Ka波段卫星链路的可用性优化方法

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 3（2017）124www.elsevier.com/locate/icte基于IP的实时视频贡献流的Ka波段卫星链路可用性的改进G. Berrettaa，P.Dvorakb，M.卢格利奥湖卢伊尼角里瓦角Rosetic，F.Zampognaroc，1999，1a DBW通信，通过G. Pisanelli 4，罗马，意大利布拉格捷克技术大学，捷克共和国布拉格Technicka 2罗马大学Tor Vergata Via del Politecnico 1，罗马，意大利d米兰理工大学，Piazza L. Da Vinci 32，米兰，意大利接收日期：2016年9月7日;接受日期：2017年2017年4月26日在线发布摘要新的高吞吐量卫星（HTS）系统允许Ka波段频率的高吞吐量IP上行链路/贡献，与Ku波段的广播卫星上行链路相比，成本相对较低这项技术为来自偏远地区的实况视频提供了一个优势，在这些地区，地面基础设施可能不够。另一方面，Ka波段更容易因下雨或恶劣天气而受损本文讨论了目标系统规范，并提供了一种优化的方法，通过高温超导商业服务在Ka波段频率运行的基于IP的视频流的传输特别是，这项研究的重点是服务需求和传播分析，提供了一个参考架构，以提高整体链路的可用性。本文提出的方法导致引入一个新的概念，使用对小型卫星天线和廉价的卫星终端的现场服务贡献。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：高温超导; IP视频流; Ka波段;网络可用性;传播1. 介绍本研究旨在识别和评估从大范围收集的高质量实时视频流传输的最合适的解决方案。这一需求与市场驱动的服务有关，目的是提供小联盟体育赛事的现场报道，这需要在意大利全国范围内有可靠的传输能力。目标是以4-6Mb/s的速度提供高清（HD）质量的视频的连续传输（每周几个小时）*通讯作者。电子邮件地址：g. dbwcommunications.it（G. Berretta），p.dvorak@ upol.cz（P. Dvorak），luglio@ing.uniroma2.it（M.Luglio），lorenzo. polimi.it（L. Luini），carlo.riva@ polimi.it（C.Riva），roseti@ing.uniroma2.it（C. Roseti），zampognaro@ing.uniroma2.it（F. Zampognaro）。1作者按字母顺序排列。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理金明禄随着目前高吞吐量卫星（HTS）平台在Ka波段频率上通过Eu-rope [1]运行的可用性，有可能通过固定的甚小孔径卫星终端（VSAT）[2]实现高速率（高达20 Mb/s）上行链路。由于带宽按需和流量整形，这与低于经典Ku波段OB-Van（车外广播）卫星传输（英超联赛和重大赛事的参考案例）的每比特成本相结合[3]。需要按需使用廉价的卫星链路，加上没有足够的有线或无线高吞吐量地面系统（例如，其中LTE [4]或ad-hoc混合网络不可用[5]）使得使用固定终端和HTS系统的卫星传输成为用于较低预算体育联盟的最具成本效益的技术。使用低成本的商用现成固定卫星终端和使用Ka波段的可能性意味着相对于Ku波段的费用节省。然而，与Ka波段和消费设备中的操作频率http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.04.0012405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。G. Berretta等人/ ICT Express 3（2017）124-127125要求对体系结构和推广级别进行更准确的分析，以便识别对支持这种服务有用的解决方案事实上，例如，在过去的实地和实验室测试中，雨水和与卫星与地面网络互连有关的问题严重损害了服务的连续性。为了减轻传播损伤，COTS调制解调器在返回链路上实现自适应编码和调制（ACM），使得在存在天气衰减的情况下，可以使用更强的编码和调制（以降低可用输出速率为代价）。如[6]中所介绍的，基于先前进行的试验，研究了使用HTS平台实现此类最近确定的服务本研究的范围是提供一个理论分析的链接可用性适合现场视频的贡献，确定一个可能的配置和新定义的架构的预期性能这项研究的结果将被用来配置实际安装在一些网站确定为后续试点项目。2. 系统模型和方法电信模型的识别将在本文的其余部分中用作参考，该模型基于图1所示的简化传输链。目标服务是从远程地区（具有SDI接口的摄像机）通过使用Ka波段的HTS平台向收集中心实时传输视频内容（在收集中心，视频经过处理并通过Web平台分发给互联网客户端目标是在实况事件期间实现不间断的视频贡献，即，以避免例如由于事件的直播性质而导致的视频流冻结，这可能损害服务质量。视频流的连续性与在与OSI栈相关联的不同层处的多个因素相关联。例如，故障可能发生在应用层（编码器实现）、传输层或网络层（网关、缓冲器溢出、协议鲁棒性）以及与卫星技术相关联的较低层（空中接口在在卫星系统中，空中接口通常被认为是可用性方面的“弱链路”并因此被充分保护（例如，使用前向纠错、FEC和ACM）。尽管如此，对于所提出的直播视频传输系统，这些措施可能对传输层和应用层产生间接下一节将阐明这方面的问题。2.1. 确定问题和先决条件对于所提出的应用，视频流的连续性需要足够的可用信道容量（在网络层），这受到较低层操作（特别是ACM）的影响这在堆栈的不同层之间创建了一个非平凡的关系，例如[7]中所讨论的。总之，本文分析了影响系统性能的关键因素，表1根据经验衰减的可用输出比特率符号速率（MSym/s）最大比特率（Mb/s）总SNR损耗（dB）1022.5–20511.255–6102.55.6259–1051.252.513–140.6251.2516–180.9370.6250.312主要是：（i）当使用商用设备用于视频IP上行链路时在Ka波段频率处的预期衰减值（例如，典型地是具有3 WTX单元的75 cm天线盘(ii)调制解调器根据提供的网络吞吐量对这些（ACM）作出响应。为了估计Ka波段频率的对流层衰减，使用了ITU-R建议，特别是考虑了最坏月份统计数据的推导[8]。根据在Spino d'Adda收集的传播测量数据，提供ITALSAT传播实验期间（链路海拔37。7dB）[9]，对于99.99%的系统可用性，由于气体和云引起的衰减分别约为0.7 dB和1 dB，而对于相同的可用性水平，由雨引起的衰减约为15dB。调制解调器经历的强衰减（通过反馈到网关）将导致数据速率降低，这是通过切换到另一个载波（具有较低的符号速率）和更鲁棒的编码而发生的，如表1所示。该表摘自欧洲通信卫星组织的官方文档[10]，包括ACM过程中间隔之间的范围和间隙（由于滞后）以及同一载波可能的多个编码设置。在网络级的结果是，可用的最大Mb/s从顶部（最好的情况为大于20 Mb/s）降低到底部（最坏的情况为312.5 kb/s）。值得回顾的是，对于所提出的研究，假设要发送的视频的目标为至少4 Mb/s。传播损伤分析被应用到实际情况下的第三届联赛足球锦标赛在意大利（Lega Pro），其中54支球队，广泛分布在领土上，每周进行比赛。收集视频流的站点分布见图。二、由于市场上的编码器有多个IP接口作为视频输出，本文提出的模型考虑了并行使用多个COTS卫星调制解调器的可能性。编码器将IP流拆分为多个输出的方法超出了本文的范围，尽管已经在仿真平台上运行了积极的测试[11]，这将在未来的论文中讨论。−=***126G. Berretta等人/ICT Express 3（2017）124Fig. 1. 一般系统配置。图二. 传播分析考虑的位置。3. 结果基于对系统要求、终端和设备限制、传播模型和衰减范围（由早期试验支持）的初步评估，从一开始就很清楚，如果在IP级别（编码器的多个输出流）正确支持，使用更多VSAT COTS终端来实现传输链是一种有趣的方法。事实上，即使单个终端可以在标称条件下支持所需的比特率，它也可能在具有ACM实施的衰减事件期间表现不佳，这可能导致低得多的比特率信道。例如，当存在10- 13 dB的衰减时它不能支持所需的4 Mb/s的速率。出于这个原因，由于在IP级支持多个输出信道的编码器的可用性，并行使用多个COTS终端和天线的机会是可能的。图三. 估计萨勒诺的总衰减统计。介绍这一决定原则上允许每个设施使用许多卫星终端;然而，为了降低成本，必须尽量减少采用的终端数量。由于所有终端都分布在全国各地，每个终端站点都受到非常特殊的气候条件的影响通常与商业HTS服务（例如Ka-Sat）相关联的系统可用性对应于每年40小时的合同系统停机（即，0.46%）。此外，给定要提供的实时服务，确定目标服务质量（QoS）以避免中断每场比赛连续超过12分钟。考虑到停机要求（系统可用于一百46九十九年时间的54%），衰减容限大约在10和16 dB之间（使用最差月份衰减统计）。此外，为了满足QoS目标，余量位于13和16 dB的范围内（使用衰落持续时间统计）。考虑到与ACM机制相关的这些衰减（参见表1），这些裕度并不总是准许在IP层传输参考视频流（4Mb/s）。建议的解决方案采用多个链路，以提高整体Ka波段卫星服务的可用性。为了支持这种方法的验证，我们专注于最差的传播条件，即萨勒诺（纬度40。北纬65度，朗14号。82 E/CN.9/ 2000）。图3所示的估计衰减统计确定超过给定衰减的时间百分比。作为一个例子，衰减超过5.55分贝的时间在一年中的1% 图 3+G. Berretta等人/ ICT Express 3（2017）124-127127示出衰减超过10 dB（调制解调器可以保证最小4 Mb/s速率的极限值）的时间为每年0.3%。4. 讨论为了从网络角度确定整体渠道改善，当使用多个终端时，我们关注可以提供服务的时间百分比在标称速度下（因此提供至少4 Mb/s）。在萨勒诺的单个调制解调器的情况下，对于99.7%的年时间，传输条件是足够的，最大衰减为10 dB，符号速率至少为2.5 MSym/s。通过引入第二个调制解调器，系统可以容忍4 dB的额外 衰 减 （ 见 表 1 ） ， 每 个 调 制 解 调 器 可 以 达 到 1.25MSym/s，因此提供5 Mb/s的总吞吐量。此外，参考图3中的曲线，衰减不超过14 dB（10 4）的时间百分比约为99.9%。这意味着，在服务方面，可用时间增加了0.2%考虑到一年中在同一体育场进行的所有比赛（20场），0.2%的增益导致服务时间增加约5分钟。衰减和网络比特率之间的这种关联可以帮助决定是否要安装额外的调制解调器（和天线）。实际上，可以将衰减不超过10 dB（至少符号速率）的站点定义为2.5 MSym/s）（99.7%为Salerno的最差情况）。在这种情况下，两个天线提供了可测量的益处。在其余情况下（即，简化后，平均天气条件更好），好处将相当有限：例如，在99.9%的时间内提供服务的情况下添加第二天线将仅提供可用时间增加0.03%。最后，添加第三天线将仅略微改善QoS，因此始终不鼓励。总之，引入两个COTS调制解调器还可以改善与硬件或接收数据流的HUB站中的可能故障相关联的一般系统可用性。进一步的研究，需要处理在使用真实设备和协议的操作期间测量的衰减时间序列（使用例如仿真平台，环路解决方案中的其他硬件[12]）。包括备用线路[13]或传输协议[14]）是调整架构配置所必需的。本文件所讨论的这一方面和其他未决问题将是今后工作的主题。5. 结论本文提出了一种可能的设计，通信系统的传输基于IP的视频流通过高温超导VSAT商业服务在Ka波段。在问题公式化之后，提出并描述了系统、网络、通信和传播问题的可能解决方案。这种系统的链路预算计算是相当具有挑战性的，因为可用性和QoS要求是本质上与特定事件期间的连续停机周期有关研究结果表明，该系统可以用低成本的终端满足这些要求，并考虑到业务连续性、链路预算、ACM和组网性能，在大多数关键站点应安装两个终端。这项工作之后，将在该领土上开展一个试点和试验项目，这将有助于核实这项工作的结果是否一致，并将进一步完善分析和系统架构。确认本文所述结果部分由欧洲航天局ESA/ESTEC Artes 3/4合同编号4000113073/14/NL/US建立。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] A. 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