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(shù)研究中心，河北 承德 067000)

0　引言

歐洲電信標準協(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)標準[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(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)拓撲為星狀網(wǎng)，非常適合于當前互聯(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[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標準在此之上定義了數(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(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(jù)當前網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，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(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，再進行檢測進一步確認。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(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行分析，檢測的結(jié)果會更準確。

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。前導碼相關(guān)法的檢出準確率相對較高，但是需要進行大量相關(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衛(wèi)星天線口面的時間為基準，保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系[19]，這種嚴格的對應(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行檢測。非合作接收時，只需要估計出本地接收目標網(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，再查詢信令獲得當前時隙的前導碼，然后進行相關(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(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的突發(fā)檢測算法進行突發(fā)檢測。通過正確率的比較，可以看到基于信令引導的突發(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

采用信令引導的方法，對全網(wǎng)回傳信道的所有時隙進行突發(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)載荷進行發(fā)送，具體幀數(shù)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(jié)頭部可以判斷數(shù)據(jù)來源和去向信息等，根據(jù)其進行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報文進行比對，去掉重復接收的數(shù)據(jù)。

由衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)中的IP數(shù)據(jù)。

圖8　恢復的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(wèi)星實際數(shù)據(jù)進行了驗證，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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