基于DVB/MPEG-2的卫星Internet技术

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摘要    Internet的快速发展，使他已陷入了自身难以克服的困境，这种困境主要来自于骨干网、接入网、服务器三种瓶颈。而卫星通信与Internet的结合能有效地解决目前的这种困境。本文介绍了基于DVB/MPEG-2的卫星Internet原理、结构、应用及其关键技术，并引入了2种现有成熟的Internet接入技术：VSAT接入方式和VSAT与CATV结合接入方式。
    Internet应用的迅速推广，使他陷入了自身难以克服的困境。这是因为Internet是一个“网间网”，他是由许许多多IP自治域系统通过互联构成的复合网络系统。传输带宽的增加、交换速度的提高以及流量工程的引入，并没有从根本上改变传递信息过程中的多跳、存储转发和点到点传输的工作模式，因而阻塞现象的发生在所难免。不仅如此，这样的网络系统在网络和内容分布2个方面都具有不平衡性。一方面，发达地区的网络设施较为健全，而边远地区网络设施稀少；另一方面，信息内容主要集中在少数发达国家和地区，IDC的大规模建设和流媒体的涌现将加剧这种不平衡性。加之，Internet的大规模商用化、网上内容特别是流媒体的爆炸性增长，给Internet带来了骨干网阻塞、远程接入困难、内容分发／传递速度慢等诸多问题。这种困境主要来自于骨干网、接入网、服务器三种瓶颈。
    Internet的结构决定其不对称性，而卫星通信网具有广播特性，上、下行链路也不对称，且具有空间跨越大、覆盖面积大、远程连接、直接一次投送到户、实时传输等优点，而这正是目前Internet所需求的。因此，卫星通信是Internet的重要补充，两者的结合是技术上的必然趋势，即卫星Internet。
1　卫星Internet的结构、原理及应用
    将基于VSAT系统、以IP为网络服务平台，以Internet应用为服务对象，能够成为Internet的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统称为卫星Internet。从图1系统结构来看，卫星Internet由一个专用的数据中心和一个星状的VSAT卫星网构成。
    数据中心的主要功能是：
    （1）信息处理　即信息内容的获取、接收、存储、封装、发布。
    （2）系统管理　包括用户管理、用户认证、网络管理、计费。
    卫星网的主要功能是：
    （1）双向通信　即为远程用户提供Internet接入服务。
    （2）单向广播　完成数据广播、组播和投递。
    （3）交互式通信　介于双向通信和单向广播之间。
               
    非对称性配置的卫星信道和内容丰富的Internet是交互式应用的发展动力，一般通过地面网来实现。
    卫星Internet是以卫星线路为物理传输介质的TCP／IP网络系统，在IP层和物理层之间的链路层协议是DVB/MPEG-2。这样，卫星Internet在体系结构上就形成了卫星，DVB，IP，TCP和应用5个层次。
    DVB系统是基于由MPEG-2定义的面向信元的分组传输系统。MPEG-2数据流从一个发送端到一组接收端之间以数字形式传输音频、视频和数据，同时系统内部的信令信息也以表格方式传送给接收端。MPEG-2传输流（TS）信元的固定长度为188 B，其中包括4 B的报头和184 B的净荷。在TS信元报头中有13 b的分组标示符（PID），用于确定虚拟的广播信道；净荷可以用几种格式表示，流格式通常用于音视频的传输，而数据格式则用于传输TCP／IP数据，数据被封装在MPEG-2数据包中。184 B净荷中的12 B用来标识数据，其中6 B是多媒体访问控制（MAC）地址，允许发送方将数据传输给指定的接收方。DVB通过扩充MPEG-2的复用部分和业务信息说明等功能，提供了视频、音频和数据复用的集成传输机制，使得DVB系统成为集视频、音频和数据于一体的多媒体系统。
    卫星Internet的网络层为标准的IP，通过数据封装/复用，将原始IP数据转换为DVB/MPEG-2传输流（TS），从而使DVB成为支持Internet应用的一种重要载体，其中IP封装器构成了沟通IP和DVB之间的桥梁。DVB标准的制定，对Internet和广播电视网的融合、特别是对卫星Internet的发展产生了极大的推动作用。
    DVB定义了卫星、有线、地面无线3大传输媒体中的信道编码和调制标准，以及与其他网络的接口，分别形成DVB-S，DVB-C，DVB-T三个系列标准。图2给出了DVB/MPEG-2的协议模型。
               
    基于DVB/MPEG-2的卫星Internet,通过54 MHz转发器可获得45 Mb／s左右的数据传输速率，加之其广播和复用功能，使卫星Internet成为一种全新的网络系统和信息服务系统。卫星Internet具有VSAT，ISP，音频和视频广播等多种属性，他横跨电信，Internet和广播电视三大行业，可进行交互式应81用，通过地面网络的外交互和卫星线路的内交互进行交互式应用，克服了Internet的瓶颈。
    基于DVB/MPEG-2的卫星Internet可提供以下应用：
    （1）Internet接入　根据用户的需求，可分别通过地面网络（外交互）和卫星线路（内交互）回传。
    （2）多媒体广播　典型应用有Web内容投递、商务电视、流式音视频、软件分发、远程教学等。
    （3）交互式应用　典型应用有视频点播、网上学习、网上游戏等。
2　卫星Internet的关键技术
    卫星Internet既是Internet的延伸和补充，又是Internet的强化系统，他的出现加快了通信多媒体化、个性化服务的进程。音视频的数字化、Internet的媒体化、卫星通信的网络化，使得Internet宽带接入、数字卫星直播业务、交互式电视以及内容投送的界限越来越模糊。卫星Internet是数字音视频、卫星直播、Internet的有机结合，他为一系列新的应用提供了统一的服务平台，这需要以下关键支撑技术。
    2．1　TCP／IP
    由于卫星信道为典型的“长宽信道”（Long－Fat channel），往返时延（RTT）较大，在卫星Internet中，如果不对TCP／IP协议加以扩展改进，将会产生严重的“管道效应”，影响其传输效率和吞吐性能。对TCP／IP协议进行一系列的扩展改进，可以从帧结构改进、选择性ARQ、慢启动后的时迟ACK、选择性ACK、前向ACK、ACK拥塞控制、TCP报头压缩、ACK压缩与紧凑化、窗口尺寸设计等方面入手。例如，针对TCP确认信息的拥塞问题，就可以采用ACK拥塞控制、TCP报头压缩、ACK压缩与紧凑化以减少返回路径的传输量；为了克服TCP在卫星环境下的标准拥塞窗口太小和用于拥塞避免的慢启动时间太长的缺点，可以采用增大初始窗口、改变窗口缩放比例、选择性ACK方法，同时进行帧结构的改进，尽可能地发送大的分组，减小报头开销；采用欺骗（Spoofing）之类TCP／IP协议变换形式的网关技术，可使吞吐性能获得数倍的改进。
    2．2　条件接收
    卫星广播的特点决定了卫星Internet的商业应用需要有效的访问控制技术，以防止非法接收，进而实现有偿服务。DVB的条件接收（CA）技术提供了一种有效的方式，他包括加扰和加密2个部分。加扰是用控制字将图像、语音和数据信息的结构打乱形成加扰信号；用授权系统（SAS）产生的授权密钥对控制字进行加密，形成授权控制信息（ECM），再用SAS产生的、与接收机惟一的地址码相对应的分配密钥对授权密钥进行进一步的加密，形成授权管理信息（EMM）。最后加扰信号与ECM，EMM一起被复用到传输流之中，用户通过PID识别，依次解码得到控制字，最终实现对加扰信号的解扰，以达到接收信号的目的。
               
    2．3　交互操作
    介于通信和广播之间的交互式应用是未来网络通信的发展方向之一。要实现基于卫星的交互式应用，推广宽带卫星通信，就必须开发交互式标准。目前的卫星交互解决方案虽然不少，但是技术体制上千差万别。DVB-RCS（具有回传信道的DVB系统）就是为基于卫星信道的交互式应用而定义的行业标准。DVB- RCS中的关键技术是MF-TDMA（多频时分多址）突发调制技术MF-TDMA的优势在于，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。
    一个回传载波速率一般在64k～2M b／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。由于Ku，Ka波段都可能应用于交互式多媒体通信中，为了克服雨衰的影响，要求卫星交互式终端具有一定的上行功率控制（UPC）能力。
    DVB-RCS只是终端和前端之间的无线接口标准。要真正实现人机交互，还需要终端设备具有一定的信息处理和网络通信能力，而且，必须制定通用的应用程序接口（API）标准和相关软硬件标准。DVB的多媒体家庭平台（MHP）就是为交互式数字电视、Internet访问而制定的相关标准。MHP有资源、系统软件和应用程序3个逻辑层次，其中位于系统软件层的、基于JAVA规范的虚拟机（VM）构成了MHPAPI的基础。
    2．4　数据缓存
    缓存（cache）技术已广泛应用于ISP服务中，通过缓存不仅可以节省出口带宽，而且可以大大提高网络响应速度。对于卫星Internet的宽带接入应用，通常需要在前端和远端设置两级缓存，只有这样才能使相对昂贵的卫星转发器带宽利用率更高。双层缓存的采用不仅起到网络加速作用，同时也是个性化服务的必要基础，前端缓存可以按照远端用户的需要，预先将相关内容推送到远端缓存服务器中。其中前端缓存是整个缓存系统的核心，不仅需要采用Internet缓存（ICP）、缓存阵列路由（CARP）等协议以保证缓存服务器的处理和存储能力，同时需要建立某种算法以确定何时、从何地获取和推送内容。为此，两级缓存之间也需要建立某种协作机制，以使卫星转发器带宽需求和网络服务能力得到最佳匹配。除了宽带接入应用以外，数据缓存也是内容投送、数据广播、交互式应用等卫星Internet服务的必要基础。
3　卫星Internet的接入方式
    3．1　VSAT系统
    VSAT系统的广泛应用促进了卫星通信的发展，他把卫星高速宽带广播的特点扩展到Internet的应用中，为众多新应用提供了有效的解决方案。实际上，VSAT系统早已成为Internet的一部分，他在Internet接入方面的应用主要有以下几种方式：
    （1）为大型ISP提供远程Internet连接　Internet的现状决定了其ISP需要不对称的线路方案，而卫星VSAT恰恰符合这一不对称需求。
    （2）将Internet延伸到边远地区　要将Internet用光纤延伸到边远地区或山区，在短时间内几乎是不可能的，而VSAT可以做到这一点，因此发展VSAT系统比较符合我国国情。
    （3）直接连到计算机（Direct to PC或PCVSAT）卫星通过点到多点连接方式将ISP服务器直接连到用户计算机，使众多公司无论大小，甚至个人用户，均可利用空间数据通信的强大功能。
    3．2　VSAT与CATV的结合
    为了寻求一种网速快、费用低、投资少、见效快的上网途径，有人提出了VSAT网与有线电视（CATV）网相结合的Internet接入方式。
    有线电视网的HFC网络是采用光纤和同轴电缆混合铺设的，具有成本低、信号质量好、频带宽的特点，而且网络建设也比较普及，是家庭用户高速、快捷上网的一种新途径。CATV与VSAT结合时，由于Internet用户使用最多的操作是浏览WWW站点，具有下行数据量远大于上行数据量的特点，所以CATV仍采用当前的单向传输，VSAT也采用单向广播传输，而用户的上行数据通过地面Internet传送给ISP，这样就构成了一条完整的双向数据通路。采用这种方式，有线台就只需下行卫星站而不必建立上行卫星站，而CATV网也不必进行双向改造，这就大大降低了资金的投入，也大大地缩短了建网的时间。其系统框图如图3所示。
4　结　语
    信息网络正在朝着天地一体、全球覆盖、无缝连接方向发展，未来的通信形式将是多媒体、个性化、随时随地的，其中中低轨、直播之类的卫星通信新技术将发挥关键的作用。而发展基于卫星通信的卫星Internet，对于多媒体通信、信息服务以及互联网本身都具有极其重要的意义。
    而要真正实现卫星Internet的全球覆盖，首先国家的信息产业管理体制和产业政策做出相应的调整以规范日益增长的市场需求和促进新技术的应用；其次是设法使卫星Internet接入设备的费用和服务费降到最低，并能不断推出新业务以增强与地面网络的竞争能力；进一步考虑，可以用宽带卫星技术来取代造价昂贵的光纤技术，这已成为ISP研究和解决的重大课题。
参考文献
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