基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet技術(shù)

摘　要：Internet的快速發(fā)展，使他已陷入了自身難以克服的困境，這種困境主要來自于骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、服務(wù)器三種瓶頸。而衛(wèi)星通信與Internet的結(jié)合能有效地解決目前的這種困境。本文介紹了基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)，并引入了2種現(xiàn)有成熟的Internet接入技術(shù)：VSAT接入方式和VSAT與CATV結(jié)合接入方式。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星Internet；DVB/MPEG-2；廣播通信；VSAT

Internet應(yīng)用的迅速推廣，使他陷入了自身難以克服的困境。這是因為Internet是一個“網(wǎng)間網(wǎng)”，他是由許許多多IP自治域系統(tǒng)通過互聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳輸帶寬的增加、交換速度的提高以及流量工程的引入，并沒有從根本上改變傳遞信息過程中的多跳、存儲轉(zhuǎn)發(fā)和點到點傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ�，因而阻塞現(xiàn)象的發(fā)生在所難免。不僅如此，這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容分布2個方面都具有不平衡性。一方面，發(fā)達地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施較為健全，而邊遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施稀少；另一方面，信息內(nèi)容主要集中在少數(shù)發(fā)達國家和地區(qū)，IDC的大規(guī)模建設(shè)和流媒體的涌現(xiàn)將加劇這種不平衡性。加之，Internet的大規(guī)模商用化、網(wǎng)上內(nèi)容特別是流媒體的爆炸性增長，給Internet帶來了骨干網(wǎng)阻塞、遠(yuǎn)程接入困難、內(nèi)容分發(fā)／傳遞速度慢等諸多問題。這種困境主要來自于骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、服務(wù)器三種瓶頸。

Internet的結(jié)構(gòu)決定其不對稱性，而衛(wèi)星通信網(wǎng)具有廣播特性，上、下行鏈路也不對稱，且具有空間跨越大、覆蓋面積大、遠(yuǎn)程連接、直接一次投送到戶、實時傳輸?shù)葍?yōu)點，而這正是目前Internet所需求的。因此，衛(wèi)星通信是Internet的重要補充，兩者的結(jié)合是技術(shù)上的必然趨勢，即衛(wèi)星Internet。

1　衛(wèi)星Internet的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用

將基于VSAT系統(tǒng)、以IP為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，以Internet應(yīng)用為服務(wù)對象，能夠成為Internet的一個組成部分，并能夠獨立運行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)稱為衛(wèi)星Internet。從圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，衛(wèi)星Internet由一個專用的數(shù)據(jù)中心和一個星狀的VSAT衛(wèi)星網(wǎng)構(gòu)成。

數(shù)據(jù)中心的主要功能是：

（1）信息處理　即信息內(nèi)容的獲取、接收、存儲、封裝、發(fā)布。

（2）系統(tǒng)管理　包括用戶管理、用戶認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)管理、計費。

衛(wèi)星網(wǎng)的主要功能是：

（1）雙向通信　即為遠(yuǎn)程用戶提供Internet接入服務(wù)。

（2）單向廣播　完成數(shù)據(jù)廣播、組播和投遞。

（3）交互式通信　介于雙向通信和單向廣播之間。

非對稱性配置的衛(wèi)星信道和內(nèi)容豐富的Internet是交互式應(yīng)用的發(fā)展動力，一般通過地面網(wǎng)來實現(xiàn)。

衛(wèi)星Internet是以衛(wèi)星線路為物理傳輸介質(zhì)的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在IP層和物理層之間的鏈路層協(xié)議是DVB/MPEG-2。這樣，衛(wèi)星Internet在體系結(jié)構(gòu)上就形成了衛(wèi)星，DVB，IP，TCP和應(yīng)用5個層次。

DVB系統(tǒng)是基于由MPEG-2定義的面向信元的分組傳輸系統(tǒng)。MPEG-2數(shù)據(jù)流從一個發(fā)送端到一組接收端之間以數(shù)字形式傳輸音頻、視頻和數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)內(nèi)部的信令信息也以表格方式傳送給接收端。MPEG-2傳輸流（TS）信元的固定長度為188 B，其中包括4 B的報頭和184 B的凈荷。在TS信元報頭中有13 b的分組標(biāo)示符（PID），用于確定虛擬的廣播信道；凈荷可以用幾種格式表示，流格式通常用于音視頻的傳輸，而數(shù)據(jù)格式則用于傳輸TCP／IP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被封裝在MPEG-2數(shù)據(jù)包中。184 B凈荷中的12 B用來標(biāo)識數(shù)據(jù)，其中6 B是多媒體訪問控制（MAC）地址，允許發(fā)送方將數(shù)據(jù)傳輸給指定的接收方。DVB通過擴充MPEG-2的復(fù)用部分和業(yè)務(wù)信息說明等功能，提供了視頻、音頻和數(shù)據(jù)復(fù)用的集成傳輸機制，使得DVB系統(tǒng)成為集視頻、音頻和數(shù)據(jù)于一體的多媒體系統(tǒng)。

衛(wèi)星Internet的網(wǎng)絡(luò)層為標(biāo)準(zhǔn)的IP，通過數(shù)據(jù)封裝/復(fù)用，將原始IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DVB/MPEG-2傳輸流（TS），從而使DVB成為支持Internet應(yīng)用的一種重要載體，其中IP封裝器構(gòu)成了溝通IP和DVB之間的橋梁。DVB標(biāo)準(zhǔn)的制定，對Internet和廣播電視網(wǎng)的融合、特別是對衛(wèi)星Internet的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動作用。

DVB定義了衛(wèi)星、有線、地面無線3大傳輸媒體中的信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)，以及與其他網(wǎng)絡(luò)的接口，分別形成DVB-S，DVB-C，DVB-T三個系列標(biāo)準(zhǔn)。圖2給出了DVB/MPEG-2的協(xié)議模型。

基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet,通過54 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器可獲得45 Mb／s左右的數(shù)據(jù)傳輸速率，加之其廣播和復(fù)用功能，使衛(wèi)星Internet成為一種全新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)。衛(wèi)星Internet具有VSAT，ISP，音頻和視頻廣播等多種屬性，他橫跨電信，Internet和廣播電視三大行業(yè)，可進行交互式應(yīng)81用，通過地面網(wǎng)絡(luò)的外交互和衛(wèi)星線路的內(nèi)交互進行交互式應(yīng)用，克服了Internet的瓶頸。

基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet可提供以下應(yīng)用：

（1）Internet接入　根據(jù)用戶的需求，可分別通過地面網(wǎng)絡(luò)（外交互）和衛(wèi)星線路（內(nèi)交互）回傳。

（2）多媒體廣播　典型應(yīng)用有Web內(nèi)容投遞、商務(wù)電視、流式音視頻、軟件分發(fā)、遠(yuǎn)程教學(xué)等。

（3）交互式應(yīng)用　典型應(yīng)用有視頻點播、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上游戲等。

2　衛(wèi)星Internet的關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星Internet既是Internet的延伸和補充，又是Internet的強化系統(tǒng)，他的出現(xiàn)加快了通信多媒體化、個性化服務(wù)的進程。音視頻的數(shù)字化、Internet的媒體化、衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)化，使得Internet寬帶接入、數(shù)字衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)、交互式電視以及內(nèi)容投送的界限越來越模糊。衛(wèi)星Internet是數(shù)字音視頻、衛(wèi)星直播、Internet的有機結(jié)合，他為一系列新的應(yīng)用提供了統(tǒng)一的服務(wù)平臺，這需要以下關(guān)鍵支撐技術(shù)。

2．1　TCP／IP

由于衛(wèi)星信道為典型的“長寬信道”（Long－Fat channel），往返時延（RTT）較大，在衛(wèi)星Internet中，如果不對TCP／IP協(xié)議加以擴展改進，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的“管道效應(yīng)”，影響其傳輸效率和吞吐性能。對TCP／IP協(xié)議進行一系列的擴展改進，可以從幀結(jié)構(gòu)改進、選擇性ARQ、慢啟動后的時遲ACK、選擇性ACK、前向ACK、ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化、窗口尺寸設(shè)計等方面入手。例如，針對TCP確認(rèn)信息的擁塞問題，就可以采用ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化以減少返回路徑的傳輸量；為了克服TCP在衛(wèi)星環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)擁塞窗口太小和用于擁塞避免的慢啟動時間太長的缺點，可以采用增大初始窗口、改變窗口縮放比例、選擇性ACK方法，同時進行幀結(jié)構(gòu)的改進，盡可能地發(fā)送大的分組，減小報頭開銷；采用欺騙（Spoofing）之類TCP／IP協(xié)議變換形式的網(wǎng)關(guān)技術(shù)，可使吞吐性能獲得數(shù)倍的改進。

2．2　條件接收

衛(wèi)星廣播的特點決定了衛(wèi)星Internet的商業(yè)應(yīng)用需要有效的訪問控制技術(shù)，以防止非法接收，進而實現(xiàn)有償服務(wù)。DVB的條件接收（CA）技術(shù)提供了一種有效的方式，他包括加擾和加密2個部分。加擾是用控制字將圖像、語音和數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)打亂形成加擾信號；用授權(quán)系統(tǒng)（SAS）產(chǎn)生的授權(quán)密鑰對控制字進行加密，形成授權(quán)控制信息（ECM），再用SAS產(chǎn)生的、與接收機惟一的地址碼相對應(yīng)的分配密鑰對授權(quán)密鑰進行進一步的加密，形成授權(quán)管理信息（EMM）。最后加擾信號與ECM，EMM一起被復(fù)用到傳輸流之中，用戶通過PID識別，依次解碼得到控制字，最終實現(xiàn)對加擾信號的解擾，以達到接收信號的目的。

2．3　交互操作

介于通信和廣播之間的交互式應(yīng)用是未來網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展方向之一。要實現(xiàn)基于衛(wèi)星的交互式應(yīng)用，推廣寬帶衛(wèi)星通信，就必須開發(fā)交互式標(biāo)準(zhǔn)。目前的衛(wèi)星交互解決方案雖然不少，但是技術(shù)體制上千差萬別。DVB-RCS（具有回傳信道的DVB系統(tǒng)）就是為基于衛(wèi)星信道的交互式應(yīng)用而定義的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DVB- RCS中的關(guān)鍵技術(shù)是MF-TDMA（多頻時分多址）突發(fā)調(diào)制技術(shù)MF-TDMA的優(yōu)勢在于，載波頻率和分配帶寬都可以靈活適應(yīng)多變的多媒體傳輸要求，而且時隙和突發(fā)速率都可以根據(jù)網(wǎng)控中心的要求來改變。

一個回傳載波速率一般在64k～2M b／s之間，根據(jù)需要可以用多個載波進行組合，以提高回傳速度。由于Ku，Ka波段都可能應(yīng)用于交互式多媒體通信中，為了克服雨衰的影響，要求衛(wèi)星交互式終端具有一定的上行功率控制（UPC）能力。

DVB-RCS只是終端和前端之間的無線接口標(biāo)準(zhǔn)。要真正實現(xiàn)人機交互，還需要終端設(shè)備具有一定的信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力，而且，必須制定通用的應(yīng)用程序接口（API）標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)。DVB的多媒體家庭平臺（MHP）就是為交互式數(shù)字電視、Internet訪問而制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。MHP有資源、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序3個邏輯層次，其中位于系統(tǒng)軟件層的、基于JAVA規(guī)范的虛擬機（VM）構(gòu)成了MHPAPI的基礎(chǔ)。

2．4　數(shù)據(jù)緩存

緩存（cache）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于ISP服務(wù)中，通過緩存不僅可以節(jié)省出口帶寬，而且可以大大提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度。對于衛(wèi)星Internet的寬帶接入應(yīng)用，通常需要在前端和遠(yuǎn)端設(shè)置兩級緩存，只有這樣才能使相對昂貴的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬利用率更高。雙層緩存的采用不僅起到網(wǎng)絡(luò)加速作用，同時也是個性化服務(wù)的必要基礎(chǔ)，前端緩存可以按照遠(yuǎn)端用戶的需要，預(yù)先將相關(guān)內(nèi)容推送到遠(yuǎn)端緩存服務(wù)器中。其中前端緩存是整個緩存系統(tǒng)的核心，不僅需要采用Internet緩存（ICP）、緩存陣列路由（CARP）等協(xié)議以保證緩存服務(wù)器的處理和存儲能力，同時需要建立某種算法以確定何時、從何地獲取和推送內(nèi)容。為此，兩級緩存之間也需要建立某種協(xié)作機制，以使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬需求和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力得到最佳匹配。除了寬帶接入應(yīng)用以外，數(shù)據(jù)緩存也是內(nèi)容投送、數(shù)據(jù)廣播、交互式應(yīng)用等衛(wèi)星Internet服務(wù)的必要基礎(chǔ)。

3　衛(wèi)星Internet的接入方式

3．1　VSAT系統(tǒng)

VSAT系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用促進了衛(wèi)星通信的發(fā)展，他把衛(wèi)星高速寬帶廣播的特點擴展到Internet的應(yīng)用中，為眾多新應(yīng)用提供了有效的解決方案。實際上，VSAT系統(tǒng)早已成為Internet的一部分，他在Internet接入方面的應(yīng)用主要有以下幾種方式：

（1）為大型ISP提供遠(yuǎn)程Internet連接　Internet的現(xiàn)狀決定了其ISP需要不對稱的線路方案，而衛(wèi)星VSAT恰恰符合這一不對稱需求。

（2）將Internet延伸到邊遠(yuǎn)地區(qū)　要將Internet用光纖延伸到邊遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)，在短時間內(nèi)幾乎是不可能的，而VSAT可以做到這一點，因此發(fā)展VSAT系統(tǒng)比較符合我國國情。

（3）直接連到計算機（Direct to PC或PCVSAT）衛(wèi)星通過點到多點連接方式將ISP服務(wù)器直接連到用戶計算機，使眾多公司無論大小，甚至個人用戶，均可利用空間數(shù)據(jù)通信的強大功能。

3．2　VSAT與CATV的結(jié)合

為了尋求一種網(wǎng)速快、費用低、投資少、見效快的上網(wǎng)途徑，有人提出了VSAT網(wǎng)與有線電視（CATV）網(wǎng)相結(jié)合的Internet接入方式。

有線電視網(wǎng)的HFC網(wǎng)絡(luò)是采用光纖和同軸電纜混合鋪設(shè)的，具有成本低、信號質(zhì)量好、頻帶寬的特點，而且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也比較普及，是家庭用戶高速、快捷上網(wǎng)的一種新途徑。CATV與VSAT結(jié)合時，由于Internet用戶使用最多的操作是瀏覽WWW站點，具有下行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于上行數(shù)據(jù)量的特點，所以CATV仍采用當(dāng)前的單向傳輸，VSAT也采用單向廣播傳輸，而用戶的上行數(shù)據(jù)通過地面Internet傳送給ISP，這樣就構(gòu)成了一條完整的雙向數(shù)據(jù)通路。采用這種方式，有線臺就只需下行衛(wèi)星站而不必建立上行衛(wèi)星站，而CATV網(wǎng)也不必進行雙向改造，這就大大降低了資金的投入，也大大地縮短了建網(wǎng)的時間。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4　結(jié)　語

信息網(wǎng)絡(luò)正在朝著天地一體、全球覆蓋、無縫連接方向發(fā)展，未來的通信形式將是多媒體、個性化、隨時隨地的，其中中低軌、直播之類的衛(wèi)星通信新技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵的作用。而發(fā)展基于衛(wèi)星通信的衛(wèi)星Internet，對于多媒體通信、信息服務(wù)以及互聯(lián)網(wǎng)本身都具有極其重要的意義。

而要真正實現(xiàn)衛(wèi)星Internet的全球覆蓋，首先國家的信息產(chǎn)業(yè)管理體制和產(chǎn)業(yè)政策做出相應(yīng)的調(diào)整以規(guī)范日益增長的市場需求和促進新技術(shù)的應(yīng)用；其次是設(shè)法使衛(wèi)星Internet接入設(shè)備的費用和服務(wù)費降到最低，并能不斷推出新業(yè)務(wù)以增強與地面網(wǎng)絡(luò)的競爭能力；進一步考慮，可以用寬帶衛(wèi)星技術(shù)來取代造價昂貴的光纖技術(shù)，這已成為ISP研究和解決的重大課題。

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作者

馮曉超，王登林（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院　江蘇　南京　210007）