利用IDBS和多点广播WEB缓存的卫星Internet业务
发布时间：2006-10-14 4:07:50   收集提供：gaoqian
余智
1　交互式数据广播系统（IDBS）结构

　　IDBS代表一种不对称的网络结构，它利用数据广播系统（DBS）的一个或多个信道（如前向链路），把大量数据传输到用户基站（终端用户），并通过独立网络（如电话拨号）、低速网络（如分组无线电）或卫星反向链路接入Internet，再与服务器相连。这就与传统结构形成了鲜明对比，这种网络接入主要采用一种平衡模式实现，并假设流入网络的数据量在数量级别上与从网络流向终端用户的数据量相当。该模型正随着诸如非对称数字用户线（ADSL）等新技术和互联网的引入而快速变化。用户接收的数据比发送的数据要多得多，所以信息流会变得非常不平衡。因此，利用独立网络进行进站流量（前向链路）和出站传输（反向链路）的非对称、不平衡的网络接入是终端用户接入的一个可行的替代方案。

　　随着用于前向链路的DBS系统的出现，在Ku频带转发器上，基于MPEG-2的数字电视技术能提供最高36mb/s的速率，并最终在Ka频带上达到155mb/s。为机顶盒（STB）开发的组件也正用于实现直接插入PC机总线的集成化接收机/解码器（IRD）。这种高速前向链路和低速反向链路的结合已用于IDBS系统。



　　图1示出通过各自网络接口对通信进行路由的IDBS结构。在上行线路中，基站通过卫星网关，与多路复用器、调制解调器和传输设备相连。在用户基站，信号被送入RF低噪声模块，然后进入IRD，最后通过内部总线，数据被传送到PC，并送入合适的协议软件。反向信道由连接PC与基站的独立网络进行路由，该连接可以暂时的，也可以是永久的。用于实现反向信道的通信系统包括公共交换电话网（PSTN）、电话/调制解调器或综合业务数字网（ISDN）、同步卫星Ku和Ka频带的链路以及分组无线网。另一种用于远程接入的结构将是用于前向信道的同步卫星和用于反向信道的低地球轨道卫星系统的结合。

　　除了PC机以外，用户基站设备还包括：（1）卫星接口单元（SIU），它用于完成所有从DBS接口接收来的数据包的帧形成、寻址以及前向传输功能；（2）卫星网关（SGW），它一端与卫星上行线路信道接口，另一端与基站（Internet服务器）接口。SIU和SGW都硬件与软件的结合，它们完成所有的寻址、路由和接口工作，这样就不需要对Internet或TCP/IP协议做任何修改。

2　数字视频广播（DVB）

　　欧洲广播联盟（EBU）定义DVB系统是基于MPEG-2定义的面向信元的分组传输系统。从发送方到接收方之间，MPEG-2数据流以数字格式携带视频、音频和数据。此外，系统内部的信令信息也以表格方式，从节目提供方传送到接收方。基础通信信道是卫星转发器或有线电缆系统的广播媒介，这与用于计算机网络基础结构的局域网（LAN）非常相似。基本通信功能由协议层1（物理层）和协议层2（数据链路层）提供，所有与广播信道相连的基站都能直接从另一基站接收数据，不需要第三层协议。

　　物理层具备调制、同步和编码功能，由EBU-DVB文件定义。数据链路层提供国际标准化组织（ISO）/国际电信联盟（ITU）的13818-1点到点传输。这两层并不是开放系统互连（OSI）模型（RM）的协议层，但代表了OSI结构的业务数据单元（SDU）。图2示出对MPEG-2的传输流（TS）、表分段和打包基本流（PES）的进一步研究。



3　MPEG-2、DVB和协议层

　　一种相关的结构模型是用于ITU-T定义进行宽带ISDN（B-ISDN）的协议参考模型（PRM）。该分层模型在用户平面和控制平面之间有区别，它显示了在管理平面内额外的系统相关功能，管理平面又分为层管理和平面管理。

　　初看起来，异步传输模式（ATM）层与MPEG-2在结构上极其相似：在物理之上，传输流（TS）包含固定长度信元，下一层（ATM适配层）传输“净荷单元”，并在信元序列中分割后重组。TS信元头包括分组标识（PID），用于确定虚拟广播信道，尽管ATM虚拟电路代表点对点链接，但由PID标识的TS却代表具有点到多点特性的逻辑广播信道。

　　用于数据净荷传输的最低层协议TS信元流。一个TS信元的完整长度是188byte，其中184byte用于净荷传输。为了传输更长的净荷，下一层协议必须能完成净荷单元的分组和重组。在分段和PES情况下，该功能由响应的MPEG-2实体自动实现。

4　业务接入点

　　如图3所示，MPEG-2传输系统提供两种传输数据单元的业务接入点（SAP）：一种用于PES分组，另一种用于表分段。另外还有TS信元层直接顶层之上的SAP，可传输单一信元。为了利用这种差异，用户必须进行分割和重组。



　　IRD必须能判定净荷所属的输入信元，并把它送入正确的模块（如处理的下一层）。这些模块可能是PES处理器、分段处理器或用户定义的重组模块。对于MPEG-2来说，作此决定的信息是PID的值，它通过系统信息（SI）表，特别是节目映射表（PMT）进行。

5　通过MPEG-2/DVB的IP

　　在网络层，IDBS采用根据多协议封装（MPE）标进行准封装的标准IP数据报。DVB的MPE规范利用专用部分（SAP）进行IP数据报传输，并利用IEEE有LAN/MAN标准之后的封装特性，将IP数据包封装在数据包封装在数据包分段中。对于私有数据来说，这些分段与DSMCC分段格式一致，这种封装利用媒体接入控制（MAC）层设备地址，该地址符合用于LAN/MAN的ISO/IEEE的标准。

　　48bit的MAC地址域包含目标MAC地址，分布在6个8bit域中，分别为MAC地址1到MAC地址6，但以不同顺序重排。MAC地址6则包含最不重要的字节。有多少字节很重要，但可以选择，而且由广播描述符表的值定义。MPE方案既不精确，也不高效，但目前仍在广泛使用。

　　在IDBS系统中，另一种方法是把PES包作为IP数据报的容器。这是支持最多64byte长的IP数据报的更直接的解决方案。在MPEG-2信元流上，它利用一个专用适配层传输IP数据包，该层与ATM适配层5（AAL5）解决方案类似，同时也是一个分割和重组层。由于IRD组件是为PES和分段结构专门设计的，故这种方案也很难实现。

6　路由技术

　　如前所述，IDBS利用音向卫星链路传送高带宽业务，但普通路由协议并不支持单向链路的连接。为了解决这个问题，可在主站内静态配置IP路由。然而，随着主站数目的不断增长，静态路由会变得越来越复杂，而且无线电发送的依赖性会导致路由“空洞”。这个问题中可由一个卫星加一个“正常的”地址多跳线路来解决，更好的解决方案还在讨论中。

　　对于更大的网络，单向链路路由组定义两种方法：（1）隧道技术：单向卫星链路对于反向信道的缺少可由隧道技术屏蔽。换言之，在建立把路由信息送回主站的链路层隧道时，可不对路由协议做任何修改；（2）路由协议的修改：允许主站在单向卫星链路中发送路由信息，并在另一接口以相反方向接收路由信息。反向信道的缺乏必须让路由协议知道。目前，隧道技术正在IDBS网络中使用，路由协议的修改仍在深入研究之中。

　　7　多点广播传输

　　IDBS传输层包括一个限定可靠性多点广播协议（RRMP），它提供向更高层实体的端到端可靠数据传送（如图4所示）。这种传统的客户/服务器模型不能根据复制数据流量和内爆问题对用户团体进行升级。因此，应将结构设计成在无连接传输/网络协议和IP多点广播模型上进行工作。



　　在RRMP中，数据传输无需任何前向连接，以至在客户端/服务器应用中，可避免数据传输产生长时延。利用IP多点广播，一次就可把信息发送到一大组终端用户，节省了网络带宽。

　　在大多数情况下，基础网络协议（如UDP/IP）只提供最大能力的数据传输业务，数据包很可能由于发生拥塞或链路错误而丢失。为了简化更高层设计，RRMP实现差错控制机制，它不但把重点集中在不同的反向信道结构，另外也集中在大规模多点广播的特定问题。例如，随着多点广播组大小的不断增长，就会出现确认收到（ACK）内爆。这是因为发射机复杂性与接收机数目大小成比例；重发数目与组的大小成比例，时延变长，当发射机一直忙于重发（发送内爆）时，吞吐量就会大量降低。

　　前向纠错（FEC）可避免卫星多点广播传输中反馈内爆。它发送附加的冗余信息，使接收机在不进行重传的情况下，纠正一定数量的丢失数据。除了减少恢复丢失包所需的时间外，由于不需要反馈信道，FEC可简化发送端和接收端。这种技术非常适合于多点广播应用，因为不同的丢失模型可用同一套发送数据来恢复。在传输层上，基于软件的突发消除纠错技术，可通过控制包丢失率来增强吞吐量效率。

　　在有限可靠的传输模式下，RRMP利用FEC结合负向ACK(NAK)进行差错控制。这种差错恢复有助于减少重传数量。

　　8　IDBS的多点广播Web缓存

　　随着网上图像、音频和视频内容的频繁出现，终端用户的带宽要求不断增长。在许多情况下，要求在短时间帧内积累个人要求和对响应的复用。因此，多点广播发布业务与本地缓存和代理技术相结合，对多媒体领域的内容提供商来说特别有吸引力。

　　目前所有Internet业务的实质性部分是Web应用部分。“靠近”Web页面的缓存可减少网络流量和响应时间。传统的缓存策略经常利用分层代理缓存结构，它是为陆地线路开发的，并不具备广播/多点广播代理缓存的能力。今天的代理缓存利用HTTP进行数据发布。基于TCP的HTTP用于长时延链路中，特别是在传送数据给终端用户时，存在处理时间过长和低带宽用途等缺点。

　　9　简易性

　　低成本地球站的卫星交互式多媒体平台（SiMPLE）是同时运行在终端用户和广播中心的一种代理/缓存解决方案，它利用多点广播进行交互式和透明的请求/回传基于Web的内容。根据请求，把Web内容同时复制到许多地点，使终端用户的缓存时刻保持更新。

　　为了避开低速的最后一英里电话线，一般方法是利用一条直接到家庭的卫星链路。为了不修改IP包的路由，在宽带上行链路站（BUS）使用一个代理。用户地球站（UES）浏览器直接与BUS代理进行通信，它一次打开与发信Internet服务器的第二条链接，以便从发信服务器获取内容。卫星的固定传输时延大约265ms，获得合理的传输速率对于TCP参数的正确调整非常必要。然而，卫星链路的广播能力及带宽有限，而且每个TCP传输都建立一个连接。在连接过程中，若使用慢启动，就会使反应灵敏性降低。



　　图5示出一种用于SiMPLE系统的解决方案。对Web目标的请求由UES运行的本地代理处理，并被翻译成UDP查询，然后传送到BUS代理，请求被处理后，在Internet Web服务器中，以标准方式（TCP）读取应答，然后通过多达回请求UES代理。目前，多点广播传输已能与许多UES代理结合，而这些代理能对其各自的本地缓存进行更新。

　　中央代理通过监视和分析常被请求到的页面，保持具有共同兴趣的站点和页面的列表。这些页面的最近版本可自动或通过操作员请求进行检索，然后通过多点广播传送至客户站。这种技术可明显减少时延和带宽需求，并提高系统的整体效率，因为页面可在不经过明确请求的情况下，预先发布。

　　10　结论

　　本文阐述了利用广播卫星系统与多点广播协议的结合，把多媒体内容直接发布到终端用户。基于Web的多媒体业务增长，代表了具有巨大发展潜力的新业务领域。下一代工作于Ka频带的直接广播卫星将提供与光纤可比的带宽，这将极大增强多点广播的潜力。这些“多媒体卫星”的快速发展，将完全溶入全球的Internet中，并直接发向终端用户提供第二层次的高速层。

　　摘自《电信快报》2001.9
 
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