第二代衛(wèi)星交互系統(tǒng)淺析

邵永慶，黃 焱，張白愚

(信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

DVB－RCS(具有回傳信道的DVB系統(tǒng))是針對衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求所制定的一套結(jié)合DVB廣播業(yè)務(wù)和VSAT［1］雙向交互業(yè)務(wù)的基于衛(wèi)星交互式應(yīng)用而定義的行業(yè)標準。它既能夠通過衛(wèi)星DVB系統(tǒng)向客戶終端提供廣播業(yè)務(wù)，同時又可以利用VSAT專網(wǎng)快速、方便的接收客戶終端最直接的請求信息，真正實現(xiàn)基于衛(wèi)星信道的寬帶交互式應(yīng)用［2］。DVB－RCS標準是DVB標準體系的成員之一，隨著技術(shù)的不斷進步發(fā)展，它適應(yīng)性不足的缺點也逐漸暴露出來。

DVB－RCS標準由ETSI(歐洲電信標準協(xié)會)于1999年開始起草，2003年發(fā)布最終版本。DVB－RCS標準的公布，不但有利于市場的統(tǒng)一規(guī)劃與發(fā)展，而且使通信與廣播的結(jié)合成為可能，為衛(wèi)星通信的發(fā)展指明了新的方向。21世紀初期，糾錯編碼、高階調(diào)制技術(shù)、同步技術(shù)等信號處理技術(shù)有了突破性進展，使DVB－RCS升級成為可能。DVB組織于2008年開始籌劃對該技術(shù)升級，并于2011年5月和8 月分別公布了 DVB－RCS2－Part1 和 DVB－RCS2－Part2。

1 新一代衛(wèi)星回傳系統(tǒng)的基礎(chǔ)

DVB－RCS2相對于DVB－RCS最大的區(qū)別在于:其前向鏈路不僅支持DVB－S標準，還兼容DVB－S2 標準［3］，因此在子站接收方面也將作出相應(yīng)調(diào)整。而且現(xiàn)在的DVBS2接收設(shè)備已經(jīng)很成熟［4］，這樣DVB－RCS2的子站會更加靈活。第二代回傳系統(tǒng)其前向鏈路相對于第一代回傳系統(tǒng)就有很大的變化，而這種變化主要體現(xiàn)在DVB－S2相對于DVB－S的變化，主要如下:

1)DVB－S2支持的業(yè)務(wù)更加多樣化，交互式系統(tǒng)的使用會更加靈活。

2)DVB－S2另一個引人注目的革新在于信道編碼方式的變化。DVB－S2糾錯編碼使用低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check，LDPC)碼與BCH碼級聯(lián)，這種編碼組合更接近香農(nóng)極限的理論值;調(diào)制方式在支持原有QPSK的基礎(chǔ)上，還兼容多種高階調(diào)制方式(8PSK，16APSK，32APSK)，增加了頻帶利用率。

3)DVB－S2還支持可變編碼調(diào)制(VCM)和自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)。VCM允許使用不同的調(diào)制和糾錯方法，可以對不同的業(yè)務(wù)類型分成不同的保護級別進行傳輸［5］。ACM可根據(jù)具體的傳播條件，針對具體的接收終端，提供更精準的信道保護和動態(tài)連接適應(yīng)性。

基于DVB－S2的各種優(yōu)點，可總結(jié)出:新一代衛(wèi)星回傳標準(DVB－RCS2)相對于第一代至少提高了30%的業(yè)務(wù)量，從另一個方面看可以增加用戶數(shù)量，并能提供質(zhì)量更高的服務(wù)。其在兼容第一代回傳系統(tǒng)的前提下，更好地處理了性能和效率之間的矛盾。

2 DVB－RCS2前向網(wǎng)控信令的改變

表1 和表2 分別列出了 DVB－RCS［6］和 DVB－RCS2［7］的網(wǎng)控信令。

表1 DVB－RCS前向鏈路網(wǎng)控信令表

表2 DVB－RCS2前向網(wǎng)控信令

可見，RCS2新增加了6個網(wǎng)控信令:FCT2，TBTP2，TMST2，MMT2，BCT 和 FAT。

FCT2(Frame Composition Table version 2)是指幀結(jié)構(gòu)表2。FCT2通過定義幀中的時隙來反映不同的超幀類型。每個幀由一系列時隙構(gòu)成，當(dāng)幀確定后，它當(dāng)中時隙數(shù)也就確定了;而每一個時隙是由一個或多個與時間頻率有關(guān)的單元(bandwidth－time－unit，BTU)構(gòu)成。BTU 決定了幀的符號速率，也就決定了該幀所需的傳輸帶寬。

TBTP2(Terminal Burst Time Plan version 2)是指終端突發(fā)時隙計劃表2。主要有3個作用:1)分配專用的時隙給子站。2)通過參考表BCT分配傳輸類型給特定的時隙。3)為隨機接入分配時隙，并標示出每個時隙的隨機接入通道。值得指出的是DVB－RCS2使用動態(tài)自適應(yīng)載波選擇技術(shù)，針對每個時隙在時分多址載波上實現(xiàn)了自適應(yīng)編碼與調(diào)制功能。

TMST2(Transmission Mode Support Table version 2)是指傳送模式支持表2。主要用來指出當(dāng)使用具有最小冗余度MODCOD(聯(lián)合編碼調(diào)制方式)時，ACM(自適應(yīng)編碼調(diào)制)反饋所需要的系統(tǒng)冗余和為每種被采用的MODCOD所付出的追加冗余。給出ISI(輸入流標識符)到MODCOD的映射表，在使用多重傳輸流時，接收者能準確的找到自己想要的MODCOD。

MMT2(Multicast Mapping Table version 2)是指多點傳送變址表2。在衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)控中心通常用MMT2指示高層鏈路多播傳送地址到RCS－MAC地址的映射關(guān)系。

以上4個信令可以看成是DVB－RCS中FCT，TBTP，TMST和MMT的升級，但是這種升級不僅僅體現(xiàn)在網(wǎng)控信令的表ID上發(fā)生變化，信令所承載的內(nèi)容也發(fā)生了變化。下面介紹2個種全新網(wǎng)控信令:BCT和FAT。

BCT(Broadcast Configuration Table)即廣播配置表。用來定義每一種傳輸類型的傳輸參數(shù)。BCT提供的傳輸信息主要包括:傳輸?shù)南鄬ζ鹗紩r間、傳輸?shù)南鄬Y(jié)束時間、調(diào)制方式、碼率、前綴、后綴、導(dǎo)航、有效載荷大小、有效載荷內(nèi)容等。這些參數(shù)跟傳輸方式MF－TDMA發(fā)生的地點以及傳輸類型的細節(jié)有關(guān)。

FAT(Fast Access Table)即快速尋址表。給出當(dāng)發(fā)送登錄突發(fā)時額外增加的傳輸補償時間，并為每個隨機接入的用戶分配通道。

DVB－RCS2前向鏈路中的網(wǎng)控信令與RCS映射表(RCS Map Table，RMT)一同被定義為DVB－RCS2專用服務(wù)信息(SI)，并在RCS2內(nèi)容描述符中記錄。DVB－RCS2專用服務(wù)信息符合DVB－S標準的系統(tǒng)服務(wù)信息規(guī)范，其協(xié)議棧如圖1所示。

協(xié)議棧是由一些控制信息組成，這些來自前向鏈路網(wǎng)控信令控制子站終端用戶的網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)傳輸，完成反向鏈路的信道劃分與用戶多路復(fù)用，一般構(gòu)成一路節(jié)目，并使用同一個嵌入PCR(Program Clock Reference，節(jié)目時鐘參考)傳輸流分組作為網(wǎng)絡(luò)同步時鐘。RMT單獨構(gòu)成一路節(jié)目，反映DVB－RCS2衛(wèi)星交互網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RMT在語法結(jié)構(gòu)上與NIT頗為相似，所不同的是NIT只記錄DVB－S2的廣播信道結(jié)構(gòu)信息，不反映反向鏈路信息。RMT不需網(wǎng)絡(luò)時鐘做精確同步，因此RMT所構(gòu)成的RCS2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息通道不需要嵌入PCR傳輸流分組。

圖1 DVB－RCS2專用服務(wù)信息協(xié)議棧

3 后向鏈路的改變

DVB－RCS系統(tǒng)中子站跟主站溝通時的MF－TDMA信號［8］采用 QPSK調(diào)制方式，而 DVB－RCS2還可兼容CPM，8PSK和16QAM。QPSK，8PSK和16QAM的編碼方式為turbo碼，CPM的編碼方式為卷積碼。這樣系統(tǒng)中的子站會更加靈活，可以根據(jù)自身特點以及時隙分配情況采用不同效率的調(diào)制方式，而且DVB－RCS2還支持隨機接入的用戶［9］。

DVB－RCS2標準中對回傳鏈路結(jié)構(gòu)框架進行了簡化，可根據(jù)有效載荷大小來分配突發(fā)大小，突發(fā)由一系列時隙組成，這樣相關(guān)聯(lián)的時隙會被很快處理，節(jié)省了時間。每個時隙的調(diào)制和編碼是獨立的，允許每個時隙自適應(yīng)編碼，但每個時隙的自適應(yīng)必須及時，這是第二代標準一個很大的改變。自適應(yīng)編碼在最近幾年應(yīng)用非常廣泛，這也是衛(wèi)星通信編碼方式的發(fā)展趨勢，雖然現(xiàn)在還沒有實際的DVB－RCS2信號，但可以肯定，這項技術(shù)必將大大提高子站的自主性以及傳輸效率。

DVB－RCS2還有一個創(chuàng)新點:有關(guān)功率控制的報告首次被提出。功率控制系統(tǒng)支持可選控制模式，這種模式可以獲得具有不同帶寬的載波的連續(xù)功率譜密度，因此可有選擇地控制各個方向的有效傳輸功率。這樣做不僅可以有效節(jié)省設(shè)備能源，在不需要傳送信息的方向(區(qū)域)可以低功耗運行，僅僅維持設(shè)備的在線狀態(tài)即可，而且還可以有效延長設(shè)備壽命。在外太空的設(shè)備往往是只要動力資源耗盡即告報廢，減少了設(shè)備的能源消耗也就變相增加了設(shè)備的使用時間。

4 中國應(yīng)抓緊建設(shè)下一代衛(wèi)星回傳系統(tǒng)

2001年底，SES公司宣布其帶寬交互系統(tǒng)ASTRA正式投入商業(yè)運行，這是全球第一套應(yīng)用DVB－RCS標準的商業(yè)系統(tǒng)。此外，許多國際大公司都在積極發(fā)展DVBRCS技術(shù)用于下一代衛(wèi)星業(yè)務(wù)，這標志著DVB－RCS作為行業(yè)標準，已經(jīng)進入到了應(yīng)用階段。

國內(nèi)VSAT網(wǎng)絡(luò)和DVB－RCS網(wǎng)絡(luò)還處于研究階段，但實際上，國內(nèi)DVB－RCS及VAST用戶已經(jīng)存在。我國雖然尚未制定自己的廣播衛(wèi)星回傳技術(shù)標準體系，但基于現(xiàn)有實際應(yīng)用狀況及技術(shù)能力，在吸收成熟技術(shù)和先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究并建立我國自己的衛(wèi)星回傳技術(shù)是可行的。

中國完全可以放開手腳來發(fā)展屬于自己的廣播衛(wèi)星回傳技術(shù)體系。由于DVB－S2系統(tǒng)的出現(xiàn)，2008年歐洲D(zhuǎn)VB組織開始策劃新一代的衛(wèi)星回傳技術(shù)標準DVBRCS2。而我國自己ABS－S技術(shù)標準有其獨特的優(yōu)勢，并且已經(jīng)在“村村通”工程中廣泛使用，研究與其配套的新一代衛(wèi)星回傳技術(shù)具有重要意義。有了衛(wèi)星回傳技術(shù)，可以更好地開展針對偏遠地區(qū)的文化共享、資源共享、遠程教育等關(guān)系民生的重大項目。

中國在衛(wèi)星回傳技術(shù)要想取得較好發(fā)展，建立自己的標準體系是必不可少的［10］。因此，在今后一段時間內(nèi)，我國要加強在衛(wèi)星回傳技術(shù)上的研究。2011年11月DVB－RCS2標準的推出，也為我國的技術(shù)標準制定提供了很好的參考，在強大的市場需求推動下，我國一定會有自己的衛(wèi)星回傳技術(shù)標準。

［1］郅琦.基于DVB－RCS的VAST寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)與應(yīng)用［J］.電子科技，2011，24(10):132－137.

［2］許珂.DVB－RCS 衛(wèi)星互動網(wǎng)絡(luò)研究［J］.技術(shù)廣角，2007(1):73－78.

［3］ETSI EN 302307 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure，channel coding andmodulation systems for broadcasting，interactive services，news gathering and other broadband satellite applications［S］.2005.

［4］ALIZADEH A.Feature analysis of the second generation standard DVBS2 for satellite broad－band services［C］//Proc.2010 International Conference on Modern Problems of Radio Engineering，Telecommunications and Computer Science.［S.l.］:IEEE Press，2010:23－27.

［5］GABELLI G，PALESTINI C，CIONI S，et al.A performance and complexity optimization of joint code and frame synchronization for DVB－S2/RCS mobile［C］//Proc.20105th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop.［S.l.］:IEEE Press，2010:190－197.

［6］ETSI EN 301790 V1.3.1，Digital video broadcasting(DVB);interaction channel for satellite distribution systems［S］.2003.

［7］ETSI EN 301545－2 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation DVB interactive satellite system(DVB－RCS2);part 2:lower layers for satellite standard［S］.2011.

［8］楊華，黃焱.DVB—RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)通信體制研究［J］.電視技術(shù)，2010，34(9):10－12.

［9］MARCHESE M，MONGELLI M.Adaptive call admission and bandwidth control in DVB－RCS systems［J］.Journal of Communications and Networks，2010(12):568－576.

［10］施玉海.新一代衛(wèi)星回傳系統(tǒng)設(shè)計需求分析［J］.廣播與電視技術(shù)，2009(7):24－27.