基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet技術
Internet的結構決定其不對稱性，而衛(wèi)星通信網具有廣播特性，上、下行鏈路也不對稱，且具有空間跨越大、覆蓋面積大、遠程連接、直接一次投送到戶、實時傳輸?shù)葍?yōu)點，而這正是目前Internet所需求的。因此，衛(wèi)星通信是Internet的重要補充，兩者的結合是技術上的必然趨勢，即衛(wèi)星 Internet。
1 衛(wèi)星Internet的結構、原理及應用
將基于VSAT系統(tǒng)、以IP為網絡服務平臺，以Internet應用為服務對象，能夠成為Internet的一個組成部分，并能夠獨立運行的網絡系統(tǒng)稱為衛(wèi)星Internet。從圖1系統(tǒng)結構來看，衛(wèi)星Internet由一個專用的數(shù)據中心和一個星狀的VSAT衛(wèi)星網構成。
數(shù)據中心的主要功能是：
?。?）信息處理 即信息內容的獲取、接收、存儲、封裝、發(fā)布。
?。?）系統(tǒng)管理 包括用戶管理、用戶認證、網絡管理、計費。
衛(wèi)星網的主要功能是：
（1）雙向通信 即為遠程用戶提供Internet接入服務。
?。?）單向廣播 完成數(shù)據廣播、組播和投遞。
?。?）交互式通信 介于雙向通信和單向廣播之間。
非對稱性配置的衛(wèi)星信道和內容豐富的Internet是交互式應用的發(fā)展動力，一般通過地面網來實現(xiàn)。
衛(wèi)星Internet是以衛(wèi)星線路為物理傳輸介質的TCP／IP網絡系統(tǒng)，在IP層和物理層之間的鏈路層協(xié)議是DVB/MPEG-2。這樣，衛(wèi)星Internet在體系結構上就形成了衛(wèi)星，DVB，IP，TCP和應用5個層次。
DVB系統(tǒng)是基于由MPEG-2定義的面向信元的分組傳輸系統(tǒng)。MPEG-2數(shù)據流從一個發(fā)送端到一組接收端之間以數(shù)字形式傳輸音頻、視頻和數(shù)據，同時系統(tǒng)內部的信令信息也以表格方式傳送給接收端。MPEG-2傳輸流（TS）信元的固定長度為188 B，其中包括4 B的報頭和184 B的凈荷。在TS信元報頭中有13 b的分組標示符（PID），用于確定虛擬的廣播信道；凈荷可以用幾種格式表示，流格式通常用于音視頻的傳輸，而數(shù)據格式則用于傳輸TCP／IP數(shù)據，數(shù)據被封裝在MPEG-2數(shù)據包中。184 B凈荷中的12 B用來標識數(shù)據，其中6 B是多媒體訪問控制（MAC）地址，允許發(fā)送方將數(shù)據傳輸給指定的接收方。DVB通過擴充MPEG-2的復用部分和業(yè)務信息說明等功能，提供了視頻、音頻和數(shù)據復用的集成傳輸機制，使得DVB系統(tǒng)成為集視頻、音頻和數(shù)據于一體的多媒體系統(tǒng)。
衛(wèi)星Internet的網絡層為標準的IP，通過數(shù)據封裝/復用，將原始IP數(shù)據轉換為DVB/MPEG-2傳輸流（TS），從而使DVB成為支持Internet應用的一種重要載體，其中IP封裝器構成了溝通IP和DVB之間的橋梁。DVB標準的制定，對Internet和廣播電視網的融合、特別是對衛(wèi)星Internet的發(fā)展產生了極大的推動作用。
DVB定義了衛(wèi)星、有線、地面無線3大傳輸媒體中的信道編碼和調制標準，以及與其他網絡的接口，分別形成DVB-S，DVB-C，DVB-T三個系列標準。圖2給出了DVB/MPEG-2的協(xié)議模型。
基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet,通過54 MHz轉發(fā)器可獲得45 Mb／s左右的數(shù)據傳輸速率，加之其廣播和復用功能，使衛(wèi)星Internet成為一種全新的網絡系統(tǒng)和信息服務系統(tǒng)。衛(wèi)星Internet具有VSAT， ISP，音頻和視頻廣播等多種屬性，他橫跨電信，Internet和廣播電視三大行業(yè)，可進行交互式應81用，通過地面網絡的外交互和衛(wèi)星線路的內交互進行交互式應用，克服了Internet的瓶頸。
基于DVB/MPEG-2的衛(wèi)星Internet可提供以下應用：
?。?）Internet接入 根據用戶的需求，可分別通過地面網絡（外交互）和衛(wèi)星線路（內交互）回傳。
（2）多媒體廣播 典型應用有Web內容投遞、商務電視、流式音視頻、軟件分發(fā)、遠程教學等。
?。?）交互式應用 典型應用有視頻點播、網上學習、網上游戲等。
2 衛(wèi)星Internet的關鍵技術
衛(wèi)星Internet既是Internet的延伸和補充，又是Internet的強化系統(tǒng)，他的出現(xiàn)加快了通信多媒體化、個性化服務的進程。音視頻的數(shù)字化、Internet的媒體化、衛(wèi)星通信的網絡化，使得Internet寬帶接入、數(shù)字衛(wèi)星直播業(yè)務、交互式電視以及內容投送的界限越來越模糊。衛(wèi)星Internet是數(shù)字音視頻、衛(wèi)星直播、Internet的有機結合，他為一系列新的應用提供了統(tǒng)一的服務平臺，這需要以下關鍵支撐技術。
2．1 TCP／IP
由于衛(wèi) 星信道為典型的“長寬信道”（Long－Fat channel），往返時延（RTT）較大，在衛(wèi)星Internet中，如果不對TCP／IP協(xié)議加以擴展改進，將會產生嚴重的“管道效應”，影響其傳輸效率和吞吐性能。對TCP／IP協(xié)議進行一系列的擴展改進，可以從幀結構改進、選擇性ARQ、慢啟動后的時遲ACK、選擇性ACK、前向ACK、ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化、窗口尺寸設計等方面入手。例如，針對TCP確認信息的擁塞問題，就可以采用ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化以減少返回路徑的傳輸量；為了克服TCP在衛(wèi)星環(huán)境下的標準擁塞窗口太小和用于擁塞避免的慢啟動時間太長的缺點，可以采用增大初始窗口、改變窗口縮放比例、選擇性ACK方法，同時進行幀結構的改進，盡可能地發(fā)送大的分組，減小報頭開銷；采用欺騙（Spoofing）之類TCP／IP 協(xié)議變換形式的網關技術，可使吞吐性能獲得數(shù)倍的改進。
2．2 條件接收
衛(wèi)星廣播的特點決定了衛(wèi)星Internet的商業(yè)應用需要有效的訪問控制技術，以防止非法接收，進而實現(xiàn)有償服務。DVB的條件接收（CA）技術提供了一種有效的方式，他包括加擾和加密2個部分。加擾是用控制字將圖像、語音和數(shù)據信息的結構打亂形成加擾信號；用授權系統(tǒng)（SAS）產生的授權密鑰對控制字進行加密，形成授權控制信息（ECM），再用SAS產生的、與接收機惟一的地址碼相對應的分配密鑰對授權密鑰進行進一步的加密，形成授權管理信息（EMM）。最后加擾信號與ECM，EMM一起被復用到傳輸流之中，用戶通過PID識別，依次解碼得到控制字，最終實現(xiàn)對加擾信號的解擾，以達到接收信號的目的。
2．3 交互操作
介于通信和廣播之間的交互式應用是未來網絡通信的發(fā)展方向之一。要實現(xiàn)基于衛(wèi)星的交互式應用，推廣寬帶衛(wèi)星通信，就必須開發(fā)交互式標準。目前的衛(wèi)星交互解決方案雖然不少，但是技術體制上千差萬別。DVB-RCS（具有回傳信道的DVB系統(tǒng)）就是為基于衛(wèi)星信道的交互式應用而定義的行業(yè)標準。 DVB- RCS中的關鍵技術是MF-TDMA（多頻時分多址）突發(fā)調制技術MF-TDMA的優(yōu)勢在于，載波頻率和分配帶寬都可以靈活適應多變的多媒體傳輸要求，而且時隙和突發(fā)速率都可以根據網控中心的要求來改變。
一個回傳載波速率一般在64k～2M b／s之間，根據需要可以用多個載波進行組合，以提高回傳速度。由于Ku，Ka波段都可能應用于交互式多媒體通信中，為了克服雨衰的影響，要求衛(wèi)星交互式終端具有一定的上行功率控制（UPC）能力。
DVB-RCS只是終端和前端之間的無線接口標準。要真正實現(xiàn)人機交互，還需要終端設備具有一定的信息處理和網絡通信能力，而且，必須制定通用的應用程序接口（API）標準和相關軟硬件標準。DVB的多媒體家庭平臺（MHP）就是為交互式數(shù)字電視、Internet訪問而制定的相關標準。MHP 有資源、系統(tǒng)軟件和應用程序3個邏輯層次，其中位于系統(tǒng)軟件層的、基于JAVA規(guī)范的虛擬機（VM）構成了MHPAPI的基礎。
2．4 數(shù)據緩存
緩存（cache）技術已廣泛應用于ISP服務中，通過緩存不僅可以節(jié)省出口帶寬，而且可以大大提高網絡響應速度。對于衛(wèi)星Internet的寬帶接入應用，通常需要在前端和遠端設置兩級緩存，只有這樣才能使相對昂貴的衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬利用率更高。雙層緩存的采用不僅起到網絡加速作用，同時也是個性化服務的必要基礎，前端緩存可以按照遠端用戶的需要，預先將相關內容推送到遠端緩存服務器中。其中前端緩存是整個緩存系統(tǒng)的核心，不僅需要采用 Internet緩存（ICP）、緩存陣列路由（CARP）等協(xié)議以保證緩存服務器的處理和存儲能力，同時需要建立某種算法以確定何時、從何地獲取和推送內容。為此，兩級緩存之間也需要建立某種協(xié)作機制，以使衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬需求和網絡服務能力得到最佳匹配。除了寬帶接入應用以外，數(shù)據緩存也是內容投送、數(shù)據廣播、交互式應用等衛(wèi)星Internet服務的必要基礎。
3 衛(wèi)星Internet的接入方式
3．1 VSAT系統(tǒng)
VSAT系統(tǒng)的廣泛應用促進了衛(wèi)星通信的發(fā)展，他把衛(wèi)星高速寬帶廣播的特點擴展到Internet的應用中，為眾多新應用提供了有效的解決方案。實際上，VSAT系統(tǒng)早已成為Internet的一部分，他在Internet接入方面的應用主要有以下幾種方式：
?。?）為大型ISP提供遠程Internet連接 Internet的現(xiàn)狀決定了其ISP需要不對稱的線路方案，而衛(wèi)星VSAT恰恰符合這一不對稱需求。
?。?）將Internet延伸到邊遠地區(qū) 要將Internet用光纖延伸到邊遠地區(qū)或山區(qū)，在短時間內幾乎是不可能的，而VSAT可以做到這一點，因此發(fā)展V
?。?）直接連到計算機（Direct to PC或PCVSAT）衛(wèi)星通過點到多點連接方式將ISP服務器直接連到用戶計算機，使眾多公司無論大小，甚至個人用戶，均可利用空間數(shù)據通信的強大功能。
3．2 VSAT與CATV的結合
為了尋求一種網速快、費用低、投資少、見效快的上網途徑，有人提出了VSAT網與有線電視（CATV）網相結合的Internet接入方式。
有線電視網的HFC網絡是采用光纖和同軸電纜混合鋪設的，具有成本低、信號質量好、頻帶寬的特點，而且網絡建設也比較普及，是家庭用戶高速、快捷上網的一種新途徑。CATV與VSAT結合時，由于Internet用戶使用最多的操作是瀏覽WWW站點，具有下行數(shù)據量遠大于上行數(shù)據量的特點，所以 CATV仍采用當前的單向傳輸，VSAT也采用單向廣播傳輸，而用戶的上行數(shù)據通過地面Internet傳送給ISP，這樣就構成了一條完整的雙向數(shù)據通路。采用這種方式，有線臺就只需下行衛(wèi)星站而不必建立上行衛(wèi)星站，而CATV網也不必進行雙向改造，這就大大降低了資金的投入，也大大地縮短了建網的時間。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。
4 結 語
信息網絡正在朝著天地一體、全球覆蓋、無縫連接方向發(fā)展，未來的通信形式將是多媒體、個性化、隨時隨地的，其中中低軌、直播之類的衛(wèi)星通信新技術將發(fā)揮關鍵的作用。而發(fā)展基于衛(wèi)星通信的衛(wèi)星Internet，對于多媒體通信、信息服務以及互聯(lián)網本身都具有極其重要的意義。
而要真正實現(xiàn)衛(wèi)星Internet的全球覆蓋，首先國家的信息產業(yè)管理體制和產業(yè)政策做出相應的調整以規(guī)范日益增長的市場需求和促進新技術的應用；其次是設法使衛(wèi)星Internet接入設備的費用和服務費降到最低，并能不斷推出新業(yè)務以增強與地面網絡的競爭能力；進一步考慮，可以用寬帶衛(wèi)星技術來取代造價昂貴的光纖技術，這已成為ISP研究和解決的重大課題。
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