衛(wèi)星通信同時(shí)實(shí)現(xiàn)4K超清視頻傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)研究

【摘要】為同時(shí)實(shí)現(xiàn)4K超清視頻傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)，通?？刹捎脽o線通信、地面專線或衛(wèi)星通信方式，各有優(yōu)劣。本文討論當(dāng)受限于各項(xiàng)資源條件，綜合考慮成本因素和傳輸質(zhì)量，不得不采用衛(wèi)星通信方式時(shí)，在架構(gòu)組織和方案設(shè)計(jì)過程中遇到的困難、解決的手段及相應(yīng)技術(shù)的細(xì)節(jié)。研究得出最優(yōu)方案后，對其實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了測試和評價(jià)，以驗(yàn)證是否滿足業(yè)務(wù)的基本要求。本文并在初步融合衛(wèi)星技術(shù)和IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)能力的基礎(chǔ)上，對未來衛(wèi)星通信的發(fā)展做一些初步的展望，例如與DICT技術(shù)的融合，以引發(fā)相關(guān)的思考。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信；4K超清；視頻傳輸；點(diǎn)對點(diǎn)語音通話

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.22.004

模擬、標(biāo)清、高清、超清，隨著技術(shù)的進(jìn)步和用戶需求的不斷提升，4K超清視頻傳輸業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，4K標(biāo)準(zhǔn)需具備8倍720P高清或4倍1080P全高清的屏顯，最高分辨率能夠達(dá)到3840×2160P，其在實(shí)際應(yīng)用中，較高清視角更加寬廣，色域更加豐富，屏顯效果更加細(xì)膩，能夠給觀眾帶來更高級別的視聽享受。

衛(wèi)星通信傳輸高清視頻由來已久，十年以前，國內(nèi)的各項(xiàng)重大體育賽事、醫(yī)療會議、活動(dòng)演出，已普遍采用高清電視級車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行信號傳輸。衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種微波系統(tǒng)，它以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)中繼信號，在多個(gè)地面站之間通信，具有下行廣播、覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量好、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快和成本低等特點(diǎn)。相對于光纖傳輸系統(tǒng)，盡管存在帶寬小、傳輸速率低、信號傳輸時(shí)延大等劣勢，但它結(jié)構(gòu)簡單（節(jié)點(diǎn)少，鏈路清晰），并且配以車載，更能適應(yīng)以上臨時(shí)業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間短、設(shè)備需求多變的要求，更具靈活機(jī)動(dòng)性。但彼時(shí)且不說4K超清2160P，單是全高清1080P，都很少見，主流的Tandberg E5788編碼器支持高清MPEG-2方式，Ericsson CE-x編碼器支持高清H.264方式，但均僅支持720P和1080I分辨率。

技術(shù)的進(jìn)步滿足了需求，而更高的需求則刺激了技術(shù)的進(jìn)步。時(shí)過境遷，如今這些設(shè)備均已更新?lián)Q代，衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)單路12G-SDI的4K超清視頻編碼、調(diào)制、傳送、接收、解調(diào)和解碼，已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)方案和業(yè)務(wù)應(yīng)用，如近年來的足球、賽車、龍舟賽、電影節(jié)等電視轉(zhuǎn)播。因4K業(yè)務(wù)接收門限較高，一般來說，衛(wèi)星通信通過1路大帶寬載波傳輸4K超清視頻，不與其他業(yè)務(wù)進(jìn)行復(fù)用（Mux）或者合路（Combine），以免受到干擾。本文討論在特殊情況下，必須采用衛(wèi)星通信方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)4K超清視頻傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)時(shí)，需要研究解決的各項(xiàng)問題，對最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)際效果的測評，并提出對未來的一些展望。

1. 點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)需求背景

圖1為一套常見的衛(wèi)星轉(zhuǎn)播系統(tǒng)架構(gòu)，視頻信號在現(xiàn)場由轉(zhuǎn)播車全制作，輸出完整的節(jié)目信號（World Feed）至衛(wèi)星車，經(jīng)一次編碼上星后廣播至持權(quán)或授權(quán)轉(zhuǎn)播商。整個(gè)信號采集（Contribution）模塊集中在轉(zhuǎn)播現(xiàn)場，無實(shí)時(shí)的點(diǎn)對點(diǎn)語音通話需求。

圖2為本文采用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)播系統(tǒng)架構(gòu)，現(xiàn)場轉(zhuǎn)播車輸出的并非完整的視頻信號，需要在遠(yuǎn)程制作中心進(jìn)行圖文包裝后才生成最終的節(jié)目信號（World Feed）。因而在現(xiàn)場的“半制作方”和遠(yuǎn)程的“半制作方”有強(qiáng)烈的實(shí)時(shí)點(diǎn)對點(diǎn)語音通話需求，以及時(shí)溝通保證節(jié)目的正確、順暢供給。

2. 衛(wèi)星通信方式選擇

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)4K超清視頻傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)，可采用無線通信、地面專線或衛(wèi)星通信方式，如下比較優(yōu)劣：

（1）無線通信（4G、5G）：費(fèi)用較低，但本文的轉(zhuǎn)播場景為足球比賽，現(xiàn)場上座幾萬人，無線信號質(zhì)量難以保證。

（2）地面專線（SDH、MSTP）：傳輸質(zhì)量穩(wěn)定可靠，但短期臨時(shí)開通費(fèi)用昂貴，且節(jié)點(diǎn)較多，排障速度較慢。

（3）衛(wèi)星通信：傳輸質(zhì)量穩(wěn)定可靠，費(fèi)用一般，架構(gòu)簡單排障快，但時(shí)延較高。

以上綜合比較，選擇了衛(wèi)星通信方式，并有3種可能的技術(shù)方案，分析如下：

（1）嵌入式（Embed）音頻：視頻信號在傳輸?shù)倪^程中可以嵌入多路音頻（最多16路），然而，如將點(diǎn)對點(diǎn)語音打包在視頻信號內(nèi)一并傳輸，經(jīng)衛(wèi)星視頻編、解碼器處理，迂回的時(shí)延經(jīng)測試達(dá)到近2s，再加上衛(wèi)星信道空間傳輸?shù)臅r(shí)延，總迂回的時(shí)延約2.5s，這對于實(shí)時(shí)的點(diǎn)對點(diǎn)語音通話業(yè)務(wù)需求而言，感知度很差。

（2）復(fù)用（Mux）：4K超清視頻編碼器支持ASI輸出，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器（Modem）不支持ASI輸出，因而無法進(jìn)行復(fù)用。

（3）合路（Combine）：4K超清視頻編碼器和衛(wèi)星Modem均支持中頻（IF）輸出，且在50-180 MHz范圍內(nèi)都可調(diào)，因而合路可行，此外，衛(wèi)星Modem相比視頻編碼器處理數(shù)據(jù)時(shí)延極低，理論上總時(shí)延應(yīng)有大幅優(yōu)化。

3. 衛(wèi)星通信方式基本架構(gòu)

如圖3，為了滿足點(diǎn)對點(diǎn)語音通話需求臨時(shí)性的特點(diǎn)，同時(shí)充分保證其可靠性，還兼顧感知度，在利用車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸4K超清視頻信號的同時(shí)，合路開通了一條臨時(shí)性的“衛(wèi)星專線”，供給兩端的IP通話設(shè)備使用。

4. 帶寬分配問題

圖4為本地系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的頻譜圖。在租用的27 MHz衛(wèi)星帶寬內(nèi)，利用中間25 MHz做4K超清視頻信號（20.5Ms/s）的單向傳送，利用邊緣2個(gè)1 MHz做本地與遠(yuǎn)端點(diǎn)對點(diǎn)語音通話數(shù)據(jù)信號（512 Kbps）的雙向傳輸，載波滾降系數(shù)（Roll-off Factor）均為20%，不做過近相接。

大帶寬的視頻傳輸載波是為了充分保證4K超清信號的質(zhì)量（理論上需保持45 Mbps以上的碼流速率），避免出現(xiàn)信號不穩(wěn)定導(dǎo)致的馬賽克、花屏甚至黑屏等現(xiàn)象。而在通常傳輸4K超清信號時(shí)用足的27 MHz衛(wèi)星帶寬內(nèi)，擠出2個(gè)1MHz做小帶寬的語音傳輸載波，則是出于成本的考慮（衛(wèi)星公司出租帶寬以9MHz為最小單元）。實(shí)踐當(dāng)中，將4K超清信號的傳輸帶寬由27 MHz減少至25 MHz，輸出碼流速率略有降低，但仍保持在49-50 Mbps之間，理論最小值為45 Mbps，因此是可行的。

同時(shí)，為了降低鄰道干擾的風(fēng)險(xiǎn)，將載波的滾降系數(shù)（Roll-off Factor）均設(shè)置為中等數(shù)值20%，一方面盡量利用帶寬資源（比如設(shè)置為35%則過于浪費(fèi)），保證傳輸速率足夠滿足業(yè)務(wù)需求，一方面預(yù)留足量的保護(hù)帶寬（比如設(shè)置為5%則過于相近），保證鄰道之間不受相互干擾。

5. 互調(diào)干擾問題

此外，由于在同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)存在多個(gè)載波，考慮到互調(diào)干擾的風(fēng)險(xiǎn)。一方面各載波電平高度在保證接收余量的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照與衛(wèi)星公司溝通校準(zhǔn)后的標(biāo)定值來設(shè)置，不自行超高，避免轉(zhuǎn)發(fā)器過飽和；另一方面在載波的排列上重點(diǎn)考慮2個(gè)小載波（語音通話）的三階互調(diào)產(chǎn)物落在1個(gè)大載波（4K超清）頻譜范圍內(nèi)，產(chǎn)生互調(diào)噪聲干擾，影響4K超清視頻信號正常傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

圖5展示了三階互調(diào)產(chǎn)物干擾正常信號傳輸?shù)脑?，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可能的非線性因素，一個(gè)信號（如f1）的二次諧波與另一個(gè)信號（如f2）的基波混頻后產(chǎn)生了寄生信號（2f1-f2），也就是三階互調(diào)產(chǎn)物，盡管功率不如原基波，但其頻率落在了正常信號（Signal）的頻譜范圍內(nèi)，產(chǎn)生了互調(diào)噪聲，從而可能影響正常信號的傳輸。

圖6 可能產(chǎn)生互調(diào)干擾的載波排列

顯然，在27 MHz帶寬內(nèi)排列兩個(gè)1 MHz和一個(gè)25 MHz載波，有2種情況：1、1 MHz載波在同一側(cè)；2、1 MHz載波分在兩邊。如圖6所示，若將兩個(gè)1 MHz載波安排在同一側(cè)，可能產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物頻點(diǎn)有2（f0+1.5）-（f0+0.5）=f0+2.5，是落在4K超清信號的25 MHz載波頻譜范圍內(nèi)的，有導(dǎo)致互調(diào)噪聲引起干擾的風(fēng)險(xiǎn)。因而，將兩個(gè)1 MHz載波分在25 MHz載波的兩側(cè)（如圖4），就避免了產(chǎn)生互調(diào)干擾的可能性。

實(shí)踐中如圖7，在保證遠(yuǎn)端4K超清視頻信號接收正常且有足夠余量（+8.0DB）的基礎(chǔ)上，并同衛(wèi)星公司校準(zhǔn)功率后，點(diǎn)對點(diǎn)語音通話數(shù)據(jù)信號接收能噪比相對較高，誤碼率、電平值等指標(biāo)穩(wěn)定、良好，起初擔(dān)心出現(xiàn)的互調(diào)干擾沒有發(fā)生。

6. 實(shí)際效果測評

圖8 本地鏈路時(shí)延測試結(jié)果

衛(wèi)星Modem的對通良好，接下來監(jiān)測實(shí)際業(yè)務(wù)的效果。如圖8，本地IP通話設(shè)備到本地衛(wèi)星Modem的平均時(shí)延僅為1ms，幾乎可以忽略不計(jì)。

圖9 全鏈路時(shí)延測試結(jié)果

主要的時(shí)延產(chǎn)生于衛(wèi)星信道空間傳輸，如圖9，本地IP通話設(shè)備到遠(yuǎn)端IP通話設(shè)備的時(shí)延（總時(shí)延）平均為525 ms，與衛(wèi)星信道空間傳輸雙跳時(shí)延相差無幾。

從約2.5s到約0.5s，大幅優(yōu)化的時(shí)延在實(shí)踐中充分改善了點(diǎn)對點(diǎn)語音通話的效果和感知度，在各項(xiàng)資源有限的條件下，綜合考慮有效性和可靠性，該方案不失為一個(gè)最優(yōu)解。

7. 結(jié)束語

衛(wèi)星通信是一門相對成熟穩(wěn)定的通信技術(shù)，它有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，諸如結(jié)構(gòu)簡單、部署靈活、傳輸穩(wěn)定、排障迅速等等，但也有費(fèi)用較貴、帶寬較低、時(shí)延較大、受環(huán)境影響較大等劣勢。在如今DT、IT、CT融合的時(shí)代，作為一門傳統(tǒng)的有著諸多局限性的通信技術(shù)，衛(wèi)星通信更加需要和其他通信技術(shù)相融合，否則會越來越被業(yè)務(wù)、客戶、行業(yè)乃至?xí)r代所拋棄。如本文，可以看到衛(wèi)星技術(shù)與IP技術(shù)的融合應(yīng)用，雖然簡單，但不失為當(dāng)今的一種趨勢。希望在未來，能看到更多衛(wèi)星技術(shù)與IT乃至DT的融合，真正實(shí)現(xiàn)在一個(gè)萬物互聯(lián)的世界，亦有衛(wèi)星通信的一席之地。

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作者簡介：蘇炯（1990-），男，工程師，研究方向：衛(wèi)星移動(dòng)通信.