文|張曉 田錕 施悅 趙晨

中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司

一、引言

視頻直播最重要的便是時(shí)效性、準(zhǔn)確性以及客觀性，在當(dāng)今信息化、視頻化的時(shí)代，實(shí)時(shí)快速報(bào)道以及視頻支撐提供了對時(shí)效性、準(zhǔn)確性和客觀性的保障。尤其現(xiàn)在人們獲取新聞的方式不再局限于以前的報(bào)紙、報(bào)刊，更多以電視、網(wǎng)站、手機(jī)新聞客戶端為主，新鮮的快報(bào)和直播畫面更加能夠吸引用戶的關(guān)注，并為用戶提供更加真實(shí)、直觀的認(rèn)知。

因此，優(yōu)質(zhì)的新聞報(bào)道除了需要媒體人的快速反應(yīng)，也需要相應(yīng)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和平臺的支撐配合。當(dāng)電視臺等媒體機(jī)構(gòu)在外景進(jìn)行直播連線時(shí)有可能處于地面網(wǎng)絡(luò)未覆蓋區(qū)，比如偏遠(yuǎn)地區(qū)或者海上森林湖泊等地；也可能處于地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，但是通信質(zhì)量受到接入人員過多導(dǎo)致鏈路擁塞的情況，暫時(shí)無法滿足直播穩(wěn)定性所需，造成連線中斷或者聲音畫面噪聲大等播出事故。當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)絡(luò)失去其功效后，衛(wèi)星通信則成為廣大媒體機(jī)構(gòu)的不二選擇。高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)擺脫了地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的限制，憑借其在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)可隨遇接入、通信容量大、終端小巧等優(yōu)勢，具備媲美光纖寬帶接入的能力，可高效保障高清晰度視頻直播信息的互聯(lián)網(wǎng)傳輸接入，成為解決“信息孤島”的關(guān)鍵技術(shù)手段。

二、高通量衛(wèi)星介紹

1. 高通量衛(wèi)星概述

高通量衛(wèi)星（HTS）是相對于同等軌道頻譜的常規(guī)衛(wèi)星而言的，典型的高通量衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用Ka頻段。一是可以獲得更寬的工作頻帶，增加通信容量；二是可以實(shí)現(xiàn)較窄的波束，從而獲得更高的EIRP 值，減小地面終端天線尺寸，高通量衛(wèi)星終端可實(shí)現(xiàn)背負(fù)式攜行；三是相對于已經(jīng)十分擁擠的C、Ku 頻段，Ka 頻段的干擾較??；此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元器件工業(yè)化水平的逐漸成熟，也對Ka 頻段通信的應(yīng)用發(fā)展起到了一定的加速作用[1]。

中星16 號衛(wèi)星是中國第一顆Ka 頻段高通量通信衛(wèi)星，設(shè)計(jì)有26 個(gè)用戶點(diǎn)波束和3 個(gè)饋電波束，總體覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海近300km 海域，衛(wèi)星總?cè)萘繛?0Gbit/s 左右，采用東3B 平臺，定點(diǎn)于110.5°E，2017 年下半年正式投入商業(yè)運(yùn)營。中星16 號Ka 高通量衛(wèi)星采用多波束覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，具備容量大，通信速率高，終端小巧等優(yōu)勢[2]，非常適合視頻采集類業(yè)務(wù)應(yīng)用。中星16 號Ka 高通量衛(wèi)星可提供直播現(xiàn)場與電視臺之間的雙向IP 連接，特別是在地面無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不到或光纜寬帶接入達(dá)不到的地方，能夠隨時(shí)隨地高速傳輸現(xiàn)場采編制作的高清/超高清節(jié)目。相較C、Ku 頻段衛(wèi)星的傳輸模式，所需終端設(shè)備及配套設(shè)備更小、更加實(shí)用，業(yè)務(wù)開通和計(jì)費(fèi)模式更為靈活快捷。

2023 年2 月23 日，我國首顆超百G 容量的中星26 號衛(wèi)星順利發(fā)射，該衛(wèi)星設(shè)計(jì)有94 個(gè)Ka用戶點(diǎn)波束，初步實(shí)現(xiàn)“一帶一路”覆蓋能力，單用戶終端傳輸速率達(dá)到450Mbit/s。高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)與當(dāng)?shù)氐孛婢W(wǎng)絡(luò)連接，具備星地一體化通信能力，用戶端通過衛(wèi)星小站即可接入互聯(lián)網(wǎng)，與傳統(tǒng)大波束覆蓋衛(wèi)星相比，使得用戶網(wǎng)絡(luò)接入成本大大降低，同時(shí)具備更加多樣的組網(wǎng)方式適應(yīng)用戶各類使用需求和多種使用場景。

2. 高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)

Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含空間段、地面段（信關(guān)站、運(yùn)營中心）與衛(wèi)星用戶終端三部分，可應(yīng)用于視頻直播、應(yīng)急通信、政務(wù)專網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)接入等眾多領(lǐng)域，為用戶提供多種中繼回傳業(yè)務(wù)，并且具備以下優(yōu)勢：

（1）點(diǎn)波束、頻率復(fù)用、系統(tǒng)容量大幅提升，并發(fā)能力強(qiáng)

Ka 高通量衛(wèi)星具有豐富的頻率資源，再加上頻率復(fù)用和點(diǎn)波束的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)容量得到大幅提高，用戶數(shù)量擴(kuò)大至數(shù)百萬。例如，中星16 號衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量可達(dá)20Gbit/s；中星26 號衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量可達(dá)100Gbit/s，超過我國以往所有通信衛(wèi)星容量的總和。

（2）大帶寬、高速率、性價(jià)比高

中星16 號Ka 頻段高通量衛(wèi)星可提供最大下行150Mbit/s 和上行30Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，中星26 號衛(wèi)星可提供最大下行450Mbit/s 和上行100Mbit/s 的高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。并且在流量資費(fèi)方面，也具有較高的性價(jià)比。

（3）抗干擾能力強(qiáng)

Ka 高通量衛(wèi)星采用的Ka 頻段遠(yuǎn)離一般地面無線通信系統(tǒng)所在的頻率范圍，具有天然的高抗干擾性能。相比其他較低頻段，在相同地面天線口徑條件下，Ka 頻段波束寬度更窄，指向性更好，衛(wèi)星抗干擾能力更強(qiáng)。

（4）全I(xiàn)P 組網(wǎng)，系統(tǒng)靈活性高

Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為全I(xiàn)P 設(shè)計(jì)，以適應(yīng)與互聯(lián)網(wǎng)等地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的應(yīng)用要求。由于靜止軌道衛(wèi)星傳輸時(shí)延方面的特殊原因，系統(tǒng)在客戶端和信關(guān)站兩端采用TCP 加速、HTTP 網(wǎng)頁優(yōu)化、IP 包頭壓縮等技術(shù)來改善傳輸性能，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的IP 應(yīng)用體驗(yàn)。綜合網(wǎng)管可實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)核心網(wǎng)的頻率、資源統(tǒng)一管理，提高資源利用效率和網(wǎng)絡(luò)管理靈活性；實(shí)現(xiàn)多模終端跨異構(gòu)核心網(wǎng)應(yīng)用，構(gòu)建開放生態(tài)，靈活應(yīng)用。

（5）系統(tǒng)安全性高

Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全鏈路級別的安全防護(hù)能力強(qiáng)，具備對高安全行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐能力。利用國產(chǎn)化核心芯片替代與加密技術(shù)，提升全鏈路自主可控能力和安全防護(hù)能力，滿足高安全需求行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的要求。

（6）系統(tǒng)可靠性高，抗摧毀能力強(qiáng)

中星16 號（110.5°E）和中星26 號（125°E）軌道位置優(yōu)越，共同組網(wǎng)，互為備份，用戶終端可以自動(dòng)選星。中星26 號建立信關(guān)站備份環(huán)機(jī)制，單個(gè)信關(guān)站受雨雪天氣、地震等外界因素影響導(dǎo)致工作異常時(shí)，可自動(dòng)切換至備用信關(guān)站，保障業(yè)務(wù)不受影響可正常使用，使得系統(tǒng)可靠性大大提升。

3. 高清直播傳輸方案設(shè)計(jì)

偏遠(yuǎn)地區(qū)如沙漠、草原、戈壁灘地帶，沒有穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)支持，此外大型晚會及賽事因觀眾較多，網(wǎng)絡(luò)需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)往往出現(xiàn)擁塞情況。因此基于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的視頻直播傳輸方案難以提供穩(wěn)定的通信帶寬資源；為了滿足高清視頻傳輸所需要的傳輸速率，衛(wèi)星便攜站按需開通達(dá)到20Mbit/s 左右的傳輸速率時(shí)，即可滿足直播要求。

高清直播信號傳輸鏈路如圖1 所示，現(xiàn)場攝像機(jī)拍攝的畫面，通過HDMI 轉(zhuǎn)IP 的視頻傳輸設(shè)備（如直播背包或視頻編碼器）將視頻信號進(jìn)行壓縮處理并轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號，經(jīng)由Ka 高通量衛(wèi)星便攜站傳輸上星，Ka 高通量衛(wèi)星將其轉(zhuǎn)發(fā)至地面信關(guān)站，再通過地面專線連接到寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心，視頻數(shù)據(jù)再通過互聯(lián)網(wǎng)或地面專線抵達(dá)用戶側(cè)音視頻解碼器后進(jìn)行解碼操作，最終實(shí)現(xiàn)前方直播畫面的實(shí)時(shí)傳輸。

圖1 高清直播傳輸方案圖

其中核心設(shè)備Ka高通量衛(wèi)星便攜站集成度高，集成衛(wèi)星天線、射頻系統(tǒng)、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)、天線控制和驅(qū)動(dòng)單元等模塊于一體；體積小、重量輕，整體重量約10kg，收藏狀態(tài)下可背包收納，滿足單人攜帶的快速機(jī)動(dòng)需求；操作便捷，支持一鍵自動(dòng)尋星，無需專業(yè)人士也可輕松完成系統(tǒng)搭建，3 分鐘內(nèi)完成自動(dòng)尋星，5 分鐘內(nèi)接入Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

三、應(yīng)用案例

1. 神舟載人飛船返回直播應(yīng)用

自神舟十二號航天員返回任務(wù)開始，著陸場由四子王旗調(diào)整至東風(fēng)著陸場，東風(fēng)著陸場主要地貌為戈壁且地處無人區(qū)，方圓數(shù)千平方千米鮮有人煙。地面缺乏 4G、5G、光纜等基礎(chǔ)通信設(shè)施，無法滿足常規(guī)直播任務(wù)的信號傳輸需求。唯一的技術(shù)手段就是通過衛(wèi)星鏈路構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道，滿足直播任務(wù)的各項(xiàng)應(yīng)用需求[3]。

以往通過C 波段及Ku 波段衛(wèi)星直播車及衛(wèi)星站進(jìn)行直播的方式，因裝備體型相對較大，直播車越野性能不足，衛(wèi)星設(shè)備展開時(shí)間較長，且只有在衛(wèi)星直播車跟隨搜救回收車隊(duì)抵達(dá)降落點(diǎn)后才能展開天線，打開衛(wèi)星鏈路通道，報(bào)道的時(shí)效性及呈現(xiàn)效果都受到一定的限制。Ka 高通量衛(wèi)星便攜站因通信速率高、終端小巧輕便、操作簡便等優(yōu)勢，十分適用于該類機(jī)動(dòng)性較高場景下的直播應(yīng)用。

直播任務(wù)中為保障飛船落地及航天員出倉畫面第一時(shí)間的傳輸，媒體報(bào)道者及技術(shù)人員攜帶多套背負(fù)式Ka 高通量衛(wèi)星便攜站，乘坐車輛及直升機(jī)前往搜救現(xiàn)場，依托其操作簡便、支持一鍵對星等功能，可在第一時(shí)間開通衛(wèi)星鏈路并接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，從而使直播及互聯(lián)網(wǎng)接入等應(yīng)用能夠正常開展。圖2 為高通量衛(wèi)星便攜站現(xiàn)場工作畫面?，F(xiàn)場經(jīng)過切換臺后的信號由直播背包編碼輸出 IP 數(shù)據(jù)流，經(jīng)高通量衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)于中星16 號喀什信關(guān)站落地并接入公網(wǎng)，多地可通過公網(wǎng)將視頻畫面進(jìn)行接收并轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用。

圖2 高通量衛(wèi)星便攜站現(xiàn)場工作圖

神舟飛船返回任務(wù)多次大規(guī)模地應(yīng)用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)來支持直播報(bào)道，克服了戈壁地區(qū)移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸過程中地面網(wǎng)絡(luò)通信匱乏的難題，保障了新聞媒體報(bào)道、新媒體直播及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。 圖3 為 返回艙成功著陸畫面。

圖3 返回艙成功著陸畫面

2. 2020 年湖南衛(wèi)視跨年演唱會高清傳輸應(yīng)用[4-5]

2020 年湖南衛(wèi)視跨年演唱會在?？谖逶春芋w育館舉行，屬于湖南衛(wèi)視全年最為重要的大型直播活動(dòng)之一。晚會現(xiàn)場因涌入人群眾多，致使地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，常態(tài)下應(yīng)用4G、5G 進(jìn)行傳輸?shù)姆绞揭褵o法滿足現(xiàn)場直播信號傳輸穩(wěn)定性需求，為保障直播過程中的高清視屏穩(wěn)定傳輸需求，此次晚會邀請中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司的工程師，應(yīng)用中星16 號Ka 高通量衛(wèi)星，使用0.6m 口徑背負(fù)式Ka 高通量衛(wèi)星便攜站，測試了Ka 高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在廣電行業(yè)直播傳輸過程中的上傳能力、穩(wěn)定性，驗(yàn)證Ka 了高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在廣電行業(yè)直播應(yīng)用中的可行性。

此次測試，從晚會現(xiàn)場轉(zhuǎn)播車引入一路1080i50高清直播信號，由高清編碼器采用H.265 編碼方式并控制上行碼流，經(jīng)過高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)經(jīng)數(shù)據(jù)中心傳輸送入公網(wǎng)，數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)送入海南移動(dòng)5G 邊緣云網(wǎng)關(guān)。圖4 為高通量衛(wèi)星便攜站晚會現(xiàn)場工作圖。

圖4 高通量衛(wèi)星便攜站晚會現(xiàn)場工作圖

通過本次測試，驗(yàn)證了利用高通量衛(wèi)星在出現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下，傳輸廣電行業(yè)直播信號的方案是可行的，高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)克服了因現(xiàn)場地面網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的傳輸難度大的問題，驗(yàn)證了高通量衛(wèi)星承擔(dān)廣電行業(yè)一般性直播和大型晚會直播傳輸任務(wù)的能力。

四、總結(jié)與展望

高通量衛(wèi)星具備通信容量大、傳輸速率高、終端小巧輕便等特性，特別適用于荒漠、戈壁等地面通信技術(shù)無法保證的區(qū)域或因地面網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的通信不穩(wěn)定場景，單人背負(fù)即可完成隨時(shí)隨地的直播任務(wù)，穩(wěn)定高效的回傳速率能夠滿足廣電行業(yè)高清、超高清視頻傳輸?shù)男枨蟆?023 年2 月中星26號衛(wèi)星成功發(fā)射，單臺高通量衛(wèi)星終端通信能力進(jìn)一步提升，便攜終端理論能夠滿足4K 超高清直播傳輸?shù)男枨?，亟待后續(xù)測試不斷進(jìn)行驗(yàn)證。隨著高通量衛(wèi)星直播應(yīng)用的不斷發(fā)展，以及衛(wèi)星容量、終端性能的逐步提升，終端上行速率可提升至超過100Mbit/s，單臺高通量衛(wèi)星終端進(jìn)行8K 傳輸指日可待。