國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星寬帶多媒體傳輸發(fā)展

徐碧越　陳紹山

衛(wèi)星通信技術(shù)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)后，歷經(jīng)30多年的發(fā)展，已經(jīng)由洲際通信、區(qū)域通信、集團(tuán)或?qū)Ｓ猛ㄐ胚M(jìn)入到當(dāng)今全球移動(dòng)衛(wèi)星通信和全球?qū)拵ㄐ诺男码A段。衛(wèi)星寬帶多媒體是采用寬帶衛(wèi)星通信鏈路來承載多媒體業(yè)務(wù)的通信方式，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率高、業(yè)務(wù)面廣、覆蓋面大、通信成本低廉、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡(jiǎn)單，是目前流行的一種遠(yuǎn)程通信手段，成為衛(wèi)星通信發(fā)展的新熱點(diǎn)。

隨著視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、電子購(gòu)物、遠(yuǎn)程監(jiān)控、應(yīng)急通信等交互式多媒體應(yīng)用的日趨普及，用戶的多媒體業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)，衛(wèi)星寬帶多媒體傳輸逐漸成為世界各國(guó)衛(wèi)星通信研究的新熱點(diǎn)。近年來，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)，中國(guó)的衛(wèi)星寬帶多媒體傳輸技術(shù)雖較歐美有一定差距，但已將推進(jìn)衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)建設(shè)作為未來衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向之一。

歐奠：先進(jìn)技術(shù)帶來更多服務(wù)

歐美地區(qū)發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)80年代就全面開展了衛(wèi)星多媒體傳輸技術(shù)的研究，90年代開始進(jìn)入規(guī)模商用階段。1997年，美聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）啟動(dòng)多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)牌照申請(qǐng)工作，各公司可以自主申請(qǐng)衛(wèi)星多媒體專用頻段，包括Ka頻段、Q/V頻段和Ku頻段。

進(jìn)入21世紀(jì)后，全球衛(wèi)星寬帶多媒體進(jìn)入了快速發(fā)展階段.歐美發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng).較有代表性的有：麥考通信公司的Teledesic系統(tǒng)、休斯公司的太空之路（Spaceway）系統(tǒng)、歐洲衛(wèi)星通信組織的Eutelsat系統(tǒng)、歐洲航空局的Artemis衛(wèi)星系統(tǒng)、EuroSkyway衛(wèi)星系統(tǒng)、美國(guó)Viasat公司的Ka寬帶星系統(tǒng)等。

Teledesic系統(tǒng)是由微軟公司和麥考通信公司籌建的一個(gè)著眼于寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。系統(tǒng)原計(jì)劃由840顆衛(wèi)星組成，均勻分布在21個(gè)軌道平面上，實(shí)際使用后簡(jiǎn)化到288顆：Teledesic系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星可提供lo萬個(gè)16kb/s的話音信道，整個(gè)系統(tǒng)峰值負(fù)荷時(shí)，可提供超出100萬個(gè)同步全雙TEl速率的連接。該系統(tǒng)同時(shí)支持視頻會(huì)議、交互式多媒體通信以及雙向高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。Teledesic系統(tǒng)以衛(wèi)星為通信節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建星間交換網(wǎng)絡(luò)，具備全球覆蓋能力，是名副其實(shí)的“全球空間互聯(lián)網(wǎng)”，但由于其后續(xù)投入巨大.投資回報(bào)率低，發(fā)展受到了很大的制約。

休斯公司從2000年起開始研制太空之路（spaceway）衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)，采用分階段部署的方案。2005年，由休斯公司和波音公司共同研制的太空之路1號(hào)（SpacewayF1）成功進(jìn)入預(yù)定軌道，這是美國(guó)直播電視公司DirectTy的首顆Ka頻段高清直播衛(wèi)星，標(biāo)志著電視直播進(jìn)入高清時(shí)代。2006年，太空之路2號(hào)（Spaceway F2）發(fā)射升空，為DirectTy的八個(gè)新市場(chǎng)提供本地高清電視節(jié)目廣播服務(wù)。太空之路1號(hào)和2號(hào)一同工作，使得DirectTV公司具備傳送1500多個(gè)本地高清頻道和150多個(gè)國(guó)家高清頻道的能力。2007年發(fā)射的太空之路3號(hào)（spaceway-3）是第三代衛(wèi)星寬帶技術(shù)的代表，其星載轉(zhuǎn)發(fā)器全部為Ka頻段，數(shù)據(jù)傳輸能力可達(dá)到同期Ku頻段衛(wèi)星的五到八倍，支持全網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多媒體IP接入。其核心技術(shù)為星上IP交換處理技術(shù)和多點(diǎn)波束技術(shù)、在星上即可完成對(duì)地面用戶數(shù)據(jù)的接收、處理和路由等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單跳傳輸，大大降低數(shù)據(jù)延遲，從而使衛(wèi)星網(wǎng)格傳輸成為可能，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)速率高達(dá)440Mbps。

2010年，歐洲衛(wèi)星通信組織和美國(guó)衛(wèi)訊公司合作開發(fā)的Eutelsat衛(wèi)星是歐洲首顆全Ka頻段大容量寬帶多媒體通信衛(wèi)星，該星采用了最先進(jìn)的Ka波段點(diǎn)波束設(shè)計(jì)，用于向歐洲、中東及非洲部分地區(qū)提供高速寬帶、視頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用等服務(wù)。Eutelsat系統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)相接的地面站組成，地面站采用了美國(guó)衛(wèi)訊公司的SurfBeam技術(shù)和設(shè)備，搭載82個(gè)Ka波段237MHz寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器，即82個(gè)點(diǎn)波束，每個(gè)點(diǎn)波束數(shù)據(jù)吞吐量為457Mb，衛(wèi)星頻率復(fù)用率極高，可達(dá)20次，總吞吐量達(dá)到70Gb/s，是標(biāo)準(zhǔn)Ku波段通信衛(wèi)星的38倍，用戶終端數(shù)量可達(dá)200萬。

2011年，美國(guó)衛(wèi)星通信設(shè)備及寬帶服務(wù)提供商Viasat的首顆寬帶通信衛(wèi)星Viasat 1升空，這是全球首顆總數(shù)據(jù)吞吐量超過100Gbps的全Ka波段的大型寬帶多媒體衛(wèi)星，其總?cè)萘砍^140Gbps，超過北美地區(qū)其他所有商用衛(wèi)星容量總和。作為下一代寬帶通信衛(wèi)星的代表，Viasat 1衛(wèi)星應(yīng)用Ka波段多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)，使衛(wèi)星總帶寬增加到最大限度。該衛(wèi)星的超大容量可滿足未來十年加速增長(zhǎng)的多媒體互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)對(duì)衛(wèi)星帶寬的需求，并可以更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更高的數(shù)據(jù)量，使用戶能以合理的價(jià)格獲得更好的寬帶體驗(yàn)。

Viasat 1衛(wèi)星共有72個(gè)點(diǎn)波束，其中63個(gè)點(diǎn)波束為美國(guó)本土提供多媒體寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，其他9個(gè)點(diǎn)波束則為加拿大農(nóng)村地區(qū)用戶提供寬帶服務(wù)。該系統(tǒng)由星上系統(tǒng)以及SurBeam2地面系統(tǒng)組成，地面系統(tǒng)包括衛(wèi)星用戶終端（Ka波段蝶形天線和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器）、網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星地面站及網(wǎng)絡(luò)操作中心，提供多種形式的多媒體業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)不僅滿足地面用戶的媒體密集型網(wǎng)站流量、視頻通話、流媒體視頻剪輯、新聞采集、動(dòng)態(tài)HD視頻共享等住宅型多媒體應(yīng)用需求，還可以滿足各種專業(yè)多媒體應(yīng)用的需要，如SNG、HDTV直播等，可為飛機(jī)和火車上的乘客提供多媒體接入服務(wù)。借助該系統(tǒng)，用戶無論在何處居住或工作，都可以獲得等同DSL的多媒體通信服務(wù)。

中國(guó)：從衛(wèi)星電視起步

我國(guó)衛(wèi)星多媒體應(yīng)用的起步，源于衛(wèi)星廣播電視。1985年，中央電視臺(tái)通過租用國(guó)際通信衛(wèi)星向全國(guó)傳輸模擬電視信號(hào)，正式拉開我國(guó)衛(wèi)星廣播電視業(yè)務(wù)的序幕。進(jìn)入21世紀(jì)、我國(guó)迎來了數(shù)字衛(wèi)星電視直播的快速發(fā)展階段。2001年，中國(guó)空間技術(shù)研究院開始研制新一代大型通信衛(wèi)星平臺(tái)——“東方紅四號(hào)”，該平臺(tái)可適用于進(jìn)一步研制大容量通信廣播衛(wèi)星和大型直播衛(wèi)星。2003年，該平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)全部研制完成。2006年，采用該平臺(tái)的“鑫諾二號(hào)”直播衛(wèi)星發(fā)射，這是我國(guó)首顆電視直播衛(wèi)星，配置22路Ku頻段高功率轉(zhuǎn)發(fā)器。其后陸續(xù)成功發(fā)射鑫諾三號(hào)、中星9號(hào)、中星10號(hào)、中星6A、中星2A等多顆廣播和直播電視衛(wèi)星。目前，我國(guó)大陸地區(qū)已實(shí)現(xiàn)幾十套衛(wèi)星高清電視節(jié)目和100多套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目的廣播，“村村通”和“戶戶通”直播衛(wèi)星用戶超過3000萬戶。

與衛(wèi)星廣播相比，其他寬帶衛(wèi)星多媒體應(yīng)用在我國(guó)雖得到一定的發(fā)展，但普及面不大。較有代表性的有雙威通信網(wǎng)絡(luò)有限公司經(jīng)營(yíng)的高速Turbo 163平臺(tái)、中國(guó)通信廣播衛(wèi)星公司經(jīng)營(yíng)的“中星寬帶”平臺(tái)和“中星在線”系統(tǒng)、東方家園信息公司使用的電子商務(wù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、上海建華衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)公司等單位經(jīng)營(yíng)的“寬帶之星”系統(tǒng)、中國(guó)衛(wèi)星通信公司的IPSTAR～.星寬帶系統(tǒng)等。Turb0163系統(tǒng)自2001年起開始運(yùn)營(yíng)，定位為全國(guó)性空中寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星采用“亞太3號(hào)”同步軌道衛(wèi)星。該系統(tǒng)采用休斯公司的DirectPG信息接入技術(shù)，為用戶提供高速上網(wǎng)、多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)、多媒體證券行情傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。中國(guó)通信廣播衛(wèi)星公司研制的“中星寬帶衛(wèi)星多媒體”平臺(tái)集成先進(jìn)的視頻會(huì)議系統(tǒng)，集音視頻和數(shù)據(jù)協(xié)同操作為一體，能提供多種方式的數(shù)據(jù)共享功能，采用DVB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。其功能包括衛(wèi)星多媒體節(jié)目實(shí)時(shí)傳輸和投遞、衛(wèi)星廣播/組播模式視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育等。中國(guó)衛(wèi)通IPSTARTJ星寬帶系統(tǒng)是基于IPSTAR衛(wèi)星的低成本、高容量衛(wèi)星寬帶平臺(tái)，該系統(tǒng)將衛(wèi)星通信與基于IP的寬帶業(yè)務(wù)結(jié)合，與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)互為備份和補(bǔ)充，能同時(shí)滿足千萬級(jí)用戶的寬帶多媒體傳輸需求。其主要業(yè)務(wù)包括MPEG4視頻流直播、雙向互動(dòng)視頻、新聞采集和TV回程服務(wù)、視頻點(diǎn)播、應(yīng)急可視信息采集、視頻監(jiān)控、移動(dòng)中繼、鏈路備份等。

總體上看，我國(guó)衛(wèi)星多媒體業(yè)務(wù)還是以衛(wèi)星廣播和直播業(yè)務(wù)為主，其他衛(wèi)星多媒體應(yīng)用規(guī)模相對(duì)較小，大多集中在特定行業(yè)內(nèi)，并未形成大規(guī)模普及應(yīng)用。

未來走向何方？

從國(guó)際衛(wèi)星通信發(fā)展來看，Ka頻段衛(wèi)星通信已成為下一代寬帶多媒體衛(wèi)星通信發(fā)展的主要方向。Ka衛(wèi)星通信系統(tǒng)將發(fā)展成遠(yuǎn)程空間寬帶信息傳輸?shù)闹饕问剑渑c地面無線寬帶通信、地面有線寬帶通信共同構(gòu)成覆蓋全球的信息高速公路網(wǎng)。預(yù)計(jì)5年后，Ka新星數(shù)量將為現(xiàn)在5倍以上，單顆Ka星的容量可高達(dá)幾百Gbps，Ka資源將占固定軌道衛(wèi)星資源的80%以上。目前，我國(guó)衛(wèi)星多媒體業(yè)務(wù)基本上還是承載在Ku頻段和c頻段上，由于這些頻段已屬于過度開發(fā)，擁擠不堪，嚴(yán)重制約我國(guó)衛(wèi)星寬帶多媒體的進(jìn)一步發(fā)展。所以，全面開發(fā)Ka頻段多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)迫在眉睫。

完整的衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)包括空間段、地面段和用戶段三部分，其中空間段由一顆或多顆專用寬帶多媒體衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器組成，地面段由網(wǎng)絡(luò)管理中心以及多個(gè)衛(wèi)星信關(guān)站組成.用戶段由多種形態(tài)的多媒體業(yè)務(wù)終端組成。從空間段上看，我國(guó)尚缺乏自主研制的Ka頻段多媒體衛(wèi)星，擁有專用的寬帶多媒體衛(wèi)星是地面應(yīng)用規(guī)模開展的前提。目前，國(guó)外運(yùn)營(yíng)的寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)主要有低軌道、中高軌道和同步軌道三種類型。其中，同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)具有單顆星覆蓋面廣，技術(shù)相對(duì)成熟、研制成本和后續(xù)運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適合我國(guó)在發(fā)展Ka寬帶多媒體衛(wèi)星初期采用。同時(shí)，我國(guó)應(yīng)開展星上處理和交換技術(shù)的研制和應(yīng)用，逐步轉(zhuǎn)變衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的角色，實(shí)現(xiàn)真正的“空中網(wǎng)絡(luò)交換”。

我國(guó)衛(wèi)星多媒體的發(fā)展在地面段上也面臨著極大的挑戰(zhàn)。首先，中國(guó)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空中接口標(biāo)準(zhǔn)方面缺乏統(tǒng)一成熟的標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步消化吸收國(guó)際主流的衛(wèi)星寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)，制定適合我國(guó)國(guó)情的Ka衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的通信體制，并設(shè)計(jì)完整的空中接口協(xié)議和地面信關(guān)站接口協(xié)議，研究多波束衛(wèi)星的組網(wǎng)方式，優(yōu)化資源配置，增加系統(tǒng)容量，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供靈活的運(yùn)營(yíng)模式：其次，信關(guān)站是衛(wèi)星寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的通信樞紐，衛(wèi)星寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)是互補(bǔ)的關(guān)系，必須著重實(shí)現(xiàn)信關(guān)站與Internet及移動(dòng)通信網(wǎng)的互聯(lián)互通，提供多媒體業(yè)務(wù)在網(wǎng)際問的無縫傳輸，這是實(shí)現(xiàn)天地一體化的寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵：另外，Ka頻段衛(wèi)星終端的發(fā)展方向是小型化、低成本、低功耗，這需要全面掌握終端的天線、射頻以及基帶等部件關(guān)鍵技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。目前，射頻前端的器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍被國(guó)外廠商壟斷，需加強(qiáng)與國(guó)外衛(wèi)星廠商的聯(lián)合開發(fā)和技術(shù)合作，采取集成創(chuàng)新和自主研發(fā)并舉的技術(shù)路線，推進(jìn)大功率器件、低噪聲放大器、有源和無源濾波器、變頻器等射頻關(guān)鍵器件的自主創(chuàng)新。基帶以及應(yīng)用部分的關(guān)鍵技術(shù)可以更多地在傳統(tǒng)衛(wèi)星頻段終端的成熟技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，著重設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基帶信號(hào)處理算法以及基帶芯片。

從國(guó)外衛(wèi)星通信發(fā)展的趨勢(shì)看，Ka頻段衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)將是今后衛(wèi)星寬帶多媒體的主流。建設(shè)自主研發(fā)的Ka頻段衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)對(duì)消除我國(guó)信息化發(fā)展不平衡、構(gòu)建覆蓋全國(guó)的信息高速公路網(wǎng)絡(luò)具有重大戰(zhàn)略意義，這是我國(guó)未來衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向之一。雖然我國(guó)在該領(lǐng)域上起步較晚，與國(guó)際先進(jìn)水平有一定的差距，但依托國(guó)家對(duì)新型信息產(chǎn)業(yè)的政策支持，憑借在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信上積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)力量，大力開展Ka頻段寬帶多媒體衛(wèi)星通信的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，推動(dòng)Ka頻段衛(wèi)星設(shè)備的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不久的將來一定能開創(chuàng)我國(guó)衛(wèi)星寬帶多媒體的新局面。