DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)非合作提取方法研究

邸晨旭,王　睿

(1.中國電子科技集團(tuán)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(shù)研究中心，河北 承德 067000)

0　引言

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)布的數(shù)字電視廣播-經(jīng)由衛(wèi)星的交互信道(Digital Video Broadcast-Return Channel via Satellite，DVB-RCS)標(biāo)準(zhǔn)[1]，通過專用的雙向交互信道，可以構(gòu)造基于衛(wèi)星的交互式網(wǎng)絡(luò)。DVB-RCS 采用數(shù)字電視廣播衛(wèi)星(DVB-S)[2]或數(shù)字電視廣播衛(wèi)星二代(DVB-S2)[3]標(biāo)準(zhǔn)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(yè)務(wù)供應(yīng)商、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星以及終端站等組成[4]。DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾菭罹W(wǎng)，非常適合于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可支持同時在線的地球站數(shù)量多，前向下載數(shù)據(jù)量大，反向回傳數(shù)據(jù)量小，且MF-TDMA 在載波帶寬不變的情況下，可以靈活調(diào)整用戶業(yè)務(wù)帶寬[5]，極大提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的平均系統(tǒng)容量[6]。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到社會各個角落，內(nèi)容安全已經(jīng)成為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全中最重要的議題之一[7]。目前有線互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容監(jiān)管的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，文獻(xiàn)[8-11]都是在基于有線網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸，可覆蓋范圍廣，目前存在監(jiān)管的盲區(qū)，所以開展對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容監(jiān)管的技術(shù)的研究很有必要。本文針對DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)，對非合作接收條件下全網(wǎng)IP數(shù)據(jù)的提取方法進(jìn)行了研究。利用該方法可以從DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星信號中非合作提取IP數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對該類型網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)管。

1　前向信道IP數(shù)據(jù)提取

DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)前向信道采用多協(xié)議封裝(MPE)[12]定義了一種將IP協(xié)議數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流格式，DVB標(biāo)準(zhǔn)在此之上定義了數(shù)據(jù)分段，其中包含程序特殊信息(PSI)表。而MPE擴展了原DVB標(biāo)準(zhǔn)中的PSI表，當(dāng)表標(biāo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分段長度、目的MAC地址和數(shù)據(jù)包的分段標(biāo)志等參數(shù)。包尾則是32位的CRC32校驗字段。衛(wèi)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(xié)議格式，圖中標(biāo)記出了MPE包頭、IP報文和CRC校驗的位置。

圖1　多協(xié)議封裝數(shù)據(jù)

2　基于信令引導(dǎo)的回傳信道IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，還同時傳輸信令給各網(wǎng)絡(luò)中的終端，用于控制各終端。DVB-RCS擴展了DVB標(biāo)準(zhǔn)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(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，實時由前向信道進(jìn)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(wèi)星位置信息表(SPT)0xA4終端參數(shù)校正信息表(CMT)0xA5終端突發(fā)載波時隙安排計劃(TBTP)0xA6網(wǎng)絡(luò)時鐘參考信息(PCRpacketpayload)0xB0衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)中各終端的時隙占用情況。

圖2　TDMA信號幀結(jié)構(gòu)

TCT定義了時隙的種類，包含了時隙類型、持續(xù)時間長度、符號速率、編碼方式、前導(dǎo)碼等參數(shù)。FCT定義了幀的結(jié)構(gòu)種類，每一種幀由TCT定義的時隙經(jīng)過在時間和頻率上的排列組合而成。SCT定義了超幀結(jié)構(gòu)和超幀的中心頻率、起始時間，超幀的結(jié)構(gòu)是由FCT定義的幀經(jīng)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(dǎo)的非合作回傳信號頻域檢測

由于DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)的回傳信道采用MF-TDMA體制，非合作接收時，首先需要進(jìn)行頻域和時域上的檢測。

傳統(tǒng)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(fā)信號的頻點初判為其回傳信道，再進(jìn)行檢測進(jìn)一步確認(rèn)。使用該方法的缺點是：如果有多個網(wǎng)絡(luò)使用鄰近的信道作為回傳信道，會無法確認(rèn)回傳信道的歸屬關(guān)系，造成錯判；如果某個網(wǎng)絡(luò)使用中心頻率間隔較遠(yuǎn)的回傳信道，則容易造成漏判。

采用由信令引導(dǎo)的方法可以精確獲得網(wǎng)絡(luò)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(wèi)星上行頻率，實際應(yīng)用時，如果接收的是衛(wèi)星下行信號需要根據(jù)實際衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)比進(jìn)行換算。圖3和圖4是實際接收衛(wèi)星信號(換算為上行發(fā)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(wǎng)絡(luò)中所有回傳信道頻點。因為通常在DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中前向信道的信號質(zhì)量要高于回傳信道，該方法的優(yōu)點還在于，只需要解析高質(zhì)量的前向信道信號而無需對低質(zhì)量的回傳信道信號進(jìn)行分析，檢測的結(jié)果會更準(zhǔn)確。

圖3　衛(wèi)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(dǎo)的非合作回傳信號時域檢測

突發(fā)信號時域檢測技術(shù)用來確定突發(fā)信號每個突發(fā)的起始和終止時間。傳統(tǒng)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(dǎo)碼相關(guān)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(xiàn)較高的漏檢、錯檢情況。前導(dǎo)碼相關(guān)法的檢出準(zhǔn)確率相對較高，但是需要進(jìn)行大量相關(guān)運算，運算量較大，在需要同時檢測多個不同的前導(dǎo)碼的情況下更加消耗計算資源。

采用TDMA制式的系統(tǒng)，要求空口信號以到達(dá)衛(wèi)星天線口面的時間為基準(zhǔn)，保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系[19]，這種嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)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(dǎo)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(xù)時間和前導(dǎo)碼。由于終端站在分配給自己的時隙是按需發(fā)射信號的，所以還需要對該時隙是否有信號進(jìn)行檢測。非合作接收時，只需要估計出本地接收目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)超幀起始的絕對時間，經(jīng)查詢信令就可以推算出每個時隙的起始時間和持續(xù)時間，再查詢信令獲得當(dāng)前時隙的前導(dǎo)碼，然后進(jìn)行相關(guān)檢測，即可判斷出是否有突發(fā)信號在該時隙發(fā)出，以及該突發(fā)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(wǎng)絡(luò)中任意一個回傳信道頻點，先通過傳統(tǒng)的前導(dǎo)碼相關(guān)的檢測方法，對幾個超幀時間內(nèi)突發(fā)的起始時間進(jìn)行檢測，然后與信令中的時隙分配圖案進(jìn)行匹配，即可得到接收到的突發(fā)信號與信令分配時隙的對應(yīng)關(guān)系。

DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)時隙(TRF)。其中ACQ和SYNC只在終端站入網(wǎng)時才使用，很難捕捉到信號。而TRF時隙是用來傳輸業(yè)務(wù)的，通常絕大部分的信道資源會被分配大量持續(xù)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(fā)信號是屬于哪個時隙。SYNC時隙用于在網(wǎng)用戶進(jìn)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(xù)時間與其他突發(fā)長度不同且數(shù)量較少。利用該時隙與接收到的SYNC信號進(jìn)行匹配，較容易確定其對應(yīng)關(guān)系。

由衛(wèi)星實際接收的DVB-RCS回傳信道信號如圖5 所示，由網(wǎng)絡(luò)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?？梢钥吹皆撔盘栔?，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(fā)就對應(yīng)著第一個SYNC時隙。假設(shè)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(wèi)星數(shù)據(jù)樣本，采用雙滑動窗口方法和基于信令引導(dǎo)的突發(fā)檢測算法進(jìn)行突發(fā)檢測。通過正確率的比較，可以看到基于信令引導(dǎo)的突發(fā)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(dǎo)的突發(fā)檢測算法通過信令解析，每個時隙只要做一次對已知前導(dǎo)碼的相關(guān)運算，極大減少了突發(fā)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(fā)數(shù)雙滑動窗口法信令引導(dǎo)正確檢出數(shù)正確率/%正確檢出數(shù)正確率/%17．891081389．3490999．8929．2101396695．361013100310．41035102398．81035100

2.4　回傳信道IP數(shù)據(jù)提取

采用信令引導(dǎo)的方法，對全網(wǎng)回傳信道的所有時隙進(jìn)行突發(fā)信號檢測后，由TCT查詢每一突發(fā)的符號速率、前導(dǎo)碼、糾錯碼參數(shù)、加擾方式、突發(fā)類型、封裝格式以及封裝幀數(shù)量等參數(shù)。對于業(yè)務(wù)突發(fā)，按上述參數(shù)解得每一突發(fā)的載荷，并按時間先后排序進(jìn)行IP分段數(shù)據(jù)拼接。

DVB-RCS協(xié)議定義了兩種回傳信道封裝IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(fā)的數(shù)據(jù)載荷進(jìn)行發(fā)送，具體幀數(shù)由TCT指定。

采用ATM格式進(jìn)行封裝時，如圖6 所示，每幀長度為53 Byte，由5字節(jié)頭部可以判斷數(shù)據(jù)來源和去向信息等，根據(jù)其進(jìn)行IP報文的數(shù)據(jù)拼接。每個突發(fā)的數(shù)據(jù)載荷傳輸一個或多個ATM幀，具體幀數(shù)由TCT指定。

圖6　ATM結(jié)構(gòu)示意

3　整體流程

DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中，終端站發(fā)向終端站的數(shù)據(jù)是經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)控制中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，所以該類型數(shù)據(jù)包即會出現(xiàn)在前向信道，也會出現(xiàn)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(jìn)行比對，去掉重復(fù)接收的數(shù)據(jù)。

由衛(wèi)星實際接收恢復(fù)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(wǎng)絡(luò)中的IP數(shù)據(jù)。

圖8　恢復(fù)的IP報文

4　結(jié)束語

本文提出了一種以非合作方式從DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中提取IP數(shù)據(jù)的完整流程，分別描述了從前向信道和回傳信道提取IP數(shù)據(jù)的方法，并提出了一種利用信令引導(dǎo)的方法進(jìn)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(wèi)星實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，該方法能夠有效地以非合作方式從DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中提取全網(wǎng)IP數(shù)據(jù)。

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