基于DVB的卫星宽带网络
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随着Internet业务的迅速增长,商业网络逐渐向基于TCP/IP因特网协议的分组交换型网络发展,如何利用卫星通信系统提供大容量数据传输日益受到人们的普遍关注。
在上世纪90年代提出的DVB(Digital Video Broadcasting,数字视频广播)标准提供了一套完整的适合于卫星、电缆和地面等传输媒介的数字电视广播系统规范。它采用MPEG2-TS传输流小包作为“数据容器”,不但可传送压缩的图像、声音,还提供了对数据传输的良好支持,可以在数字电视广播信道上传输数据业务。
利用基于DVB的卫星宽带网络实现数据传输,系统用户端接收机价格较低,且能够实现数据业务和电视业务集成,相比其它卫星数据传输系统更具有吸引力。目前,全球已经普遍采用DVB-S作为卫星数字视频广播标准。
单向卫星广播系统
早期的卫星DVB系统只支持DVB-S单向广播业务。如图1所示,整个系统由用户终端、地面主站和卫星组成,为了支持用户请求等信息的传送,在用户和主站之间可以采用地面通信线路(如电话线路)建立回传通路。
主站中通过网关负责经过卫星链路的业务和来自用户反向链路数据的选路,并完成数据链路控制、数据封装、信道分配等功能。IP分组经网关封装后,经过加扰、复用以及调制,发送到卫星信道。用户终端装置则由接收天线、机顶盒、PC机等组成,执行解调、解扰、解复用、IP分组重组及内部寻路等操作。
系统协议栈见图2,上行链路采用PPP协议,下行链路采用DVB多协议封装(MPE),由网关完成协议转换。如果传输层采用TCP用于可靠的数据传输,会遇到标准TCP协议在GEO卫星信道中的“长肥管道”问题,为提高链路带宽利用率,需要对TCP协议进行改进,如窗口扩大、选择性确认等。
在从业务提供商到用户的前向链路,是采用多协议封装(MPE)方式把IP分组封装成一系列MPEG2-TS小包。图3是传输层采用UDP的IP分组的封装过程。
将IP数据报进行分段,拆分为不大于1008字节的数据单元,对IP数据报进行多协议封装。按照MPE规范所示的数据报分段(Datagram-section)填充方式完成MPE头12字节的填充。在此期间要从IP报头中提取目的IP地址,并将其映射为相应的目的MAC地址。然后将IP数据报封装入MPE的有效载荷中,对整个MPE的数据报分段(Datagram-section)进行CRC-32校验编码,并将校验结果附于MPE有效载荷之后。
最后将MPE数据报分段(Datagram-section)封装为188字节的MPEG-2 TS小包。MPEG-2 TS小包由4字节的包头和184字节的有效载荷组成,其中4字节的包头由同步字段、载荷开始指示字段、PID字段等8个字段组成。PID字段是标识TS小包性质的重要字段,TS小包有效载荷中所传送的不同类型数据(视频、音频、特定数据、系统信息等),对应着不同的PID值。对于MPEG-2 TS的空余有效载荷用0xFF进行填充(Stuffing)。下一报文指针NMP(Next Message Pointer)用于指示新DVB-MPE数据报分段的开始位置。
交互式卫星广播系统
早期的DVB系统由于是单向广播方式,在操作性和通信质量等方面存在很大缺陷,因此,欧洲电信标准协会ETSI发布了交互信道标准,通过专用的双向交互信道,可以构造基于GEO卫星的交互网络。
图4是采用DVB-S广播信道和DVB-RCS交互信道构成的卫星交互网络系统结构图,系统由卫星(SAT)、业务提供者(Feeder Station)、回传信道卫星终端(RCST:Return Channel Satellite Terminal)以及网关站(Gateway Station)和网络控制中心(NCC)组成。
在系统中,从业务提供者到用户之间是一条单向的广播信道,采用DVB-S标准,用于传输视频、音频和数据。为了做到用户和业务提供者之间的信息交互,又在两者之间定义了一条双向的交互信道,从用户到业务提供者的为回传交互路径(Return Interaction Path),用于发送请求给业务提供者、应答或传送数据;从业务提供者到用户的为前向交互路径(Forward Interaction Path),这条路径可以嵌入到广播信道中,在一些简单系统中也可以省去这条信道,直接采用广播信道发送数据到用户。
前向交互路径采用DVB-S标准,其协议栈见图5(a)。对于IP分组,采用DVB多协议封装(MPE)进行分段,然后装入到MPEG2-TS包中;对ATM则采用数据管道(Data Piping)模式直接把ATM信元装入MPEG2-TS包中进行传输,可以省去额外的开销。
回传交互路径协议栈见图5(b)。ETSI的标准中,DVB-RCS信道可以采用两种MF-TDMA突发形式:第一种基于ATM和AAL5,由Natm(1、2或4)个53字节的ATM信元组成;第二种基于DVB和多协议封装MPE,此时一个业务突发可包含1或2N个MPEG2-TS分组(188字节长),N的取值可以从1到12。
对于RCST终端,有A和B两种类型可以使用。其中,A类型只支持IP业务;B类型作为可选标准,可同时支持ATM业务和IP业务。
回传路径多址接入采用多频时分多址(MF-TDMA)方式,载波频率和分配带宽都可以灵活适应多变的多媒体传输要求,而且时隙和突发速率都可以根据网控中心的要求来改变。DVB-RCS一个回传载波速率一般在64kb/s～2Mb/s之间,根据需要可以用多个载波进行组合,以提高回传速度。MF-TDMA又可以分为固定时隙MF-TDMA和动态时隙MF-TDMA(可选)。对于作为可选方式的动态时隙MF-TDMA来说,RCST在连续突发之间可以改变传输速率和编码速率,这样就能够更加高效的适应多媒体业务速率变化特性,增加灵活性。
回传路径中时隙的分配有如下五种方式:
(1)恒定速率分配(CRA,Continuous Rate Assignment);
(2)基于速率的动态分配(RBDC,Rate Based Dynamic Capacity);
(3)基于通信量的动态分配(VBDC,Volume Based Dynamic Capacity);
(4)绝对的基于通信量的动态分配(AVBDC,Absolute Volume Based Dynamic Capacity);
(5)自由分配(FCA, Free Capacity Assignment)。
物理层中的信息数据和MAC层数据封装成突发,进行扰码和纠错编码,再进行QPSK调制。在RCS中,有两种纠错码可以采用:Turbo码或级联码。
综合广播交互系统(IBIS)
上面提到的两种卫星传输标准DVB-S和DVB-RCS都是应用于没有任何星上再生能力的透明卫星环境中。而综合广播交互系统(Integrated Broadcast Interaction System,IBIS)则是把这两种标准集成到一个具有星上处理和星上交换功能的的多波束卫星系统中,在任意两个波束之间可以进行全交叉连接。
在IBIS系统中(协议栈见图6),上行链路兼容DVB-RCS标准(EN 301 790),允许用户使用标准的RCST站,节省了终端方面的费用。个人用户和广播者可以通过卫星的任意上行波束覆盖,采用MF-TDMA方式接入卫星。而下行链路则完全兼容DVB-S标准(EN 300 421),基于MPEG2-TS传输包。为了避免星上协议转换和再封装,IBIS上行链路采用MPEG2-TS封装。
IBIS最主要的特性是通过上行链路和下行链路之间的全交叉连接,可以实现把任意上行波束数据转发到任一下行波束中。这需要卫星对收到的上行DVB-RCS数据进行解调、解码及分接以进行交换,再重新把数据复用到相应的DVB-S格式的下行链路数据流中。星上交换和复用按照动态的复用表进行,每一条下行链路都有一个复用表。通过再生信令信道,允许星上分组级快速电路交换对该复用表进行重新快速配置。
系统信令信道(如图7所示)采用星形结构,主要用于登录、同步以及资源请求。卫星通过信令信道进行快速配置和公共星上处理
(OBP)管理,业务提供者和用户也可用它来和控制中心(NCC)联系。
集中的资源管理和对称的用户结构,使IBIS系统非常适合于构造单跳的、信令采用星形拓扑的网状网络。相比透明卫星的DVB-RCS,IBIS系统在源和目的站点之间传输实时业务只需一跳,大大减小了延时,使VoIP、视频会议等实时业务的QoS得到保证,并且对带宽的需求也减少了一半。基于36MHz转发器,IBIS系统上行频率可以最多分成72个载波,每个的传输速率(Transmission Rate)为1Rs(327.8kSym/s),采用QPSK调制时信息速率为518.4kb/s。系统支持五种传输速率,分别是1Rs、2Rs、4Rs、8Rs和16Rs。最大传输速率为5244kSym/s(信息速率为8294kb/s)。IBIS系统上行链路帧长69.632ms。时隙可按需分配,最大限度地提高信道利用率。
总结
DVB标准不但提供对视频和音频的良好支持,还定义了完善的数据传输支持规范。但DVB-S只提供单向数据广播,用户的请求和反馈等信息只能通过另外的渠道如地面通信网PSTN等传给业务提供者,后来ETSI发布了双向的回传信道标准DVB-RCS,可以构建交互式的卫星通信网络。但是DVB-S和DVB-RCS都是为透明卫星定义的,而IBIS系统则把这两个标准融合进一个多波束的带星上处理和星上交换功能的再生型卫星上。通过多波束和星上交换,实时业务可以实现单跳传输,使时延大大缩短,也同时节省了带宽需求。
近年来,卫星数字直播技术在国际上发展很决,DVB-S标准已经被全球所广泛采用。我国幅员辽阔,地形复杂,利用卫星视频广播系统不但可以进行电视广播,还可构造宽带卫星多媒体传输网络。这些优势使DVB卫星数字广播系统有着极为广阔的发展前景。
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