卫星地球站传输系统迭代趋势研究

+ 李一帆 广东省广播电视卫星地球站

卫星地球站传输系统迭代趋势研究

+ 李一帆 广东省广播电视卫星地球站

针对网络融合发展中卫星地球站传输系统发展需求，根据系统现状、新技术特征和发展趋势，介绍迭代思维在地球站传输系统趋势研究中的可行性。结合当今技术瓶颈与新技术比对、相关政策规定和可能发展方向分析，研究传输系统中卫星广播体系、信源编码，信道编码、天馈系统、配电系统以及附属设备等多个方面的迭代发展趋势，得出系统朝大容量、高效率、多任务、交互式等目标迭代的结论。

卫星地球站；迭代；AVS+；ABS-S；标准

1 概述

马云在2015年乌镇互联网大会闭幕式上提到：“我们正进入从IT向DT时代的转型”。其中DT意指Data Technology数据处理技术。在从信息时代向数据时代转型的大背景下，已涌现出IOT物联网、大数据、云计算、认知无线电（CR）等新技术新应用。为适应时代发展的新需求，国家在2013年就发布了“宽带中国”实施方案，部署了2020年前宽带发展目标，对广播电视行业传输技术系统的发展极具启发性和指导意义。

在国家全面推广三网融合的趋势下，广电传输系统建设已不再局限于传统基础设施建设，而是要建成双向、宽带、融合、智慧的下一代广播电视网NGB（Next Generation Broadcasting Network），成为信息化、宽带化发展蓝图中重要一员。目前，广电总局在全面加快有线电视传输网络双向化的同时，也着手实现有线无线卫星网络融合，促使三种网络互联互通和智能协调覆盖［1］。

卫星地球站在传统广播电视信号覆盖传输网络中处于关键的安全播出地位。但其传输系统在DVB-S标准体系下运行了十多年，已和当今新技术渐行渐远，不能满足未来大容量、智慧、节能、双向、多业务发展趋势。而视音频编码技术、调制方式和芯片技术发展又为传输系统升级提供技术保证。因此在现时审时度势、立足长远，把握技术发展趋势，思考系统发展方式，对传输系统健康发展具有重要指导意义。本文将根据已公布的有关政策、试验情况和新技术特征，对卫星地球站传输系统的迭代发展趋势进行研究分析。

2 现状与趋势分析

2.1 现状分析

当前国内省级卫星地球站主要承担单向卫视和电台广播的单一性质业务，下行接收主要作自身监测用，不支持多业务和信号交互，与异构网兼容性不佳。

由于采用DVB-S技术体系，信源主要支持MPEG-2编码，少数台站已使用H.264和AVS+信源编码。信道编码方式为QPSK 3/4FEC，升余弦滤波滚降系数α限定为0.35，少数台站使用DVB-S2，α取值0.2。中频信号为70MHz，上星采用6GHz的C波段信号，占用一个36MHz卫星转发器。如图1所示。传输系统由信源系统、天馈系统、供电系统以及网管监录、抗干扰和散热等子系统构成。包括了编码器、光端机、复用器、ASI切换开关、调制器，上变频器、高功放、波导开关和带伺服系统的卫星天线群等传输设备。编码器、调制器、上变频、高功放等关键上行设备以国外品牌为主，天线以及伺服系统除外和下行系主要已采用国产设备。传输信号主要采用SDI、ASI或DS3接口格式，TS over IP接口格式呈普及趋势，特别在下行系统的应用备受关注。传输系统信号分发主要基于ASI体系的点对点传输方式。备。传输信号主要采用SDI、ASI或DS3接口格式，TS over IP接口格式呈普及趋势，特别在下行系统的应用备受关注。传输系统信号分发主要基于ASI体系的点对点传输方式。

图1　卫星地球站传输系统原理图

2.2 趋势分析

趋势一，随着高清卫甚至超高清卫视节目的普及，未来卫星传输系统将向更大传输容量和更高频谱利用率方向发展。趋势二，传输信号IP化和传输设备集成化趋势。趋势三，传输技术从国际标准体系（DVB技术体系）向国家自主知识产权标准体系过渡的趋势。采取自主知识产权标准，除了性能更优、更能满足实际需求外，还有专利授权方式简单、费用低的优势，利于引导自主体系关键设备的研发和生产，从国民经济发展根本需求和行业长远利益看其有利益巨大的，从依靠“外援”到“全华班”，值得期待。趋势四，在未来较长时间内，卫星地球站将承担更多信号覆盖任务，除标、高清卫视节目信号覆盖，还将在数字电视地面广播传输（DTMB）、调频数字音频广播（CDR）等覆盖工程中扮演重要角色。地球站传输任务和安全播出要求呈递增趋势。

3 传输系统迭代

迭代，是指一个重复反馈过程的过程，每一次迭代的结果都会作为下一次迭代的初始值，从而不断逼近目标或结果。迭代具有环境导向型、行为试探性和过程周期性等特征［2］，在方法论上要求具备递进式策略、演进式策略和重大设计策略。在竞争环境复杂多变、市场不确定性高，未来需求仍未被完整确定的情形下，迭代是一种寻求突破的思维方式。对于长期性项目，迭代的成本比项目失败的风险成本低很多。

在互联网中最成功的案例就是微信［3］。正是运用迭代策略，微信从一个平凡的后起之秀迅速发展至今超群绝伦。广播电视系统也有许多迭代案例，如模拟向数字、标清向高清、抗干扰自动加功率系统的不断修正完善，从AVS到AVS+等。卫星传输系统涉及众多技术体系和传输环节，下文根据传输系统的不同环节分别研究迭代趋势。

3.1 编码标准迭代

对传输系统性能影响最大的是信源编码和信道调制技术。其中编码标准的迭代体现在视频和音频上两方面。在视频方面，目前主流编码技术有MPEG-2、H.264和AVS+等，多数省级卫星地球站上行播出的标清或高清卫视节目视频编码仍为MPEG-2。2012年7月，国家广电总局颁布了AVS+行业标准。AVS+采用多项自主创新新技术，可在较低复杂度下实现与H.264相当的技术性能，编码效率是MPEG-2的两至三倍，技术方案更简洁，芯片实现难度更低，许可费极低。2013年底，AVS+和DRA双标准捆绑应用在广州DTMB项目中试验成功，验证了AVS+和DRA集成编码技术替代MPEG-2或H.264/AC-3标准的可行性。2014年3月，《广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南》应运而生，AVS+按照快速推进、平稳过渡、增量优先、兼顾存量的原则在卫星电视和卫星广播的应用［4］。省级卫星地球站信源编码将完成由MPEG-2向AVS+迭代。

音频标准方面，目前AVS+音频编码标准仍未正式颁布，基于AVS+的HDTV电视音频仍采用杜比AC-3或DTS，并预留了AVS+音频编码接口。2007年自主知识产权音频编码标准DRA（国标多声道数字音视频编码技术）批准为国标，支持立体声和多声道环绕声，能以很低的解码复杂度实现国际先进水平的压缩效率［5］。工业和信息化部2016年第3号公告中SJ/T 11594.1-2016和SJ/T 11594.2-2016明确规定了地面数字电视、有线数字电视和卫星数字电视接收终端产品中AVS+和DRA解码标准。如今DRA已成为直播卫星、有线数字电视台、中国移动多媒体广播（CMMB）、CDR和单频网的音频解码标准。DRA取代MPEG-2或AC-3成为卫星电视伴音编码标准指日可待。

地球站需更考虑对四种环节设备进行迭代：（1）具备AVS/AVS+和DRA/DRA+编码性能编码器；（2）具备AVS/AVS+和DRA/DRA+解码功能解码器（卫星接收机）或转码器；（3）含有软件解码的网管系统需升级能解码AVS/AVS+和DRA/DRA+软件解码器，或更换为具有AVS+解码的独立显卡和DRA解码能力的声卡；（4）按需更换成能与AVS+编码器联控的统计复用器。

3.2 信号格式和设备功能迭代

随着有线网络双向化、有线无线卫星融合网络建成以及超级Wi-Fi在TVWS频段的应用，IP便于实现多业务支持和传输交互数据业务，使广播信号能在异构网络中实现兼容传播，使用统一协议和接口，利于信号共享、分配、传输、储存。IP传输体系将逐渐替代ASI体系的可能，但不会一蹴而就。

信号格式、接口和协议的统一会促使传输设备趋向集成化、多功能化发展，以便于更高效快捷的运维。在2016年CCNB上已有多家厂家展出新型AVS+/ DVB-S2/DTMB综合一体机，支持多业务，提供丰富的接口，既可作编解码用、也可作为复用器或调制器用，实现一机多用、多机互备，便于维护，大大缩小故障修复时隙，减少备机数量，降低经费费用。

3.3 信道传输标准迭代

目前最成功的卫星广播标准仍为DVB-S，欧洲第二代卫星广播系统DVB-S2和我国拥有完全自主产权的先进卫星广播系统ABS-S标准性能相当，因采用先进的信道编码技术和高阶调制方式，具有更低滚降系数，支持多格式多业务和交互业务，传输容量比DVB-S提升30%［6］，更适合当今或未来卫星广播的发展需求。2014年DVB组织在DVB-S2基础上扩展出DVBS2X，相比DVB-S2可以更低成本实现更高频谱利用率和更大接入速率，更适合移动和交互服务。

由表1知，ABS-S和DVB-S相比仍各有优劣。相比DVB-S2，ABS-S信道编码采用无外码设计，LDPC算法比DVB-S优，帧结构简单，码字长度短，降低了编码和系统复杂度，实现成本低；目前解码芯片支持8PSK/45MSPS，适合我国卫星直播转发器情况；支持IP等交互业务和AVS/AVS+和DRA等国标，更符合安全播出持续发展的长远需求。目前ABS-S用于我国卫星直播业务，采用Ku波段实现“村村通”覆盖。

表1　DVB-S、DVB-S2、ABS-S标准主要特点比较

卫星广播标准的迭代和大范围普及不会一蹴而就，传输系统上需要高性能调制器以及大批卫星接收机来支持。现存大量的接收机和相关环节还需要一个较长的市场消化过程。在AVS+编码性能和ABS-S自身技术不断迭代进步后，国标极有取代DVB体系成为我国甚至国际卫星广播标准的潜力。

表2　C波段和Ka波段特点对比

3.4 天馈系统迭代

这里的天馈系统主要指高功放、波导与和卫星天线（含伺服系统），主要完成射频信号通过C波段对卫星转发器传送。卫星地球站目前也将长期使用速调管大功率放大器（KPA），因速调管放大技术十分成熟，同时在进行窄带、大功率、固定业务等广播电视业务上行应用时，比采用行波管高功放（TWTA）和固态高功放（SSPA）具备更高的效率和三阶互调指标［7］。但目前C和Ku频段的卫星轨道资源紧张，随着高清和超高清卫星电视发展需求，频段资源日益紧张，因此卫星通信向着具有更高频率、频带更宽的Ka波段发展。Ka宽带卫星采用点波束和频率复用技术，具有大容量、大带宽、高速双向传输等特点，通信容量是传统C、Ku卫星的几十倍，是“宽带中国”战略发展方向之一，其缺点是雨衰影响很大，表2列出C波段和Ka波段主要特征和区别。

不过现在向Ka转变的定论尚早。首先，需要更先进的卫星广播标准与之匹配，才能支持Ka 卫星点波速天线；其次，广播用Ka波段星上下行余量不确定，地球站整体余量设计增加将提高成本。再有，解决雨衰影响的电平和功率控制系统技术措施未有标准，监管和应对措施未完备。因此目前采用C波段的天馈系统配置方式无疑是当下综合经济性、实用性和可靠性考量下最适宜的技术配置方式。

3.5 供配电系统迭代

省级卫星地球站的播出设备用电和室内照明属于广电系统一级负荷，高低压供电系统设计目前还没有国家标准，只有62号令有相关规定。供配电系统的迭代主要体现在高低压一二次接线方式的优化、置换开关和UPS系统的更新换代上。

高低压一二次结线方式现时最主要的目标还是使其整体合理化、规范化，力求从设计、建设、施工、配置上使系统隐患风险降至最低。配置上符合双路专线独立供电、分列运行、主备设备分路供电、关键设备具备双电源供电等基本要求。

其中UPS系统的迭代不可不提。根据CTresearch和赛迪发布的2014-2015年中国UPS产品市场年度报告显示，模块化UPS的市场增长速度已经远超UPS整体市场，模块化已代表UPS发展趋势。模块化UPS的系统结构采用模块化设计，整机由N个功率模块、静态开关模块、监控模块等组成，总谐波失真（THDI）低、输入功率因数高、环保性好、逆变效率高（98%以上）、节能省电等特点。N+X（X≥2）控制冗余方式比冗余1+1塔式UPS系统可靠性更高，还便于扩容。最重要是可在线热插拨和在线更换模块、在线维护，降低了维护难度、减少维护时间。

3.6 监测系统迭代

目前卫星地球站检测系统主要由网管系统、调度切换系统、监录系统和环境检测等子系统组成，同时还有发电机组、波导充气机状态、UPS及电池状态监测等细分的独立子系统。未来检测系统的发展趋势将往集成化、智能化、云计算方向发展，以缩短值班人员对事故的判断分析时间，进一步提高事故处理的响应速度和效率。

集成化是把所有子系统集中在一台服务器监测，消除信息孤岛，使一台服务器可以监测全系统设备和信号的实时参数和工作状态。节省监控台空间，便于查看和备份维护。云计算是根据目前各省级地球站传输设备关键参数信息上传北京系统的发展方向预测，通过长期运行将积累运行参数和事故处理等海量数据。未来通过云计算升级改造，可以为各地球站提供运维预警辅助信息、远端诊断等云服务。

智能化主要体现在预警、智能维护辅助［8］、周期统计分析、模拟演练、数据库自动备份等。智能维护辅助功能能在出现某一环节某一参数或状态告警后，系统自动根据应急预案、操作指南和事故处理历史日志弹出相关的维修处理建议，辅助值班员迅速了解、分析和解决问题。周期统计分析是系统按每周/月/季/年周期性自动生成报表，提供对运行状态、报警次数、事故类型自动分类分析等；仿真演练是提供某些在播而不能随便操作的三维传输设备虚拟界面供值班员操作练习，同时还提供多种仿真故障事件情景供应急演练。云计算和智能化需要重点建设运维知识库、完善知识沉淀和录入应急预案等。

3.7 传输任务迭代

地球站目前主要传输标清和高清卫视以及电台节目为主，未来传输任务的迭代则是向多业务迈进，成为多种信号覆盖技术体系的前端关键链路。

首先，随着HD甚至UHD电视节目的涌现以及技术条件和监管条例的成熟，地球站将承担越来越多的HD甚至UHD卫视节目传输任务，需要规划好信号源传输路由、机房空间、用电负荷、散热系统以及新天线安装场所应对更多上行系统建设。

同理，DTMB和CDR的卫星上行任务暂时由北京中央级地球站承担，伴随某些省级地球站技术条件成熟，日后某些卫视节目或会逐渐回归本地上行。越来越多地球站将会成为DTMB、CDR甚至“DTMB+超级wifi+5G覆盖体系”中重要的一环。这些技术体系的成熟，也使得在广电网络中开展交互数据业务传输。任务种类和数量的增加使安全播出要求愈发提高，需要与之对应的更完善、更全面的保障体系支持。

3.8 容灾系统迭代

根据总局62号令第二章第十一条第五点要求指出，省级卫星地球站应该配置完整、有效的容灾系统，以确保卫视节目安全可靠。容灾系统的迭代是一个需要不断完善互备联络协助机制，建设容灾高效可靠的控制网络、完备的灾备站系统以及应急信号源传输系统［9］。

容灾方案有两方面的建设，一方面是地球站自身的配置，如利用闲置设备搭建备份应急上行链路，同时配备应急垫播信号源和柴油发电机组应对因灾害天气或突然情况造成的信号源传输或市电中断。另一方面为异址容灾配置。一种是总局为各省级卫星地球站配置的中央级灾备站，能获取各站信号源，具有多极化、多频段，具备同时上行多套节目的能力。另一种是临近省份地球站之间成立互备互助方案，使协议内每个地球站都是其它协议地球站的代播站，站与站之间通过光缆或VSAT小型卫星系统传输信号源［9］。其次，利用电视台卫星上行车应急代播，但由于卫星车多有临时任务无法及时响应，作为容灾代播不可靠。

但以上提到方案在卫星出现故障时也会造成播出中断。所以还需配置灾备星，建立灾备星并发机制。当主用转播卫星出现故障，由地球站备用天线通过应急上行链路并发节目信号，或直接把主用天线转向对准宅备星上行代播。灾备系统除了本身技术体系建设外，还需要建立完善灾备操作协议、灾备系统设备维护细则和加强值班人员的培训演练。

3.9 散热系统迭代

根据以上分析，地球站的传输机房设备呈递增趋势。设备的增多必然要考虑散热系统的扩容和改造，实现热量高效排放、节能省电、节约机房空间等目标。目前，为实现设备寿命及可靠性最大化，地球站传输机房的散热主要靠精密空调将机房温度为23℃±1℃，相对湿度范围在30%～50% R.H。

热管散热是未来机房散热考虑和选用的极具潜力的一种技术。分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力［10］，具有散热效率高，节省空间和用电量优势。未来将出现专为高功放散热设计的低能耗、高效率的热管换热装置，以及传输机房设计的热管与压缩制冷循环复合智能空调一体机。

4 总结与建议

通过对卫星站传输系统迭代趋势和有关技术的研究分析，可预测未来卫星地球站传输系统讲发展为传输任务更多、效率更高、容量更大、技术环节更集成更简洁、传输保障更安全、监控更智能、运维更便捷的一个传输系统。但从目前来说，有些问题需思考斟酌：（1）传输系统关键设备目前仍主要使用进口品牌产品，故障件更换周期长，价格昂贵。必须加快国有自主知识产权的技术标准迭代步伐，积极引导国内具备技术力量的厂家对编解码关芯片和关键传输设备进行研发。成熟的标准、国家积极引导和低授权费有利于市场生产出优质可靠的国产设备，为实现传输系统国产化奠定基础。（2）安全播出乃广播电视传输系统的生命线，需建设更完备的容灾系统，特别是分布式容灾系统的建设。（3）需不断采用最新的编码技术融入新的标准体系中，提高技术竞争力，不断扩大试点和应用规模。

［1］ 李继龙，王丰，邹峰.广播电视有线无线卫星融合网架构分析［J］.广播电视信息，2014（9）：23

［2］ 李光斗.移动互联网时代的迭代思维［EB/EO］.http：// blog.ifeng.com/article/33309775.html

［3］ 徐扬帆，孙黎，杨晓明.迭代出来的微信［J］. 清华管理评论，2014（6）：47

［4］ 广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南

［5］ 国自主知识产权的音频压缩技术―DRA［EB/EO］. http：//www.eet-china.com/ART_8800 540271_621496_TA_32968fe7.HTM

［6］ 杨明.卫星直播技术标准［J］.卫星电视与宽带多媒体，2007（21）：45

［7］ 谢东辉.卫星地球站高功率放大器的选择与使用.有线电视技术［J］，2000（7）：75

［8］ 黄吉林，陈明芳.广播电视监测台站智能化维护辅助系统［J］.信息技术与信息化，2014（6）：24

［9］ 林伟明，张建，金伟，等.构建省级卫视上行灾备体系研究［J］.现代电视技术，2014（2）：17

［10］ 缪亚芹，王丽丽，李奇贺，等.从知识产权看热管机房散热技术研究进展［J］.电力与能源进展2014（2）：81