衛星通信同時實現4K超清視頻傳輸和點對點語音通話業務研究

【摘要】為同時實現4K超清視頻傳輸和點對點語音通話業務，通?？刹捎脽o線通信、地面專線或衛星通信方式，各有優劣。本文討論當受限于各項資源條件，綜合考慮成本因素和傳輸質量，不得不采用衛星通信方式時，在架構組織和方案設計過程中遇到的困難、解決的手段及相應技術的細節。研究得出最優方案后，對其實際運行效果進行了測試和評價，以驗證是否滿足業務的基本要求。本文并在初步融合衛星技術和IP技術實現業務能力的基礎上，對未來衛星通信的發展做一些初步的展望，例如與DICT技術的融合，以引發相關的思考。

【關鍵詞】衛星通信；4K超清；視頻傳輸；點對點語音通話

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.22.004

模擬、標清、高清、超清，隨著技術的進步和用戶需求的不斷提升，4K超清視頻傳輸業務應運而生。根據國際電信聯盟的定義，4K標準需具備8倍720P高清或4倍1080P全高清的屏顯，最高分辨率能夠達到3840×2160P，其在實際應用中，較高清視角更加寬廣，色域更加豐富，屏顯效果更加細膩，能夠給觀眾帶來更高級別的視聽享受。

衛星通信傳輸高清視頻由來已久，十年以前，國內的各項重大體育賽事、醫療會議、活動演出，已普遍采用高清電視級車載衛星通信系統進行信號傳輸。衛星通信系統是一種微波系統，它以衛星作為中繼站轉發中繼信號，在多個地面站之間通信，具有下行廣播、覆蓋范圍廣、通信質量好、網絡建設速度快和成本低等特點。相對于光纖傳輸系統，盡管存在帶寬小、傳輸速率低、信號傳輸時延大等劣勢，但它結構簡單（節點少，鏈路清晰），并且配以車載，更能適應以上臨時業務持續時間短、設備需求多變的要求，更具靈活機動性。但彼時且不說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。

技術的進步滿足了需求，而更高的需求則刺激了技術的進步。時過境遷，如今這些設備均已更新換代，衛星通信實現單路12G-SDI的4K超清視頻編碼、調制、傳送、接收、解調和解碼，已經形成了成熟的技術方案和業務應用，如近年來的足球、賽車、龍舟賽、電影節等電視轉播。因4K業務接收門限較高，一般來說，衛星通信通過1路大帶寬載波傳輸4K超清視頻，不與其他業務進行復用（Mux）或者合路（Combine），以免受到干擾。本文討論在特殊情況下，必須采用衛星通信方式同時實現4K超清視頻傳輸和點對點語音通話業務時，需要研究解決的各項問題，對最優方案進行實際效果的測評，并提出對未來的一些展望。

1. 點對點語音通話業務需求背景

圖1為一套常見的衛星轉播系統架構，視頻信號在現場由轉播車全制作，輸出完整的節目信號（World Feed）至衛星車，經一次編碼上星后廣播至持權或授權轉播商。整個信號采集（Contribution）模塊集中在轉播現場，無實時的點對點語音通話需求。

圖2為本文采用的衛星轉播系統架構，現場轉播車輸出的并非完整的視頻信號，需要在遠程制作中心進行圖文包裝后才生成最終的節目信號（World Feed）。因而在現場的“半制作方”和遠程的“半制作方”有強烈的實時點對點語音通話需求，以及時溝通保證節目的正確、順暢供給。

2. 衛星通信方式選擇

為同時實現4K超清視頻傳輸和點對點語音通話業務，可采用無線通信、地面專線或衛星通信方式，如下比較優劣：

（1）無線通信（4G、5G）：費用較低，但本文的轉播場景為足球比賽，現場上座幾萬人，無線信號質量難以保證。

（2）地面專線（SDH、MSTP）：傳輸質量穩定可靠，但短期臨時開通費用昂貴，且節點較多，排障速度較慢。

（3）衛星通信：傳輸質量穩定可靠，費用一般，架構簡單排障快，但時延較高。

以上綜合比較，選擇了衛星通信方式，并有3種可能的技術方案，分析如下：

（1）嵌入式（Embed）音頻：視頻信號在傳輸的過程中可以嵌入多路音頻（最多16路），然而，如將點對點語音打包在視頻信號內一并傳輸，經衛星視頻編、解碼器處理，迂回的時延經測試達到近2s，再加上衛星信道空間傳輸的時延，總迂回的時延約2.5s，這對于實時的點對點語音通話業務需求而言，感知度很差。

（2）復用（Mux）：4K超清視頻編碼器支持ASI輸出，但衛星數據調制解調器（Modem）不支持ASI輸出，因而無法進行復用。

（3）合路（Combine）：4K超清視頻編碼器和衛星Modem均支持中頻（IF）輸出，且在50-180 MHz范圍內都可調，因而合路可行，此外，衛星Modem相比視頻編碼器處理數據時延極低，理論上總時延應有大幅優化。

3. 衛星通信方式基本架構

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

4. 帶寬分配問題

圖4為本地系統實時監測的頻譜圖。在租用的27 MHz衛星帶寬內，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1 MHz做本地與遠端點對點語音通話數據信號（512 Kbps）的雙向傳輸，載波滾降系數（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超清信號的質量（理論上需保持45 Mbps以上的碼流速率），避免出現信號不穩定導致的馬賽克、花屏甚至黑屏等現象。而在通常傳輸4K超清信號時用足的27 MHz衛星帶寬內，擠出2個1MHz做小帶寬的語音傳輸載波，則是出于成本的考慮（衛星公司出租帶寬以9MHz為最小單元）。實踐當中，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，為了降低鄰道干擾的風險，將載波的滾降系數（Roll-off Factor）均設置為中等數值20%，一方面盡量利用帶寬資源（比如設置為35%則過于浪費），保證傳輸速率足夠滿足業務需求，一方面預留足量的保護帶寬（比如設置為5%則過于相近），保證鄰道之間不受相互干擾。

5. 互調干擾問題

此外，由于在同一個轉發器內存在多個載波，考慮到互調干擾的風險。一方面各載波電平高度在保證接收余量的基礎上，嚴格按照與衛星公司溝通校準后的標定值來設置，不自行超高，避免轉發器過飽和；另一方面在載波的排列上重點考慮2個小載波（語音通話）的三階互調產物落在1個大載波（4K超清）頻譜范圍內，產生互調噪聲干擾，影響4K超清視頻信號正常傳輸的風險。

圖5展示了三階互調產物干擾正常信號傳輸的原理，由于衛星轉發器可能的非線性因素，一個信號（如f1）的二次諧波與另一個信號（如f2）的基波混頻后產生了寄生信號（2f1-f2），也就是三階互調產物，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，產生了互調噪聲，從而可能影響正常信號的傳輸。

圖6 可能產生互調干擾的載波排列

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

實踐中如圖7，在保證遠端4K超清視頻信號接收正常且有足夠余量（+8.0DB）的基礎上，并同衛星公司校準功率后，點對點語音通話數據信號接收能噪比相對較高，誤碼率、電平值等指標穩定、良好，起初擔心出現的互調干擾沒有發生。

6. 實際效果測評

圖8 本地鏈路時延測試結果

衛星Modem的對通良好，接下來監測實際業務的效果。如圖8，本地IP通話設備到本地衛星Modem的平均時延僅為1ms，幾乎可以忽略不計。

圖9 全鏈路時延測試結果

主要的時延產生于衛星信道空間傳輸，如圖9，本地IP通話設備到遠端IP通話設備的時延（總時延）平均為525 ms，與衛星信道空間傳輸雙跳時延相差無幾。

從約2.5s到約0.5s，大幅優化的時延在實踐中充分改善了點對點語音通話的效果和感知度，在各項資源有限的條件下，綜合考慮有效性和可靠性，該方案不失為一個最優解。

7. 結束語

衛星通信是一門相對成熟穩定的通信技術，它有其獨到的優點，諸如結構簡單、部署靈活、傳輸穩定、排障迅速等等，但也有費用較貴、帶寬較低、時延較大、受環境影響較大等劣勢。在如今DT、IT、CT融合的時代，作為一門傳統的有著諸多局限性的通信技術，衛星通信更加需要和其他通信技術相融合，否則會越來越被業務、客戶、行業乃至時代所拋棄。如本文，可以看到衛星技術與IP技術的融合應用，雖然簡單，但不失為當今的一種趨勢。希望在未來，能看到更多衛星技術與IT乃至DT的融合，真正實現在一個萬物互聯的世界，亦有衛星通信的一席之地。

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作者簡介：蘇炯（1990-），男，工程師，研究方向：衛星移動通信.