高通量衛(wèi)星多鏈路聚合優(yōu)化傳輸

姚 迪，田 錕

（中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100094）

1 研究背景

我國地面通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較為完備、發(fā)展迅猛，4G已逐漸普及，5G開始大規(guī)模部署，中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三大運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)已接入城市和主要農(nóng)村，覆蓋我國99.8%的行政村。但是各運(yùn)營商地面網(wǎng)絡(luò)的通信制式、基站覆蓋范圍、信號強(qiáng)弱、穩(wěn)定性等在各地區(qū)不同，并且在地理環(huán)境復(fù)雜的邊遠(yuǎn)地區(qū)，如沙漠、戈壁、草原、海島等，仍存在通信盲區(qū)，若直播通信中采用單一制式的終端易在上述地區(qū)存在傳輸效果不佳甚至傳輸中斷的風(fēng)險。另外，在災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場，地面鏈路因通信基礎(chǔ)設(shè)施損毀導(dǎo)致癱瘓，這種情況下衛(wèi)星通信成為災(zāi)害現(xiàn)場直播場景下惟一的通信方式。

2 研究方法

中星16號衛(wèi)星是中國第一顆Ka高通量通信衛(wèi)星[1]，采用多波束覆蓋，實現(xiàn)頻率復(fù)用，具備容量大、通信速率高、終端小巧等優(yōu)勢，單顆衛(wèi)星的通信總?cè)萘靠蛇_(dá)到20Gb/s。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]。

為滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)及應(yīng)急災(zāi)害場景下的高清/超高清穩(wěn)定直播傳輸需求，研究高通量衛(wèi)星多鏈路聚合優(yōu)化傳輸方案[3，4]，能夠滿足不同地理環(huán)境下的通信傳輸需求，擺脫了對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴性。該方案融合多源衛(wèi)星通信鏈路，在單一衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，選擇單顆衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行多終端鏈路聚合，在多衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)并存的情況下，動態(tài)實時分析各鏈路質(zhì)量，智能化的聚合多條通信鏈路的帶寬，從而提升上行網(wǎng)絡(luò)速率，最大上行傳輸速率可達(dá)到40Mb/s，滿足當(dāng)下廣電直播高清、超高清化的需求。除此之外，高通量衛(wèi)星終端輕量化的設(shè)計打破了人們對于衛(wèi)星直播傳輸設(shè)備體積龐大且價格昂貴的觀念，單人背負(fù)即可隨時隨地進(jìn)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(wǎng)繁瑣的操作步驟，具備較高的實用性。

3 高通量衛(wèi)星聚合傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 高通量衛(wèi)星聚合傳輸系統(tǒng)架構(gòu)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(wèi)星終端站聚合的方式提高整個系統(tǒng)傳輸速率。可根據(jù)實際使用地點(diǎn)，單個衛(wèi)星便攜站按需開通單路單載波模式（SCPC模式），則當(dāng)每個小站達(dá)到20Mb/s左右的傳輸速率時，即可滿足直播要求。

直播現(xiàn)場攝像機(jī)拍攝的畫面，通過HDMI轉(zhuǎn)IP的聚合傳輸設(shè)備（如直播背包或聚合路由器）將視頻信號進(jìn)行壓縮處理并轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號，聚合傳輸設(shè)備根據(jù)多鏈路實際情況將數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理并分別經(jīng)由不同衛(wèi)星終端站傳輸上星，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)可通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞€的形式抵達(dá)用戶側(cè)聚合服務(wù)器，聚合服務(wù)器將多鏈路切片信號進(jìn)行聚合并還原為源信號，實現(xiàn)前方超高清直播畫面的實時傳輸。

盡管鏈路聚合技術(shù)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(jìn)行多鏈路數(shù)據(jù)分配。然而該方式無法處理在移動和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中持續(xù)變化的碼流、丟包率和延時等狀況，大部分系統(tǒng)只能依賴重傳技術(shù)如ARQ、HARQ等，顯著增加了系統(tǒng)的延時時間。

圖2 聚合鏈路優(yōu)化傳輸保障機(jī)制

與傳統(tǒng)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(shù)可通過UDP及基于IS+的高通量衛(wèi)星通信鏈路聚合優(yōu)化傳輸方案實時環(huán)境動態(tài)變化預(yù)測，能夠持續(xù)觀察數(shù)據(jù)鏈接狀態(tài)，同步發(fā)送對應(yīng)數(shù)量的提前量來保證數(shù)據(jù)包能被接收到，而不會產(chǎn)生潛在的丟包。這種通過上述高精度預(yù)測機(jī)制結(jié)合FEC算法、可變碼率編碼（VBR）及保底的數(shù)據(jù)錯包重傳（ARQ）手段而避免數(shù)據(jù)重傳的機(jī)制，有效提升傳輸效率的同時，降低了網(wǎng)絡(luò)延時。

4 結(jié)束語

提出的基于高通量衛(wèi)星通信鏈路的聚合優(yōu)化傳輸方案，利用多網(wǎng)絡(luò)聚合終端將多個高通量衛(wèi)星終端進(jìn)行鏈路聚合，多條通信鏈路互為備份，滿足無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下，4K信號穩(wěn)定高效傳輸?shù)男枨?。聚合傳輸?shù)膸挴B加、負(fù)載均衡，結(jié)合動態(tài)FEC、VBR、ARQ，具有極高的系統(tǒng)魯棒性。同時在聚合接收端服務(wù)器引入多專線接入或者互聯(lián)網(wǎng)加專線混合接入兩種聚合模式，可以根據(jù)實際鏈路資源情況和視頻傳輸需求實現(xiàn)鏈路資源利用最大化、使用成本最優(yōu)化和傳輸效果穩(wěn)定化。