DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)通信體制研究*

楊 華，黃 焱

（信息工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

1 DVB-RCS簡(jiǎn)介

DVB-RCS是針對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，推出的一套結(jié)合DVB廣播業(yè)務(wù)和VSAT雙向交互業(yè)務(wù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DVB-RCS采用DVB前向廣播和多頻時(shí)分多址(MF-TDMA)多點(diǎn)回傳的工作方式，由業(yè)務(wù)供應(yīng)商、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星以及終端子站等組成，其系統(tǒng)模型如圖1所示[1]。

網(wǎng)絡(luò)控制中心通過(guò)周期性發(fā)送控制信令，協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；業(yè)務(wù)供應(yīng)商主要提供數(shù)據(jù)、視頻、音頻等各種業(yè)務(wù)；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與網(wǎng)控信令的復(fù)用、發(fā)射，并支持與外部網(wǎng)絡(luò)的連接；單個(gè)用戶或者某一地區(qū)用戶的網(wǎng)絡(luò)代理終端都可以作為子站接入網(wǎng)絡(luò)。

2 DVB-RCS前向鏈路通信體制研究

2.1 前向鏈路傳輸系統(tǒng)概述

DVB-RCS前向鏈路傳輸系統(tǒng)符合DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)控信令通道的增加是DVB-RCS前向鏈路不同于普通DVB-S信號(hào)的顯著標(biāo)志，該通道以節(jié)目形式與其他DVB數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)在MPEG-2傳輸流中復(fù)用。DVB-RCS前向鏈路主要由前向信令通道（FLS）、RCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息通道（RCS MAP）以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道構(gòu)成。其傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 前向鏈路接收技術(shù)研究

基于DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星交互網(wǎng)，主站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC對(duì)各終端子站進(jìn)行管理、控制、信道分配及突發(fā)參數(shù)設(shè)置等。終端子站則是在接收主站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的同時(shí)，獲取和解析網(wǎng)控信令，進(jìn)行入網(wǎng)通信。

2.2.1 前向鏈路PSI分析

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)定義節(jié)目服務(wù)信息（PSI）結(jié)構(gòu)來(lái)記錄經(jīng)過(guò)傳輸流復(fù)用后的各個(gè)傳輸流分組的關(guān)系，PAT記錄復(fù)用傳輸流中包含的節(jié)目或通道總數(shù)以及每路節(jié)目所對(duì)應(yīng)PMT的PID號(hào)。PMT則反映節(jié)目中各基本流與節(jié)目之間的映射關(guān)系，記錄了節(jié)目中包含所有傳輸流分組的PID與數(shù)據(jù)類型。

RCS內(nèi)容描述符記錄了所在基本流構(gòu)成的傳輸流分組中，承載的RCS服務(wù)信息表的數(shù)目與表ID，同一基本流可承載多個(gè)RCS服務(wù)信息表，這些RCS服務(wù)信息在傳輸流分組中通過(guò)表ID區(qū)分。當(dāng)某基本流描述符中包含RCS內(nèi)容描述符，則表明該基本流為DVB-RCS網(wǎng)控信令或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息表數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說(shuō)明該P(yáng)MT所指示的節(jié)目為DVB-RCS前向鏈路信令通道或RCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息通道。

DVB-RCS前向鏈路中的網(wǎng)控信令與RCS映射表RMT一同被定義為DVB-RCS專用服務(wù)信息（SI），并在RCS內(nèi)容描述符中記錄。RMT語(yǔ)法結(jié)構(gòu)與NIT相似，其單獨(dú)構(gòu)成一路節(jié)目，反映DVB-RCS交互網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2.2 RCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)PSI分析，可以從DVB-S信號(hào)中提取出DVBRCS前向鏈路。對(duì)完成初步識(shí)別的DVB-RCS前向鏈路，還需要分析RMT表，進(jìn)一步了解其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

專用服務(wù)信息SI分段頭的64 byte中包括1 byte的Table_ID與2 byte的Network_ID。RMT的Table_ID為0x41，Network_ID為整個(gè)衛(wèi)星交互網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)。M字節(jié)的子網(wǎng)描述符循環(huán)體中包含若干子網(wǎng)描述符，每個(gè)子網(wǎng)描述符記錄DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)一個(gè)子網(wǎng)的傳輸流ID、所屬網(wǎng)絡(luò)ID以及子網(wǎng)類型等信息。每個(gè)子網(wǎng)描述符通過(guò)傳輸流ID及網(wǎng)絡(luò)ID，與N循環(huán)中某個(gè)循環(huán)體對(duì)應(yīng)。N循環(huán)中的每一個(gè)循環(huán)體分別描述一個(gè)子網(wǎng)的鏈路信息，傳輸流描述符通常包括衛(wèi)星前向鏈路描述符和衛(wèi)星后向鏈路描述符2種，具體描述DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)每個(gè)子網(wǎng)的前向和后向鏈路的接收與發(fā)射參數(shù)。RMT的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 DVB-RCS后向鏈路通信體制研究

3.1 后向鏈路信道復(fù)用方式

DVB-RCS后向鏈路采用MF-TDMA傳輸方式，各子站用戶在指定的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)突發(fā)，具體的時(shí)隙劃分及突發(fā)安排由網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）負(fù)責(zé)。

DVB-RCS后向鏈路按照超幀、幀、時(shí)隙的層級(jí)結(jié)構(gòu)組織管理，信道上頻率相鄰的幾個(gè)載波可構(gòu)成衛(wèi)星交互網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)鏈路，每個(gè)子網(wǎng)鏈路由一個(gè)超幀ID標(biāo)識(shí)。同一超幀ID管理下的載波在時(shí)間上被劃分為連續(xù)的超幀，并標(biāo)以連續(xù)的數(shù)值作為超幀計(jì)數(shù)值，超幀在頻率和時(shí)間上被劃分為若干幀，幀又劃分為若干時(shí)隙。幀的引入是為了更有效地提高信道的分配效率，在一個(gè)超幀中各幀按照先頻率后時(shí)間，從低到高的順序編號(hào)，一個(gè)超幀最多可劃分為32個(gè)幀。時(shí)隙是后向鏈路信道劃分的最基本單元，一個(gè)幀中最多可包含2048個(gè)時(shí)隙。這種層級(jí)結(jié)構(gòu)下，每個(gè)時(shí)隙由超幀ID、超幀計(jì)數(shù)值、幀ID以及時(shí)隙ID唯一標(biāo)識(shí)。

3.2 NCC網(wǎng)控信令解析

DVB-RCS前向鏈路信令通道主要由3組網(wǎng)控信令構(gòu)成，一般SCT，F(xiàn)CT，TCT，SPT封裝在同一個(gè)PID的傳輸流分組中；TBTP和CMT封裝在同一PID的傳輸流分組中；TIM單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)分組。此外，嵌入PCR參考時(shí)鐘傳輸流分組為整個(gè)交互網(wǎng)提供時(shí)鐘同步和鏈路時(shí)延信息，為子站用戶登錄網(wǎng)絡(luò)、維持同步狀態(tài)起到極為關(guān)鍵的作用。

3.2.1 SCT，F(xiàn)CT，TCT 解析

SCT，F(xiàn)CT，TCT構(gòu)成層級(jí)關(guān)系，聯(lián)合反映后向鏈路信道一個(gè)超幀內(nèi)的時(shí)域、頻域劃分情況以及每個(gè)時(shí)隙的相關(guān)信道突發(fā)參數(shù)。

SCT記錄超幀ID管理下的超幀結(jié)構(gòu)信息，超幀計(jì)數(shù)字段作為每個(gè)超幀的計(jì)數(shù)標(biāo)志。SCT所給出的超幀結(jié)構(gòu)信息包括超幀中心頻率、起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、極化方式等參數(shù)以及超幀中所有幀的幀ID、起始時(shí)間和幀中心頻率。

FCT反映幀的結(jié)構(gòu)信息，F(xiàn)CT是對(duì)SCT中所包含幀的具體描述，不同的幀ID表示不同類型的幀，它作為幀類型的識(shí)別標(biāo)記，記錄對(duì)應(yīng)幀的持續(xù)時(shí)間和所包含的時(shí)隙數(shù)目。

TCT指示不同ID時(shí)隙的發(fā)射參數(shù)，TCT所記錄的時(shí)隙突發(fā)參數(shù)包括突發(fā)的時(shí)間、頻率及調(diào)制、編碼等參數(shù)，除此之外還包括時(shí)隙的負(fù)載類型以及前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度、碼型等。

3.2.2 SPT解析

SPT記錄整個(gè)DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)所包含的衛(wèi)星位置參數(shù)。當(dāng)交互網(wǎng)中含有多顆衛(wèi)星時(shí)，不同衛(wèi)星由不同的ID號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。各子站用戶通過(guò)SPT中的衛(wèi)星位置坐標(biāo)和自身位置坐標(biāo)可以精確地計(jì)算出星地傳輸距離，進(jìn)而獲得精確的延時(shí)信息。

3.2.3 TIM解析

TIM包括單播和廣播2種形式。單播TIM是在網(wǎng)絡(luò)初始化或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)發(fā)送給指定終端子站的登錄信息。廣播TIM為所有終端子站提供網(wǎng)絡(luò)通用信息，它可以通過(guò)周期性廣播，使準(zhǔn)備登錄網(wǎng)絡(luò)的子站用戶獲取相關(guān)配置信息。

NCC通過(guò)包含登錄初始化描述符的TIM給準(zhǔn)備登錄網(wǎng)絡(luò)的子站用戶分配登錄身份ID，包括群ID（Group_ID）和登錄ID（Login_ID），方便此后對(duì)用戶的管理。

3.2.4 TBTP解析

NCC通過(guò)TBTP完成對(duì)子站用戶的時(shí)隙分配。通常TBTP每一個(gè)超幀進(jìn)行一次時(shí)隙分配，當(dāng)一個(gè)超幀大于一定長(zhǎng)度時(shí)，TBTP的更新周期可能會(huì)太長(zhǎng)而超出系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)間。在這種情況下，可以使用多個(gè)連續(xù)的TBTP在一個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)為不同的幀進(jìn)行時(shí)隙分配。

TBTP按照Group_ID而不是超幀為用戶分配時(shí)隙。這種情況下，僅憑TBTP中的超幀號(hào)是無(wú)法判斷分配時(shí)隙所屬的超幀ID。但用戶在登錄網(wǎng)絡(luò)之初，NCC會(huì)通過(guò)TIM為其分配Group_ID，Login_ID以及所屬的超幀ID，因此通過(guò)TIM就能獲取用戶所屬的超幀ID。

3.2.5 CMT解析

NCC根據(jù)網(wǎng)絡(luò)及信道狀況，對(duì)特定的終端子站（以Group_ID，Login_ID標(biāo)識(shí)）的傳輸參數(shù)進(jìn)行修正，包括頻率、時(shí)間及功率等參數(shù)，并將修正值以CMT信令表的形式在信令通道中傳輸。終端子站根據(jù)CMT表的Group_ID，Login_ID信息，獲取屬于自己的CMT，根據(jù)CMT的修正值對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校對(duì)，進(jìn)而維持用戶的正常通信。

3.2.6 嵌入PCR傳輸流分組的解析

DVB-RCS中NCC提供全網(wǎng)同步的參考時(shí)鐘，并通過(guò)前向鏈路信令通道的嵌入PCR傳輸流分組周期地向各子站廣播網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘的抽樣值。各子站根據(jù)接收到的PCR校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，保持網(wǎng)絡(luò)同步。嵌入PCR傳輸流分組的可選負(fù)載部分，記錄了NCC到前向鏈路衛(wèi)星的上行傳播時(shí)延和后向鏈路衛(wèi)星到NCC的下行傳播時(shí)延。

3.3 后向鏈路突發(fā)時(shí)隙研究

3.3.1 公共信道突發(fā)（CSC）

CSC用于子站入網(wǎng)請(qǐng)求。子站用戶在登錄網(wǎng)絡(luò)之前，首先通過(guò)CSC將自己的設(shè)備性能、MAC地址和路由信息告知主站NCC。NCC收到各子站用戶的CSC后，制定信道的劃分方案和時(shí)隙發(fā)射參數(shù)，并通過(guò)信令通道向子站用戶進(jìn)行廣播。

3.3.2 信號(hào)捕獲突發(fā)（ACQ）

子站通過(guò)向NCC發(fā)送ACQ進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步，ACQ的負(fù)載為用戶所要申請(qǐng)的信道頻率值。ACQ持續(xù)時(shí)間短，數(shù)據(jù)量小，由一段前導(dǎo)碼和請(qǐng)求頻率字段組成，由于對(duì)其時(shí)效性的要求較高，所以實(shí)際應(yīng)用中ACQ負(fù)載一般不做擾亂和編碼。

3.3.3 同步突發(fā)（SYNC）

用戶利用SYNC完成網(wǎng)絡(luò)精同步過(guò)程，并發(fā)送子站控制信息給主站。SYNC數(shù)據(jù)由前導(dǎo)碼和衛(wèi)星接入控制（Satellite Access Control，SAC）域 2部分構(gòu)成。 SAC 域包括路由ID、信道申請(qǐng)、消息與控制、群組ID和登錄ID。

3.3.4 業(yè)務(wù)傳輸突發(fā)（TRF）

TRF包括基于ATM數(shù)據(jù)單元的突發(fā)和基于MPEG2-TS分組的突發(fā)2種形式。

基于ATM數(shù)據(jù)單元的業(yè)務(wù)突發(fā)定義了3種格式，分別為包含1個(gè)、2個(gè)和4個(gè)ATM數(shù)據(jù)單元的突發(fā)。基于ATM數(shù)據(jù)單元的業(yè)務(wù)突發(fā)將一個(gè)SAC域作為可選前綴，該域一般只包含一個(gè)信道申請(qǐng)字段，長(zhǎng)度為2 byte。

基于MPEG-2 TS分組的業(yè)務(wù)傳輸不包含SAC域，突發(fā)數(shù)據(jù)由若干長(zhǎng)度為188 byte的MPEG-2 TS分組直接構(gòu)成，每個(gè)分組分別進(jìn)行編碼，然后加前導(dǎo)碼組成完整的突發(fā)包[2]。子站用戶在進(jìn)行基于MPEG-2 TS分組數(shù)據(jù)突發(fā)之前，需要首先計(jì)算出業(yè)務(wù)傳輸突發(fā)時(shí)隙所能容納的MPEG-2 TS分組個(gè)數(shù)。

3.4 終端子站入網(wǎng)過(guò)程研究

DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)中，網(wǎng)控信令是后向鏈路MFTDMA復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)的保障。對(duì)于準(zhǔn)備接入DVB-RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)的終端子站，要經(jīng)歷初始化、登錄、同步等過(guò)程才能獲得后向鏈路業(yè)務(wù)突發(fā)時(shí)隙，與主站進(jìn)行業(yè)務(wù)通信[3]。

在初始化過(guò)程中子站用戶首先接收嵌入PCR傳輸流分組與SPT。PCR分組的調(diào)整字段為NCC網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘的抽樣值，負(fù)載部分為主站到衛(wèi)星的上行和下行時(shí)延，SPT的負(fù)載為衛(wèi)星坐標(biāo)。子站通過(guò)SPT中衛(wèi)星坐標(biāo)與子站接收天線所在位置坐標(biāo)計(jì)算出自身的上行與下行傳輸距離，得到實(shí)際的傳輸時(shí)延，加上從PCR分組中獲得的主站到衛(wèi)星的上行和下行時(shí)延，獲得總的前向鏈路和后向鏈路傳輸時(shí)延。子站通過(guò)總的傳輸時(shí)延校正PCR參考時(shí)鐘，初步完成網(wǎng)絡(luò)同步。

然后子站接收SCT，F(xiàn)CT和TCT，獲得CSC，ACQ和SYNC突發(fā)時(shí)隙的發(fā)射參數(shù)。并通過(guò)CSC突發(fā)時(shí)隙發(fā)送登錄請(qǐng)求，ACQ突發(fā)完成網(wǎng)絡(luò)粗同步，而 SYNC突發(fā)完成網(wǎng)絡(luò)精確同步。NCC一般會(huì)至少提前12 s將SCT，F(xiàn)CT和TCT以廣播形式告知各子站用戶，以保證用戶有足夠的時(shí)間完成信令處理與發(fā)射參數(shù)設(shè)置。

在用戶登錄及同步過(guò)程中，NCC通過(guò)單播TIM的形式將用戶登錄身份（Group_ID和Login_ID）與超幀ID的分配信息逐一告知每個(gè)用戶。用戶在完成同步過(guò)程后，開始周期接收SCT，F(xiàn)CT，TCT和TBTP，獲得屬于自己的后向鏈路信道業(yè)務(wù)突發(fā)時(shí)隙，與主站進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的交互應(yīng)用。

4 小結(jié)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步，承載業(yè)務(wù)也在不斷發(fā)展。現(xiàn)在全球各種網(wǎng)絡(luò)逐步向IP通用協(xié)議統(tǒng)一，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，走寬帶化道路是衛(wèi)星通信發(fā)展的必由之路，DVB-RCS正是順應(yīng)這一潮流，其應(yīng)用逐漸受到衛(wèi)星行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。因此，積極參與DVB-RCS通信體制的研究，跟蹤并掌握這種先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)展國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信技術(shù)具有重大的推動(dòng)作用。

[1]ETSIEN301790V1.4.1，DigitalVideoBroadcasting （DVB）： Interaction channel for satellite distribution systems[S].2005.

[2]ETSI TR101790 V1.4.1，Digital Video Broadcasting （DVB）： Interaction channel for Satellite Distribution Systems;Guidelines for the use of EN 301790[S].2008.

[3]王磊.DVB-RCS衛(wèi)星互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶終端同步研究[J].通信技術(shù)，2008，41（9）：134-136.