董飛鴻，呂晶，常江，孔博（解放軍理工大學通信工程學院，南京210007）

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間鏈路層協(xié)議設計?

董飛鴻，呂晶，常江，孔博
（解放軍理工大學通信工程學院，南京210007）

分析了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）發(fā)展的現(xiàn)狀，指出建立GNSS星間鏈路（ISL）的需求。針對這樣的需求，提出以高級在軌系統(tǒng)（AOS）空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議建議書為參考來設計適用于GNSS的星間鏈路層協(xié)議。對GNSS星間可能傳輸?shù)臉I(yè)務信息基于AOS的建議進行了歸類，認為GNSS星間鏈路層協(xié)議可以使用AOS，具體給出了AOS建議下星間鏈路層協(xié)議的設計。為使協(xié)議更適合GNSS ISL鏈路層，主要從3個方面對AOS進行改進，即：優(yōu)化了虛擬信道數(shù)據(jù)單元的結構，削減了3種服務，改進了虛擬信道調度與復用方法。對協(xié)議的性能進行了分析仿真，得出了信道誤碼率、幀長、包長和吞吐量的關系，仿真結果表明所設計的協(xié)議可作為GNSS星間鏈路協(xié)議設計的參考。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；星間鏈路；業(yè)務分類；虛擬信道數(shù)字單元；復用業(yè)務；協(xié)議設計

1 引言

美國GPS Block III設計理念是“連通到一顆衛(wèi)星即連通整個星座”。下一代GPS要求具有自主導航的能力，基于星間鏈路的信息傳輸成為一種必要的方式。然而，國內研究GNSS鏈路層協(xié)議文獻較少。導航衛(wèi)星星間鏈路的特點與一般通信星座星間鏈路的設計有相似之處，如軌道距離周期性變化，使得信道特性在不斷變化；星上處理存儲能力有限，對協(xié)議設計產生不利影響等。但更有許多不同之處，如：導航系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務以星間測距信息為主，通信或其他額外信息為輔；星間時間同步精度要求高（納秒級，星間測距精度）；要求具有GEO與MEO的星間鏈路；業(yè)務類型以數(shù)據(jù)信息為主，沒有話音視頻業(yè)務等。導航系統(tǒng)星間鏈路信息速率要求相對較低（每秒數(shù)萬比特級），時延大［1］（100 ms級），只有根據(jù)導航系統(tǒng)的物理層結構特性設計與之相適配的鏈路層協(xié)議才能使得系統(tǒng)可靠工作。本文以國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）針對空間信息傳輸提出的AOS標準和建議為參考設計了GNSS ISL的鏈路層協(xié)議，對我國導航系統(tǒng)的建設具有一定參考價值，有利于與國際標準的接軌。

2 GNSS的協(xié)議參考模型

完備的協(xié)議棧類型是OSI參考模型，它是由國際標準化組織（ISO）提出的一個網(wǎng)絡系統(tǒng)互連模型。然而，OSI參考模型由于其復雜性，至今仍然沒有一個實際的網(wǎng)絡應用它。因特網(wǎng)采用TCP／IP作為其協(xié)議模型，TCP／IP協(xié)議的優(yōu)點不言而喻，其簡單實用的特點使得它在互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應用。在衛(wèi)星信道環(huán)境中，TCP／IP受到了巨大挑戰(zhàn)。因此，CCSDS提出了一種新的協(xié)議參考模型，該協(xié)議是專門針對空間活動提出的網(wǎng)絡通信協(xié)議參考模型，其共有5層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層），每層都提供了若干參考協(xié)議［2］，其結構如圖1所示。GNSS協(xié)議模型的設計可以參考CCSDS協(xié)議參考模型來設計合適的協(xié)議棧。

3 AOS協(xié)議簡介［3］

AOS協(xié)議是CCSDS協(xié)議族的數(shù)據(jù)鏈路層［4］參考協(xié)議之一，該協(xié)議的主要目的是把網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星-衛(wèi)星或衛(wèi)星-地面的單段節(jié)點傳送。

3.1 AOS協(xié)議的特點

與OSI中的數(shù)據(jù)鏈路層有所區(qū)別，CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議包括兩個子層：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層（DLPS）和同步與信道編碼子層（SCCS）。DLPS用傳輸幀（TF）實現(xiàn)不同速率數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸幀是一種固定長度的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。而SCCS主要負責幀同步、幀定界及糾錯編譯碼等。AOS協(xié)議可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類型共用一條物理信道進行傳輸，為了使得實現(xiàn)簡單、可靠且易于同步，AOS使用了固定長度的TF。AOS最大的特點就是采用了虛擬信道（VC）的技術，一條物理信道被分為若干的邏輯信道，允許上層的不同服務要求的數(shù)據(jù)流進行傳輸，這樣有利于信道資源的充分利用和傳輸信息的統(tǒng)一化。AOS信道是用全球虛擬信道標示符（GVCID）區(qū)分的，具體由TF版本號（TFVN）、衛(wèi)星標示符（SID）和虛擬信道標示符（VCID）三部分組成。

3.2 AOS的服務業(yè)務

AOS提供了8種服務業(yè)務：路徑業(yè)務、網(wǎng)間業(yè)務、位流業(yè)務、多路復用業(yè)務、虛擬信道接入業(yè)務、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務、插入業(yè)務和封裝業(yè)務。

AOS的數(shù)據(jù)鏈路層包括兩個子層：虛擬信道控制鏈路子層（VCLC）和虛擬信道訪問子層（VCA）。VCLC子層主要有兩個功能：一是已經(jīng)打包好的數(shù)據(jù)利用封裝業(yè)務和多路復用業(yè)務傳輸，數(shù)據(jù)單元封裝在一個復用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（M-PDU）；二是位流數(shù)據(jù)利用位流業(yè)務，把數(shù)據(jù)封裝到位流協(xié)議數(shù)據(jù)單元（B -PDU）進行傳輸。VCLC子層利用VCA子層所提供的VCA業(yè)務來傳輸M-PDU和B-PDU。

AOS根據(jù)用戶業(yè)務的不同，采用3種不同的業(yè)務等級，這樣既簡化了系統(tǒng)的配置管理，又滿足了不同質量要求的用戶需求。業(yè)務等級一要求有請求重傳控制機制［5］，需要雙工信道，數(shù)據(jù)傳輸采用編碼虛擬數(shù)據(jù)單元（CVCDU），數(shù)據(jù)單元編碼為RS碼，對可靠性極高的數(shù)據(jù)可以歸為此類；等級二數(shù)據(jù)單元進行RS編碼，數(shù)據(jù)傳輸采用CVCDU，當誤碼率為10-5時，經(jīng)過編碼糾錯后可達到10-12，滿足一般數(shù)據(jù)傳輸要求［6］；等級三業(yè)務依賴于物理信道特性可以沒有差錯控制，數(shù)據(jù)傳輸采用虛擬信道單元（VCDU），頭部有RS（10，6）糾錯碼控制，數(shù)據(jù)段循環(huán)冗余（CRC）檢錯，要求VCDU丟失率小于10-7。

3.3 數(shù)據(jù)的封裝

數(shù)據(jù)的封裝是指對于不同速率的信息進行封裝，形成格式統(tǒng)一的VCDU格式，經(jīng)過星上處理，把各個VCDU復接為連續(xù)的數(shù)據(jù)流。VCDU由主導頭、插入?yún)^(qū)、數(shù)據(jù)單元區(qū)、尾序列區(qū)（可選）組成，其結構如圖2所示。

由于AOS定義的服務等級一和等級二都需要進行差錯控制，VCDU的尾部應該再加上一個RS校驗碼塊，形成編碼虛擬信道單元（CVCDU），如圖3所示。AOS協(xié)議用等長的數(shù)據(jù)單元，因此相同情況下CVCDU的效率較VCDU低。

3.4 AOS在GNSS星間鏈路中適用性分析

CCSDS-AOS協(xié)議建議的業(yè)務類型比較全面（8種），對于每種業(yè)務的應用是可選的，完整的AOS建議可以應用于諸多航天任務。降低AOS實現(xiàn)的復雜度以適應工程實際是一貫做法?；趯Ш较到y(tǒng)星間信息傳輸需求的理解，認為封裝業(yè)務、復用業(yè)務、虛擬信道訪問（VCA）業(yè)務、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務和位流業(yè)務（可選）是星間鏈路層設計需要的業(yè)務。第4節(jié)進一步對5種服務進行改進，以適應GNSS星間鏈路業(yè)務傳輸需求。

4 GNSS的業(yè)務信息分類與協(xié)議設計

4.1 星間鏈路業(yè)務信息的傳輸需求及分類

星間鏈路業(yè)務信息主要包括星間自主運行信息、上行注入分發(fā)信息和星間觀測量下傳信息。由于不同的業(yè)務信息對時延、誤碼率的要求不同，不同信息對導航系統(tǒng)的影響也不同，因此對于業(yè)務的分析尤其重要。這里分類的思想是基于AOS業(yè)務等級和所需服務的概念，即把所有的業(yè)務歸為若干等級，分別定義到相應的服務，在傳送時進行區(qū)別對待，使其占用不同的信道資源。

基于AOS業(yè)務等級的建議，GNSS星間業(yè)務信息根據(jù)其傳輸時延要求的不同，信息的優(yōu)先級定義為1級、2級和3級共3個級別。對于信息的服務質量，則根據(jù)對誤碼率要求的不同，定義為一級、二級和三級。對于信息速率的分類，分為低速率信息和高速率信息。對于以上信息的分類標準沒有特別嚴格的界限，在實際應用中，可根據(jù)需求更新星上配置來改變分類策略。

4.2 GNSS星間鏈路層協(xié)議模型

本文設計的協(xié)議模型采納了AOS數(shù)據(jù)鏈路層的5種業(yè)務，它們與網(wǎng)絡層、虛擬信道層及物理層的關系模型如圖4所示。

封裝業(yè)務：為非CCSDS-AOS標準的用戶的信息傳輸提供了條件，通過封裝后，現(xiàn)有的一些協(xié)議和應用可以保持不變，由星間鏈路協(xié)議直接承載。

復用業(yè)務：為不同信息提供了在同一條虛擬信道內傳輸?shù)目赡?，通過復用，把封裝的數(shù)據(jù)包和CCSDS包串聯(lián)、組織復用到同一虛擬信道中去，使得導航鏈路支持多任務和消息類型。

虛擬信道訪問（VCA）業(yè)務：使用虛擬信道訪問協(xié)議數(shù)據(jù)單元（VC-PDU）傳輸。VCA業(yè)務允許多個VC并發(fā)的使用同一物理信道。

虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務：需要傳送的數(shù)據(jù)被封裝為VCDU或CVCDU，然后被分配到虛擬信道中進行傳輸。

位流業(yè)務：將上層的比特流切成若干短塊，這些數(shù)據(jù)塊稱為B-PDU，其長度剛好容納一個虛擬信道數(shù)據(jù)單元的固定長度數(shù)據(jù)域。該業(yè)務用來傳送高速率固定時延的數(shù)據(jù)，每個位流數(shù)據(jù)源需要專門地占有一個虛擬信道。利用這種業(yè)務可傳送用戶定義的未經(jīng)構造的、面向碼位的、無固定長度的數(shù)據(jù)。

4.3 信息處理過程

對協(xié)議模型進行分析，可以把鏈路層的工作過程描述如下：對于高速數(shù)據(jù)單獨占用一個虛擬信道，可以用位流業(yè)務進行處理，通過B-PDU成幀模塊把連續(xù)的比特流封裝為固定長度的B-PDU。對于低速業(yè)務，則用復用業(yè)務，使多個低速數(shù)據(jù)包共用一條虛擬信道。對于誤碼要求高的數(shù)據(jù)用CVCDU格式傳輸，一般數(shù)據(jù)用VCDU格式。

（1）VCDU成幀

虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務負責對所有上述數(shù)據(jù)進行封裝，添加VCDU主導頭，封裝幀主導頭需要包含的信息有虛擬信道數(shù)據(jù)單元的GVCID、信息的優(yōu)先級等。依據(jù)業(yè)務服務質量要求的不同，還有可能封裝成CVCDU。VCDU幀格式的設計在4.4節(jié)將進行詳細介紹。

（2）虛擬信道調度與復用

如圖5所示，對于優(yōu)先級為1的VCDU給以最高優(yōu)先級，直接進行傳輸。對于優(yōu)先級為2和3的VCDU，當有1級VCDU傳輸時，其他VCDU都是放在緩存中的（包括中優(yōu)先級緩存和低優(yōu)先級緩存）。當1級VCDU傳輸完了之后，從中優(yōu)先級緩存中取出VCDU進行傳輸，當中優(yōu)先級的VCDU傳輸完后再傳輸?shù)蛢?yōu)先級緩存中的VCDU。當所有VCDU傳送完了則傳輸填充VCDU以保證數(shù)據(jù)鏈路的連續(xù)性。

4.4 幀格式設計

本文設計的幀由同步碼（24 bit）、主導頭（64 bit）、目的地址（8 bit）、類型標識符（2 bit）、數(shù)據(jù)和尾序列（可選）組成，如圖6所示。

同步碼：同步碼的接收實際上是隨機序列中獨特碼檢測問題，文獻［7］介紹了同步碼的選取，本文采用Baker碼型。Baker碼是一個八位的比特序列，如：10110111000。

主導頭：目的是對信息進行標識和進行優(yōu)先級時延的區(qū)分［8］，是對AOS協(xié)議的VCDU主導頭進行改進后得到的。包括主導頭版本號（2 bit）、虛擬信道標識（6 bit）、衛(wèi)星MAC標識符（8 bit）、計數(shù)器（24 bit）、實時性優(yōu)先級標識（2 bit）、保留域（6 bit）和差錯控制域（16 bit）組成，其結構如圖7所示。版本號用來定義傳送幀的結構（01表示該幀為VCDU幀結構，10表示該幀為CVCDU結構）。主導頭標識符由虛擬信道標識和衛(wèi)星MAC標識符組成，用于分辨該幀屬于哪顆衛(wèi)星的哪個虛擬信道。主導頭計數(shù)器對每個需要傳輸?shù)膸M行計數(shù)。實時性優(yōu)先級為01表示1級數(shù)據(jù)，10表示2級數(shù)據(jù)，11表示3級數(shù)據(jù)。

目的地址：這個字段是目的節(jié)點的地址，當目的節(jié)點收到源節(jié)點的幀后，分析MAC地址，如果是自己的地址或者是MAC廣播地址，則將該幀數(shù)據(jù)的內容傳給網(wǎng)絡層。

類型：說明了網(wǎng)絡層協(xié)議的類型，如SCPS-NP、IP等。因為根據(jù)傳輸業(yè)務的不同，導航信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡層可能采取多種不同的協(xié)議，當數(shù)據(jù)幀發(fā)送到目的節(jié)點后，目的節(jié)點根據(jù)類型字段把數(shù)據(jù)字段傳送到相應的網(wǎng)絡層協(xié)議進行處理（即多路分解）。對于不同類型網(wǎng)絡層協(xié)議的區(qū)別，可以根據(jù)CCSDS網(wǎng)絡層中4種協(xié)議（SCPS-NP、IP V4、IP V6及Space Packet Protocol）的合理選擇來最終決定。

數(shù)據(jù)：是指從上層傳給鏈路層的數(shù)據(jù)包，是鏈路層傳遞數(shù)據(jù)的基本內容。

尾系列（可選）：一般對于CVCDU選擇RS編碼，該字段允許接收節(jié)點對接收到的幀進行差錯檢測和糾正。

4.5 差錯檢測和糾錯

以GPS為例，同軌道面MEO衛(wèi)星星間距離為20 358 km左右，信號傳波時延67 ms以上，如果采用確認重傳機制則等待時間消耗太大，因此一般情況下考慮采用前向差錯糾正（FEC）。

FEC的優(yōu)點在于它可以減少發(fā)送方重傳的次數(shù)，在接收方進行糾錯，從而避免了等待。一般用RS（255，223）進行信道編碼對整個VCDU加以保護。如業(yè)務等級一，可靠性要求高，則在RS保護的基礎上需要引入自動重發(fā)請求（ARQ）機制進行進一步的差錯控制。

5 協(xié)議性能分析

衡量鏈路層協(xié)議性能的指標主要有有效數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)包平均時延、數(shù)據(jù)質量及信道利用率。影響AOS協(xié)議的業(yè)務吞吐量性能的主要因素有鏈路速率、編碼效率、包效率、幀效率、信道誤比特率等。

對于隨機的通信業(yè)務源，用指數(shù)分布的ON／OFF過程能夠較好地模擬數(shù)據(jù)隨機突發(fā)到達的過程。在導航系統(tǒng)中，其業(yè)務又有自己的特殊性，主要表現(xiàn)在多數(shù)信息是周期的、可預測的，如星間雙向測距數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息數(shù)據(jù)等，有一些信息的傳遞要求嚴格的時間戳，如遙控指令信息。

本文假設業(yè)務的到達過程是周期平穩(wěn)過程。數(shù)據(jù)包長與幀長一般為整數(shù)關系，這樣可以減少為補滿固定幀長時的額外開銷，提高信道的利用效率［9］。

推導得到信道吞吐量R的計算公式如下：

式中，C代表信道容量，rs代表信道RS編碼的效率，η（Flen）為幀效率，η（Plen）為包效率，F(xiàn)len為傳輸幀的長度，sF為幀開銷，Plen為業(yè)務信息的包長度，sP為包開銷，γ為包的相關系數(shù)，Pe為信道誤比特率。為簡化分析，不考慮編碼效率對業(yè)務吞吐量的影響，吞吐量R計算公式如下：

假設GNSS星間鏈路的C為50 kbit／s，包長固定為500 bit，得出信道誤碼率、幀長和吞吐量的關系如圖8所示；若幀長固定為1 000 bit，得出信道誤碼率、包長和吞吐量的關系如圖9所示。

從圖8可以看出，當誤碼率一定、幀長較小時，信道的吞吐量較低，隨著幀長的增加，信道的吞吐量明顯增加，隨后趨勢減緩并逐漸下降；當幀長一定、誤碼率Pe較小時，吞吐量較大，轉折點也來得較遲。

從圖9可以看出，當誤碼率一定、包長較小時，信道的吞吐量較低，隨著包長的增加，信道的吞吐量明顯增加，隨后趨勢減緩并逐漸下降；當包長一定、誤碼率Pe較小時，吞吐量較大。

綜合圖8和圖9可以得出結論：當空間鏈路信道條件較差時，短幀長、短包長可以提高數(shù)據(jù)的吞吐量；當包長和幀長長度相當時，包開銷sP最小，吞吐量變大，但包長超過幀長時吞吐量明顯下降。

6 結束語

本文介紹了一種實現(xiàn)衛(wèi)星導航星間鏈路層協(xié)議的方法，詳細分析了基于AOS的數(shù)據(jù)鏈路層幀格式設計和控制策略，指出了評價協(xié)議性能的指標，分析了影響信息吞吐量的因素，得出了不同信道誤碼率（BER）條件下幀長、包長和鏈路吞吐量曲線，為最佳幀長包長的選取提供了依據(jù)。從本文協(xié)議性能分析部分可看出，合理選擇協(xié)議的幀結構、幀長和調度算法可以提高信息吞吐量。在下一步考慮衛(wèi)星導航系統(tǒng)通信協(xié)議設計的工作中，本文鏈路層協(xié)議可考慮在與其他協(xié)議進行跨層設計與優(yōu)化上作進一步研究。

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DONG Fei-hong was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1987. He received the B.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

Email：feihong070＠qq.com

呂晶（1965—），男，天津人，1988年獲國防科技大學碩士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學教授、碩士生導師，主要研究方向為衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信；

常江（1972—），男，河北秦皇島人，1996年獲解放軍理工大學碩士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信；

CHANG Jiang was born in Qinhuangdao，Hebei Province，in 1972.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 1996.He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

孔博（1987—），男，陜西澄城人，2010年獲西安電子科技大學學士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信和空時協(xié)同通信。

KONG Bo was born in Chengcheng，Shaanxi Province，in 1987.He received the B.S.degree from Xidian University in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite communication and space time cooperative communication.

Link Layer Protocol Design of Global Navigation Satellite System

DONG Fei-hong，LV Jing，CHANG Jiang，KONG Bo
（Institute of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China）

This paper analyses the actualstate developmentof Global Navigation Satellite System（GNSS），points out the need of the Inter-satellite Link（ISL）for GNSS.To achieve this requirement，it advises the Advance Orbit System（AOS）Space Data Link Protocol Recommendation can be used as a reference.The possible traffic which may be senton ISL is classified based on AOS recommendation.Itindicates the AOS can be appropriate. To let the protocol appropriate for GNSS ISL，three main improvements are made，including optimizing virtual channel data unit frame structural components，reducing three services and improving on scheduling and multiplexing scheme.A link layer protocol is designed and its performance is simulated.The relationship among Bit Error Rate（BER），frame length，packetlength and throughputis analysed.The simulation results show thatthe protocol designed can be a reference for GNSS.

GNSS；inter-satellite link；class of traffic；VCDU；multiplexing service；protocol design

as born in Tianjin，in 1965.He

the M.S.degree from NationalUniversity of Defense Technology in 1988.He is now a professor and also the instructor ofgraduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

The National Natural Science Foundation of China（No.60972062）

TN96；TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.002

董飛鴻（1987—），男，陜西西安人，2010年獲解放軍理工大學學士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信；

1001-893X（2012）02-0130-06

2011-11-11；

2012-01-06

國家自然科學基金資助項目（60972062）