DVB-RCS網絡IP數據非合作提取方法研究

邸晨旭,王　睿

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北 承德 067000)

0　引言

歐洲電信標準協會發布的數字電視廣播-經由衛星的交互信道(Digital Video Broadcast-Return Channel via Satellite，DVB-RCS)標準[1]，通過專用的雙向交互信道，可以構造基于衛星的交互式網絡。DVB-RCS 采用數字電視廣播衛星(DVB-S)[2]或數字電視廣播衛星二代(DVB-S2)[3]標準信號作為前向廣播、多頻時分多址(MF-TDMA)[1]多點回傳的工作方式，由業務供應商、網關、網絡控制中心、衛星以及終端站等組成[4]。DVB-RCS衛星通信系統網絡拓撲為星狀網，非常適合于當前互聯網應用，可支持同時在線的地球站數量多，前向下載數據量大，反向回傳數據量小，且MF-TDMA 在載波帶寬不變的情況下，可以靈活調整用戶業務帶寬[5]，極大提升衛星通信系統的平均系統容量[6]。

隨著網絡技術的發展，互聯網已經深入到社會各個角落，內容安全已經成為當前互聯網網絡安全中最重要的議題之一[7]。目前有線互聯網內容監管的技術已經較為成熟，文獻[8-11]都是在基于有線網絡IP數據提取的基礎上進行研究。由于衛星通信網絡采用無線傳輸，可覆蓋范圍廣，目前存在監管的盲區，所以開展對衛星互聯網內容監管的技術的研究很有必要。本文針對DVB-RCS網絡，對非合作接收條件下全網IP數據的提取方法進行了研究。利用該方法可以從DVB-RCS網絡衛星信號中非合作提取IP數據，從而實現對該類型網絡的IP數據進行監管。

1　前向信道IP數據提取

DVB-RCS網絡前向信道采用多協議封裝(MPE)[12]定義了一種將IP協議數據包封裝在DVB-S/S2傳輸流(TS)中的方案，被DVB-RCS前向廣播信道采用。TS流是以0x47為開始，幀長固定為188 Byte的一種數據流格式，DVB標準在此之上定義了數據分段，其中包含程序特殊信息(PSI)表。而MPE擴展了原DVB標準中的PSI表，當表標識(Table ID)值為0x3E時，表示采用該封裝格式。

MPE由包頭、包尾和被封裝的IP數據分段組成。其中包頭為12 Byte，包頭開始為1 Byte的(Table ID)，一般為0x3E，接下去封裝了IP數據分段長度、目的MAC地址和數據包的分段標志等參數。包尾則是32位的CRC32校驗字段。衛星實際接收的一段DVB-RCS前向信道TS流如圖1所示，可以看到它采用MPE封裝的協議格式，圖中標記出了MPE包頭、IP報文和CRC校驗的位置。

圖1　多協議封裝數據

2　基于信令引導的回傳信道IP數據提取

2.1　前向信道的信令提取

DVB-RCS的前向信道除了傳輸IP數據，還同時傳輸信令給各網絡中的終端，用于控制各終端。DVB-RCS擴展了DVB標準中的程序特殊信息(PSI)作為信令，主要信令如表1所示。這些信令根據當前網絡的運行狀態，實時由前向信道進行廣播。

表1DVB-RCS信令

TableID信令名稱0x41RCS映射表(RMT)0xA0超幀組成信息表(SCT)0xA1幀組成信息表(FCT)0xA2時隙組成信息表(TCT)0xA3衛星位置信息表(SPT)0xA4終端參數校正信息表(CMT)0xA5終端突發載波時隙安排計劃(TBTP)0xA6網絡時鐘參考信息(PCRpacketpayload)0xB0衛星終端站信息(TIM)

其中SCT、FCT和TCT將回傳信道的頻域和時域按超幀、幀和時隙由大到小三個層次劃分，如圖2 所示。TBTP則分配了網絡中各終端的時隙占用情況。

圖2　TDMA信號幀結構

TCT定義了時隙的種類，包含了時隙類型、持續時間長度、符號速率、編碼方式、前導碼等參數。FCT定義了幀的結構種類，每一種幀由TCT定義的時隙經過在時間和頻率上的排列組合而成。SCT定義了超幀結構和超幀的中心頻率、起始時間，超幀的結構是由FCT定義的幀經過在時間和頻率上排列組合而成。通過實時解析SCT、FCT和TCT，可以得到所有回傳信道的中心頻率和時隙分布情況，通過實時解析TBTP可得到這些時隙分別具體分配給了哪些終端站使用。

2.2　信令引導的非合作回傳信號頻域檢測

由于DVB-RCS網絡的回傳信道采用MF-TDMA體制，非合作接收時，首先需要進行頻域和時域上的檢測。

傳統頻域的檢測方法通常是選擇與前向信道信號中心頻率較近突發信號的頻點初判為其回傳信道，再進行檢測進一步確認。使用該方法的缺點是：如果有多個網絡使用鄰近的信道作為回傳信道，會無法確認回傳信道的歸屬關系，造成錯判；如果某個網絡使用中心頻率間隔較遠的回傳信道，則容易造成漏判。

采用由信令引導的方法可以精確獲得網絡中所有回傳信道的中心頻率，具體方法是由SCT獲得超幀的絕對頻率，加上由FCT和TCT獲得的組成超幀的所有幀與時隙組合的相對頻率即可。需要注意的是，這里的SCT的絕對頻率通常是衛星上行頻率，實際應用時，如果接收的是衛星下行信號需要根據實際衛星的轉發比進行換算。圖3和圖4是實際接收衛星信號(換算為上行發射頻率)的頻譜和通過解析信令得到的頻點比較，可以看到該方法能夠很好地匹配網絡中所有回傳信道頻點。因為通常在DVB-RCS網絡中前向信道的信號質量要高于回傳信道，該方法的優點還在于，只需要解析高質量的前向信道信號而無需對低質量的回傳信道信號進行分析，檢測的結果會更準確。

圖3　衛星實際信號頻譜圖

圖4　通過信令解析得到的回傳信道頻點

2.3　信令引導的非合作回傳信號時域檢測

突發信號時域檢測技術用來確定突發信號每個突發的起始和終止時間。傳統的信號時域檢測算法有信號能量檢測法[13]、雙滑動窗口法[14-15]、前導碼相關法[16-18]等。由于是非合作接收條件，在信噪比較差的情況下，能量檢測法和雙滑動窗口法會出現較高的漏檢、錯檢情況。前導碼相關法的檢出準確率相對較高，但是需要進行大量相關運算，運算量較大，在需要同時檢測多個不同的前導碼的情況下更加消耗計算資源。

采用TDMA制式的系統，要求空口信號以到達衛星天線口面的時間為基準，保持嚴格的對應關系[19]，這種嚴格的對應關系是由信令來控制的。利用這個特點，在非合作接收條件下采用由信令引導的方法可以由SCT、FCT和TCT計算出回傳信道的每個時隙相對于超幀起始時間的精確相對時間、持續時間和前導碼。由于終端站在分配給自己的時隙是按需發射信號的，所以還需要對該時隙是否有信號進行檢測。非合作接收時，只需要估計出本地接收目標網絡超幀起始的絕對時間，經查詢信令就可以推算出每個時隙的起始時間和持續時間，再查詢信令獲得當前時隙的前導碼，然后進行相關檢測，即可判斷出是否有突發信號在該時隙發出，以及該突發信號的精確起始和終止時間。

為了推算超幀起始的絕對時間，選取網絡中任意一個回傳信道頻點，先通過傳統的前導碼相關的檢測方法，對幾個超幀時間內突發的起始時間進行檢測，然后與信令中的時隙分配圖案進行匹配，即可得到接收到的突發信號與信令分配時隙的對應關系。

DVB-RCS網絡中的時隙類型有4種，分別是請求時隙(ACQ)、同步時隙(SYNC)、一般信令時隙(CSC)和業務時隙(TRF)。其中ACQ和SYNC只在終端站入網時才使用，很難捕捉到信號。而TRF時隙是用來傳輸業務的，通常絕大部分的信道資源會被分配大量持續時間相同且間隔相等的TRF時隙，且用戶對TRF時隙使用具有隨機性，很難確定檢測到的TRF突發信號是屬于哪個時隙。SYNC時隙用于在網用戶進行同步保持。所以只要有用戶通信，該時隙一定存在信號，并且由于SYNC時隙持續時間與其他突發長度不同且數量較少。利用該時隙與接收到的SYNC信號進行匹配，較容易確定其對應關系。

由衛星實際接收的DVB-RCS回傳信道信號如圖5 所示，由網絡信令解析得到該信道每個超幀依次分配了1個CSC時隙、1個ACQ時隙、2個SYNC時隙和64個TRF時隙，且第一個SYNC時隙相對超幀起始位置的偏移為0.779 407 ms。可以看到該信號中，CSC時隙、ACQ時隙無信號，2個SYNC時隙都有信號，接下去是若干TRF時隙的信號。所以接收到的第一個SYNC類型的突發就對應著第一個SYNC時隙。假設本地實際接收到第一個SYNC時隙絕對時間為t，可以確定本地接收信號的超幀起始時間t0=t-0.779 407 ms。

圖5　回傳信道時域幅度圖

為了比較算法性能，表2為3組的實際衛星數據樣本，采用雙滑動窗口方法和基于信令引導的突發檢測算法進行突發檢測。通過正確率的比較，可以看到基于信令引導的突發檢測算法較雙滑動窗口盲檢的方法具有較高的正確率。且基于信令引導的突發檢測算法通過信令解析，每個時隙只要做一次對已知前導碼的相關運算，極大減少了突發檢測算法的計算資源。

表2算法性能比較

樣本序號信噪比/dB突發數雙滑動窗口法信令引導正確檢出數正確率/%正確檢出數正確率/%17．891081389．3490999．8929．2101396695．361013100310．41035102398．81035100

2.4　回傳信道IP數據提取

采用信令引導的方法，對全網回傳信道的所有時隙進行突發信號檢測后，由TCT查詢每一突發的符號速率、前導碼、糾錯碼參數、加擾方式、突發類型、封裝格式以及封裝幀數量等參數。對于業務突發，按上述參數解得每一突發的載荷，并按時間先后排序進行IP分段數據拼接。

DVB-RCS協議定義了兩種回傳信道封裝IP數據的格式，分別是TS幀格式和ATM信元格式[20]，具體采用的封裝格式在TCT中可以查詢。

采用TS幀格式對IP數據進行封裝時，依然采用MPE封裝格式，將TS的一個或多個幀作為每個突發的數據載荷進行發送，具體幀數由TCT指定。

采用ATM格式進行封裝時，如圖6 所示，每幀長度為53 Byte，由5字節頭部可以判斷數據來源和去向信息等，根據其進行IP報文的數據拼接。每個突發的數據載荷傳輸一個或多個ATM幀，具體幀數由TCT指定。

圖6　ATM結構示意

3　整體流程

DVB-RCS網絡IP數據非合作提取的整體流程如圖7 所示。

圖7　整體處理流程

由于DVB-RCS網絡中，終端站發向終端站的數據是經由網絡控制中心進行轉發，所以該類型數據包即會出現在前向信道，也會出現在回傳信道，這時需要將前向信道和回傳信道接收到的IP報文進行比對，去掉重復接收的數據。

由衛星實際接收恢復的IP報文如圖8所示，可以看到使用該方法可以有效地非合作提取DVB-RCS網絡中的IP數據。

圖8　恢復的IP報文

4　結束語

本文提出了一種以非合作方式從DVB-RCS網絡中提取IP數據的完整流程，分別描述了從前向信道和回傳信道提取IP數據的方法，并提出了一種利用信令引導的方法進行非合作條件下回傳信號的頻域和時域檢測方法，試驗驗證該方法提高了回傳信道信號檢測的正確率。在工程實踐中，利用衛星實際數據進行了驗證，該方法能夠有效地以非合作方式從DVB-RCS網絡中提取全網IP數據。

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