DVB-RCS网络IP数据非合作提取方法研究

2018-04-11邸晨旭

无线电通信技术 2018年3期

邸晨旭,王　睿

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；2.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北承德 067000)

0　引言

欧洲电信标准协会发布的数字电视广播-经由卫星的交互信道(Digital Video Broadcast-Return Channel via Satellite，DVB-RCS)标准[1]，通过专用的双向交互信道，可以构造基于卫星的交互式网络。DVB-RCS 采用数字电视广播卫星(DVB-S)[2]或数字电视广播卫星二代(DVB-S2)[3]标准信号作为前向广播、多频时分多址(MF-TDMA)[1]多点回传的工作方式，由业务供应商、网关、网络控制中心、卫星以及终端站等组成[4]。DVB-RCS卫星通信系统网络拓扑为星状网，非常适合于当前互联网应用，可支持同时在线的地球站数量多，前向下载数据量大，反向回传数据量小，且MF-TDMA 在载波带宽不变的情况下，可以灵活调整用户业务带宽[5]，极大提升卫星通信系统的平均系统容量[6]。

随着网络技术的发展，互联网已经深入到社会各个角落，内容安全已经成为当前互联网网络安全中最重要的议题之一[7]。目前有线互联网内容监管的技术已经较为成熟，文献[8-11]都是在基于有线网络IP数据提取的基础上进行研究。由于卫星通信网络采用无线传输，可覆盖范围广，目前存在监管的盲区，所以开展对卫星互联网内容监管的技术的研究很有必要。本文针对DVB-RCS网络，对非合作接收条件下全网IP数据的提取方法进行了研究。利用该方法可以从DVB-RCS网络卫星信号中非合作提取IP数据，从而实现对该类型网络的IP数据进行监管。

1　前向信道IP数据提取

DVB-RCS网络前向信道采用多协议封装(MPE)[12]定义了一种将IP协议数据包封装在DVB-S/S2传输流(TS)中的方案，被DVB-RCS前向广播信道采用。TS流是以0x47为开始，帧长固定为188 Byte的一种数据流格式，DVB标准在此之上定义了数据分段，其中包含程序特殊信息(PSI)表。而MPE扩展了原DVB标准中的PSI表，当表标识(Table ID)值为0x3E时，表示采用该封装格式。

MPE由包头、包尾和被封装的IP数据分段组成。其中包头为12 Byte，包头开始为1 Byte的(Table ID)，一般为0x3E，接下去封装了IP数据分段长度、目的MAC地址和数据包的分段标志等参数。包尾则是32位的CRC32校验字段。卫星实际接收的一段DVB-RCS前向信道TS流如图1所示，可以看到它采用MPE封装的协议格式，图中标记出了MPE包头、IP报文和CRC校验的位置。

图1　多协议封装数据

2　基于信令引导的回传信道IP数据提取

2.1　前向信道的信令提取

DVB-RCS的前向信道除了传输IP数据，还同时传输信令给各网络中的终端，用于控制各终端。DVB-RCS扩展了DVB标准中的程序特殊信息(PSI)作为信令，主要信令如表1所示。这些信令根据当前网络的运行状态，实时由前向信道进行广播。

表1DVB-RCS信令

TableID信令名称0x41RCS映射表(RMT)0xA0超帧组成信息表(SCT)0xA1帧组成信息表(FCT)0xA2时隙组成信息表(TCT)0xA3卫星位置信息表(SPT)0xA4终端参数校正信息表(CMT)0xA5终端突发载波时隙安排计划(TBTP)0xA6网络时钟参考信息(PCRpacketpayload)0xB0卫星终端站信息(TIM)

其中SCT、FCT和TCT将回传信道的频域和时域按超帧、帧和时隙由大到小三个层次划分，如图2 所示。TBTP则分配了网络中各终端的时隙占用情况。

图2　TDMA信号帧结构

TCT定义了时隙的种类，包含了时隙类型、持续时间长度、符号速率、编码方式、前导码等参数。FCT定义了帧的结构种类，每一种帧由TCT定义的时隙经过在时间和频率上的排列组合而成。SCT定义了超帧结构和超帧的中心频率、起始时间，超帧的结构是由FCT定义的帧经过在时间和频率上排列组合而成。通过实时解析SCT、FCT和TCT，可以得到所有回传信道的中心频率和时隙分布情况，通过实时解析TBTP可得到这些时隙分别具体分配给了哪些终端站使用。

2.2　信令引导的非合作回传信号频域检测

由于DVB-RCS网络的回传信道采用MF-TDMA体制，非合作接收时，首先需要进行频域和时域上的检测。

传统频域的检测方法通常是选择与前向信道信号中心频率较近突发信号的频点初判为其回传信道，再进行检测进一步确认。使用该方法的缺点是：如果有多个网络使用邻近的信道作为回传信道，会无法确认回传信道的归属关系，造成错判；如果某个网络使用中心频率间隔较远的回传信道，则容易造成漏判。

采用由信令引导的方法可以精确获得网络中所有回传信道的中心频率，具体方法是由SCT获得超帧的绝对频率，加上由FCT和TCT获得的组成超帧的所有帧与时隙组合的相对频率即可。需要注意的是，这里的SCT的绝对频率通常是卫星上行频率，实际应用时，如果接收的是卫星下行信号需要根据实际卫星的转发比进行换算。图3和图4是实际接收卫星信号(换算为上行发射频率)的频谱和通过解析信令得到的频点比较，可以看到该方法能够很好地匹配网络中所有回传信道频点。因为通常在DVB-RCS网络中前向信道的信号质量要高于回传信道，该方法的优点还在于，只需要解析高质量的前向信道信号而无需对低质量的回传信道信号进行分析，检测的结果会更准确。

图3　卫星实际信号频谱图

图4　通过信令解析得到的回传信道频点

2.3　信令引导的非合作回传信号时域检测

突发信号时域检测技术用来确定突发信号每个突发的起始和终止时间。传统的信号时域检测算法有信号能量检测法[13]、双滑动窗口法[14-15]、前导码相关法[16-18]等。由于是非合作接收条件，在信噪比较差的情况下，能量检测法和双滑动窗口法会出现较高的漏检、错检情况。前导码相关法的检出准确率相对较高，但是需要进行大量相关运算，运算量较大，在需要同时检测多个不同的前导码的情况下更加消耗计算资源。

采用TDMA制式的系统，要求空口信号以到达卫星天线口面的时间为基准，保持严格的对应关系[19]，这种严格的对应关系是由信令来控制的。利用这个特点，在非合作接收条件下采用由信令引导的方法可以由SCT、FCT和TCT计算出回传信道的每个时隙相对于超帧起始时间的精确相对时间、持续时间和前导码。由于终端站在分配给自己的时隙是按需发射信号的，所以还需要对该时隙是否有信号进行检测。非合作接收时，只需要估计出本地接收目标网络超帧起始的绝对时间，经查询信令就可以推算出每个时隙的起始时间和持续时间，再查询信令获得当前时隙的前导码，然后进行相关检测，即可判断出是否有突发信号在该时隙发出，以及该突发信号的精确起始和终止时间。

为了推算超帧起始的绝对时间，选取网络中任意一个回传信道频点，先通过传统的前导码相关的检测方法，对几个超帧时间内突发的起始时间进行检测，然后与信令中的时隙分配图案进行匹配，即可得到接收到的突发信号与信令分配时隙的对应关系。

DVB-RCS网络中的时隙类型有4种，分别是请求时隙(ACQ)、同步时隙(SYNC)、一般信令时隙(CSC)和业务时隙(TRF)。其中ACQ和SYNC只在终端站入网时才使用，很难捕捉到信号。而TRF时隙是用来传输业务的，通常绝大部分的信道资源会被分配大量持续时间相同且间隔相等的TRF时隙，且用户对TRF时隙使用具有随机性，很难确定检测到的TRF突发信号是属于哪个时隙。SYNC时隙用于在网用户进行同步保持。所以只要有用户通信，该时隙一定存在信号，并且由于SYNC时隙持续时间与其他突发长度不同且数量较少。利用该时隙与接收到的SYNC信号进行匹配，较容易确定其对应关系。

由卫星实际接收的DVB-RCS回传信道信号如图5 所示，由网络信令解析得到该信道每个超帧依次分配了1个CSC时隙、1个ACQ时隙、2个SYNC时隙和64个TRF时隙，且第一个SYNC时隙相对超帧起始位置的偏移为0.779 407 ms。可以看到该信号中，CSC时隙、ACQ时隙无信号，2个SYNC时隙都有信号，接下去是若干TRF时隙的信号。所以接收到的第一个SYNC类型的突发就对应着第一个SYNC时隙。假设本地实际接收到第一个SYNC时隙绝对时间为t，可以确定本地接收信号的超帧起始时间t0=t-0.779 407 ms。

图5　回传信道时域幅度图

为了比较算法性能，表2为3组的实际卫星数据样本，采用双滑动窗口方法和基于信令引导的突发检测算法进行突发检测。通过正确率的比较，可以看到基于信令引导的突发检测算法较双滑动窗口盲检的方法具有较高的正确率。且基于信令引导的突发检测算法通过信令解析，每个时隙只要做一次对已知前导码的相关运算，极大减少了突发检测算法的计算资源。

表2算法性能比较

样本序号信噪比/dB突发数双滑动窗口法信令引导正确检出数正确率/%正确检出数正确率/%17．891081389．3490999．8929．2101396695．361013100310．41035102398．81035100

2.4　回传信道IP数据提取

采用信令引导的方法，对全网回传信道的所有时隙进行突发信号检测后，由TCT查询每一突发的符号速率、前导码、纠错码参数、加扰方式、突发类型、封装格式以及封装帧数量等参数。对于业务突发，按上述参数解得每一突发的载荷，并按时间先后排序进行IP分段数据拼接。

DVB-RCS协议定义了两种回传信道封装IP数据的格式，分别是TS帧格式和ATM信元格式[20]，具体采用的封装格式在TCT中可以查询。

采用TS帧格式对IP数据进行封装时，依然采用MPE封装格式，将TS的一个或多个帧作为每个突发的数据载荷进行发送，具体帧数由TCT指定。

采用ATM格式进行封装时，如图6 所示，每帧长度为53 Byte，由5字节头部可以判断数据来源和去向信息等，根据其进行IP报文的数据拼接。每个突发的数据载荷传输一个或多个ATM帧，具体帧数由TCT指定。

图6　ATM结构示意

3　整体流程

DVB-RCS网络IP数据非合作提取的整体流程如图7 所示。

图7　整体处理流程

由于DVB-RCS网络中，终端站发向终端站的数据是经由网络控制中心进行转发，所以该类型数据包即会出现在前向信道，也会出现在回传信道，这时需要将前向信道和回传信道接收到的IP报文进行比对，去掉重复接收的数据。

由卫星实际接收恢复的IP报文如图8所示，可以看到使用该方法可以有效地非合作提取DVB-RCS网络中的IP数据。

图8　恢复的IP报文

4　结束语

本文提出了一种以非合作方式从DVB-RCS网络中提取IP数据的完整流程，分别描述了从前向信道和回传信道提取IP数据的方法，并提出了一种利用信令引导的方法进行非合作条件下回传信号的频域和时域检测方法，试验验证该方法提高了回传信道信号检测的正确率。在工程实践中，利用卫星实际数据进行了验证，该方法能够有效地以非合作方式从DVB-RCS网络中提取全网IP数据。

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