郭骁煊

（中国电信股份有限公司上海分公司，上海 200433）

1 引言

广义卫星通信就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）。

对于广播电视及当前新起的流媒体直播电视传输而言，卫星通信传输方式接收公共卫星电视资源经济有效，并且可靠性高。为此，讨论针对基于卫星通信方式下的视频传输技术的使用，重点讨论包括其中的关键技术、存在的瓶颈及解决方案以及发展方向。

2 发展历史、起源

1945年，Ar thurC.Clarke在英国的《无线电世界》杂志上发表了一篇《地球外的中继》，用以对卫星通信的可行性设想进行论证；1957年苏联发射了世界上第一颗人造卫星用于观测、研究及通信实验；1958年美国NASA发射了SCORE试验卫星，用以进行磁带录音信号传输试验；1960年美国发射ECHO卫星用于调频电话和电视转播；1962年美国无线电公司RCA发射RELAY-1卫星，完成美、日间电视传输。

在我国，1969年建设卫星通信接收站；1970年我国发射了第一颗自己的人造卫星，成功向地面传送了“东方红”乐曲；1972年2月24日我国第一个含收发系统的卫星地球站；1988年发射的东方红二号甲DFH-2A为我国的电视传输、对外广播作出了巨大贡献；1997年发射的DFH-3A，在1998年开始用于电视、电话业务、VSAT网、数据传输等；2008年在西昌发射的“中星9号”卫星使用ABS-S标准，并且承担例如湖南卫视、新疆卫视等多地卫星电视的广播任务，“中星9号”是我国真正意义上的广播电视直播卫星；2017年4月我国发射首颗Ka波段高通量卫星“实践十三号”后更名为“中星十六号”，计划对飞机、远洋油轮等地面网络覆盖不好的区域进行网络信号补偿，进入试运行状态。

卫星通信的发展势不可挡，在未来随着多媒体通信的需求越来越多，对带宽要求越来越高，以及通信无处不在的理念，卫星通信将作为取代传统有线通信主体的一种方式被广为运用，而承载在卫星通信上的多媒体业务也将是卫星通信的主体之一并因此而不断多元化发展。在这方面，我国还是有较大的发展空间，是一个值得拓展的领域。

3 关键技术

基于卫星通信的视频传输技术的关键技术，由以下几部分组成：

3.1 调制及编码技术

3.1.1 调制技术

传统调制技术有相移键控调制方式、频移键控调制方式、正交幅度调制QAM调制技术、正交频分复用（OFDM）。在广播电视卫星通信系统中，高功率放大器等都为非线性部件，因而该信道具有带限和非线性特性，为此需要有包络恒定及最小功率谱占有率特性。所以一般广播电视卫星系统中常采用相移键控调制方式。另外，由于随着相位调制阶数增加，带来频带利用率提高的同时却引起抗干扰性能下降，解调设备复杂性增加，为此，数字广播卫星电视系统广泛使用的调制解调方式主要为：二进制相移键控调制（2DPSK/BPSK）、四进制相移键控调制（QPSK/QDPSK）、八进制相移键控调制（8DPSK/8PSK）。以下为二、四、八进制相移键控调制比较表，根据频带利用率需求、抗干扰能力及调制解调器的成本等需求可以选择不同的调制解调方式。

表1 二、四、八进制相移键控调制比较表

由于目前转发器和天线技术的大规模发展，功率提高或误码降低的方式及方法也开始简单易实现起来，为此高阶调制也开始逐步应用起来，DVB-S2标准开始采用16APSK、32APSK。更进一步提高了频谱和功率效率。

3.1.2 编码技术

传统的编码技术有BCH码、RS码、级联码、Turbo码、LDPC码、分组级前向纠错删码等。然而，传统编码技术与香农理论存在2-3dB的差距，但Turbo码仅与香农极限差距0.7dB已基本接近，是比较优秀的编码方式。

Turbo码原名并行级联卷积码，比传统编码优越的主要原因是因为其迭代译码特性，即通过外译码器的输出信息反馈给内译码器，使两个相互独立的译码器互相利用信息，互相级联达到真正意义上的长码的效果。通常有双重Turbo码，还有多重Turbo码，一般目前卫星通信使用双重Turbo码，但是按照香农理论，只要信息速率不大于信道容量，编码长度不断增大，则抗干扰性越强，并能实现无误通信。为此多重Turbo码还有降低信道中误码率的功能，不过目前还在研究测试阶段。信道编码使用Turbo串行方案加联合卷积码能有效提高减低复杂度，提高系统整体性能。

3.2 传输质量（差错）控制技术的选择

在对地静止轨道卫星（GEO）的通信传输过程中，单程时延为270ms。由于白噪声和多普勒频移的影响，会引起随机误码发生使得TCP控制协议性能不稳定，影响传输质量，为此需要进行基于传输的差错控制。

在DVB-S视频传输过程中，使用MPEG-2的数据包格式，188个字节中包含1个同步字段，信道传输采用RS编解码方式，增加16个纠错校验位。而丢帧由两种情况引起：第一种情况是因为帧头改变引起的同步失败而丢帧，第二种情况是因为误码引起的丢帧。

3.2.1 重传技术

丢帧使用重传的方式进行差错控制一般有三种：自动重传机制ARQ、选择性重传机制SR_ ARQ、主动性重传机制CA_ARQ。

自动重传机制：当检测发现当前一帧丢失后，重传当前一帧，不影响后续帧的传输为自动重传；

选择性重传机制：有限次选择性重传部分可靠的ARQ，在卫星链路接收端进行缓存并等待排序；

主动性重传机制：设置一个误帧缓存器，对误帧进行校验，若发现可靠则立即重传，若发现非可靠误帧重传请求，则累计在误帧缓存器中，当达到一定门限时统一发给数据源，要求对内所有误帧进行重传。该机制是自动重传和选择性重传的结合。

通过仿真，由图1可见，对于CA_ARQ而言，当缓存器越大，则传输时延相对较小，建议能够选择较大的缓存器。而由图2可见，当误码率Pe＜10-4时，也就是信道状况非常好，误码率低的情况下，三种重传机制基本一致，如果需要帧排序，则建议使用SA_ARQ，若Pe≥10-4时，则可以看到CA_ARQ的传输延时最稳定也最小。所以对于重传技术，建议能够选择CA_ARQ。

图1 缓存器大小对CA_ARQ传输时延的影响

图2 3种传输机制时延比较

3.2.2 FEC前向纠错技术

对于视频数据流而言，例如TS流，其中ES流为基础视、音频码流，而PES为打包的基础视频码流，即对ES进行拆分打包，然后进行TS流传输协议分装变成传输流。在DVB-S中，从PES到TS的过程中插入FEC纠错码并使用不同的FEC 速率：-1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以3/4为例，其表示3/4为真实数据，1/4为纠错码。因而FEC速率越低、纠错码占比越高。如果相同功率的前提下，解码门限低，则天线直径小，容易接受，反之，则解码门限高，天线直径大，接受困难。例如，韩国阿里郎节目符码率为4420，1/8用来进行纠错，而同样4420的亚洲2号，用1/4来纠错，为此画质韩国阿里郎会高些因为更多的数据用来传输视频流，但是亚洲2号的接收更容易些，因为相同速率下纠错码占比高，解码门限低。

3.2.3 HEC混合纠错技术

混合纠错技术是结合重传技术与前向纠错技术与一体。一般有两种方法：一种是先纠错译码，然后再检测是否有误码，如果还有则通过反馈信道进行重传，确保误码极低；另一种方法是先检错，当随机差错和突发差错控制在FEC能够解决的情况下，进行前向纠错，如果判断下来不能以FEC的方式进行纠错，则换做重传的方式。

这三种差错控制技术比较：对于混合纠错和重传技术因为需要反馈信道，存在干扰严重时，系统重发消息，于是消息连续性和实时性较差，而信道质量差或者用户数多时，反馈信道流量增加，引起吞吐量下降，并且重传技术及混合纠错技术因为都涉及到反馈信道，为此适合于点对点通信，对于广播尤其是视频类方式的广播业务是不利的。为此在视频类广播业务中常常使用FEC更多些。

3.3 多址接入技术的选择

多址连接是指多个地球站通过共用的卫星信道，同时建立各自的信道，从而实现各种地球站相互之间通信的一种方式。多址连接和多路复用的区别：多路复用是指多个信号在基带上进行复合和分离；而多址连接则是指多个地球站发射的信号通过卫星的射频信道复用。传统常用的多址方式：FDMA、TDMA、CDMA。

（1）FDMA：分配的频带被分割为若干段，然后根据各站业务状况分配相应的频率段。其主要优点为：技术成熟、设备简单、不需网同步（定时）、工作可靠、可直接与地面频分制线路接口、工作于大容量线路时效率较高，特别适用于站少而容量大的场合；但是缺点是转发器要同时放大多个载波，容易形成互调干扰，为了减少互调产物，转发器要降低功率运用，因而降低了卫星通信容量，而各上行功率电平要求基本一致，否则会引起强信号抑制弱信号的现象，因此大小站不易兼容；由于需要保护频带，故频带利用率不充分。

（2）TDMA：在TDMA方式中，分配给各地球站的不再是一特定频率的载波，而是一个特定的时间间隔（简称时隙）。各地球站在定时同步系统的控制下，只能在指定的时隙内向卫星发射信号，而且时间上应互不重叠。在任何时刻转发器转发的仅是某一个地球站的信号，这就允许各站使用相同的载波频率，并且都可以利用转发器的整个带宽。其优点是：能够充分利用卫星功率、无需上行链路功率控制、使用灵活、扩容方便、可充分利用数字语音内插DSI等数字化技术；其缺点是：要求全网同步，模拟信号必须转为数字信号，与地面模拟通信设备接口昂贵，初始投资大，实现复杂。

（3）CDMA：根据地质码的正交性实现信号分割。发送：利用周期性码序列作为地址信息，对被用户信息调制过的载波再调制，使其频谱展宽。接收：以本地产生的已知地址信息为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，选择。其优点：宽带传输；信号频谱的扩展和相关性接收，有较好的隐蔽和保护性，抗干扰能力强；允许覆盖多系统、多卫星同频操作，无需系统间协调，能抗地面同频通信系统的干扰。而其缺点：码同步时间较长；容量没有硬性限制，增加用户会影响性能，不会遭到拒绝；需要进行功率控制。

根据上述多址接入技术的优缺点TDMA适用于卫星广播电视的传输而CDMA方式适用于移动卫星通信。

3.4 卫星天线系统

卫星天线需要有抗阻特性，即将高频电流能量尽量多地转为电磁波能力，同时还需要有方向特性，即应使电磁波尽量集中于所需的方向上，另外，还需要有极化特性，即能够发射或者接收规定极化的电磁波。最后天线还应有足够的工作频带，即带宽特性。

卫星通信中使用的天线增益计算方式决定了天线的增益与天线工作波长（频率）及天线的直径有关。增益越大，则天线直径越大，如果调整工作频率，则可减少天线直径。

传统的地球站天线一般有以下几种：抛物面天线、卡塞格伦天线、格里戈伦天线、偏置型天线、环焦天线。

其中，抛物面天线虽然结构简单，但是噪声温度高，且馈源和低噪声放大器等在天线主反射面前方，为此因其馈线长不常使用。而卡塞格伦天线和格里戈伦天线特点类似具有效率高、噪声温度低、方向图好等特性，适合多数地球站；而偏置型天线、环焦天线特点类似解决了抛物面天线、卡塞格伦天线和格里戈伦天线一部分电波能量被阻挡的情况而造成的天线增益下降，旁瓣增益高的问题，而因为其天线的直径小，然后能够满足上述特性，为此适合于尺寸较小的地球站。广播电视地球站一般比较大，卡塞格伦天线和格里戈伦天线比较适用。

电视广播卫星的下行信号到达地面的强度较微弱，为了提高信噪比，卫星接收天线应对准卫星，馈源波导必须与下行信号的极化匹配。对卫星接收天线的调整就是对方位角、仰角、与极化角的调整。其中最重要的调整主要是极化角，因为例如双极化技术，用同一信道传输两套节目，如果极化角调节存在偏差，则将减弱接收场强和接收信噪比，于是将无法解出仍一路频道或者会有明显干扰。另外，卫星天线与卫星位置的精确度是决定接收到的信号的优劣的关键，当缺乏经验时，可以利用辅助工具例如寻星器、倾角仪等仪器。

3.5 流媒体传输技术

3.5.1 卫星广播电视技术标准

卫星数字广播制式分为两大类：一类是由欧洲国家提出的DVB-S；一类是由美国通用仪器公司开发的Digicipher标准。其中对于DVB标准：DVB-S 是指卫星广播；DVB-C是指有线电视广播；DVB-T 是指地面广播。DVB-S采用QPSK调制方式，采用卷积码和RS编码方式误码保护。

DVB-S2比DVB-S技术改进：引入8PSK等高阶调制方式，容量提高30%～35%；前向纠错码：外码BCH，内码为LDPC码，码字长度理论上接近信道传输门限。

近些年，中国推出了自己广播电视卫星通信标准ABS-S。ABS-S标准是我国第一个拥有完全自主知识产权的卫星信号传输标准：

（1）提供了14种不同的编码调制方案，结合多种滚降系数选择，可最好地适应不同的业务和应用需求，充分发挥系统效率。

（2）是提供高阶调制作为广播方式下的备选调制方式，同时支持专业应用，并适应卫星技术和接收机技术的发展。

（3）是解调芯片可以支持8PSK/45Mb/s的工作模式，以充分适应我国直播卫星转发器配置。ABS-S具有的优势是：没有BCH码，减小了编码及系统的复杂度；采用较短的帧长，降低了实现系统的成本；更好的同步性能（基于优化的帧结构）。

3.5.2 流媒体传输技术

流媒体传输协议主流的有：ISMA和TS，一般广播电视使用TS流方式，以下为两种方式的对比：

ISMA RTP/UDP方式，MPEG-2 TS/UDP方式和第三方的私有协议，如微软公司采用的MF-RTP/UDP方式：

图3 ISMA和TS的封装方式对比

MPEG-2 TS/UDP方式将媒体数据，包括视频、音频和其他数据封装成MPEG-2 TS格式，再承载在UDP和IP协议之上，其优点是能够承载不同编码标准的媒体数据，并且视频和音频数据在一个流上传输，容易实现视、音频同步；其缺点是MPEG-2 TS是为单向广播设计，控制协议未标准化，导致对于点播等双向交互式应用的适应性较差，同时MPEG-2 TS 的固定188字节包长度使得传输效率不高。

ISMA RTP/UDP方式将视频、音频数据分开封装成RTP格式，再分别承载在一个或多个UDP传输流上，其优点是对于点播、视频通信等双向交互式应用的适应性好，传输效率高；缺点在于视频和音频数据不在同一个流上传输，需要增加同步机制。

图4给出了传送数据流数据包头的系统图。在ISO/IEC 13818中进行定义了TS传送数据流数据包头的组成：

其中，每个数据包固定长度为188个字节，其中PCR为节目参考时钟，DTS为解码时间标记，PTS为出现时间标记。

图4 TS传输数据包格式

根据TR101290标准（DVB-数字电视广播测量指导手册），决定视频传输质量好坏可以参考以下几类主要参数，若以下参数发生误码产生较大偏离，则会影响视频的接收质量。

如表2所示：影响解码的首要指标：TS同步丢失、同步字节错误、PAT错误、连续计数错误、PMT 错误、PID错误，这些指标发生丢失或者错误，会引起节目无法解出或者出现因连续计数错误引起的马赛克或者卡的情况。

表2 影响解码的首要指标

如表3所示，影响视频质量的次要指标：传输错误、CRC错误、PCR错误、PCR重复错误、PCR不连续指示错误、PCR准确性错误、PTS错误、CAT错误。上述指标错误会引起视音频不同步或者出现因部分误码引起的个别卡或者马赛克现象。

4 技术瓶径及解决思路

4.1 地面发射功率的高要求

地面发生功率高的要求与器件大小、性能等参数指标息息相关。随着近些年技术的发展，卫星转发器增益和传输性能的提高，卫星通信向设备小型、数字化方向发展，包括20GHz波段的低噪声放大器和30GHz高功率转发器研制成功，更高效的空间行波管放大器以及卫星总线技术、高功率太阳能板和电子推进系统，采用自适应功率调整和自适应数字编码技术可以有所改善。

表3 影响解码的次要指标

4.2 图像压缩效率对于带宽的要求

模拟卫星广播电视的高带宽高质量需求对发射功率、信道容量以及误码率的要求极高，为此需要投入的设备建设成本也有相当大的规模，于是该方式下的卫星电视广播存在投资建设及质量保证的瓶颈。而数字电视编解码器的诞生为卫星电视更有效地使用星上带宽打下了基础，MPEG-2已经对数字图像进行了压缩，单个频道所需要的带宽也在7～8Mb/s左右，成为主流广播电视编解码标准。而近些年H.264 编解码器的出现，尤其是新一代运动图像压缩标准，使图像的数据量比MPEG-2至少减少50%，也就是说在卫星通信的传输中有利于用有限的空间存储更多的图像数据，即在调制为QPSK，FEC为3/4前提下，一般数字卫星电视DVB-S传输MPEG-2使用Symbol Rate为5.632Ms/s即约为7.2MHz（5.632×1.28），考虑到卫星转发器载频的间隔，约需8MHz多的占用带宽，在获得同等质量的条件下，若使用H.264编码的话，仅需其一半的占用带宽，在HDTV的传输中更显其优势，解决了HDTV占用卫星转发器带宽太多的问题；H.264编解码对网络传输具有更好的支持，引入面向数据包编码，有利于将数据打包在网络中传输，支持流媒体服务应用；具有较强的抗误码特性，以适应在噪声干扰大、丢包率高的无线信道中传输；对不同应用的时延要求具有灵活的适应性；由于DVB-S2使用LDPC调制纠错编码技术使传输比在同等条件下（例如：均为QPSK，FEC为3/4），使用Reed-Solomon调制编码技术的DVB-S可节省功率3dB左右，使卫星转发器多出一半功率的余量。当然，若使用8PSK调制比QPSK调制节省约三分之一带宽，但所需功率比QPSK调制增加1～2dB，由于DVB-S2 使用LDPC调制纠错编码技术，其功率使用并没比使用同样信息速率的Reed-Solomon调制编码技术的DVB-S（例如：均为QPSK，FEC为3/4）来得多，但带宽却节约了三分之一，由于国际上转发器带宽租用是很贵的，一般1MHz带宽1年所需费用4～5万美元，所以节约三分之一转发器带宽是难能可贵的。DVB-S2 还提供了可变编码调制（VCM）和自适应编码调制（ACM）工作模式，以进一步提高系统性能。为适应不同业务需求提供了必要的手段，提供了灵活的数据接口匹配方式，DVB-S2还在物理层引入了帧结构，通过同步字、信令、导频等帮助IRD（Integrated Receiver Decoder）实现快速帧同步和载波恢复，并为不同的业务应用提供了底层接口。

4.3 高数据量业务瓶颈—K A波段的利用问题

由于C波段及KU波段的应用已非常拥挤，而KA频带宽利用率低，但却易受雨衰影响。为了适应日益增长的视频媒体传输需求，而KA波段又非常适合宽带多媒体传输，需要提升KA波段有效利用率的方法是对雨衰引起的信号电平损失进行补偿。美国的ACTS（先进通信技术卫星）系统使用了两种补偿技术，降低卷积编码的码速率和增加卫星和地球站发射机功率。

而对于我国关于Ka波段的利用还处于初级阶段，目前主要解决网络信号覆盖问题。后续在这个高带宽波段上如何开展高码率多媒体视频业务，处理技术实现，还需要商业模式的推动。

5 技术前沿及发展方向

5.1 卫星智能天线

由于多媒体传输的需求，通常要求通信系统的带宽在2500MHz以上，因此多媒体通信系统选择了Ku甚至KA波段。但K以上波段雨衰相当严重，而卫星功率亦受限且干扰严重。因此，需要研究高性能智能天线系统。

智能天线是以天线阵列为基础，通过软件控制进行波束成形，产生多个子波束，从而使能量集中在一个方向，对一个确切的地面范围进行覆盖。通过时空联合算法，每个波束都能根据一定准则自动调整指向和零点，使得天线工作在最佳状态，甚至能在某一时间使能量集中在一点，从而节省能量，提高系统容量，并且波束调零可以进行抗干扰。

虽然智能天线能够实现波束调零抗干扰，但当干扰从某个波束主瓣进入时，调零的效果可能不大，因此需要将智能天线和其他抗干扰技术相结合组成一个高效综合的抗干扰体系。根据现有的技术水平，智能天线和扩频相结合是首选方案。这是因为一方面智能天线阻止了大部分干扰信号进入接收机解扩模块，从而减轻了对扩频抗干扰的指标要求；另一方面有扩频抗干扰作为后盾，也能降低空分抗干扰的指标压力；此外，扩频体制中的扩频码序列和跳频码还能够为RLS、LMS等自适应算法提供参考信号。

5.2 卫星激光通信

未来的卫星通信数据率要求会越来越高，尤其是高清、超高清视频类业务。因此，只能由激光通信来实现。

以往卫星之间及卫星与地面之间的信息传输主要借助于微波通信，然而因为受到载波频率限制，一般单通道传输速率在百兆比特每秒数量级，基本能够满足存储转发模式的视频图像传输（包括流媒体传输）。然而目前微波频率资源越来越紧张，对于高精度探测图像技术而言，需要单通道传输速率在千兆比特每秒数量级，微波通信则无法满足需求。而激光通信则将大容量的激光与无线通信相结合，提供了全球无缝连接覆盖的最新手段。

应用于卫星网星际互联的激光通信技术，因为星际通信在外层空间进行，不受大气层的影响，可充分发挥激光的优点。据专家侧算：在理想的情况中，卫星激光通信在比微波通信效据速率高一个数量级的情况下，天线直径尺寸比微波卫星通信减小一个数量级。用激光作为载体进行空间无线电通信，若广播电视信号带宽为10MHz，则可同时传送1000万套节目而互不干扰。

20世纪70年代起，激光通信技术就被各国所研究，90年代后期，美国、欧洲、日本率先进行了激光通信的地面实验。21世纪前十年欧洲航空航天局（ESA）、德国航天局（DLR）、美国喷气推进实验室（JPL）等进行了空间实验，确立空间光通信意义和价值。ESA的合约单位Tesat研制了第二代星间激光通信终端：相干激光通信终端LCT/LCTSX，终端自重不足30kg（小型化终端），同时速率高达5.6Gb/s。星地激光通信的进展主要是以欧洲、日本、美国为主要代表进行实验。

5.3 地面终端技术的发展

2011年7月美国卫讯公司推出的新一代宽带卫星地面系统“冲浪波束2”系统。该系统增加了网络加速模块，强大的网络流量处理和管理功能，并兼容DVB-S2标准，支持高速卫星带宽服务，可提供更流畅高速的视频类业务。而类似地面终端优化技术配合KA波段卫星，还能支持高带宽双向服务，为此，基于卫星通信的视频类点播业务，也将有可能基于类似高带宽加速的方式进行视频点播中继，从而实现除传统星上直播外的星上点播业务。

6 结束语

在I P电视产业的大力发展下，包括新兴的3DTV、高清HEVC等业务及标准的推出对高质量视频压缩效率及相关纠错技术的进一步提高，同时在KA波段、激光卫星通信技术等推动下，未来的基于卫星通信技术的视频传输系统还将有飞跃性的突破，包括建设成本投资、系统结构及软硬件优化等方面。由于目前我国的基于卫星通信技术的视频传输方式及技术力量还落后于其他发达国家，但是例如智能天线、KA波段的利用以及未来激光通信也正在逐步地投入可研力量进行研究和发展。相信在不久的将来，我国卫星通信技术的不断革新和提高必将带动视频类业务的大发展，并且逐步与国际接轨。■

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