浅谈中国气象局卫星广播系统(CMACast)的设计

042043Satellite&Network7Aug2013浅谈中国气象局卫星广播系统（CMACast）的设计+刘然、李春来、蒋克俭、陈永涛国家气象信息中心SelectedPapers论文选登CMACast是中国气象局新一代气象资料卫星数据广播系统的简称，该系统建设于2010年，目前已投入业务运行。它是对中国气象局现有的三套卫星数据广播系统的整合和升级，涵盖了原有三套系统的全部数据资料及用户。CMACast系统利用先进的标准，广播速率和系统容量巨大，同时该系统还采用了高效的文件处理机制和播发策略设计，并进行了数据加密和接收授权机制的设计。其系统播发能力及架构设计均处于国内领先水平。关键词：卫星广播、CMACast、系统设计、DVB-S2CMACast是中国气象局新一代气象资料卫星数据广播系统的简称，2011年底投入业务运行。它是对中国气象局原有的三套卫星数据广播系统：中国气象局卫星单向数据广播系统（PCVSAT）、DVB-S卫星单向数据广播试验系统和FENGYUNCast气象卫星数据广播系统的整合和升级。CMACast涵盖了原有三套系统的全部数据资料及用户，并利用先进的DVB-S2标准，提供高达70Mbit/s速率的数据广播。一、CMACast系统设计1.主要功能该系统使用亚洲四号卫星C频段频率资源，可覆盖中国全境及绝大部分亚太地区，最西端可覆盖到伊朗，最东端可覆盖到新西兰。下图是CMACast的系统数据流程。CMACast系统可提供数据文件广播、流媒体广播等服务。其中数据文件广播可分为12类，每类包含多个逻辑通道，通道总数达200余个，总数据量达400GB字节/日。同时，借助CMACast的流媒体广播能力，用户可以在接收端实时收看到中国气象频道、中国气象局天气预报会商以及各类会议、培训的直播。下图所示为CMACast提供的资料展示。2.总体构成CMACast广播系统采用星形组网结构，由位于北京的卫星主站和两千余个卫星接收小站组成。卫星主站按预定的播发策略，对文件及流媒体进行编码、加密后形成IP组播流，经过IP封装机封装后，按照DVB-S2标准进行调制后上星播发。在小站接收端，DVB-S2卫星数据接收机将接收到的信号还原为IP组播流后输出给小站接收服务器，由专用的接收软件实现文件及多媒体节目的接收和存储，并通过数据推送的方式实现与小站端其他气象业务系统的衔接。下图所示为CMACast系统总体结构。（1）主站系统结构CMACast主站系统包括播发平台和北京卫星地面站两部分，其中播发平台包括播发服务器组、网管服务器组、IP封装机、DVB-S2卫星调制器等设备。播发服务器根据相应的播发策略将不同类型的气象资料封装为IP组播流，同时进行数据加密和加扰。经过复用和加密的IP组播流数据，通过IP封装机和DVB-S2调制器形成IPOverDVB-S2数据流，并经过L频段光端机传输给北京卫星地面站。北京卫星地面站包括L频段光端机及天线、伺服系统、室外单元（ODU）等设备。经过L频段光端机传输的段信号在此发射给亚洲四号卫星。图1CMACast系统数据流程图图2CMACast资料服务展示图3CMACast系统总体结构042043Satellite&Network7Aug2013浅谈中国气象局卫星广播系统（CMACast）的设计+刘然、李春来、蒋克俭、陈永涛国家气象信息中心SelectedPapers论文选登CMACast是中国气象局新一代气象资料卫星数据广播系统的简称，该系统建设于2010年，目前已投入业务运行。它是对中国气象局现有的三套卫星数据广播系统的整合和升级，涵盖了原有三套系统的全部数据资料及用户。CMACast系统利用先进的标准，广播速率和系统容量巨大，同时该系统还采用了高效的文件处理机制和播发策略设计，并进行了数据加密和接收授权机制的设计。其系统播发能力及架构设计均处于国内领先水平。关键词：卫星广播、CMACast、系统设计、DVB-S2CMACast是中国气象局新一代气象资料卫星数据广播系统的简称，2011年底投入业务运行。它是对中国气象局原有的三套卫星数据广播系统：中国气象局卫星单向数据广播系统（PCVSAT）、DVB-S卫星单向数据广播试验系统和FENGYUNCast气象卫星数据广播系统的整合和升级。CMACast涵盖了原有三套系统的全部数据资料及用户，并利用先进的DVB-S2标准，提供高达70Mbit/s速率的数据广播。一、CMACast系统设计1.主要功能该系统使用亚洲四号卫星C频段频率资源，可覆盖中国全境及绝大部分亚太地区，最西端可覆盖到伊朗，最东端可覆盖到新西兰。下图是CMACast的系统数据流程。CMACast系统可提供数据文件广播、流媒体广播等服务。其中数据文件广播可分为12类，每类包含多个逻辑通道，通道总数达200余个，总数据量达400GB字节/日。同时，借助CMACast的流媒体广播能力，用户可以在接收端实时收看到中国气象频道、中国气象局天气预报会商以及各类会议、培训的直播。下图所示为CMACast提供的资料展示。2.总体构成CMACast广播系统采用星形组网结构，由位于北京的卫星主站和两千余个卫星接收小站组成。卫星主站按预定的播发策略，对文件及流媒体进行编码、加密后形成IP组播流，经过IP封装机封装后，按照DVB-S2标准进行调制后上星播发。在小站接收端，DVB-S2卫星数据接收机将接收到的信号还原为IP组播流后输出给小站接收服务器，由专用的接收软件实现文件及多媒体节目的接收和存储，并通过数据推送的方式实现与小站端其他气象业务系统的衔接。下图所示为CMACast系统总体结构。（1）主站系统结构CMACast主站系统包括播发平台和北京卫星地面站两部分，其中播发平台包括播发服务器组、网管服务器组、IP封装机、DVB-S2卫星调制器等设备。播发服务器根据相应的播发策略将不同类型的气象资料封装为IP组播流，同时进行数据加密和加扰。经过复用和加密的IP组播流数据，通过IP封装机和DVB-S2调制器形成IPOverDVB-S2数据流，并经过L频段光端机传输给北京卫星地面站。北京卫星地面站包括L频段光端机及天线、伺服系统、室外单元（ODU）等设备。经过L频段光端机传输的段信号在此发射给亚洲四号卫星。图1CMACast系统数据流程图图2CMACast资料服务展示图3CMACast系统总体结构044045Satellite&NetworkSelectedPaper论文选登7Aug2013图4是CMACast主站系统的设备连接图。（2）小站系统结构CMACast小站接收系统包括小站C频段天线、LNB设备、DVB-S2卫星接收机、小站USB-Key以及小站接收计算机，下图是CMACast小站设备的典型构成图。CMACast小站接收系统使用DVB-S2卫星数据接收机还原出主站播发的IP组播流，并向小站接收计算机输出。在小站接收计算机上，接收软件用USB-Key信息与主站下发的授权信息进行比对，对授权接收的IP组播流进行解密和解扰，从而恢复出数据文件并存储。接收软件还可根据用户设定，将相应的文件推送给小站的其他应用系统。二、关键技术如前文所述，CMACast是在中国气象局现有的三套卫星广播系统的基础上发展起来的。它的建设主旨是满足中国气象局日益增长的海量气象资料和预报产品向省、地市、县级气象部门高时效分发的需要。因此在CMACast系统建设过程中，它借鉴了原有三套系统的成功经验，同时针对原有系统的不足引入了若干关键技术加以完善。下面将着重对CMACast所采用的几大关键技术进行介绍。1.基于DVB-S2标准设计的卫星数据广播系统随着中国气象部门观测手段的发展以及预报水平的提高，各类气象观测资料及预报产品正在逐年递增。据统计，目前每天可下发的气象资料已达300～400GB字节，而且今后该数字还将不断增加。以每天400GB的数据量来计算，其所需的实际信息速率约是37Mbit/s，如果再考虑多媒体节目广播的流量，信息速率至少应达到40Mbit/s以上。再加上纠错编码及协议封装等开销等因素，系统播发所需的信息速率将超过60Mbit/s。按此计算，中国气象局现有的三套卫星广播系统已经远远不能满足需要。为此CMACast系统采用了DVB-S2标准，该标准是DVB-S标准的升级和改进。中国气象局原有的广播系统中均采用了DVB-S标准，但DVB-S标准仅支持QPSK调制方式，这直接限制了其所能达到的信息速率。以Ku频段54MHz卫星整转发器为例计算，基于常用的QPSK3/4的DVB-S标准卫星系统其最大信息速率可达到54/1.35*3/4*2*188/204=55.2Mbit/s，但该速率已经基本达到了DVB-S系统卫星整转发器情况下的信息速率极限。而对于DVB-S2标准，由于其引入了8PSK、16QAM等高阶调制技术，在同等转发器带宽条件下，使用DVB-S2标准的8PSK5/6所能获得的信息速率较之DVB-S可提高50%以上。以此来计算，CMACast系统使用C频段36MHz整转发器，采用DVB-S28PSK5/6获得的信息速率为74Mbit/s，且由于DVB-S2标准对于高阶调制技术的支持，系统的信息速率今后还有进一步提高的余地，足以在今后较长一段时间内满足中国气象局气象资料卫星数据广播的需要。2.符合DVB-S2标准的，具备70Mbit/s以上IP数据吞吐量的卫星接收机CMACast采用DVB-S2标准，这就要求在小站接收端必须有符合DVB-S2标准的接收设备。同时由于CMACast的信息速率达到64Mbit/s，因此小站接收机设备还必须能够具备至少64Mbit/s的IP数据的吞吐能力。CMACast建设始于2010年，当时尽管DVB-S2标准已经非常成熟，全世界已有很多符合该标准的卫星通信系统问世，但业界既支持DVB-S2标准同时又具备64Mbit/s以上的IP吞吐能力的卫星接收设备几乎难觅其踪，仅有的一两款设备也都是进口产品，存在价格昂贵，通用性不强等问题。为此，国家气象信息中心与国内几家卫星通信设备制造商联合进行了CMACast小站接收机的研制，并对研制完成的产品进行了功能、性能及稳定性测试，测试结果证明该接收机符合DVB-S2标准，IP吞吐能力可达到70Mbit/s，同时它还支持snmp协议，具备较强的设备远程维护和管理能力，而其设备价格仅为国外同类产品的几分之一。目前全国气象部门两千余个小站均以开始使用这种小站卫星接收机，接收效果良好，既满足了CMACast图4CMACast系统主站结构图图5典型的CMACast系统小站组成在建设之初，除CMACast系统之外，国内尚没有基于DVB-S2标准的、信息速率达到70Mbit/s的卫星数据广播系统的成功案例。因此，CMACast卫星广播系统的建设完成为今后其他类似系统的建设提供了非常宝贵的经验。044045Satellite&NetworkSelectedPaper论文选登7Aug2013图4是CMACast主站系统的设备连接图。（2）小站系统结构CMACast小站接收系统包括小站C频段天线、LNB设备、DVB-S2卫星接收机、小站USB-Key以及小站接收计算机，下图是CMACast小站设备的典型构成图。CMACast小站接收系统使用DVB-S2卫星数据接收机还原出主站播发的IP组播流，并向小站接收计算机输出。在小站接收计算机上，接收软件用USB-Key信息与主站下发的授权信息进行比对，对授权接收的IP组播流进行解密和解扰，从而恢复出数据文件并存储。接收软件还可根据用户设定，将相应的文件推送给小站的其他应用系统。二、关键技术如前文所述，CMACast是在中国气象局现有的三套卫星广播系统的基础上发展起来的。它的建设主旨是满足中国气象局日益增长的海量气象资料和预报产品向省、地市、县级气象部门高时效分发的需要。因此在CMACast系统建设过程中，它借鉴了原有三套系统的成功经验，同时针对原有系统的不足引入了若干关键技术加以完善。下面将着重对CMACast所采用的几大关键技术进行介