高通量衛星多鏈路聚合優化傳輸

姚 迪，田 錕

（中國衛通集團股份有限公司，北京 100094）

1 研究背景

我國地面通信網絡建設較為完備、發展迅猛，4G已逐漸普及，5G開始大規模部署，中國移動、中國電信、中國聯通三大運營商的通信網絡已接入城市和主要農村，覆蓋我國99.8%的行政村。但是各運營商地面網絡的通信制式、基站覆蓋范圍、信號強弱、穩定性等在各地區不同，并且在地理環境復雜的邊遠地區，如沙漠、戈壁、草原、海島等，仍存在通信盲區，若直播通信中采用單一制式的終端易在上述地區存在傳輸效果不佳甚至傳輸中斷的風險。另外，在災害發生現場，地面鏈路因通信基礎設施損毀導致癱瘓，這種情況下衛星通信成為災害現場直播場景下惟一的通信方式。

2 研究方法

中星16號衛星是中國第一顆Ka高通量通信衛星[1]，采用多波束覆蓋，實現頻率復用，具備容量大、通信速率高、終端小巧等優勢，單顆衛星的通信總容量可達到20Gb/s。衛星通信系統中數據交換節點與當地地面網絡連接，具備星地一體化通信能力，用戶端通過衛星小站即可接入互聯網，與傳統大波束覆蓋衛星相比，使得用戶網絡接入成本大大降低，同時具備更加多樣的組網方式適應用戶各類使用需求和多種使用場景[2]。

為滿足偏遠地區及應急災害場景下的高清/超高清穩定直播傳輸需求，研究高通量衛星多鏈路聚合優化傳輸方案[3，4]，能夠滿足不同地理環境下的通信傳輸需求，擺脫了對地面網絡的依賴性。該方案融合多源衛星通信鏈路，在單一衛星通信網絡覆蓋下，選擇單顆衛星通信鏈路進行多終端鏈路聚合，在多衛星通信網絡并存的情況下，動態實時分析各鏈路質量，智能化的聚合多條通信鏈路的帶寬，從而提升上行網絡速率，最大上行傳輸速率可達到40Mb/s，滿足當下廣電直播高清、超高清化的需求。除此之外，高通量衛星終端輕量化的設計打破了人們對于衛星直播傳輸設備體積龐大且價格昂貴的觀念，單人背負即可隨時隨地進行高清、甚至超高清4K直播；終端一鍵對星的功能簡化了對星入網繁瑣的操作步驟，具備較高的實用性。

3 高通量衛星聚合傳輸系統架構

圖1 高通量衛星聚合傳輸系統架構圖

為了滿足4k等高清視頻傳輸所需要的40Mb/s傳輸速率，本方案采用多個衛星終端站聚合的方式提高整個系統傳輸速率。可根據實際使用地點，單個衛星便攜站按需開通單路單載波模式（SCPC模式），則當每個小站達到20Mb/s左右的傳輸速率時，即可滿足直播要求。

直播現場攝像機拍攝的畫面，通過HDMI轉IP的聚合傳輸設備（如直播背包或聚合路由器）將視頻信號進行壓縮處理并轉為網絡信號，聚合傳輸設備根據多鏈路實際情況將數據進行切片處理并分別經由不同衛星終端站傳輸上星，高通量衛星將其轉發至地面信關站，再通過地面專線連接到寬帶衛星網絡運營中心，視頻數據可通過互聯網或專線的形式抵達用戶側聚合服務器，聚合服務器將多鏈路切片信號進行聚合并還原為源信號，實現前方超高清直播畫面的實時傳輸。

盡管鏈路聚合技術已在多種場景下得到驗證，但是目前鏈路聚合上行解決方案是通過鏈路整合的方式解決帶寬問題，所有的傳輸通道通過TCP進行多鏈路數據分配。然而該方式無法處理在移動和復雜網絡環境中持續變化的碼流、丟包率和延時等狀況，大部分系統只能依賴重傳技術如ARQ、HARQ等，顯著增加了系統的延時時間。

圖2 聚合鏈路優化傳輸保障機制

與傳統的鏈路聚合上行解決方案相比，本方案提供的鏈路聚合技術可通過UDP及基于IS+的高通量衛星通信鏈路聚合優化傳輸方案實時環境動態變化預測，能夠持續觀察數據鏈接狀態，同步發送對應數量的提前量來保證數據包能被接收到，而不會產生潛在的丟包。這種通過上述高精度預測機制結合FEC算法、可變碼率編碼（VBR）及保底的數據錯包重傳（ARQ）手段而避免數據重傳的機制，有效提升傳輸效率的同時，降低了網絡延時。

4 結束語

提出的基于高通量衛星通信鏈路的聚合優化傳輸方案，利用多網絡聚合終端將多個高通量衛星終端進行鏈路聚合，多條通信鏈路互為備份，滿足無地面網絡覆蓋條件下，4K信號穩定高效傳輸的需求。聚合傳輸的帶寬疊加、負載均衡，結合動態FEC、VBR、ARQ，具有極高的系統魯棒性。同時在聚合接收端服務器引入多專線接入或者互聯網加專線混合接入兩種聚合模式，可以根據實際鏈路資源情況和視頻傳輸需求實現鏈路資源利用最大化、使用成本最優化和傳輸效果穩定化。