卫星通信同时实现4K超清视频传输和点对点语音通话业务研究
2023-03-11苏炯
【摘要】为同时实现4K超清视频传输和点对点语音通话业务，通常可采用无线通信、地面专线或卫星通信方式，各有优劣。本文讨论当受限于各项资源条件，综合考虑成本因素和传输质量，不得不采用卫星通信方式时，在架构组织和方案设计过程中遇到的困难、解决的手段及相应技术的细节。研究得出最优方案后，对其实际运行效果进行了测试和评价，以验证是否满足业务的基本要求。本文并在初步融合卫星技术和IP技术实现业务能力的基础上，对未来卫星通信的发展做一些初步的展望，例如与DICT技术的融合，以引发相关的思考。
【关键词】卫星通信；4K超清；视频传输；点对点语音通话
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.22.004
模拟、标清、高清、超清，随着技术的进步和用户需求的不断提升，4K超清视频传输业务应运而生。根据国际电信联盟的定义，4K标准需具备8倍720P高清或4倍1080P全高清的屏显，最高分辨率能够达到3840×2160P，其在实际应用中，较高清视角更加宽广，色域更加丰富，屏显效果更加细腻，能够给观众带来更高级别的视听享受。
卫星通信传输高清视频由来已久，十年以前，国内的各项重大体育赛事、医疗会议、活动演出，已普遍采用高清电视级车载卫星通信系统进行信号传输。卫星通信系统是一种微波系统，它以卫星作为中继站转发中继信号，在多个地面站之间通信，具有下行广播、覆盖范围广、通信质量好、网络建设速度快和成本低等特点。相对于光纤传输系统，尽管存在带宽小、传输速率低、信号传输时延大等劣势，但它结构简单（节点少，链路清晰），并且配以车载，更能适应以上临时业务持续时间短、设备需求多变的要求，更具灵活机动性。但彼时且不说4K超清2160P，单是全高清1080P，都很少见，主流的Tandberg E5788编码器支持高清MPEG-2方式，Ericsson CE-x编码器支持高清H.264方式，但均仅支持720P和1080I分辨率。
技术的进步满足了需求，而更高的需求则刺激了技术的进步。时过境迁，如今这些设备均已更新换代，卫星通信实现单路12G-SDI的4K超清视频编码、调制、传送、接收、解调和解码，已经形成了成熟的技术方案和业务应用，如近年来的足球、赛车、龙舟赛、电影节等电视转播。因4K业务接收门限较高，一般来说，卫星通信通过1路大带宽载波传输4K超清视频，不与其他业务进行复用（Mux）或者合路（Combine），以免受到干扰。本文讨论在特殊情况下，必须采用卫星通信方式同时实现4K超清视频传输和点对点语音通话业务时，需要研究解决的各项问题，对最优方案进行实际效果的测评，并提出对未来的一些展望。
1. 点对点语音通话业务需求背景
图1为一套常见的卫星转播系统架构，视频信号在现场由转播车全制作，输出完整的节目信号（World Feed）至卫星车，经一次编码上星后广播至持权或授权转播商。整个信号采集（Contribution）模块集中在转播现场，无实时的点对点语音通话需求。
图2为本文采用的卫星转播系统架构，现场转播车输出的并非完整的视频信号，需要在远程制作中心进行图文包装后才生成最终的节目信号（World Feed）。因而在现场的“半制作方”和远程的“半制作方”有强烈的实时点对点語音通话需求，以及时沟通保证节目的正确、顺畅供给。
2. 卫星通信方式选择
为同时实现4K超清视频传输和点对点语音通话业务，可采用无线通信、地面专线或卫星通信方式，如下比较优劣：
（1）无线通信（4G、5G）：费用较低，但本文的转播场景为足球比赛，现场上座几万人，无线信号质量难以保证。
（2）地面专线（SDH、MSTP）：传输质量稳定可靠，但短期临时开通费用昂贵，且节点较多，排障速度较慢。
（3）卫星通信：传输质量稳定可靠，费用一般，架构简单排障快，但时延较高。
以上综合比较，选择了卫星通信方式，并有3种可能的技术方案，分析如下：
（1）嵌入式（Embed）音频：视频信号在传输的过程中可以嵌入多路音频（最多16路），然而，如将点对点语音打包在视频信号内一并传输，经卫星视频编、解码器处理，迂回的时延经测试达到近2s，再加上卫星信道空间传输的时延，总迂回的时延约2.5s，这对于实时的点对点语音通话业务需求而言，感知度很差。
（2）复用（Mux）：4K超清视频编码器支持ASI输出，但卫星数据调制解调器（Modem）不支持ASI输出，因而无法进行复用。
（3）合路（Combine）：4K超清视频编码器和卫星Modem均支持中频（IF）输出，且在50-180 MHz范围内都可调，因而合路可行，此外，卫星Modem相比视频编码器处理数据时延极低，理论上总时延应有大幅优化。
3. 卫星通信方式基本架构
如图3，为了满足点对点语音通话需求临时性的特点，同时充分保证其可靠性，还兼顾感知度，在利用车载卫星通信系统传输4K超清视频信号的同时，合路开通了一条临时性的“卫星专线”，供给两端的IP通话设备使用。
4. 带宽分配问题
图4为本地系统实时监测的频谱图。在租用的27 MHz卫星带宽内，利用中间25 MHz做4K超清视频信号（20.5Ms/s）的单向传送，利用边缘2个1 MHz做本地与远端点对点语音通话数据信号（512 Kbps）的双向传输，载波滚降系数（Roll-off Factor）均为20%，不做过近相接。
大带宽的视频传输载波是为了充分保证4K超清信号的质量（理论上需保持45 Mbps以上的码流速率），避免出现信号不稳定导致的马赛克、花屏甚至黑屏等现象。而在通常传输4K超清信号时用足的27 MHz卫星带宽内，挤出2个1MHz做小带宽的语音传输载波，则是出于成本的考虑（卫星公司出租带宽以9MHz为最小单元）。实践当中，将4K超清信号的传输带宽由27 MHz减少至25 MHz，输出码流速率略有降低，但仍保持在49-50 Mbps之间，理论最小值为45 Mbps，因此是可行的。
同时，为了降低邻道干扰的风险，将载波的滚降系数（Roll-off Factor）均设置为中等数值20%，一方面尽量利用带宽资源（比如设置为35%则过于浪费），保证传输速率足够满足业务需求，一方面预留足量的保护带宽（比如设置为5%则过于相近），保证邻道之间不受相互干扰。
5. 互调干扰问题
此外，由于在同一个转发器内存在多个载波，考虑到互调干扰的风险。一方面各载波电平高度在保证接收余量的基础上，严格按照与卫星公司沟通校准后的标定值来设置，不自行超高，避免转发器过饱和；另一方面在载波的排列上重点考虑2个小载波（语音通话）的三阶互调产物落在1个大载波（4K超清）频谱范围内，产生互调噪声干扰，影响4K超清视频信号正常传输的风险。
图5展示了三阶互调产物干扰正常信号传输的原理，由于卫星转发器可能的非线性因素，一个信号（如f1）的二次谐波与另一个信号（如f2）的基波混频后产生了寄生信号（2f1-f2），也就是三阶互调产物，尽管功率不如原基波，但其频率落在了正常信号（Signal）的频谱范围内，产生了互调噪声，从而可能影响正常信号的传输。
图6 可能产生互调干扰的载波排列
显然，在27 MHz带宽内排列两个1 MHz和一个25 MHz载波，有2种情况：1、1 MHz载波在同一侧；2、1 MHz载波分在两边。如图6所示，若将两个1 MHz载波安排在同一侧，可能产生的三阶互调产物频点有2（f0+1.5）-（f0+0.5）=f0+2.5，是落在4K超清信号的25 MHz载波频谱范围内的，有导致互调噪声引起干扰的风险。因而，将两个1 MHz载波分在25 MHz载波的两侧（如图4），就避免了产生互调干扰的可能性。
实践中如图7，在保证远端4K超清视频信号接收正常且有足够余量（+8.0DB）的基础上，并同卫星公司校准功率后，点对点语音通话数据信号接收能噪比相对较高，误码率、电平值等指标稳定、良好，起初担心出现的互调干扰没有发生。
6. 实际效果测评
图8 本地链路时延测试结果
卫星Modem的对通良好，接下来监测实际业务的效果。如图8，本地IP通话设备到本地卫星Modem的平均时延仅为1ms，几乎可以忽略不计。
图9 全链路时延测试结果
主要的时延产生于卫星信道空间传输，如图9，本地IP通话设备到远端IP通话设备的时延（总时延）平均为525 ms，与卫星信道空间传输双跳时延相差无几。
从约2.5s到约0.5s，大幅优化的时延在实践中充分改善了点对点语音通话的效果和感知度，在各项资源有限的条件下，综合考虑有效性和可靠性，该方案不失为一个最优解。
7. 结束语
卫星通信是一门相对成熟稳定的通信技术，它有其独到的优点，诸如结构简单、部署灵活、传输稳定、排障迅速等等，但也有费用较贵、带宽较低、时延较大、受环境影响较大等劣势。在如今DT、IT、CT融合的时代，作为一门传统的有着诸多局限性的通信技术，卫星通信更加需要和其他通信技术相融合，否则会越来越被业务、客户、行业乃至时代所抛弃。如本文，可以看到卫星技术与IP技术的融合应用，虽然简单，但不失为当今的一种趋势。希望在未来，能看到更多卫星技术与IT乃至DT的融合，真正实现在一个万物互联的世界，亦有卫星通信的一席之地。
参考文献：
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作者简介：苏炯（1990-），男，工程師，研究方向：卫星移动通信.
