衛星地球站傳輸系統迭代趨勢研究

+ 李一帆 廣東省廣播電視衛星地球站

衛星地球站傳輸系統迭代趨勢研究

+ 李一帆 廣東省廣播電視衛星地球站

針對網絡融合發展中衛星地球站傳輸系統發展需求，根據系統現狀、新技術特征和發展趨勢，介紹迭代思維在地球站傳輸系統趨勢研究中的可行性。結合當今技術瓶頸與新技術比對、相關政策規定和可能發展方向分析，研究傳輸系統中衛星廣播體系、信源編碼，信道編碼、天饋系統、配電系統以及附屬設備等多個方面的迭代發展趨勢，得出系統朝大容量、高效率、多任務、交互式等目標迭代的結論。

衛星地球站；迭代；AVS+；ABS-S；標準

1 概述

馬云在2015年烏鎮互聯網大會閉幕式上提到：“我們正進入從IT向DT時代的轉型”。其中DT意指Data Technology數據處理技術。在從信息時代向數據時代轉型的大背景下，已涌現出IOT物聯網、大數據、云計算、認知無線電（CR）等新技術新應用。為適應時代發展的新需求，國家在2013年就發布了“寬帶中國”實施方案，部署了2020年前寬帶發展目標，對廣播電視行業傳輸技術系統的發展極具啟發性和指導意義。

在國家全面推廣三網融合的趨勢下，廣電傳輸系統建設已不再局限于傳統基礎設施建設，而是要建成雙向、寬帶、融合、智慧的下一代廣播電視網NGB（Next Generation Broadcasting Network），成為信息化、寬帶化發展藍圖中重要一員。目前，廣電總局在全面加快有線電視傳輸網絡雙向化的同時，也著手實現有線無線衛星網絡融合，促使三種網絡互聯互通和智能協調覆蓋［1］。

衛星地球站在傳統廣播電視信號覆蓋傳輸網絡中處于關鍵的安全播出地位。但其傳輸系統在DVB-S標準體系下運行了十多年，已和當今新技術漸行漸遠，不能滿足未來大容量、智慧、節能、雙向、多業務發展趨勢。而視音頻編碼技術、調制方式和芯片技術發展又為傳輸系統升級提供技術保證。因此在現時審時度勢、立足長遠，把握技術發展趨勢，思考系統發展方式，對傳輸系統健康發展具有重要指導意義。本文將根據已公布的有關政策、試驗情況和新技術特征，對衛星地球站傳輸系統的迭代發展趨勢進行研究分析。

2 現狀與趨勢分析

2.1 現狀分析

當前國內省級衛星地球站主要承擔單向衛視和電臺廣播的單一性質業務，下行接收主要作自身監測用，不支持多業務和信號交互，與異構網兼容性不佳。

由于采用DVB-S技術體系，信源主要支持MPEG-2編碼，少數臺站已使用H.264和AVS+信源編碼。信道編碼方式為QPSK 3/4FEC，升余弦濾波滾降系數α限定為0.35，少數臺站使用DVB-S2，α取值0.2。中頻信號為70MHz，上星采用6GHz的C波段信號，占用一個36MHz衛星轉發器。如圖1所示。傳輸系統由信源系統、天饋系統、供電系統以及網管監錄、抗干擾和散熱等子系統構成。包括了編碼器、光端機、復用器、ASI切換開關、調制器，上變頻器、高功放、波導開關和帶伺服系統的衛星天線群等傳輸設備。編碼器、調制器、上變頻、高功放等關鍵上行設備以國外品牌為主，天線以及伺服系統除外和下行系主要已采用國產設備。傳輸信號主要采用SDI、ASI或DS3接口格式，TS over IP接口格式呈普及趨勢，特別在下行系統的應用備受關注。傳輸系統信號分發主要基于ASI體系的點對點傳輸方式。備。傳輸信號主要采用SDI、ASI或DS3接口格式，TS over IP接口格式呈普及趨勢，特別在下行系統的應用備受關注。傳輸系統信號分發主要基于ASI體系的點對點傳輸方式。

圖1　衛星地球站傳輸系統原理圖

2.2 趨勢分析

趨勢一，隨著高清衛甚至超高清衛視節目的普及，未來衛星傳輸系統將向更大傳輸容量和更高頻譜利用率方向發展。趨勢二，傳輸信號IP化和傳輸設備集成化趨勢。趨勢三，傳輸技術從國際標準體系（DVB技術體系）向國家自主知識產權標準體系過渡的趨勢。采取自主知識產權標準，除了性能更優、更能滿足實際需求外，還有專利授權方式簡單、費用低的優勢，利于引導自主體系關鍵設備的研發和生產，從國民經濟發展根本需求和行業長遠利益看其有利益巨大的，從依靠“外援”到“全華班”，值得期待。趨勢四，在未來較長時間內，衛星地球站將承擔更多信號覆蓋任務，除標、高清衛視節目信號覆蓋，還將在數字電視地面廣播傳輸（DTMB）、調頻數字音頻廣播（CDR）等覆蓋工程中扮演重要角色。地球站傳輸任務和安全播出要求呈遞增趨勢。

3 傳輸系統迭代

迭代，是指一個重復反饋過程的過程，每一次迭代的結果都會作為下一次迭代的初始值，從而不斷逼近目標或結果。迭代具有環境導向型、行為試探性和過程周期性等特征［2］，在方法論上要求具備遞進式策略、演進式策略和重大設計策略。在競爭環境復雜多變、市場不確定性高，未來需求仍未被完整確定的情形下，迭代是一種尋求突破的思維方式。對于長期性項目，迭代的成本比項目失敗的風險成本低很多。

在互聯網中最成功的案例就是微信［3］。正是運用迭代策略，微信從一個平凡的后起之秀迅速發展至今超群絕倫。廣播電視系統也有許多迭代案例，如模擬向數字、標清向高清、抗干擾自動加功率系統的不斷修正完善，從AVS到AVS+等。衛星傳輸系統涉及眾多技術體系和傳輸環節，下文根據傳輸系統的不同環節分別研究迭代趨勢。

3.1 編碼標準迭代

對傳輸系統性能影響最大的是信源編碼和信道調制技術。其中編碼標準的迭代體現在視頻和音頻上兩方面。在視頻方面，目前主流編碼技術有MPEG-2、H.264和AVS+等，多數省級衛星地球站上行播出的標清或高清衛視節目視頻編碼仍為MPEG-2。2012年7月，國家廣電總局頒布了AVS+行業標準。AVS+采用多項自主創新新技術，可在較低復雜度下實現與H.264相當的技術性能，編碼效率是MPEG-2的兩至三倍，技術方案更簡潔，芯片實現難度更低，許可費極低。2013年底，AVS+和DRA雙標準捆綁應用在廣州DTMB項目中試驗成功，驗證了AVS+和DRA集成編碼技術替代MPEG-2或H.264/AC-3標準的可行性。2014年3月，《廣播電視先進視頻編解碼（AVS+）技術應用實施指南》應運而生，AVS+按照快速推進、平穩過渡、增量優先、兼顧存量的原則在衛星電視和衛星廣播的應用［4］。省級衛星地球站信源編碼將完成由MPEG-2向AVS+迭代。

音頻標準方面，目前AVS+音頻編碼標準仍未正式頒布，基于AVS+的HDTV電視音頻仍采用杜比AC-3或DTS，并預留了AVS+音頻編碼接口。2007年自主知識產權音頻編碼標準DRA（國標多聲道數字音視頻編碼技術）批準為國標，支持立體聲和多聲道環繞聲，能以很低的解碼復雜度實現國際先進水平的壓縮效率［5］。工業和信息化部2016年第3號公告中SJ/T 11594.1-2016和SJ/T 11594.2-2016明確規定了地面數字電視、有線數字電視和衛星數字電視接收終端產品中AVS+和DRA解碼標準。如今DRA已成為直播衛星、有線數字電視臺、中國移動多媒體廣播（CMMB）、CDR和單頻網的音頻解碼標準。DRA取代MPEG-2或AC-3成為衛星電視伴音編碼標準指日可待。

地球站需更考慮對四種環節設備進行迭代：（1）具備AVS/AVS+和DRA/DRA+編碼性能編碼器；（2）具備AVS/AVS+和DRA/DRA+解碼功能解碼器（衛星接收機）或轉碼器；（3）含有軟件解碼的網管系統需升級能解碼AVS/AVS+和DRA/DRA+軟件解碼器，或更換為具有AVS+解碼的獨立顯卡和DRA解碼能力的聲卡；（4）按需更換成能與AVS+編碼器聯控的統計復用器。

3.2 信號格式和設備功能迭代

隨著有線網絡雙向化、有線無線衛星融合網絡建成以及超級Wi-Fi在TVWS頻段的應用，IP便于實現多業務支持和傳輸交互數據業務，使廣播信號能在異構網絡中實現兼容傳播，使用統一協議和接口，利于信號共享、分配、傳輸、儲存。IP傳輸體系將逐漸替代ASI體系的可能，但不會一蹴而就。

信號格式、接口和協議的統一會促使傳輸設備趨向集成化、多功能化發展，以便于更高效快捷的運維。在2016年CCNB上已有多家廠家展出新型AVS+/ DVB-S2/DTMB綜合一體機，支持多業務，提供豐富的接口，既可作編解碼用、也可作為復用器或調制器用，實現一機多用、多機互備，便于維護，大大縮小故障修復時隙，減少備機數量，降低經費費用。

3.3 信道傳輸標準迭代

目前最成功的衛星廣播標準仍為DVB-S，歐洲第二代衛星廣播系統DVB-S2和我國擁有完全自主產權的先進衛星廣播系統ABS-S標準性能相當，因采用先進的信道編碼技術和高階調制方式，具有更低滾降系數，支持多格式多業務和交互業務，傳輸容量比DVB-S提升30%［6］，更適合當今或未來衛星廣播的發展需求。2014年DVB組織在DVB-S2基礎上擴展出DVBS2X，相比DVB-S2可以更低成本實現更高頻譜利用率和更大接入速率，更適合移動和交互服務。

由表1知，ABS-S和DVB-S相比仍各有優劣。相比DVB-S2，ABS-S信道編碼采用無外碼設計，LDPC算法比DVB-S優，幀結構簡單，碼字長度短，降低了編碼和系統復雜度，實現成本低；目前解碼芯片支持8PSK/45MSPS，適合我國衛星直播轉發器情況；支持IP等交互業務和AVS/AVS+和DRA等國標，更符合安全播出持續發展的長遠需求。目前ABS-S用于我國衛星直播業務，采用Ku波段實現“村村通”覆蓋。

表1　DVB-S、DVB-S2、ABS-S標準主要特點比較

衛星廣播標準的迭代和大范圍普及不會一蹴而就，傳輸系統上需要高性能調制器以及大批衛星接收機來支持。現存大量的接收機和相關環節還需要一個較長的市場消化過程。在AVS+編碼性能和ABS-S自身技術不斷迭代進步后，國標極有取代DVB體系成為我國甚至國際衛星廣播標準的潛力。

表2　C波段和Ka波段特點對比

3.4 天饋系統迭代

這里的天饋系統主要指高功放、波導與和衛星天線（含伺服系統），主要完成射頻信號通過C波段對衛星轉發器傳送。衛星地球站目前也將長期使用速調管大功率放大器（KPA），因速調管放大技術十分成熟，同時在進行窄帶、大功率、固定業務等廣播電視業務上行應用時，比采用行波管高功放（TWTA）和固態高功放（SSPA）具備更高的效率和三階互調指標［7］。但目前C和Ku頻段的衛星軌道資源緊張，隨著高清和超高清衛星電視發展需求，頻段資源日益緊張，因此衛星通信向著具有更高頻率、頻帶更寬的Ka波段發展。Ka寬帶衛星采用點波束和頻率復用技術，具有大容量、大帶寬、高速雙向傳輸等特點，通信容量是傳統C、Ku衛星的幾十倍，是“寬帶中國”戰略發展方向之一，其缺點是雨衰影響很大，表2列出C波段和Ka波段主要特征和區別。

不過現在向Ka轉變的定論尚早。首先，需要更先進的衛星廣播標準與之匹配，才能支持Ka 衛星點波速天線；其次，廣播用Ka波段星上下行余量不確定，地球站整體余量設計增加將提高成本。再有，解決雨衰影響的電平和功率控制系統技術措施未有標準，監管和應對措施未完備。因此目前采用C波段的天饋系統配置方式無疑是當下綜合經濟性、實用性和可靠性考量下最適宜的技術配置方式。

3.5 供配電系統迭代

省級衛星地球站的播出設備用電和室內照明屬于廣電系統一級負荷，高低壓供電系統設計目前還沒有國家標準，只有62號令有相關規定。供配電系統的迭代主要體現在高低壓一二次接線方式的優化、置換開關和UPS系統的更新換代上。

高低壓一二次結線方式現時最主要的目標還是使其整體合理化、規范化，力求從設計、建設、施工、配置上使系統隱患風險降至最低。配置上符合雙路專線獨立供電、分列運行、主備設備分路供電、關鍵設備具備雙電源供電等基本要求。

其中UPS系統的迭代不可不提。根據CTresearch和賽迪發布的2014-2015年中國UPS產品市場年度報告顯示，模塊化UPS的市場增長速度已經遠超UPS整體市場，模塊化已代表UPS發展趨勢。模塊化UPS的系統結構采用模塊化設計，整機由N個功率模塊、靜態開關模塊、監控模塊等組成，總諧波失真（THDI）低、輸入功率因數高、環保性好、逆變效率高（98%以上）、節能省電等特點。N+X（X≥2）控制冗余方式比冗余1+1塔式UPS系統可靠性更高，還便于擴容。最重要是可在線熱插撥和在線更換模塊、在線維護，降低了維護難度、減少維護時間。

3.6 監測系統迭代

目前衛星地球站檢測系統主要由網管系統、調度切換系統、監錄系統和環境檢測等子系統組成，同時還有發電機組、波導充氣機狀態、UPS及電池狀態監測等細分的獨立子系統。未來檢測系統的發展趨勢將往集成化、智能化、云計算方向發展，以縮短值班人員對事故的判斷分析時間，進一步提高事故處理的響應速度和效率。

集成化是把所有子系統集中在一臺服務器監測，消除信息孤島，使一臺服務器可以監測全系統設備和信號的實時參數和工作狀態。節省監控臺空間，便于查看和備份維護。云計算是根據目前各省級地球站傳輸設備關鍵參數信息上傳北京系統的發展方向預測，通過長期運行將積累運行參數和事故處理等海量數據。未來通過云計算升級改造，可以為各地球站提供運維預警輔助信息、遠端診斷等云服務。

智能化主要體現在預警、智能維護輔助［8］、周期統計分析、模擬演練、數據庫自動備份等。智能維護輔助功能能在出現某一環節某一參數或狀態告警后，系統自動根據應急預案、操作指南和事故處理歷史日志彈出相關的維修處理建議，輔助值班員迅速了解、分析和解決問題。周期統計分析是系統按每周/月/季/年周期性自動生成報表，提供對運行狀態、報警次數、事故類型自動分類分析等；仿真演練是提供某些在播而不能隨便操作的三維傳輸設備虛擬界面供值班員操作練習，同時還提供多種仿真故障事件情景供應急演練。云計算和智能化需要重點建設運維知識庫、完善知識沉淀和錄入應急預案等。

3.7 傳輸任務迭代

地球站目前主要傳輸標清和高清衛視以及電臺節目為主，未來傳輸任務的迭代則是向多業務邁進，成為多種信號覆蓋技術體系的前端關鍵鏈路。

首先，隨著HD甚至UHD電視節目的涌現以及技術條件和監管條例的成熟，地球站將承擔越來越多的HD甚至UHD衛視節目傳輸任務，需要規劃好信號源傳輸路由、機房空間、用電負荷、散熱系統以及新天線安裝場所應對更多上行系統建設。

同理，DTMB和CDR的衛星上行任務暫時由北京中央級地球站承擔，伴隨某些省級地球站技術條件成熟，日后某些衛視節目或會逐漸回歸本地上行。越來越多地球站將會成為DTMB、CDR甚至“DTMB+超級wifi+5G覆蓋體系”中重要的一環。這些技術體系的成熟，也使得在廣電網絡中開展交互數據業務傳輸。任務種類和數量的增加使安全播出要求愈發提高，需要與之對應的更完善、更全面的保障體系支持。

3.8 容災系統迭代

根據總局62號令第二章第十一條第五點要求指出，省級衛星地球站應該配置完整、有效的容災系統，以確保衛視節目安全可靠。容災系統的迭代是一個需要不斷完善互備聯絡協助機制，建設容災高效可靠的控制網絡、完備的災備站系統以及應急信號源傳輸系統［9］。

容災方案有兩方面的建設，一方面是地球站自身的配置，如利用閑置設備搭建備份應急上行鏈路，同時配備應急墊播信號源和柴油發電機組應對因災害天氣或突然情況造成的信號源傳輸或市電中斷。另一方面為異址容災配置。一種是總局為各省級衛星地球站配置的中央級災備站，能獲取各站信號源，具有多極化、多頻段，具備同時上行多套節目的能力。另一種是臨近省份地球站之間成立互備互助方案，使協議內每個地球站都是其它協議地球站的代播站，站與站之間通過光纜或VSAT小型衛星系統傳輸信號源［9］。其次，利用電視臺衛星上行車應急代播，但由于衛星車多有臨時任務無法及時響應，作為容災代播不可靠。

但以上提到方案在衛星出現故障時也會造成播出中斷。所以還需配置災備星，建立災備星并發機制。當主用轉播衛星出現故障，由地球站備用天線通過應急上行鏈路并發節目信號，或直接把主用天線轉向對準宅備星上行代播。災備系統除了本身技術體系建設外，還需要建立完善災備操作協議、災備系統設備維護細則和加強值班人員的培訓演練。

3.9 散熱系統迭代

根據以上分析，地球站的傳輸機房設備呈遞增趨勢。設備的增多必然要考慮散熱系統的擴容和改造，實現熱量高效排放、節能省電、節約機房空間等目標。目前，為實現設備壽命及可靠性最大化，地球站傳輸機房的散熱主要靠精密空調將機房溫度為23℃±1℃，相對濕度范圍在30%～50% R.H。

熱管散熱是未來機房散熱考慮和選用的極具潛力的一種技術。分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力［10］，具有散熱效率高，節省空間和用電量優勢。未來將出現專為高功放散熱設計的低能耗、高效率的熱管換熱裝置，以及傳輸機房設計的熱管與壓縮制冷循環復合智能空調一體機。

4 總結與建議

通過對衛星站傳輸系統迭代趨勢和有關技術的研究分析，可預測未來衛星地球站傳輸系統講發展為傳輸任務更多、效率更高、容量更大、技術環節更集成更簡潔、傳輸保障更安全、監控更智能、運維更便捷的一個傳輸系統。但從目前來說，有些問題需思考斟酌：（1）傳輸系統關鍵設備目前仍主要使用進口品牌產品，故障件更換周期長，價格昂貴。必須加快國有自主知識產權的技術標準迭代步伐，積極引導國內具備技術力量的廠家對編解碼關芯片和關鍵傳輸設備進行研發。成熟的標準、國家積極引導和低授權費有利于市場生產出優質可靠的國產設備，為實現傳輸系統國產化奠定基礎。（2）安全播出乃廣播電視傳輸系統的生命線，需建設更完備的容災系統，特別是分布式容災系統的建設。（3）需不斷采用最新的編碼技術融入新的標準體系中，提高技術競爭力，不斷擴大試點和應用規模。

［1］ 李繼龍，王豐，鄒峰.廣播電視有線無線衛星融合網架構分析［J］.廣播電視信息，2014（9）：23

［2］ 李光斗.移動互聯網時代的迭代思維［EB/EO］.http：// blog.ifeng.com/article/33309775.html

［3］ 徐揚帆，孫黎，楊曉明.迭代出來的微信［J］. 清華管理評論，2014（6）：47

［4］ 廣播電視先進視頻編解碼（AVS+）技術應用實施指南

［5］ 國自主知識產權的音頻壓縮技術―DRA［EB/EO］. http：//www.eet-china.com/ART_8800 540271_621496_TA_32968fe7.HTM

［6］ 楊明.衛星直播技術標準［J］.衛星電視與寬帶多媒體，2007（21）：45

［7］ 謝東輝.衛星地球站高功率放大器的選擇與使用.有線電視技術［J］，2000（7）：75

［8］ 黃吉林，陳明芳.廣播電視監測臺站智能化維護輔助系統［J］.信息技術與信息化，2014（6）：24

［9］ 林偉明，張建，金偉，等.構建省級衛視上行災備體系研究［J］.現代電視技術，2014（2）：17

［10］ 繆亞芹，王麗麗，李奇賀，等.從知識產權看熱管機房散熱技術研究進展［J］.電力與能源進展2014（2）：81