卫星通信视频传输技术之我见

中国电子科技集团公司第五十四研究所 多孟龙

在经济社会快速发展过程中，推动了信息化时代的到来，使现代科学技术成为人们日常生活中不可或缺的组成部分，而卫星通信视频传输技术就是其中比较关键的一项技术，其一般是借助卫星信号传播来达到播放广播节目的效果。本文将会对卫星通信视频传输技术进行全方位的介绍，并探究了其未来的发展前景，以期更好的推动卫星通信视频传输技术的发展。

对于卫星通信而言，从广义的角度来讲是指借助卫星来实现无线电通信站间的通信，其最突出的特点便是通信范围大，只要卫星发射电波可以覆盖到的范围均能够完成通信，很少受到外界因素的影响，因此具有比较高的可靠性。同时，卫星通信可在多个地方完成信息接收，且具有多址通信特点，经济价值较高。对现有广播电视传输和流媒体直播而言，卫星通信可以有效接收和传播公共卫星电视资源，进而具有较高的可靠性和经济价值。因此，对基于卫星通信过程中，对视频传输技术进行研究至关重要[1]。

1 卫星通信视频传输技术

1.1 编码技术

通常情况下，传统编码技术涉及到Turbo码、LDPC码、BCH码、级联码、RS码和分组级前向纠错删码等。但是，与香农理论进行对比发现，传统编码技术存在2-3dB的差距，而Turbo码差距仅为0.7dB，非常接近，因此Turbo码是比较常见的编码技术。

Turbo码前称为并行级联卷积码，其优势在于具备迭代译码特性，通过外译码器将输出信息传输至内译码器，从而保证相互独立的两个译码器间可以实现信息的相互利用，进而达到长码的效果。Turbo码一般涉及到双重Turbo码和多重Turbo码，前者在卫星通信中得到广泛应用，然而对香农理论进行分析发现，如果信息速率大于一定信道容量时，就会持续增大编码长度，不仅可以提高其抗干扰性能，而且还可以实现无误通信。同时，多重Turbo码也可以有效控制信道中误码率，但是现阶段还处于测试研发阶段。实际上，在卫星通信编码过程中，选择联合卷积码+Turbo串行方案，其既可以降低其复杂度，同时也能够确保系统整体性能的发挥，进而提高其运行效率[2]。

1.2 调制技术

对于卫星通信而言，以往的调制技术主要分为正交频分复用（OFDM）、相移键控调制方式、正交幅度调制QAM调制技术以及频移键控调制方式。对于卫星通信系统而言，其中所采用的高功率放大器属于非线性部件，这就使得该信道具备非线性和带限特性。大部分广播电视卫星系统采用了相移键控调制方式，并且随着相位调制阶数的提高，虽然可以提高频带利用率，但是将会导致抗干扰性能降低，进而提高了解调设备复杂性。因此，现有数字广播卫星电视系统选择了八进制相移键控调制、四进制相移键控调制以及二进制相移键控调制等调制解调方式，此时一般需要结合频带利用率、抗干扰能力和调制解调器成本等特点来对调制解调方式进行合理选择，以此来更好的发挥其作用。

1.3 多址连接技术

这里所提及到的多址连接主要是在多个地球站通过共用的卫星信道来构建各自的信道，以确保各地球站间完成通信的一种方式。通常情况下，传统多址连接方式如下：

(1)FDMA。将分配的频带按照一定方式分割成若干段，并结合各站业务特点来对频率段进行分配，其具有设备简单、可靠性高、技术先进、不需网同步（定时）等特点，并且可以与地面频分制线路直接连接，并且在大容量线路中具有较高的工作效率，在容量大且站少的场合中得到广泛应用。

(2)TDMA。其将特定的时间间隔（即所谓的时隙）分配给各地球站，而不再是特定频率的载波。在定时同步系统下，只能在指定时隙内各地球站才可以将信号传输给卫星，而且还可以避免时间重叠问题的发生。在任何时刻，转发器只是对地球站的某一个信号进行转发，该过程中各站一般采用的载波频率相同。其优点是扩容方便、使用灵活、无需上行链路功率控制、可以充分利用卫星功率，并对数字语音内插DSI技术给予了合理应用。

(3)CDMA。结合地质码的正交性特点来完成信号分割处理。其中发送过程中的地址信息采用了周期性码序列，其能够对被用户信息调制后的载波实现再调制，最终实现频谱拓宽的效果。在信号接收时，要对本地产生的已知地址信息进行考虑，并根据相关性的差异来对接收到的信号进行鉴别和选择，其可以借助宽带进行传输，存在比较理想的保护性和隐蔽性，同时具有较强的抗干扰能力。缺点在于容量没有硬性限制，码同步时间较长，从而随着用户的增加将会对其性能产生不利影响。

1.4 传输质量（差错）控制技术

作为对地静止轨道卫星而言，其所对应的单程时延为270ms。然而，因为多普勒频移和白噪声的存在，将会产生随机误码，进而降低TCP控制协议性能，对其传输效率产生不利影响，此时最好采用基于传输的差错控制。通常情况下，在进行DVB-S视频传输阶段，可以选择MPEG-2数据包格式，信道传输选择了RS编解码方式，并且在188个字节中涵盖了1个同步字段。实际上，丢帧问题的诱因如下：

(1)由于帧头改变而导致同步失败，进而出现丢帧现象。

(2)由于误码现象而诱发丢帧[3]。

在卫星通信过程中，为了避免上述问题的发生，选择了传输质量（差错）控制技术，其涵盖的具体内容如下：

(1)重传技术。对于丢帧问题，一般会选择重传技术进行差错控制，其一般有三种：选择性重传机制SR_ARQ。对部分可靠的ARQ进行有限次选择性重传，并且缓存在卫星链路接收端，等待排序；自动重传机制ARQ。如果发现当前一帧丢失后，将会对当前一帧进行重传，并且不会对后续帧的传输产生影响；主动性重传机制CA_ARQ。借助误帧缓存器来校验误帧，如果未发现问题时将会立即重传，以免在误帧缓存器中累计，因为当累计到一定门限后将会要求重传所有误帧，该技术是自动重传和选择性重传两者的结合体。

(2)FEC前向纠错技术。在TS视频数据流中，PES属于打包的基础视频码流，ES流属于基础音频视频码流，其中PES可以对ES实施拆分打包。在DVB-S中，从PES到TS阶段融入了FEC纠错码，且选择了不同的FEC速率。在相同功率下，如果解码门限比较低时，此时对应的天线直径较小，便于接受，反之天线直径较大，存在较高的接受难度。

(3)HEC混合纠错技术。该技术属于重传技术与FEC技术的结合体，主要包括以下两种方法：1）先纠错译码，随后查看是否存在误码，当发现误码时，将会反馈给信道进行重传，从而降低了误码率；2）先检错，在FEC可以解决的情况下，随机差错和突发差错采用前向纠错，如果无法以FEC方式进行纠错时，将会重传。

对上述差错控制技术进行对比可以发现，重传技术和HEC混合纠错技术由于需要反馈信道，一旦受到外界干扰时，将会导致系统重发消息，进而降低消息的实时性和连续性。而在用户数多或信道质量差时，将会增加反馈信道流量，并且导致其吞吐量降低，且因为重传技术和HEC混合纠错技术均应用了反馈信道，以此在点对点通信中得到广泛应用，不利于广播或以视频类为主的广播业务。因此，FEC前向纠错技术在视频类广播业务中得到广泛应用。

1.5 卫星天线系统

通常情况下，卫星天线需要具备一定的抗阻特性，尽可能多的将高频电流能量转化为电磁波能量，并且要求具备方向特性，以便将电磁波尽可能集中在所需方向上。同时，还需要具备极化特性，以便对极化的电磁波进行发射或接收。在卫星通信中，一般会采用天线增益计算方式，进而决定天线的增益。实际上，天线增益越大，需要配备越大的天线直径，这就对工作频率进行调整，将会达到降低天线直径的目的。

传统地球站天线类型比较多，具体有抛物面天线、偏置型天线、环焦天线、格里戈伦天线和卡塞格伦天线。在实际应用过程中，抛物面天线相对比较简单，但是其具有比较高的噪音影响，加之在天线主反射面前方需要安装低噪声放大器和馈源，导致其馈线长而并未得到广泛应用。格里戈伦天线和卡塞格伦天线存在方向图好、效率高、噪声温度低等特性，在大多数地球站中得到应用。环焦天线、偏置型天线使抛物面天线、格里戈伦天线和卡塞格伦天线中一部分电波能量被阻挡而导致天线增益下降问题得到解决，因此在尺寸较小的地球站中得到应用。通常情况下，广播电视地球站相对比较大，一般会选择格里戈伦天线和卡塞格伦天线。

1.6 流媒体传输技术

在卫星通信过程中，ISMA和TS是主流的流媒体传输协议，而广播电视一般会选择TS流方式。其中ISMA和TS封装方式比较如图1所示。

通过对图1进行分析发现，MPEG-2 TS/UDP方式可以将音频、视频和其他媒体数据以MPEG-2 TS的格式进行封装，并承载于UDP和IP协议上，其既能够承载不同编码标准媒体数据，同时也能够在一个流上完善视频和音频数据的有效传输，并保证了音频、视频同步，然而MPEG-2 TS采用了单向广播设计方式，未达到控制协议标准化要求，这就使得其在点播等双向交互式过程中存在较差的实用性。

图1 ISMA和TS封装方式比较Fig.1 Comparison of ISMA and TS packaging methods

通常情况下，ISMA RTP/UDP方式能够相关要求将音频、视频数据以RTP格式进行分开封装，并在一个或多个UDP传输流上进行承载，其具有较好的适应性，从而使其传输效率大大提高。但是，无法在同一个流上进行视频和音频数据传输，并且要匹配同步机制[4]。

2 卫星通信视频传输技术发展前景

2.1 卫星智能天线

要想使多媒体传输特点得到充分发挥，要保证通信系统带宽大于2500MHz，这就要求多媒体通信系统选择Ku甚至KA波段，但是K以上波段存在明显的雨衰问题，进而导致卫星通信功率受到影响。此时，为了避免上述问题的影响，需要采用性能较高的智能天线系统，其中最常见的便是天线阵列，其通过软件控制来达到波束成形的目的，进而形成多个子波束，其不仅可以在一个方向上实现能量集中，而且还可以实现对地面范围的准确覆盖。在时空联合算法下，按照一定准则来实现对每个波束指向和零点的调整，从而使天线处于最佳运行状态，以期达到提高系统容量，节约能量的目的。虽然智能天线能够实现波束调零抗干扰效果，但是如果从某个波束主瓣产生干扰时，将会削弱调零的效果，此时最好将其他抗干扰技术和智能天线结合在一起形成高效综合抗干扰系统，其中智能天线和扩频是首选方案，其中智能天线可以避免接收机解扩模块中进入大多数干扰信号，进而提高了扩频抗干扰效果[5]。

2.2 卫星激光通信

随着科学技术的发展，对卫星通信数据率提出了较高要求，希望可以达到高清以及超高清视频质量。通常情况下，卫星与地面、卫星与卫星间的信息传输主要是以微波通信来完成，然而因为受载波频率影响，使得单通道传输速率提升至每秒百兆比特数量级，可以更好的满足视频图像传输质量。通常情况下，激光通信能够达到无线通信与大容量激光相融合的目的，进而实现全球无缝连接覆盖的效果。在卫星通信过程中，借助激光通信技术还可以避免大气层的影响，进而使激光的优点得到充分发挥。

3 结语

综上所述，传统的卫星通信视频传输技术存在一定的局限性，如发射容量小、覆盖率低、广播节目类型传输少等，无法满足时代发展需求。基于信息化时代背景下，则需要对先进的卫星通信视频传输技术进行全面、系统的分析，并探究其未来发展前景，以此在保证信号输送质量的同时，提高卫星通信视频传输效率。