DVB-S多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

標(biāo)簽：DVB-S  數(shù)據(jù)廣播

l 引言

歐洲ETSI協(xié)會(huì)制定的數(shù)字電視廣播DVB系列標(biāo)準(zhǔn)(DVB-T/C/S)不僅可傳送數(shù)字電視業(yè)務(wù)，還可提供數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)[1-2]。DVB數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)定義了7種數(shù)據(jù)廣播方式，但此協(xié)議只規(guī)定了數(shù)據(jù)廣播的下3層協(xié)議，并沒有規(guī)定應(yīng)用層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是如何封裝的。實(shí)際應(yīng)用中存在著各種類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括流媒體業(yè)務(wù)、文件業(yè)務(wù)、互動(dòng)信息等，對(duì)于這些應(yīng)用，各公司和廠商都定義了自己的業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議。目前的應(yīng)用協(xié)議及實(shí)現(xiàn)主要側(cè)重于特定業(yè)務(wù)的應(yīng)用，而不是針對(duì)于各種業(yè)務(wù)的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1業(yè)務(wù)載體

為支持各種用戶業(yè)務(wù)，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，系統(tǒng)將用戶應(yīng)用分成以下4種業(yè)務(wù)載體：

1)數(shù)字電視：以TS流形式傳輸?shù)臄?shù)字電視，包括高清數(shù)字電視和標(biāo)清數(shù)字電視;

2)流媒體：用IP來承載的實(shí)時(shí)音視頻流業(yè)務(wù);

3)文件業(yè)務(wù)：以文件形式播發(fā)的業(yè)務(wù)，例如教學(xué)課件、圖書、文檔等;

4)消息業(yè)務(wù)：消息指不采用文件形式，直接傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如即時(shí)通信、天氣預(yù)報(bào)、政府公報(bào)，股票信息等。

這4種業(yè)務(wù)構(gòu)成了系統(tǒng)最基本的業(yè)務(wù)載體，用戶的各種業(yè)務(wù)都可以用這些業(yè)務(wù)載體來承載。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)組成如圖1所示，包括數(shù)據(jù)廣播中心、衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)和用戶接收終端。數(shù)字電視、流媒體、文件數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)等各種類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)廣播中心完成接入、匯集、封裝及復(fù)用。復(fù)用后的信號(hào)進(jìn)入衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)完成調(diào)制、上變頻、功率放大，此時(shí)的射頻信號(hào)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)供用戶接收終端完成接收及處理。

2.3系統(tǒng)協(xié)議棧

系統(tǒng)協(xié)議棧如圖2所示。數(shù)字電視業(yè)務(wù)直接通過MPEG一2定義的TS包傳輸;由于廣播是點(diǎn)到多點(diǎn)的單向傳輸，流媒體、文件及消息都通過UDP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，IP包通過多協(xié)議封裝(MPE)封裝到TS包中。流媒體在UDP層之上，需要RTP/RTCP/RTSP等控制協(xié)議保證音視頻流的服務(wù)質(zhì)量。在UDP層之上，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)載體定義業(yè)務(wù)載體傳輸協(xié)議。

2.4業(yè)務(wù)載體傳輸協(xié)議

接收端的用戶必須能夠識(shí)別信道上傳輸各種媒體和數(shù)據(jù)信息，并下載所需信息，這就要業(yè)務(wù)載體傳輸協(xié)議來提供上述功能。業(yè)務(wù)載體傳輸協(xié)議包括以下幾個(gè)部分：

1)MPEG-PSI[3]：是MPEG定義的協(xié)議，用于解析信道上傳輸?shù)臄?shù)字電視節(jié)目信息，包括信道上的節(jié)目數(shù)、各節(jié)目的音頻和視頻的PID、音視頻所采用的編碼方式等;

2)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)公共頻道：給出了信道所傳輸業(yè)務(wù)的相關(guān)信息，例如某個(gè)文件傳輸?shù)腜ID，IP和端口(Port)、文件名、文件大小等，接收模塊獲取這些信息之后去相應(yīng)的位置獲取文件;

3)文件傳輸協(xié)議：給出文件業(yè)務(wù)的傳輸格式; 4)消息傳輸協(xié)議：給出消息業(yè)務(wù)的傳輸格式。

業(yè)務(wù)載體傳輸協(xié)議格式參考了DVB-SI的協(xié)議格式，采用表(Table)的方式，以段(Section)為基本傳輸單位。一個(gè)表由多個(gè)段組成，每一段開始都有共同字段[1]，標(biāo)準(zhǔn)的DVB-SI段幀頭結(jié)構(gòu)為

其中：Table_ID為表唯一的ID號(hào);Section-syntax-indicator為此數(shù)據(jù)域固定設(shè)為l;Section-length為此段的長度;Version-number為此表的版本號(hào);Section-number為當(dāng)前段的編號(hào);Last-section-number為一個(gè)表中最后一個(gè)段的編號(hào);Current-next-indicator為表示當(dāng)前的表是否有效。

3 協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)公共頻道設(shè)計(jì)

接收端在接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過公共頻道獲知當(dāng)前信道中傳輸數(shù)據(jù)的預(yù)報(bào)信息及定位信息，從而從信道中解出其所需要的數(shù)據(jù)，其功能類似于MPEG一2標(biāo)準(zhǔn)中的PAT表。系統(tǒng)中的信息定位方法采用4級(jí)定位：TS流中的PID、廣播IP地址、廣播端口(Port)和Service_ID。在一個(gè)PID中可能傳有多個(gè)IP的數(shù)據(jù)，而相同IP的數(shù)據(jù)包的目的端口不一樣，傳輸?shù)膬?nèi)容也就不一樣。對(duì)于各種業(yè)務(wù)，每個(gè)文件都有一個(gè)File_lD，每個(gè)消息通道都有一個(gè)Mes-sage_ID，每個(gè)流媒體都有一個(gè)stream_ID，這些ID統(tǒng)稱為Service_ID。圖3給出了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分級(jí)定位結(jié)構(gòu)，將一個(gè)(PID，IP，Port，Service_ID)組合稱為一個(gè)業(yè)務(wù)通道[4]。

公共頻道的PID，IP，Port是已知的，接收端通過固定通道接收公共頻道信息。公共頻道協(xié)議的幀格式為

Data-type給出了業(yè)務(wù)的類型(文件業(yè)務(wù)、消息業(yè)務(wù)和流媒體業(yè)務(wù))。PID，Broadcast_IP和Broadcast-Port分別給出了承載業(yè)務(wù)的PID，IP地址和端口。Service-name給出了業(yè)務(wù)的名稱。描述符Descriptors()給出了與業(yè)務(wù)相關(guān)的其他信息，例如，文件業(yè)務(wù)還需要文件大小、文件類型、版本號(hào)等信息。CRC一32為段的CRC校驗(yàn)。

用戶在收到公共頻道數(shù)據(jù)后，從中解析出當(dāng)前信道中的數(shù)據(jù)廣播內(nèi)容，按(PID，IP，Poit，Seivice_jD去定位其所需要的數(shù)據(jù)并解析。

3.2文件傳輸協(xié)議

在文件傳輸協(xié)議中，為提高文件接收的成功率，發(fā)射端把文件拆分成文件塊進(jìn)行傳輸。每個(gè)文件塊都有唯一的編號(hào)，表示此文件塊在文件中的位置。同時(shí)為每一個(gè)文件塊加上頭和尾形成一個(gè)文件包，以此包為單位進(jìn)行傳輸。圖4顯示了文件拆分和打包過程。

文件包的幀格式為

由于文件包是定長包，文件內(nèi)容可能無法填滿一個(gè)文件包，因此在文件包的末尾使用填充比特，同時(shí)用PackeLlength來指示此包中文件內(nèi)容的長度，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

由于信道存在誤碼，同一文件的每個(gè)文件包不一定是按順序到達(dá)的。接收端每接收到一個(gè)包，根據(jù)文件包的編號(hào)判斷此包是否收到過。如果沒有收到過，則計(jì)算其校驗(yàn)是否正確，如果不正確則丟棄;如果正確則根據(jù)編號(hào)加入到文件中。然后處理下一個(gè)接收到的包，直到文件的每個(gè)包都接收到或發(fā)射端不再發(fā)送文件為止。如果發(fā)送結(jié)束但還有文件包沒有收到，則丟棄整個(gè)文件，或暫時(shí)保存以等待以后可能的重傳。圖5給出了接收端文件接收軟件的工作流程。

3.3消息傳輸協(xié)議

消息傳輸協(xié)議的幀格式為

Message_ID對(duì)應(yīng)于公共頻道中的Service_ID，消息業(yè)務(wù)是應(yīng)用最為多樣的業(yè)務(wù)載體，用戶可根據(jù)需求傳輸不同的消息業(yè)務(wù)，這需要用戶進(jìn)一步定義應(yīng)用層協(xié)議。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1數(shù)據(jù)廣播中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)廣播中心完成數(shù)據(jù)的接入、匯集、封裝及復(fù)用，圖6給出了廣播中心的設(shè)計(jì)架構(gòu)及軟硬件劃分。中心數(shù)據(jù)庫由4個(gè)分?jǐn)?shù)據(jù)庫組成，包括文件數(shù)據(jù)庫、信息數(shù)據(jù)庫、媒體數(shù)據(jù)庫和電視節(jié)目數(shù)據(jù)庫，分別存儲(chǔ)文件、消息、流媒體和數(shù)字電視等不同類型的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)廣播協(xié)議封裝完成文件業(yè)務(wù)和消息業(yè)務(wù)的協(xié)議封裝。公共頻道服務(wù)器根據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)實(shí)時(shí)生成公共頻道信息。IP打包機(jī)完成對(duì)IP包的多協(xié)議封裝，形成TS包。復(fù)用器完成多路TS的復(fù)接，形成單路TS流送至發(fā)送設(shè)備。接入網(wǎng)關(guān)完成各種類型業(yè)務(wù)的接入。如果業(yè)務(wù)屬于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，則數(shù)據(jù)被存到數(shù)據(jù)庫中;如果業(yè)務(wù)要求實(shí)時(shí)傳輸，則數(shù)據(jù)繞過數(shù)據(jù)庫直接送至相應(yīng)的封裝或復(fù)用模塊?？刂颇K完成整個(gè)廣播中心的控制，主要完成數(shù)據(jù)廣播的管理和控制，包括內(nèi)容管理、帶寬管理、優(yōu)先級(jí)管理、接人控制等[ 5]。

4.2接收終端設(shè)計(jì)

圖7給出了多業(yè)務(wù)數(shù)字廣播系統(tǒng)接收端的架構(gòu)及軟硬件劃分。中頻信號(hào)被送至接收模塊后，首先經(jīng)過硬件的信道解調(diào)及解碼;解復(fù)用模塊對(duì)收到的TS流解復(fù)用;如果解復(fù)用之后的碼流是經(jīng)過加擾的，則需要經(jīng)過解擾模塊進(jìn)行解擾;然后不同的業(yè)務(wù)被送至不同的處理模塊。

數(shù)字電視的音視頻流被送至音視頻解碼模塊進(jìn)行解碼，解碼之后的原始音視頻流通過播放模塊播放。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，IP解封裝模塊從特定PID的TS流中將含有公共頻道的IP包解封裝出來。接收端從公共頻道中獲取當(dāng)前信道中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信息，從中選取所需要的業(yè)務(wù)，并獲得傳輸此業(yè)務(wù)的PID，IP及Port。然后控制解復(fù)用模塊解復(fù)用相應(yīng)PID的TS包。IP解封裝模塊解封裝這些TS包中的IP包，然后根據(jù)IP，Port和Service_ID接收所需要的數(shù)據(jù)。接收端需要實(shí)時(shí)監(jiān)控公共頻道，以保證當(dāng)信道中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)發(fā)生變化時(shí)，公共頻道能夠及時(shí)刪除過時(shí)的業(yè)務(wù)信息，增加新的業(yè)務(wù)信息。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，為達(dá)到要求的服務(wù)質(zhì)量，數(shù)字電視和流媒體采用獨(dú)占帶寬的形式，以保證低的延時(shí)抖動(dòng);對(duì)于文件、消息兩種非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)采用共享帶寬的形式。表1給出了系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。