宽带卫星在广播电视中的应用

李畅硕 南京熊猫汉达科技有限公司卫星通信技术研究所王鹏飞 江苏省广播电视总台

宽带卫星在广播电视中的应用

李畅硕 南京熊猫汉达科技有限公司卫星通信技术研究所
王鹏飞 江苏省广播电视总台

在现代卫星广播通信系统中，现存的可用频谱资源已十分有限，宽带高速传输必然需要采用更高频率。宽带卫星通信具有宽可用频带，强抗干扰能力，大功率等特点，具备为我国边远地区提供通信，数据业务和广播电视节目的能力，对我国建设均等化的公共文化服务体系具有重要意义。本文介绍了宽带卫星通信的概念及发展现状，讨论了宽带卫星系统在广播电视中应用的优势、机遇和面临的挑战，阐述了宽带卫星通信的发展策略及趋势。

宽带卫星 Ka波段 广播电视 信道衰落 关键技术

一、前言

广播电视传输覆盖主要有无线、有线、卫星三种技术手段。每种手段有各自的技术特点，传播规律和适用范围[1]。近几十年来随着深空通信技术的发展，卫星通信在信息广播、气象资料的获取和传送等领域，得到广泛的应用。

我国在上世纪80年代开始利用C波段通信卫星转发器向全国传送中央电视台的电视节目，进入90年代开始通过通信卫星采用数字技术传送广播和电视节目，90年代后期利用Ku波段“鑫诺1号”通信卫星、采用DVB-S技术体制试验播出了“村村通”广播电视节目[1]。在2008年雨雪冰冻和5.12汶川特大地震灾害发生后，卫星通信发挥了更加关键的作用。在地面通信瘫痪的情况下，卫星通信发挥不受天气和地势影响的独特优势，及时传出灾区现场的图像和视频等宝贵资料，使得外部及时了解灾区受灾情况，为救援工作的开展提供了极为重要的保障。在举世瞩目的北京奥运会期间，中国卫通“中星6B”和“中星9号”全程为奥运会提供赛事情况的广播电视直播转播服务，大大提高了广播电视覆盖率。

随着宽带数据业务，特别是宽带多媒体业务需求的增长，低波段卫星通信系统（L或者C波段等）已经趋于饱和，而且较低波段不具备高速率、大带宽等优势，这就促使国内外学者开始对Ku(14/12GHz)、Ka (40/20 GHz)等高波段进行研究。Ka波段的带宽宽、波束窄，具备较强的抗截获能力，因此成为近年来的研究热点。

二、宽带卫星在广播电视中的应用

2.1现状及前景

现在的卫星宽带是适应Internet的商业化兴起而发展起来的，随着C、Ku波段卫星数量的增加，这些低波段的卫星通信系统满足不了用户对双向语音视频、数据和图像等多媒体业务的需求，这些业务都需要高的波段，所以ITU-R给卫星多媒体业务分配了带宽更宽的Ka波段。Ka宽带卫星通信市场发展最好的当属北美地区和西欧，到2012年底，Hughes共拥有65.9万用户；2013年3月底，ViaSat Exede12拥有51.2万用户；Eutelsat 和SES分别拥有10多万户[5]。

近些年来，为了寻求宽带多媒体卫星系统更为合理的发展方向，相关机构在不断进行战略调整，探索新方案。有一点非常明确，那就是卫星通信在构筑全球信息高速网络规划中的战略地位与作用是肯定的。全球最大的卫星直播电视公司——DirecTV 已经大量采用Ka宽带卫星用于本地化、高清电视的直播。以SES（全球卫星运营商）、INTELSAT（国际通信卫星公司）系统为代表，它对包括DTH、DBS、VOD（视频点播技术）在内的视频多媒体广播、多播业务，对Internet业务的高速下载及远程教育、远程医疗等多媒体业务广域组网等，依然发挥着独特有效的作用[4]。

表1 目前在轨的主要Ka波段广播电视卫星[7]

目前，同步轨道上的Ka波段卫星有很多，现投入商业运营且应用较为成功的主要有：Telesat公司的Anik2卫星，主要用于美国和加拿大边远地区和农村的宽带通信业务；泰国Shin公司的ipstar卫星，主要用于亚太地区的广播和宽带通信业务；休斯公司的DirecTV系列卫星，主要用于北美的广播电视直播到户业务；美国休斯网络公司的Spaceway3卫星，主要用于北美、阿拉斯加、夏威夷和部分拉美地区的IP数据和宽带多媒体应用业务；英国Avanti公司的Hylas1、2卫星，主要用于欧洲、中东和非洲的宽带互联网通信业务；SES公司的Astra3B卫星，主要用于欧洲和中东的广播电视直播到户业务和双向宽带通信业务；日本的KiZuNa卫星（WIND），主要用于宽带互联网工程测试和演示业务[6]。未来10年，地球同步轨道上Ka波段转发器数量将增加10倍，宽带卫星市场的年收入将达到2000亿美元。越来越多的国家正在向ITU提交Ka波段广播电视业务卫星网络申请资料，有限的同步卫星轨位逐渐成为国家战略稀缺资源，表1是目前在轨的主要Ka波段广播电视卫星。

Ka波段卫星的应用将会引领通信卫星领域新的发展趋势。著名的国际太空咨询机构 Euroconsult在其最近的《卫星通信与广播市场观察》中指出，“2018年，Ka波段需求将占卫星容量总需求的14％，主要采用Ku和C波段的军事卫星通信也将被推向Ka波段。”该波段卫星可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务、直接到家庭（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。此外新一代Ka波段卫星平台支持DVB/IP，将卫星电视和高速Internet组合一起，可以直接为最终用户提供宽带和窄带IP业务，卫星宽带可以把接入和互连、移动和固定相结合，卫星更具有覆盖面大、业务快速开展、便于扩展和升级、可以绕过拥挤的地面网络、支持非对称数据率等优点[2]。

随着卫星技术和传输技术的发展，卫星广播电视通信向Ka波段发展将逐渐完善，可用频率扩展，星上采用星间链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术，具有强的抗干扰能力。另外，Ka 波段卫星波束可以形成移动的点波束，灵活机动；Ka波段频率具备抗电离层闪烁能力，因而在各个应用领域受到了高度重视。当前宽带卫星通信面对的根本问题是如何处理好技术突破与市场驱动的基本关系，以及如何规划好卫星业务与地面业务之间的市场格局，可以说宽带卫星面临的机遇与挑战并存。

2.2应用的关键技术

2.2.1信道模型及补偿策略

Ka波段最致命的问题是链路降雨损耗较严重，峰值可达40dB，对传输信号的幅度、相位产生严重影响，造成通信系统传输质量以及系统性能的恶化。如果链路降雨是均匀的，那么计算链路中降雨衰减会相对容易。然而，链路降雨通常是不均匀而且是随机的，这就导致计算精确的降雨衰减较困难，因此，建立一个能够描述降雨衰减的数学模型就显得尤为重要。国内外的研究机构针对Ka波段的卫星通信进行了大量研究，并取得了一定的成果。为了准确得到Ka波段的雨衰减损耗，国内外学者对降雨统计特性进行了大量的实验研究，分析了降雨衰减的机理，到目前为止，共提出了16种雨衰减计算方法模型，常见的有：Crane Global模型、Assis-Einloft Improved模型、DAH模型、SAM模型、ITU-R模型、China模型和UK模型等，比较常用的是ITU-R模型、China模型和UK模型，这三个模型都采用了“等效路径长度”的概念，也就是说通过路径等效调整因子将非均匀性的降雨进行均匀化[3]。

通常波段越高降雨衰耗越大，为了保证链路能正常通信，不出现中断现象，必须提供完善的抵抗降雨衰耗策略。目前可以采用的补偿雨衰策略主要以下几种[2]。

(1)链路固定备余量补偿

通过链路降雨预测以及链路总预算，事先为系统预留一个可以补偿链路雨衰减的功率余量，从而可以保证：不管经受多么恶劣的降雨天气，接收端接收到的信噪比都大于接收门限值。该补偿措施的优点是复杂度低，缺点是在预测的雨衰减小于实际的降雨衰减时，固定功率备余量不足以抵消雨衰减，会影响系统的误码率性能，严重时会导致链路通信中断，另一个缺点是不能充分利用信道容量，频谱利用率低，会造成资源浪费。

(2)频率分集技术

降雨衰减随着电波工作频率的升高而增大，因此可以在受降雨衰减影响较大的链路中采用低波段来传送业务。较高波段的功率备余量不足以补偿链路降雨损耗时，就切换至较低波段协助传输业务。

(3)空间分集技术

对于降雨衰减非常大的地区，可以采用空间分集技术，将一条通信链路分配给两个相隔一定距离、具有统计独立性的地面站，根据雨衰减大小情况进行切换，选择雨衰较小的地面站进行通信，从而保证链路的可用度。

(4)多波束资源分配

在晴天时，以总发射功率不变为条件，根据各个地面站降雨损耗程度，动态的为其分配预留功率，雨衰严重的分配较大的功率，雨衰较小的分配较小的功率。

(5)自适应编码调制技术

接收端根据链路中信噪比值的分析对信道状态进行估计，然后将该信道状态值回传给发射端。发射端根据信道的衰落程度对功率增减、调制编码方式选取等进行判决，当信道衰落较严重时，采用低阶的调制方式以及增大发射功率；当信道衰落较轻时，采用高阶的调制方式以及适当减小发射功率。如此即可保证接收端可以接收到恒定的功率值，进而使得系统能达到最大的吞吐量。

我国对Ka波段卫星通信系统的技术研究刚刚起步，要在借鉴国外经验基础上努力从事雨衰减方面的研究，以提出符合我国地域的降雨衰减预报模型，或者对已有的抗雨衰措施进行修正完善，提高我国Ka波段卫星通信系统的可靠性。

2.2.2系统设计及星上处理

目前宽带卫星广播电视系统主要有两种实现方式：一种是卫星转发ATM（SR-ATM），卫星转发器仅用于完成信号放大和频率转换，在地面系统上完成信号检测、解码和协议转换等工作。卫星基本与信号形式无关，对协议是透明的。由于我国的卫星技术水平还有待提高，所以目前运行的卫星通信广电系统基本都是采用这种方案。该方案具有的优点是不需要改动现行的卫星标准，卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的，缺点是发挥不出不同协议间的性能优势。另一种是卫星交换ATM（SS-ATM），这种方式采用专用的宽带卫星，在卫星上完成信号处理和交换，与地面站进行双向业务通信。强大的星上交换能力使得这类卫星能够很好的兼容传统的ATM业务，所组成的卫星网络系统具有较高的频谱和卫星资源利用率。缺点是需要设计修改更为复杂的卫星协议和网间接口协议。

随着卫星技术的进一步提高，Ka波段的宽带卫星应引入星上处理技术，使得全部业务或部分业务的处理和数据交换在卫星上完成[8]。这样不但可以减少中间环节带来的时间和资源的浪费，提高系统的实时性和有效性，还可实现上下行链路独立设计，即上下行的调制方式、编解码、传输速率均可以不同，动态分配调整，从而达到上下行各自最佳的性能。

2.2.3抗干扰技术

传媒技术和卫星传输技术的不断进步，给广播电视领域带来了盎然生机，通过应用通信卫星，可以便利的传输直播信息。然而由于卫星传输技术本身存在的不足以及复杂信道条件的限制，卫星传输信号很有可能会受到一些有意或者无意的干扰，这些干扰会严重影响信号的传输质量。为了保证良好的卫星传输效果，需要针对可能造成干扰的因素进行研究分析，采取相应的应对措施。

以下是几种常见的干扰因素：

(1)地面站设备

①电磁坏境干扰。随着地面无线电磁环境日益复杂，各种波段的无线信号会对卫星通信链路形成干扰，影响卫星信号接收载噪比、误码率等，导致信号的质量下降，严重影响了广播电视节目的播出。因此要做好频谱资源的规划分配，对地面站周围电磁环境进行净化，对相关设备、设施和传输路径做好电磁屏蔽措施，降低各种干扰带来的危害。

②设备干扰-地面站的变频器、调制器和高功放等上行系统设备产生的杂波造成的杂散干扰。地面站载波发射功率过大，会对反极化用户的信号形成强烈的干扰；除此之外，如果链路电平设置不科学，使上行链路中掺杂噪声同样也会影响信号质量。因此，需要保证设备安装科学合理，保证设备接地良好，做好信号屏蔽保护，同时对设备要定期检修和测试，及时找出故障的原因。

③互调干扰。互调干扰是由变频/高放过程中增益过大而产生的非线性失真输出引起的。当上行用户多载波工作，功率储备不足，回退不够，容易造成三阶互调超标。上行电平过高，会使卫星转发器进入非线性区，导致转发器互调特性变差。因此要对地面站进行限制，保证调制解调器，上变频器，发射机等设备具备充足回退余量，同时严格遵守入网测试规范，对上行载波电平进行标校，确保转发器保持正常工作。

(2)空中接口干扰

①太阳风暴。太阳风暴携带的带电粒子附着在卫星表面，使得某些绝缘材料击穿并放电，改变电子器件的电气特性和工作状态，影响卫星本身和卫星运控系统的正常运行。此外，太阳风暴产生带电粒子流与地球磁场相互作用产生的地磁暴也会对卫星信号产生严重干扰[10]。可通过提高材料和器件的性能，以及屏蔽技术来解决这种原因产生的干扰。

②日凌、星蚀干扰。在发生日凌现象时，卫星转发器微弱的下行信号会被太阳噪声淹没，使得广播电视信号干扰严重而中断。此时，广播电台应用控制应采取相应措施，对功率控制进行干预，也可以采用切换大口径接收天线的方式来提高信号接收度，确保节目正常的播放。

③信道衰落。降雨衰落是对流层对卫星信号传输影响最为显著的干扰方式，雨水会对传输信号进行吸收和散射，从而导致信道传输特性的恶化。雨量越大，传输电波频率越高，信道传输性能衰减越严重。可以采用2.2.1节中所提出的补偿方法来确保节目信号的正常传输。

(3)星上及星际链路[9]

①邻星干扰。个别用户的上行天线偏向了其他卫星或者邻星用户上行的功率过高，将导致地面站系统的噪音过高。因此，各个卫星的轨道要协调，同时提高天线口径，定期调整天线的高度和方向，及时协调排除上行干扰。

②相邻信道干扰。相邻信道干扰是由于频率传输没有足够的频带保护或者载波频谱不符合频率要求，导致出现噪音。传输的非线性是频谱扩散中受到相邻信道的影响。因此，要严格划分频率，及时进行检测，发现超标干扰因素及时纠正，保持足够宽的信道，功放要有足够的回退能力，不超标发射。

(4)人为因素

人为因素造成的干扰通常可以分为两种，一种是由于设备操作不当引发的干扰。不规范操作可导致载波信号的误发和错发，从而干扰卫星上行链路信号，影响节目的正常播出；另一种是由于恶意破坏引发的干扰。干扰方通常会采用一个大功率的干扰源，通过其发射功率远超过正常信号的干扰信号，造成正常广播电视信号质量下降甚至是中断。

对于第一种干扰因素，可以通过建立完善规章制度和应急处置预案，提高作业人员的业务水平，监督操作人员切实履行操作规范，杜绝一切责任事故隐患。如果存在恶意干扰的行为，可通过饱和点强信号来解决，从而达到对弱信号控制的目的。另外，可以采取多种抗干扰设备，从源头上解决恶意干扰问题，防止恶意干扰带来的经济损失和政治影响。

2.2.4宽带多媒体组网

随着5G地面无线移动网络技术的迅速发展，宽带多媒体卫星通信系统的建设也越来越重要，为真正实现星地一体化“全网覆盖”（数字广播电视网、公用交换电话网、互联网、ATM局域网/光域网、陆地蜂窝移动通信网等）无缝漫游提供重要的通信保障。

目前卫星组网技术基本上有两种：ATM技术，IP技术，为了支持高速率多媒体业务，并保证其QoS，宽带卫星通信网在发展初期大多使用ATM技术。近些年来IP网络数据业务需求的急剧增长，已成为推动全球信息产业发展的主要力量，因此宽带多媒体卫星网络的发展趋势必然是要同时支持ATM业务和IP业务。传统的用ATM传输技术来承载IP业务不仅链路利用率低下，其协议栈也非常复杂。由于ATM和IP本身都是针对地面网络而设计的，并不适用于高时延和高突发错误的卫星网络,如何以最佳方式在卫星网络上同时支持ATM和IP这一问题有待解决。

欧洲早期用于进行直接数字电视广播的DVB系统可以实现同时传输ATM业务和lP业务。该系统的IP业务或通过ATM来封装，或通过MPE(多协议封装)来封装，可以进行自适应设置[11]。从这一角度来说，可以认为DVB系统实现了ATM和IP混合组网。利用类似DVB系统所采用的混合组网技术，不但可以节约资源，也能在已有的技术基础上有效的进行网络改进，实现天地一体化网络且保证各种业务的服务质量。

三、结束语

卫星通信技术的发展和多媒体业务应用的需求决定了卫星广播电视通信必然向Ka宽带卫星通信方向演进。当今世界正经历着全球化和信息化的快速发展，在目前地面电信网络、无线/有线宽带通信网体系极度完善的基础上，宽带卫星平台也为信息传播提供了更大的空间。如何利用这样一个空地一体的立体化信息网络，建设一个超大容量、高效灵活、经济实用、安全可靠的宽带广播电视网络，是每一个卫星通信广播电视科技工作者需要思考的问题。

我国幅员辽阔，地势结构复杂，且人口分布不均，呈现散广的特性，采用卫星广播传输方式可以大大提高广播电视的人口覆盖率。宽带卫星广播电视技术作为一项新兴技术，不仅可以推动促进我国广播电视事业的不断发展、而且对于社会主义精神文明建设具有重要作用。当前我国宽带卫星技术和应用水平落后于发达国家，应用市场面临着严峻威胁，相关部门要结合实际情况抓住机遇，采用合理方式和方法，树立“卫星优先，光缆为主，微波为备份”的广播电视发展方向[4]。我们应沿着数字化、网络化和信息化趋势，大力提高广播电视服务质量，走出一条符合我国国情的广播电视事业发展之路。

[1].李楠.中国卫星直播广播电视现状及未来发展前景展望.广播电视信息，2015，（280）（3）:70-71.

[2].林淑鲜.Ka波段卫星通信系统信道估计技术研究[M].电子科技大学, 2013.

[3].张清斌.Ka波段宽带卫星通信信道雨衰特性研究[M].吉林大学, 2014.

[4].刘强.宽带卫星通信的机遇与挑战.卫星应用，2014，（12）:51-54.

[5].周兴伟，冯景锋.中国广播电视卫星直播应用技术研究.广播与电视技术，2011，185-196.

[6].徐烽，陈鹏.国外卫星移动通信新进展与发展趋势.电讯技术，2011，（51）156-161.

[7].曾兆林，刘其强，王本庆.Ka波段卫星通信系统业务应用及发展.通信与广播电视，2014，（3）:1-10.

[8].闫鸿阁.Ka波段卫星广播电视发展展望.有线电视技术，2012，（10）:72-73.

[9].王燕燕.广播电视卫星传输的干扰因素与应对措施.信息通信，2015，（3）:282.

[10].陈东华.宽带移动通信系统中的关键技术研究[D].西安电子科技大学, 2011.

[11].廖丽斯.宽带卫星新型传送协议及组网研究.[M]硕士 1997