的使用需求。理论上高级企业级MODEM在SCPC模式下理论最大回传能力40 Mbps，TDMA模式下最大回传能力是12 Mbps。

3 应用测试

3.1 测试环境

在2020年湖南卫视海口跨年演唱会上，我们会同中国卫通集团股份有限公司工程师、SRT协议网络推流相关产品厂家技术人员，对Ka高通量宽带卫星网络进行了详细系统的测试。通过调整发端编码器参数和卫星网络TDMA时隙等参数设置，测试Ka高通量宽带卫星网络传输现场信号的延时、稳定性和可提供的带宽，验证Ka高通量宽带卫星在广电行业直播应用的可行性[2]。

测试时在直播现场架设一台Ka高通量卫星0.6米自动便携站，通过便携站连通Ka卫星网络，提供网络推流收发端网络。1路现场1080@50i高清SDI机位信号接入SRT发端编码器，编码器输出网络信号接入Ka便携站，完成SRT流信号的发送。同时为了便于现场接收监测，在现场部署移动5G终端CPE提供运营商公共互联网络资源。收端编码器直接接入现场移动5G网络，测试接收情况。测试链路见图2。

图2 测试链路图

在测试时发端编码器设置不同的编码码率，Ka宽带网络分别采用TDMA和SAPC模式设置不同的可提供带宽。通过现场接收监看和SRT编解码器的日志参数，验证传输质量。测试情况见表2。

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3.2 测试结论

在TDMA模式下，本次测试所携带的Ka高通量卫星0.6米自动便携站无法满足广电行业高清直播最低上行码流9 Mbps需求，待后续测试中更换更大口径、高级企业级MODEM的自动便携站进行进一步测试、验证；在SCPC模式下，10 Mbps和15 Mbps码流H.265编码方式下可以稳定传输1080 P高清视频业务，视频清晰流畅、无卡顿，业务感受与传统的4G、5G地面网络基本无差别，其中10 Mbps码流可以应用于一般性高清直播，15 Mbps码流可以应用于大型晚会高清直播。后续可以继续推进测试，加大码流，寻找传输效率和直播效果之间的平衡配置。本次测试结果验证了高通量卫星可以承担广电行业一般性直播和大型晚会直播传输任务。

本次主要测试了SRT协议流的传输，在传输链路上分析。Ka卫星链路属于“无线专网”，线路可靠、稳定性高，基本无抖动。但结合卫星单向上下270 ms左右的时延，RTT值约540 ms，链路延时较大。卫星运营的数据中心到接收端属于公共互联网网络，链路存在一定不稳定性，需考虑存在一定丢包和抖动的问题。但公共互联网网络延时低，链路RTT一般在30～40 ms左右。当前主流应用层流媒体传输协议SRT、RTMP、RTP都涉及丢包重传保护，如果考虑全链路的约600 ms的RTT（Ka卫星链路加互联网网络延时）和一般建议设置4倍于RTT的buffer值，则数据传输至少需要有2 s左右的延时。在实际操作中建议根据链路特点调整传输协议的选择，在Ka卫星链路可考虑采用UDP+FEC模式，通过UDP减少协议交互带来的延时。FEC前向纠错纠正传输过程中可能的错误，且FEC占用传输带宽是一个固定值，可规避流媒体协议在网络在突发情况下，ARQ重传占用大量带宽的情况。在公共互联网络上还是采用主流的流媒体传输协议，解决公共网络不可靠的问题。在Ka网络的数据中心安装流媒体网关设备，封装适配内外网的传输协议。此模式下使用SRT协议传输预计可将延时控制在400 ms左右，在保障传输质量的前提下，降低数据传输的延时[3]。

结合Ka频段卫星网络结构特点，可以在Ka网络数据中心部署定制相关的平台应用服务，实现类似“5G网络边缘计算”的能力。如部署转码、画分等广电行业相关应用，使数据流量的发生、计算处理尽量集中在卫星网络专网内，减少与公共互联网交互的数据量。既保证了传输的高质量，又能提升数据传输处理过程中的安全性。我台已有类似“新手驾到”“牛气满满的哥哥”等外场节目，实现将现场多个机位信号推流到公有云平台，借助公有云平台相关应用，将多个机位信号做多画面分割，再将画分信号传送给现场导演实时监看把握节目进度。未来可考虑将此模式在Ka频段卫星网络中来部署测试，进一步探究发掘Ka卫星网络的应用。

4 结束语

目前，中国卫通集团股份有限公司有计划发射新的Ka卫星，新卫星部署后将大幅度提升Ka的覆盖能力和传输能力，赋能未来8K/4K超高清信号的传输。更可在Ka卫星网络地面数据中心建立PAAS、SAAS级服务能力，或建立与各大公网云平台之间的专线网络，直接实现专线级别的应用服务，打造Ka网络的整体解决方案，赋能更多的应用。■