高通量衛星互聯網在高清直播中的設計與實踐

文|張曉 田錕 施悅 趙晨

中國衛通集團股份有限公司

一、引言

視頻直播最重要的便是時效性、準確性以及客觀性，在當今信息化、視頻化的時代，實時快速報道以及視頻支撐提供了對時效性、準確性和客觀性的保障。尤其現在人們獲取新聞的方式不再局限于以前的報紙、報刊，更多以電視、網站、手機新聞客戶端為主，新鮮的快報和直播畫面更加能夠吸引用戶的關注，并為用戶提供更加真實、直觀的認知。

因此，優質的新聞報道除了需要媒體人的快速反應，也需要相應的設備、網絡和平臺的支撐配合。當電視臺等媒體機構在外景進行直播連線時有可能處于地面網絡未覆蓋區，比如偏遠地區或者海上森林湖泊等地；也可能處于地面網絡覆蓋區，但是通信質量受到接入人員過多導致鏈路擁塞的情況，暫時無法滿足直播穩定性所需，造成連線中斷或者聲音畫面噪聲大等播出事故。當地面網絡失去其功效后，衛星通信則成為廣大媒體機構的不二選擇。高通量衛星互聯網擺脫了地面通信基礎設施的限制，憑借其在衛星覆蓋范圍內可隨遇接入、通信容量大、終端小巧等優勢，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網傳輸接入，成為解決“信息孤島”的關鍵技術手段。

二、高通量衛星介紹

1. 高通量衛星概述

高通量衛星（HTS）是相對于同等軌道頻譜的常規衛星而言的，典型的高通量衛星設計采用Ka頻段。一是可以獲得更寬的工作頻帶，增加通信容量；二是可以實現較窄的波束，從而獲得更高的EIRP 值，減小地面終端天線尺寸，高通量衛星終端可實現背負式攜行；三是相對于已經十分擁擠的C、Ku 頻段，Ka 頻段的干擾較?。淮送?，系統設計和元器件工業化水平的逐漸成熟，也對Ka 頻段通信的應用發展起到了一定的加速作用[1]。

中星16 號衛星是中國第一顆Ka 頻段高通量通信衛星，設計有26 個用戶點波束和3 個饋電波束，總體覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海近300km 海域，衛星總容量為20Gbit/s 左右，采用東3B 平臺，定點于110.5°E，2017 年下半年正式投入商業運營。中星16 號Ka 高通量衛星采用多波束覆蓋，實現頻率復用，具備容量大，通信速率高，終端小巧等優勢[2]，非常適合視頻采集類業務應用。中星16 號Ka 高通量衛星可提供直播現場與電視臺之間的雙向IP 連接，特別是在地面無線網絡信號覆蓋不到或光纜寬帶接入達不到的地方，能夠隨時隨地高速傳輸現場采編制作的高清/超高清節目。相較C、Ku 頻段衛星的傳輸模式，所需終端設備及配套設備更小、更加實用，業務開通和計費模式更為靈活快捷。

2023 年2 月23 日，我國首顆超百G 容量的中星26 號衛星順利發射，該衛星設計有94 個Ka用戶點波束，初步實現“一帶一路”覆蓋能力，單用戶終端傳輸速率達到450Mbit/s。高通量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. 高通量衛星互聯網特點

Ka 高通量衛星網絡包含空間段、地面段（信關站、運營中心）與衛星用戶終端三部分，可應用于視頻直播、應急通信、政務專網、物聯網接入等眾多領域，為用戶提供多種中繼回傳業務，并且具備以下優勢：

（1）點波束、頻率復用、系統容量大幅提升，并發能力強

Ka 高通量衛星具有豐富的頻率資源，再加上頻率復用和點波束的設計，使得系統容量得到大幅提高，用戶數量擴大至數百萬。例如，中星16 號衛星通信系統容量可達20Gbit/s；中星26 號衛星通信系統容量可達100Gbit/s，超過我國以往所有通信衛星容量的總和。

（2）大帶寬、高速率、性價比高

中星16 號Ka 頻段高通量衛星可提供最大下行150Mbit/s 和上行30Mbit/s 的網絡服務，中星26 號衛星可提供最大下行450Mbit/s 和上行100Mbit/s 的高速網絡服務。并且在流量資費方面，也具有較高的性價比。

（3）抗干擾能力強

Ka 高通量衛星采用的Ka 頻段遠離一般地面無線通信系統所在的頻率范圍，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，衛星抗干擾能力更強。

（4）全IP 組網，系統靈活性高

Ka 高通量衛星網絡為全IP 設計，以適應與互聯網等地面網絡互聯互通的應用要求。由于靜止軌道衛星傳輸時延方面的特殊原因，系統在客戶端和信關站兩端采用TCP 加速、HTTP 網頁優化、IP 包頭壓縮等技術來改善傳輸性能，為用戶提供優質的IP 應用體驗。綜合網管可實現跨異構核心網的頻率、資源統一管理，提高資源利用效率和網絡管理靈活性；實現多模終端跨異構核心網應用，構建開放生態，靈活應用。

（5）系統安全性高

Ka 高通量衛星網絡全鏈路級別的安全防護能力強，具備對高安全行業業務應用的支撐能力。利用國產化核心芯片替代與加密技術，提升全鏈路自主可控能力和安全防護能力，滿足高安全需求行業對網絡的要求。

（6）系統可靠性高，抗摧毀能力強

中星16 號（110.5°E）和中星26 號（125°E）軌道位置優越，共同組網，互為備份，用戶終端可以自動選星。中星26 號建立信關站備份環機制，單個信關站受雨雪天氣、地震等外界因素影響導致工作異常時，可自動切換至備用信關站，保障業務不受影響可正常使用，使得系統可靠性大大提升。

3. 高清直播傳輸方案設計

偏遠地區如沙漠、草原、戈壁灘地帶，沒有穩定、可靠的通信網絡支持，此外大型晚會及賽事因觀眾較多，網絡需求呈現爆發式增長，運營商網絡往往出現擁塞情況。因此基于運營商網絡的視頻直播傳輸方案難以提供穩定的通信帶寬資源；為了滿足高清視頻傳輸所需要的傳輸速率，衛星便攜站按需開通達到20Mbit/s 左右的傳輸速率時，即可滿足直播要求。

高清直播信號傳輸鏈路如圖1 所示，現場攝像機拍攝的畫面，通過HDMI 轉IP 的視頻傳輸設備（如直播背包或視頻編碼器）將視頻信號進行壓縮處理并轉為網絡信號，經由Ka 高通量衛星便攜站傳輸上星，Ka 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，視頻數據再通過互聯網或地面專線抵達用戶側音視頻解碼器后進行解碼操作，最終實現前方直播畫面的實時傳輸。

圖1 高清直播傳輸方案圖

其中核心設備Ka高通量衛星便攜站集成度高，集成衛星天線、射頻系統、衛星調制解調、天線控制和驅動單元等模塊于一體；體積小、重量輕，整體重量約10kg，收藏狀態下可背包收納，滿足單人攜帶的快速機動需求；操作便捷，支持一鍵自動尋星，無需專業人士也可輕松完成系統搭建，3 分鐘內完成自動尋星，5 分鐘內接入Ka 高通量衛星網絡。

三、應用案例

1. 神舟載人飛船返回直播應用

自神舟十二號航天員返回任務開始，著陸場由四子王旗調整至東風著陸場，東風著陸場主要地貌為戈壁且地處無人區，方圓數千平方千米鮮有人煙。地面缺乏 4G、5G、光纜等基礎通信設施，無法滿足常規直播任務的信號傳輸需求。唯一的技術手段就是通過衛星鏈路構建數據傳輸通道，滿足直播任務的各項應用需求[3]。

以往通過C 波段及Ku 波段衛星直播車及衛星站進行直播的方式，因裝備體型相對較大，直播車越野性能不足，衛星設備展開時間較長，且只有在衛星直播車跟隨搜救回收車隊抵達降落點后才能展開天線，打開衛星鏈路通道，報道的時效性及呈現效果都受到一定的限制。Ka 高通量衛星便攜站因通信速率高、終端小巧輕便、操作簡便等優勢，十分適用于該類機動性較高場景下的直播應用。

直播任務中為保障飛船落地及航天員出倉畫面第一時間的傳輸，媒體報道者及技術人員攜帶多套背負式Ka 高通量衛星便攜站，乘坐車輛及直升機前往搜救現場，依托其操作簡便、支持一鍵對星等功能，可在第一時間開通衛星鏈路并接入衛星互聯網，從而使直播及互聯網接入等應用能夠正常開展。圖2 為高通量衛星便攜站現場工作畫面?，F場經過切換臺后的信號由直播背包編碼輸出 IP 數據流，經高通量衛星傳輸系統于中星16 號喀什信關站落地并接入公網，多地可通過公網將視頻畫面進行接收并轉發應用。

圖2 高通量衛星便攜站現場工作圖

神舟飛船返回任務多次大規模地應用高通量衛星通信系統來支持直播報道，克服了戈壁地區移動數據傳輸過程中地面網絡通信匱乏的難題，保障了新聞媒體報道、新媒體直播及互聯網應用需求。 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 年湖南衛視跨年演唱會高清傳輸應用[4-5]

2020 年湖南衛視跨年演唱會在?？谖逶春芋w育館舉行，屬于湖南衛視全年最為重要的大型直播活動之一。晚會現場因涌入人群眾多，致使地面網絡出現擁塞，常態下應用4G、5G 進行傳輸的方式已無法滿足現場直播信號傳輸穩定性需求，為保障直播過程中的高清視屏穩定傳輸需求，此次晚會邀請中國衛通集團股份有限公司的工程師，應用中星16 號Ka 高通量衛星，使用0.6m 口徑背負式Ka 高通量衛星便攜站，測試了Ka 高通量寬帶衛星網絡在廣電行業直播傳輸過程中的上傳能力、穩定性，驗證Ka 了高通量寬帶衛星網絡在廣電行業直播應用中的可行性。

此次測試，從晚會現場轉播車引入一路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，經過高通量衛星網絡經數據中心傳輸送入公網，數據通過公網送入海南移動5G 邊緣云網關。圖4 為高通量衛星便攜站晚會現場工作圖。

圖4 高通量衛星便攜站晚會現場工作圖

通過本次測試，驗證了利用高通量衛星在出現地面網絡擁塞情況下，傳輸廣電行業直播信號的方案是可行的，高通量衛星網絡克服了因現場地面網絡擁塞導致的傳輸難度大的問題，驗證了高通量衛星承擔廣電行業一般性直播和大型晚會直播傳輸任務的能力。

四、總結與展望

高通量衛星具備通信容量大、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無法保證的區域或因地面網絡擁塞導致的通信不穩定場景，單人背負即可完成隨時隨地的直播任務，穩定高效的回傳速率能夠滿足廣電行業高清、超高清視頻傳輸的需求。2023 年2 月中星26號衛星成功發射，單臺高通量衛星終端通信能力進一步提升，便攜終端理論能夠滿足4K 超高清直播傳輸的需求，亟待后續測試不斷進行驗證。隨著高通量衛星直播應用的不斷發展，以及衛星容量、終端性能的逐步提升，終端上行速率可提升至超過100Mbit/s，單臺高通量衛星終端進行8K 傳輸指日可待。