技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于解码转发的卫星通信和卫星电视信号IP融合中继方法。
背景技术
[0002] 高
铁目前已经成为我们最普遍的出行方式，到2025年，我国高铁里程将达3.8万公里。 目前，能极大提高旅客乘车体验的高铁移动互联系统主要是基于地面移动网实现的，而基于 卫星通信实现的高铁移动互联系统目前尚无成熟应用案例。
[0003] 在基于地面移动网的高铁移动互联系统中，存在着网络建设成本高(每隔几 百米就需要建一座基站)、小区切换频繁、网络优化复杂等缺点。在网络
覆盖方 面，在广大的中西部地区或者山区，城市
密度低，建网的投资回报率将大大降低。 由于各国地面移动网标准存在差异，且网络建设现状参差不齐，为高铁移动互联 系统在更广区域内的应用造成实际困难。而基于卫星的高铁移动互联系统却能很 好的解决这些困难，它不依赖于地面复杂的网络建设，不论是在广大中西部地区， 还是走出国
门，都能极大降低投资成本，
加速高铁移动互联系统的广泛应用。另 一方面，随着高通量卫星的快速发展，基于卫星的互联网能解决现有卫星带宽限 制的问题，将极大推动基于卫星的高铁移动互联系统的应用。
[0004] 与地面移动网络一样，基于卫星的高铁移动互联系统同样需要解决在隧道、
桥梁、沟堑、 峡谷等特殊区域
卫星信号被遮挡的难题。目前，对于卫星信号在特殊场景(特别是隧道)的 中继问题，现有文献主要集中于Gap Filler技术的研究，特别是基于DVB-S/S2/S2x(Digital Video Broadcasting-Satellite/2/2x)标准的Gap Filler技术。通过以上研究内容发现，基于 DVB-S/S2本身的中继技术受多径影响严重，虽然通过引入基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的DVB-RCS/T(Digital Video Broadcasting-Return Channel via Satellite/Terrestrial)技术能部分解决此问题，但这些研究也仅存在于仿真层面，并没有实物展 示。
发明内容
[0005] 本发明提出了一种将卫星通信信号和卫星电视信号进行IP融合中继传输的方法，在有限 带宽条件下能实现卫星通信信号和卫星电视信号的同时中继。其中，本发明提出的基于解码 转发的卫视信号中继方法，相比于现有的卫视信号透明转发方法，能明显改善卫视信号的中 继
质量(电视更流畅)。将卫星电视信号和卫星通信信号都通过解码转发方法进行中继，能进 一步降低中继设备研制的成本。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007] 基于解码转发的卫星通信和卫星电视信号IP融合中继方法，包括卫视信号接入单元、卫 通信号接入单元、中继单元和终端单元；卫视信号接入单元和卫通信号接入单元通过交换机 与中继单元连接；
[0008] 卫视信号接入单元包括卫视信号接收天线、射频前端、Sat-IP网关和转码
服务器；卫视 信号接收天线接收到卫视信号并通过射频前端变频至L波段中频信号后，首先会通过Sat-IP 网关将DVB-S2标准或ABS-S(Advanced Broadcasting System-Satellite)标准的卫视信号进 行解码并转成MPEG2格式的IP节目流；将MPEG2格式的IP节目流送入转码服务器进行数据 压缩变成H.264/H.265格式的IP节目流；
[0009] 卫通信号接入单元包括卫通终端通信天线、射频前端和
调制解调器；卫通信号中继是一 个双向链路，对于前向链路，卫星中心站将需要的互联网内容通过卫星调制解调器调制后经 过中心站射频前端和天线发射至通信卫星；卫通终端通信天线接收到卫星通信信号并通过射 频前端变频至L波段中频信号后，通过卫星调制解调器将卫星通信信号解调成IP数据，并将 其传递给交换机；
[0010] 对于返向链路，交换机将信息传输给调制解调器、射频前端，信号通过卫通终端通信天 线发送给通信卫星，通信卫星将信号发送给卫通中心站天线，信号再依次通过射频前端和调 制解调器传送到互联网；
[0011] 卫通IP数据和卫视IP节目流接入交换机后，通过LTE通道进行中继；
[0012] 中继单元，对于下行链路，首先通过LTE基站数字板将IP数据重新调制成LTE
射频信号， 再将LTE射频信号耦合进中继拉远的近端机数字板，在此将LTE射频信号转换成
光信号后， 通过光纤将光信号拉远至室内单元；在室内单元首先通过光纤拉远的远端机数字板将光信号 恢复成LTE射频信号，之后通过功放将LTE射频信号进行放大，放大后的射频信号输出至漏 缆进行无线覆盖；
[0013] 对于上行链路，室内单元接收到上行LTE射频信号后通过低噪声
放大器将信号放大并送 入光纤拉远的远端机数字板，在此将LTE上行射频信号转换成光信号后，通过光纤拉远至室 外单元。在室外单元，首先通过光纤拉远的近端机数字板将光信号恢复成LTE射频信号，再 耦合进LTE基站数字板，在此将LTE信号解码成上行卫通IP数据。
[0014] 作为优选方式，将MPEG2格式的IP节目流送入转码服务器进行
数据压缩变成H.264/H.265 格式的IP节目流。
[0015] 作为优选方式，在LTE
基板数字板和近端机数字板之间设置
耦合器和功分器。
[0016] 作为优选方式，室内单元为隧道中继室内单元，室外单元为隧道中继室外单元，以满足隧道 通信要求。
[0017] 作为优选方式，终端单元为车载单元。
[0018] 作为优选方式，在车载单元，卫视信号和卫通信号首先被恢复成IP数据，恢复成IP数据后 再通过路由器转成WI-FI信号，实现车内的无线覆盖。
[0019] 作为优选方式，车载单元的接入分成了三部分：隧道内中继信号的接入、隧道外卫星电视信 号的接入、隧道外卫星通信信号的接入；
[0020] 对于隧道内中继信号的接入部分：首先通过隧道中继信号车载收发天线接收无线LTE射 频信号，后通过LTE调制解调终端恢复出卫通信号的IP数据和卫视信号的IP节目流，之后 送入软切换服务器；
[0021] 对于隧道外卫星电视信号的接入部分：当列车在隧道外时，可以通过车载卫视信号接收 天线直接接收卫视直播信号，并将其通过Sat-IP网关和转码服务器进行IP化处理后接入软切 换服务器；
[0022] 对于隧道外卫星通信信号的接入部分：隧道外的卫星通信，则是通过车载卫通信号收发 天线进行接收和发射，对于接收链路，此天线接收到信号后，通过卫通终端将卫通数据解成 IP数据后送入软切换服务器。
[0023] 作为优选方式，在隧道外，软切换服务器可以接收到来自隧道外卫星电视信号接入单元的电 视IP节目流和隧道外卫星通信信号接入单元的通信IP数据，软切换服务器将它们直接送至 路由器转成WI-FI信号后向车内实现无线覆盖；
[0024] 在隧道内，软切换服务器可以接收到来自隧道内中继信号接入单元的电视IP节目流和通 信IP数据，将其送至路由器转成WI-FI信号后向车内实现无线覆盖；
[0025] 当列车从隧道外进入隧道内或者从隧道内驶向隧道外时，存在隧道内的中继系统与隧道 外的通信或电视接入系统之间的切换；
[0026] 在目前的中继方式下，对于卫星通信，由于通信是与远端的人或物进行通信，隧道内和 隧道外的两路系统都只起到中继的作用，数据源都在远端，它们之间的软切换可以直接通过 网络层的路由寻址自动实现；而对于卫视信号，隧道内的中继系统和隧道外的卫视信号接入 系统都各自独立的提供节目源，在通信终端要想隧道内外连续的收看电视信号，则需要通过 部署于软切换服务器的
软件来实现软切换。
[0027] 作为优选方式，中继设备基于LTE技术进行实现，中继设备的信号为1.4G和1.8G频段LTE 信号；
[0028] 外场环境搭建如下：漏缆沿铁轨架设，分3段，每段100m。在每一段漏缆的起始端部署 一台数字光纤中继远端机，远端机输出接至漏缆，通过漏缆将信号
辐射出去。卫星信号接入 分系统、数字光纤中继近端机、1.8GHz频段的LTE基站、1.4G频段的LTE基站、Sat-IP网 关和转码服务器都置于漏缆一端的机柜内。卫星信号接入分系统接收卫星信号，对于卫视信 号通过Sat-IP网关和转码服务器处理后，将压缩之后的电视节目IP数据流通过交换机接入 LTE基站输入端；对于卫通信号，卫星调制解调器输出的IP数据也通过交换机接入LTE基站 输入端。LTE基站输出的LTE射频信号接入数字光纤中继近端机，将LTE射频信号转成光信 号后，通过光纤拉远分别接入3台数字光纤中继远端机。
[0029] 本发明的有益效果是：
[0030] 1.卫星电视信号通过基于LTE技术的解码转发方法进行中继，相比于透明转发方案能明显改善卫视信 号中继的效果，电视更流畅，在实施时，透明转发存在比较明显的
马赛克现象，解码转发则全程无马赛克 现象；
[0031] 2.卫星电视信号通过基于LTE技术的解码转发方法进行中继，能与基于LTE解码转发方 法实现的卫星通信信号中继方案更深度融合，从而简化中继设备的复杂度，降低中继设备的 研制成本；
[0032] 3.卫星电视和卫星通信信号都通过基于LTE技术的解码转发方法进行中继，当隧道区域 已有地面移动网的隧道中继设备时，在条件允许的情况下，可与地面移动网共用漏缆和LTE 相关设备，能减少新设备的投放量，从而进一步降低卫星网在已有地面移动网覆盖的区域的 接入成本，减少公共资源的浪费。
附图说明
[0033] 图1为卫视信号IP化接入中继单元示意图；
[0034] 图2为基于LTE技术解码转发的卫星电视信号中继方法示意图；
[0035] 图3为基于LTE解码转发的卫星通信信号中继方法示意图；
[0036] 图4为卫视链路和卫通链路基于解码转发的IP融合中继方法示意图；
[0037] 图5为融合中继方法的中继单元内部组成示意图；
[0038] 图6为融合中继方法的车载单元内部组成示意图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所 述。
[0040] 如图4所示，基于解码转发的卫星通信和卫星电视信号IP融合中继方法，将卫视链路解 码转发中继方法和卫通链路解码转发中继方法进行IP融合，在物理通道上至少提供一个LTE 解码转发通道；
[0041] 包括卫视信号接入单元、卫通信号接入单元、中继单元和终端单元；卫视信号接入单元 和卫通信号接入单元通过交换机与中继单元连接；
[0042] 如图2所示，卫视信号接入单元包括卫视信号接收天线、射频前端、Sat-IP网关和转码 服务器；卫视信号接收天线接收到卫视信号并通过射频前端变频至L波段中频信号后，首先 会通过Sat-IP网关将DVB-S2标准或ABS-S(Advanced Broadcasting System-Satellite)标 准的卫视信号进行解码并转成MPEG2格式的IP节目流(单套标清电视节目流数据量约4Mbps， 单套高清电视节目流则可达到8Mbps的数据量)；将MPEG2格式的IP节目流送入转码服务器 进行数据压缩变成H.264/H.265格式的IP节目流；
[0043] 如图3所示，卫通信号接入单元包括卫通终端通信天线、射频前端和调制解调器；卫通 信号中继是一个双向链路，以实现车载用户与互联网用户之间的双向通信；对于前向链路， 卫星中心站将车载用户需要的互联网内容(网页、文件、语音、视频等)通过卫星调制解调 器调制后经过中心站射频前端和天线发射至通信卫星；在隧道端，卫通终端通信天线接收到 卫星通信信号并通过射频前端变频至L波段中频信号后，通过卫星调制解调器将卫星通信信 号解调成IP数据，并将其传递给交换机；卫星通信信号进入隧道中继室外单元后，其信号变 换、中继拉远以及在高铁内实现无线覆盖的过程与前述卫视信号的相关过程一致，此处不再 赘述。
[0044] 对于返向链路(从车载用户到远端互联网端)，交换机将信息传输给调制解调器、射频前 端，信号通过卫通终端通信天线(或者通信信号收发天线)发送给通信卫星，通信卫星将信 号发送给卫通中心站天线，信号再依次通过射频前端和调制解调器传送到互联网；整个过程 与前向链路的过程相反。
[0045] 卫通IP数据和卫视IP节目流接入交换机后，可自由的通过两路LTE通道进行中继；
[0046] 中继单元，对于下行链路，首先通过LTE基站数字板将IP数据重新调制成LTE射频信号， 再将LTE射频信号耦合进中继拉远的近端机数字板，在此将LTE射频信号转换成光信号后， 通过光纤将光信号拉远至室内单元；在室内单元首先通过光纤拉远的远端机数字板将光信号 恢复成LTE射频信号，之后通过功放(PA,Power Amplifier)将LTE射频信号进行放大，放 大后的射频信号输出至漏缆进行无线覆盖；
[0047] 对于上行链路(仅卫通有上行需求)，与下行链路相反，室内单元接收到上行LTE射频信 号后通过
低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier)将信号放大并送入光纤拉远的远端机 数字板，在此将LTE上行射频信号转换成光信号后，通过光纤拉远至室外单元。在室外单元， 首先通过光纤拉远的近端机数字板将光信号恢复成LTE射频信号，再耦合进LTE基站数字板， 在此将LTE信号解码成上行卫通IP数据。最后，中继单元将上行卫通IP数据送入卫通信号 接入单元进行传输。在本方案实施时，中继单元采用了2路LTE通道，在实际使用过程中， 将根据实际需求及建设条件，可以选择1路、2路甚至多路LTE通道进行建设。
[0048] 在一个优选
实施例中，为了减少单套节目对中继通道的占用，将MPEG2格式的IP节目流送 入转码服务器进行数据压缩变成H.264/H.265格式的IP节目流。
[0049] 目前主流的转码服务器，对于标清节目，单套节目的数据量能压缩到700kbps左右，高速 运动画面也能压缩到1Mbps左右(H.264输出，H.265输出则能再节约1倍的带宽，达到500kbps 以内，但成本更高)，高清节目能压缩到2Mbps以内。转码服务器将转码后数据量较小的IP 节目流送入中继单元的LTE基站中进行后续处理，从而可以大大节省中继带宽资源。
[0050] 在一个优选实施例中，在LTE基板数字板和近端机数字板之间设置耦合器和功分器，具体中 继单元内部结构如图5所示。
[0051] 在一个优选实施例中，室内单元为隧道中继室内单元，室外单元为隧道中继室外单元，以满 足隧道通信要求。
[0052] 在一个优选实施例中，终端单元为车载单元。
[0053] 在一个优选实施例中，在车载单元，卫视信号和卫通信号首先被恢复成IP数据，恢复成IP 数据后再通过路由器转成WI-FI信号，实现车内的无线覆盖。
[0054] 在一个优选实施例中，如图6所示，车载单元的接入分成了三部分：隧道内中继信号的接入、 隧道外卫星电视信号的接入、隧道外卫星通信信号的接入；
[0055] 对于隧道内中继信号的接入部分：首先通过隧道中继信号车载收发天线接收无线LTE射 频信号，后通过LTE调制解调终端(图中的2个LTE调制解调终端分别于中继单元中的两路 LTE信号相对应)恢复出卫通信号的IP数据和卫视信号的IP节目流，之后送入软切换服务 器；
[0056] 对于隧道外卫星电视信号的接入部分：当列车在隧道外时，可以通过车载卫视信号接收 天线直接接收卫视直播信号，并将其通过Sat-IP网关和转码服务器进行IP化处理后接入软切 换服务器；
[0057] 对于隧道外卫星通信信号的接入部分：隧道外的卫星通信，则是通过车载卫通信号收发 天线进行接收和发射，对于接收链路，此天线接收到信号后，通过卫通终端将卫通数据解成 IP数据后送入软切换服务器。基于解码转发中继方法实现的卫视信号和卫通信号中继系统与 现有车载电视和通信系统可基于IP化的方法实现软切换，从而使新研制设备可以更加方便的 与现有的高铁车载设备融合，降低接入成本。
[0058] 在一个优选实施例中，在隧道外，软切换服务器可以接收到来自隧道外卫星电视信号接入单 元的电视IP节目流和隧道外卫星通信信号接入单元的通信IP数据，软切换服务器将它们直 接送至路由器转成WI-FI信号后向车内实现无线覆盖；
[0059] 在隧道内，软切换服务器可以接收到来自隧道内中继信号接入单元的电视IP节目流和通 信IP数据，将其送至路由器转成WI-FI信号后向车内实现无线覆盖；
[0060] 当列车从隧道外进入隧道内或者从隧道内驶向隧道外时，存在隧道内的中继系统与隧道 外的通信或电视接入系统之间的切换；
[0061] 在目前的中继方式下，对于卫星通信，由于旅客通信是与远端的人或物进行通信，隧道 内和隧道外的两路系统都只起到中继的作用，数据源都在远端，它们之间的软切换可以直接 通过网络层的路由寻址自动实现，而不需要专门的切换软件；而对于卫视信号，隧道内的中 继系统和隧道外的卫视信号接入系统都各自独立的提供节目源，在旅客端要想隧道内外连续 的收看电视信号(不通过手动输入切换)，则需要通过部署于软切换服务器的软件来实现软切 换。
[0062] 在一个优选实施例中，中继设备基于LTE技术进行实现，中继设备的信号为1.4G和1.8G频 段LTE信号；
[0063] 外场环境搭建如下：漏缆沿铁轨架设，分3段，每段100m。在每一段漏缆的起始端部署 一台数字光纤中继远端机，远端机输出接至漏缆，通过漏缆将信号辐射出去。卫星信号接入 分系统、数字光纤中继近端机、1.8GHz频段的LTE基站、1.4G频段的LTE基站、Sat-IP网 关和转码服务器都置于漏缆一端的机柜内。卫星信号接入分系统接收卫星信号，对于卫视信 号通过Sat-IP网关和转码服务器处理后，将压缩之后的电视节目IP数据流通过交换机接入 LTE基站输入端；对于卫通信号，卫星调制解调器输出的IP数据也通过交换机接入LTE基站 输入端。LTE基站输出的LTE射频信号接入数字光纤中继近端机，将LTE射频信号转成光信 号后，通过光纤拉远分别接入3台数字光纤中继远端机。
[0064] 测试时，测试车沿漏缆行驶或静止于某一处，通过车载天线将信号接入，车载LTE接收 终端解调出数据后，通过路由器转成WI-FI信号向车内进行无线覆盖，车内的移动终端通过 连接WI-FI信号收看卫星直播电视和实现互联网连接。
[0065] 整个中继系统，相当于是两个LTE通道(20MHz带宽)都在单天线条件下进行数据传输， 通过试验发现，在车辆运动过程中，总的下行吞吐率约为80Mbps，总的上行吞吐率约为 14Mbps。
[0066] 对于通信信号，通过租用2MHz带宽的卫星资源来进行整个卫通链路的验证(通过测试 吞吐率来进行验证)。试验时，卫星通信采用TDMA体制，QPSK调制，3/4码率的Turbo信 道编码，滚降系数0.2，在2MHz带宽资源条件下，则系统理论可达速率为 Rb＝2*0.8*2*3/4＝2.4Mbps。通过本系统的卫通中继通道测试发现，不论试验车是在运动 还是静止条件下，不论是前向链路(卫星中心站到试验车)还是返向链路(试验车到卫星中 心站)，吞吐率峰值可达2.2Mbps，均值则在2Mbps左右。
[0067] 对于电视信号，采用图1所示的方式进行IP化处理后，单套标清电视节目流压缩后(输 出H.264格式)，简单画面吞吐率约为750kbps，运动画面吞吐率约为1.2Mbps。试验时，测 试了同时中继8套电视节目的情况，所占的吞吐率约为9.9Mbps。
[0068] 本发明主要在于：
[0069] 1.本发明首先提出了一种基于解码转发的卫星电视信号中继方法，其示意图如图2所示；
[0070] 2.基于上述的卫视信号解码转发中继方法，针对高铁隧道场景，提出了卫星通信信号和卫 星电视信号都基于解码转发的IP融合中继方法，示意图如图4所示；
[0071] 3.基于上述的卫星通信信号和卫星电视信号都基于解码转发的IP融合中继方法，提出了一 种与现有车载电视和通信系统基于IP路由的软切换方法，示意图如图6所示；
[0072] 5.卫星通信信号和卫星电视信号都基于解码转发的IP融合中继方法中，第一 个关键点在于卫星通信信号和卫星电视信号进行IP化接入后，中继段都采用基 于LTE和数字光纤拉远的中继技术，共用中继通道，节约了中继设备成本；第二 个关键点在于中继段采用了双LTE通道，从而提高整个系统中继段的中继能
力， 同时具备向更多LTE通道扩展的能力；第三个关键点在于，卫星通信信号和卫星 电视信号进行IP化接入后先接入路由器，再通过路由器接入两个LTE通道中，从 而实现数据量在两个LTE通道中的灵活分配，以路由的方式实现卫星通信信号和 卫星电视信号的深度融合，从而提高中继通道的带宽利用率，相关内容如图5 所示。
[0073] 5.卫星通信信号和卫星电视信号都基于解码转发的IP融合中继方法中，第一个关键点在 于卫星通信信号和卫星电视信号进行IP化接入后，中继段都采用基于LTE和数字光纤拉远的 中继技术，共用中继通道，节约了中继设备成本；第二个关键点在于中继段采用了双LTE通 道，从而提高整个系统中继段的中继能力，同时具备向更多LTE通道扩展的能力；第三个关 键点在于，卫星通信信号和卫星电视信号进行IP化接入后先接入路由器，再通过路由器接入 两个LTE通道中，从而实现数据量在两个LTE通道中的灵活分配，以路由的方式实现卫星通 信信号和卫星电视信号的深度融合，从而提高中继通道的带宽利用率，相关内容如图5所示。
[0074] 在本团队的研究中，提出了卫星电视信号通过透明转发的方式进行中继转发，卫星通信 信号通过解码转发的方式进行中继转发，基本实现了卫星电视信号和卫星通信信号在隧道中 的同时中继功能。为了进一步提高卫视信号的中继效果，降低中继设备的成本，且便于实现 卫星电视的IP化接入，本发明对卫星电视信号和卫星通信信号在隧道等场景下的同时中继问 题提出了基于LTE(Long Term Evolution)技术进行解码转发并进行深度融合的新的解决方案。
[0075] 本发明提出的一种基于解码转发技术实现的卫星通信信号和卫星电视信号的IP(Internet Protocol)融合中继方法，旨在为高铁通过隧道、桥梁、沟堑、峡谷等无线信号弱覆盖区域时 提供卫星通信和卫星电视信号的中继覆盖，以保证高铁在整个运行过程中具备保持连续不断 的卫星通信连接和卫星电视播放能力。基于本方案，能极大的推动卫星通信和卫星电视在高 铁移动互联领域的应用。同时，本方案相关技术也能推广应用至其他移动场景，比如公路隧 道场景。
[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
