【卫星应用】卫星通信网的“反斧”斗争 – 网状组播型IP视频会议
卫星与网络
现在绝大多数的IP视频会议都是利用MCU(多点控制单元)召开基于H.323协议的集中式多点视频会议(以下简称H.323协议视频会议)。尽管这种类型的视频会议非常适合于地面通信网，但如果直接移植到卫星通信网上就会出现许多问题，比如带宽占用过大和传输时延过长等。这对于在卫星网中召开大规模的视频会议和开展应急通信等高端应用都是很不利的，而导致这些问题的原因有的是来自于视频会议系统方面，有的是来自于卫星通信系统方面，有的则是两个系统共同造成的。
本技术文件即以卫星通信网中最为典型的“主席会场+分会场”的会议模式为例，逐一分析传统的H.323协议视频会议砍杀卫星通信网的“三板斧”，以及卫星通信系统与视频会议系统相互配合所需采取的相应的“反斧”措施。
视频会议第一斧 – 幽幽暗暗反反复复中传送
如下所示即为常见的“主席会场+分会场”的H.323协议视频会议网络示意图：
典型的IP视频会议网络示意图
在这一常见的视频会议模式中，主席会场和MCU都在同一个地方。而根据H.323协议的要求，当召开视频会议时，每个分会场中的视频会议终端都必须与MCU进行通信，建立一对儿点到点的双向视频连接。这样，有几个分会场，就会有几对儿连接。
在地面通信网中这很自然，因为光纤等传输链路在地面上本来就是彼此分离的，所以主席会场的画面一定是被分别发往各个分会场的。可是，如果将此模式照搬到有着天然的覆盖优势和广播特点的卫星通信网，就会产生相当严重的带宽浪费。
现以SCPC/SCPC(单路单载波)卫星通信网为例，计算召开H.323协议视频会议所需占用的卫星带宽。假设有1个中心站主席会场和5个远端站分会场，见下图：
SCPC/SCPC卫星通信网
如图所示，在这一典型的SCPC/SCPC点到点卫星通信网中(注：每个站点配备1个或多个Modem，每个Modem均固定占用某一频点带宽发射连续载波，属于FDMA频分多址，相当于第一代(1G)移动通信技术)，中心站的每个卫星Modem都和每个远端站的卫星Modem分别通过1对儿SCPC载波建立点到点的双向连接，这与H.323协议视频会议模式倒是十分吻合，它正好可以把主席会场和各个分会场中的视频会议终端通过一对儿对儿的SCPC载波连接起来。这样，在有1个主席和5个分会场的情况下，SCPC/SCPC卫星通信网就一共会有5对儿载波和5对儿视频连接。
假设每个SCPC载波中只传送1路单向视频，而每路单向视频的带宽为1M，则每对儿SCPC载波传送双向视频所占用的带宽为2M，而总带宽则为2Mx5=10M。
很明显，由于是将H.323协议视频会议的点到点连接直接从地面网移植到卫星网，所以主席会场画面在卫星上被重复传送了5次，共占用了5M带宽。而这也就成为H.323协议视频会议向卫星通信网砍下的第一斧 – 主席画面在反反复复中传送！
但倘若能够发挥卫星的覆盖和广播优势，将主席会场画面以广播(或组播)的形式一次传送到所有分会场，其实只需占用1M带宽就够了，这样就可以马上节省出4M带宽。所以，应对这第一板斧的招数实际上很简单，就是对其进行改造，将多个单播变为一个广播(或组播)。如下所示即为TDM/SCPC卫星通信网将主席会场画面以广播方式传送到所有分会场的视频会议原理示意图：
TDM/SCPC卫星通信网
如图所示为一TDM/SCPC星状网。其中：
中心站发射1个TDM载波(粗实线)，将主席会场画面广播到所有远端站和分会场，带宽只需1M；
l每个远端站则分别发射1个SCPC载波(细实线)，将分会场画面回传给中心站和主席会场，带宽共需5M；
总带宽为1M+5M=6M，比纯SCPC/SCPC体制减少4M。
视频会议第二斧 – 虽然不言不语，带宽难放弃
细心的读者或许会发现这里还有一个问题，就是所有分会场都在向主席会场回传视频！
的确，在H.323协议视频会议中，根据协议的要求，无论分会场是否发言，只要与会，哪怕只是收听和收看，也必须和MCU建立并保持双向视频连接，也必须占用带宽。这对于带宽充足且非常便宜的地面通信网也许算不了什么，但对于带宽有限且极其昂贵的卫星通信网来说，这无言的结局却成为H.323协议视频会议砍向卫星通信网的第二斧 – 虽然不言不语，带宽难放弃！
这里仍以1个主席会场和5个分会场为例计算一下带宽。一般情况下，所有分会场是不会同时发言的(除非是吵群架)。在主席的主持下，与主席对话或进行发言的往往只有1个分会场，其它分会场则只是处于收听和收看的单收状态。所以照理说没有必要向卫星传送所有分会场的画面，而只需传送发言分会场的画面就可以了。
但是，在传统的H.323协议视频会议中，由于每个分会场无论是否发言，其视频会议终端都必须和位于主席会场的MCU建立并保持双向视频连接，都必须占用1M带宽传送画面，否则连收听和收看都不行，所以5个分会场一共就需要5M带宽。
在卫星通信网中应对这第二板斧的措施其实也很简单，就是采用动态的带宽按需分配技术(即BoD)，将带宽在各个分会场之间进行动态切换，按需分配给有发言的分会场，使其能够将画面传送到主席会场。其它不发言的分会场则没有带宽，因而也不与MCU保持双向的视频连接，也不向主席会场发送任何画面，而是仅仅接收主席会场的视频广播，最多与MCU保持一个低速的信令连接，以便能够随时接收主席会场的指令，做好发言的准备。
以下即为在TDM/TDMA卫星通信网中采用“广播+BoD”组合技术召开视频会议的原理示意图：
TDM/TDMA卫星通信网 – 广播和BoD
如图所示，在一个典型的TDM/TDMA星状卫星通信网中(注：主站仍固定占用某一频点带宽，还属于FDMA频分多址；远端站则分时占用共享带宽，属于TDMA时分多址。由于网络的一半儿已经有所演进，所以总体上相当于1.5G)：
中心站以频分方式独占出境信道并发射一个连续的TDM载波(粗实线)，将主席会场的画面广播到所有远端站和分会场；
l所有远端站则以时分方式共享入境信道。分会场仅在有发言的情况下，其远端站才发射TDMA载波(细虚线)并占用入境信道和带宽，将分会场画面回传给中心站和主席会场；不发言的分会场则不必回传画面，其远端站也无需发射载波，因而也不会占用入境信道和带宽。
这样，带宽最少就可以减少到2M。即使主席还希望看到部分其它的不发言分会场的情景，也只需要挑出相应分会场的画面按需传送即可，而无需全部传送。
需要指出的是，这里的头两项“反斧”措施都是需要对传统的H.323协议视频会议进行改造的。否则，就算卫星通信网能够支持广播、组播和动态的带宽按需分配(BoD)功能，但由于视频会议系统本身要求必须成对儿地建立点到点的连接，那么主席会场画面还是得重复传送，所有分会场画面也还是都得同时在线，带宽占用就还是无法减少的。
视频会议第三斧 – 应急通信
也许有人以为有了主站广播(或组播)和端站BoD这两招就足以满足视频会议的要求了，可实际上，虽然很多卫星通信网能够侥幸躲过头两斧，但这里还有个要命的第三斧却无法抵挡，常常败下阵来，这就是应急通信。
应急通信可以说是对卫星通信网络的最为严峻的考验，其中的一项最不同于一般的特殊需求，就是不确定性。
在我们前面所举的所有例子中，主席都是身处主席会场。废话！主席当然是在主席会场！主席不在主席会场，还能在哪儿？的确，在一般情况下，主席都能够身处于条件优良的主席会场的。但在应急通信等一些特殊场合，情况却不一定如此。
众所周知，天灾人祸都是不可预知的，所以应急通信就有可能发生在任何时间和任何区域。而首长和领导在开展应急通信指挥工作时，却并不一定总是身处于条件良好的、配有MCU的中心站和主席会场，而是有可能身先士卒，一马当先，亲临事发地区进行实地考察和现场指挥，位于任意一个卫星通信站点和分会场。见下图：
指挥员位于某远端固定站
指挥员位于某远端便携站
但不管是在哪一种情况，应急通信都会要求首长和领导到了哪里，哪里就能立即成为指挥中心，就能与其它所有相关站点迅速建立通信链路，马上开展应急通信指挥工作。所以，虽然此时首长和领导位于的是某一远端站的分会场，但其地位实际上却已经相当于主席会场了。
下图所示即为首长和领导在前线地区以某一车载站为中心，开展应急通信指挥工作，召开多点视频会议。
指挥员以某一远端车载站作为前线应急指挥中心
可是，当我们套用H.323协议视频会议模式时却会发现，由于所有分会场在彼此观看和对话时，其画面和声音都必须首先传送到中心站的MCU，经过一番合成处理后，再转发到其它分会场，所以指挥员会场的首长和领导的画面和声音实际上将经过卫星“双跳”才能传送到其它远端站分会场。见下图：
指挥员会场至其它分会场
反之亦然，即远端站分会场的画面和声音也必须经过卫星“双跳”才能传回到指挥员会场。见下图：
其它分会场至指挥员会场
“双跳”意味着传输时延和带宽占用都将加大，这对于地面网也许算不了什么，但是对于卫星网，尤其是在开展应急通信的时候，可就不是什么小事儿。
一方面，“双跳”使得指挥员从发话给其它分会场，到接收到分会场的应答将一共经历卫星“四跳”传输。见下图：
指挥会场和其它分会场之间的“四跳”
“一跳”的传输时延约为270毫秒，这是静地卫星通信中所固有的和不可避免的。即使在支持全网单跳的、实时性能最强的网状网中，任意两站点间一去一返的话音和视频通信也至少需要540毫秒，而由此产生的时延就已经让许多不太了解和熟悉卫星通信的人感到很不舒服了，那么“四跳”时延将会更加令人难以忍受。试想，在时间就是生命的紧急情况下，每次发话半天之后才能得到回应一定会对首长和领导的指挥工作造成不利的影响。
另一方面，“双跳”使得每一分会场的画面还会在卫星上都被重复传输，即两次占用带宽，这对于有着天然的广播和组播优势的卫星来说完全是不必要的浪费！也许有些人会说应急通信是不计成本的，遇到天灾人祸时顾不上那么许多，不在乎多花费卫星带宽租金。可是这种观点是很不负责任的，并不可取。
所以说，应急通信可谓传统的H.323协议视频会议砍向卫星通信网的第三板斧。
那么有没有什么先进技术，能够支持任意站点做主席，同时传输时延又能最短，带宽占用又能最省，从而能够更好地支持应急通信呢？
有！其实很简单，那就是让每个远端站和分会场都能够进行广播(或组播)，都能够不经过中心站和MCU就把本站会场画面直接广播(或组播)到所有其它站点和会场！如下所示即为远端站-1直接单跳广播其分会场画面的示意图(其它站点和会场亦然)，而支持这一应用的最适宜平台则是基于TDMA体制的网状卫星通信网：
TDMA网络单跳广播
如图所示为一典型的TDMA网状卫星通信网(注：所有站点均分时占用带宽，完全演进到TDMA时分多址，相当于第二代(2G)移动通信技术)，包括中心站和远端站在内的所有站点共享同一信道和带宽，在同一频点上分时发射载波和传输各自的会场画面。由于所有站点还在同时接收这一频点，所以这些来自于不同站点的会场画面实际上就能够被直接广播(或组播)到所有站点和会场！
这样，无论首长和领导位于哪一远端站，都能够作为主席以该站点为指挥中心，同时与所有其它站点建立双向的单跳连接，召开全网状的视频会议，将主席画面发送上星，直接广播(或组播)给所有其它分会场。
指挥员在现场召开视频会议(1) – 指挥员发言
而任意其它分会场(包括发言分会场)，也都可以将其画面直接发送上星进行广播(或组播)，供所有其它会场单跳接收。见下图：
指挥员在现场召开视频会议(2) – 分会场发言
如此一来，双跳在卫星通信网中被彻底消除，所有的传输和广播均为单跳，不仅传输时延最短，而且带宽占用也最少！
小结 – 艰巨的“反斧”斗争
通过对H.323协议视频会议砍杀卫星通信网的三板斧进行逐一分析可以看出，要想在卫星通信网中使视频会议的互动效果和带宽效率都达到最佳状态，既不只是视频系统的事儿，也不只是卫星系统的事儿，而是两个系统一起的事儿，需要双方密切配合才能实现，而按需的网状组播(即“网状网+组播+BoD”的技术组合)则是全面“反斧”的最佳方案。这里有以下三个要点：
首先，这里的卫星通信网必须是真正的网状网，是需要能够支持所有站点都可通过卫星单跳同时进行双向互通的全网状网。这样，无论指挥员到达哪一站点，都能以该站点为中心召开视频会议，与任意数量的其它站点，乃至所有其它站点同时互通了。
如果远端站只能与其它某一站点或少数站点通过卫星单跳同时互通，这样的卫星通信网并不是真正的网状网，而只是个残缺的网状网，其应急通信能力是十分有限的，难以实现指挥员在现场开展大规模的乃至全网的应急通信指挥。
第二，卫星通信系统和视频会议系统必须都能支持组播发射和组播接收，而且是任意点组播。如果只有卫星通信系统有此功能，而视频会议系统没有，则还会出现同一画面重复传送的情况。反之亦然。
第三，视频会议系统必须能够接受和配合卫星通信系统所提供的BoD功能，按需进行发送，以进一步节省带宽。
显然，这种“按需的网状组播”对于卫星通信技术和视频会议技术都提出了相当高的要求，目前市场上的很多系统都还都无法实现，个中滋味还需要用户去自己体会。
后记
后记-1：关于主席会场
我们搞卫星通信的在和搞视频会议的进行交流时，有时会感觉到说不到一块儿，其实这是双方在对某些看似简单的概念的理解上存在差异。就拿主席会场来说，每当我们搞卫星说到主席会场一词时，常会发觉搞视频的会面露一丝困惑。的确，其实在H.323视频会议里本来是不存在主席会场和分会场的概念的，是没有严格的主席会场和分会场之分的。见下图：
如图所示，在常规的H.323协议视频会议中，所有的视频会议终端，无论放在哪里，都一律连接到MCU上，所有会场在地位上完全相同，并无主次之分，也不区分谁是主席会场，谁是分会场。
之所以将某一会场认作是主席会场，完全是因为MCU被放在了这个会场中，而由于MCU又同时能够将所有其它会场的画面集中起来，所以该会场在感觉上就好像会议中的主席一样。
在地面通信网中，即使指挥员不位于MCU所在会场(即所谓主席会场)，而是位于另一会场，由于传输时延很短，指挥员与其它会场通过MCU进行视音频通信是感觉不到有明显的时延的。如此一来，首长和领导将哪一会场作为主席会场召开视频会议都是没有差别的。
可是在卫星通信网中，由于MCU通常都被置放于中心站会场(即所谓主席会场)，所以必不可免一下子就会与其它会场产生单向270毫秒(单跳)或双向540毫秒(双跳)的天然时延。倘若指挥员不在中心站，而是在某一远端站召开多点视频会议，指挥其它远端站开展应急通信就会出现很大问题。详细分析参见前文介绍。
后记-2：关于组播
其实，在H.323协议中对组播方式的视频会议是有所定义的。在ITU-T建议H.323《基于分组的多媒体通信系统》中有这样两段叙述：
“在分散多点会议中，参与会议的终端将其音频和视频组播到所有其它与会终端，不需要使用MCU。”(英文原文为：A Decentralized Multipoint conference is one in which the participating terminals multicast their audio and video to all other participating terminals without using MCU.)
“如果端点具有分散多点能力，它们在H.245控制信道以点对点的方式与MCU、网关、关守、或端点上的MC进行通信，也可以选择与数据信道上的MP进行通信。端点必须具有向会议中其它所有端点组播其音频和视频信道的能力。MC可以控制哪一个或哪几个端点正在组播音频和/或视频(例如通过使用任一信道上的FlowControlCommand)。” (英文原文为：If the endpoints have decentralized multipoint capability, they communicate with the MC of an MCU, Gateway, Gatekeeper, or endpoint in a point-to-point mode on the H.245 Control Channel and optionally with an MP on data channels. The endpoints shall have the capability to multicast their audio and video channels to all other endpoints in the conference. The MC may control which endpoint or endpoints are actively multicasting audio and/or video (for example by using the FlowControlCommand on either channel). )
尽管H.323协议对组播有所定义，但却并没有被视频会议厂家所广泛采纳，并没有几家实际去实施，这是个十分有趣的现象。探其原因，恐怕是与卫星通信网不争气有关。
如前所述，按需的网状组播要求卫星通信网必须是真正的网状网，这样才能支持每个远端站发射和接收全网组播，即全网状网。可说起来容易做起来难，这对于卫星通信网的要求实在是太高了，没有几家能支持得了，所以视频会议厂家也就无意去费力组播了。
后记-3：应用前景
尽管技术先进，性能优越，给用户带来的益处多多，但按需的网状组播型视频会议的应用前景却并不乐观，因为这种方式并不是对所有各方都有利。某些生产卫星通信设备，尤其是SCPC Modem的厂家，以及提供带宽服务的卫星公司都会受到负面的影响。
这里以1个主席会场和10个分会场召开视频会议为例：
如果采用SCPC技术，原本在主席会场站点需要配置10个Modem，现在却只需要1个了；
如果采用MCPC(多路单载波)技术，原本在主席会场站点需要配10个解调器，现在也只需要1个了；
l如果采用SCPC技术，原本在卫星上需要 20个单位(10对儿)带宽，现在最多却只需11个单位带宽(主席会场+11个分会场画面)，或最少只需2个单位带宽(主席会场+1个分会场画面)了。
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