劉騏銘，馮旭哲，岳宇航

(國防科技大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，長沙　410073)

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劉騏銘，馮旭哲，岳宇航

(國防科技大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，長沙410073)

星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是衛(wèi)星通信的基礎(chǔ);目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能越來越復(fù)雜，使得協(xié)議的測試越來越重要;星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中處于核心地位的傳輸層協(xié)議是在測試中受到重點關(guān)注;由于導(dǎo)航星座的條件限制，現(xiàn)階段難以對其使用的傳輸協(xié)議進行整網(wǎng)測試，因此需要一個協(xié)議測試系統(tǒng)來滿足測試需求;在分析了導(dǎo)航星座通信網(wǎng)絡(luò)特點與星間傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計了傳輸協(xié)議測試系統(tǒng);該測試系統(tǒng)對星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸層協(xié)議進行實現(xiàn)，并通過數(shù)據(jù)總線來模擬數(shù)顆衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)通信;測試結(jié)果表明，測試系統(tǒng)能夠滿足星間傳輸協(xié)議的測試需求。

導(dǎo)航星座；星間傳輸協(xié)議；協(xié)議測試

0　引言

星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)。傳輸層是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中一個重要的協(xié)議層，傳輸層協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心地位。其保證數(shù)據(jù)流的正常運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性保證、時效性保證、流量控制等功能。

傳輸協(xié)議在實現(xiàn)過程中，可能會由于實現(xiàn)者對協(xié)議的不同理解或者實現(xiàn)過程中的非形式化因素，導(dǎo)致協(xié)議實現(xiàn)的功能與協(xié)議規(guī)范的要求不一致[1]。故在傳輸協(xié)議投入使用之前必須進行協(xié)議測試，以確定協(xié)議實現(xiàn)是否與其協(xié)議規(guī)范相一致。

導(dǎo)航星座是按照要求分布在多個軌道的衛(wèi)星群整體，其各個衛(wèi)星協(xié)同作業(yè)，主要完成衛(wèi)星導(dǎo)航任務(wù)。本文關(guān)注的是導(dǎo)航星座的星間傳輸協(xié)議，其應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。在導(dǎo)航星座的建設(shè)過程中，在單顆衛(wèi)星的設(shè)計研制階段，衛(wèi)星測試階段以及在衛(wèi)星正式組網(wǎng)運行之前時，如何對星上使用的傳輸協(xié)議進行測試是一個重要問題。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)沒有完整組網(wǎng)，不具備傳輸協(xié)議的衛(wèi)星整網(wǎng)測試條件。因此需要設(shè)計一個傳輸協(xié)議測試系統(tǒng)，通過實現(xiàn)星間傳輸協(xié)議并模擬星間數(shù)據(jù)通信，對衛(wèi)星節(jié)點上的星間傳輸協(xié)議進行測試。

1　導(dǎo)航星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

1.1衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

導(dǎo)航星座是一類較為復(fù)雜的衛(wèi)星星座，其精密度很高，由多顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成。導(dǎo)航衛(wèi)星之間通過無線鏈路來實現(xiàn)星座組網(wǎng)，形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。在導(dǎo)航星座中，導(dǎo)航衛(wèi)星提供的功能是一致的，所以各個導(dǎo)航衛(wèi)星在本質(zhì)上可以看作是對等的。因此可以將導(dǎo)航星座衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)理解為一個具有多個對等節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)[2]。

本文所針對的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入模式為時分多址接入模式(TDMA)， 在TDMA模式下，時間被劃分為等同的時隙，衛(wèi)星通信采用同一頻率，不同的擴頻碼。在每個時隙內(nèi)，每顆衛(wèi)星都有各自不同的建鏈對象，衛(wèi)星之間擁有互不干擾的無線鏈路，并且每顆衛(wèi)星同時有且僅有一條鏈路[3]。 到了下一個時隙，每顆衛(wèi)星都會斷開鏈路，并按規(guī)律切換建鏈對象。某衛(wèi)星軌道在不同時隙內(nèi)無線鏈路的狀態(tài)如圖1所示。

圖1　某軌道在不同時隙內(nèi)的鏈路狀態(tài)

時隙之上的單位稱為超幀，超幀包含了固定數(shù)量的時隙。超幀內(nèi)的時隙都會按照一定規(guī)律變化。圖2表示某顆衛(wèi)星按某種規(guī)律的時隙變化圖。

圖2　某顆衛(wèi)星的時隙變化圖

在這個例子中，每個超幀有3個時隙，在一段時間內(nèi)，每個超幀的內(nèi)容一樣，可視為一個周期。該衛(wèi)星在超幀內(nèi)根據(jù)時隙的變化先后與3顆衛(wèi)星分別建鏈。同樣的，其他衛(wèi)星都有各自的時隙變化規(guī)律。

1.2星間傳輸協(xié)議

傳統(tǒng)地面互聯(lián)網(wǎng)中，TCP/IP協(xié)議是使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是由于TCP協(xié)議是針對地面網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的傳輸協(xié)議。在具有誤碼率高、傳輸時延大、鏈路不對等特性的空間環(huán)境中應(yīng)用效果不佳。因此關(guān)于空間環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得到了大力的研究與發(fā)展。

在關(guān)于空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議中，最著名的就是CCSDS提出的SCPS協(xié)議。SCPS協(xié)議以TCP/IP協(xié)議棧為模型并基于TCP/IP協(xié)議進行了改進[4]，目的是解決由空間網(wǎng)絡(luò)的特性帶來的傳輸可靠性保證方面的問題，從而適用于空間通信環(huán)境。

SCPS協(xié)議包含了一系列不同功能的協(xié)議，圖3說明了協(xié)議分層結(jié)構(gòu)與分層功能。

圖3　協(xié)議分層結(jié)構(gòu)與分層功能

本文主要研究的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中處于核心地位的傳輸層協(xié)議，其他層的協(xié)議不作過多考慮。傳輸層協(xié)議主要功能如下。

1)數(shù)據(jù)的可靠傳輸：包括數(shù)據(jù)的應(yīng)答、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與重傳、重傳定時設(shè)置等[2]。

2)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制與流量控制：在網(wǎng)絡(luò)擁塞時控制數(shù)據(jù)傳輸，維護網(wǎng)絡(luò)性能。

2　測試系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1測試系統(tǒng)功能

在分析了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)特點與傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個協(xié)議測試系統(tǒng)來驗證協(xié)議實現(xiàn)是否能按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)正確實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于傳輸層協(xié)議不涉及信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)與接口問題，所以測試系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)總線來模擬星間的無線鏈路進行數(shù)據(jù)的傳輸。

因此，測試系統(tǒng)設(shè)計為在地面上使用，能夠模擬導(dǎo)航星座的組網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)總線傳輸模擬衛(wèi)星節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。其主要實現(xiàn)以下功能：

1)星間數(shù)據(jù)生成，測試系統(tǒng)根據(jù)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)格式，產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)；

2)星間數(shù)據(jù)傳輸，測試系統(tǒng)可以通過總線傳輸測試數(shù)據(jù)；

3)星間數(shù)據(jù)處理，測試系統(tǒng)實現(xiàn)星間傳輸協(xié)議，對測試數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)協(xié)議返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)；

4)星間數(shù)據(jù)保存，對各類數(shù)據(jù)進行保存，用于事后對數(shù)據(jù)進行觀察分析；

5)虛擬節(jié)點模擬，模擬多個等效通信節(jié)點。

2.2測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)的目的是對星間傳輸協(xié)議進行測試，而實際上，傳輸協(xié)議是以軟件實現(xiàn)的形式存在與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理單元中。因此，本文選取的實際測試連接對象是一個星間傳輸數(shù)據(jù)處理單元。該數(shù)據(jù)處理單元作為一個被測通信節(jié)點，其實現(xiàn)了星間傳輸協(xié)議，并配備有處理器、星間數(shù)據(jù)傳輸總線芯片與接口、數(shù)據(jù)存儲器等，具備數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。

在TDMA模式下，由于每顆衛(wèi)星在一個時隙內(nèi)有且僅有一條鏈路，那么只需要與被測對象建立一條通信鏈路。在時隙改變時，只要改變建鏈的節(jié)點即可，對于傳輸層來說，通信鏈路可以保持不變?？紤]到測試系統(tǒng)具有模擬多個通信節(jié)點的功能，因此，對于被測節(jié)點來說，只需要采用一套設(shè)備就可以實現(xiàn)模擬導(dǎo)航星座網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，為被測節(jié)點提供一種完備的傳輸協(xié)議測試手段。

根據(jù)實際條件與應(yīng)用需求搭建了測試平臺。測試系統(tǒng)與被測對象通過數(shù)據(jù)總線進行通信。各類數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)總線實時傳至CPU，CPU運行測試軟件對數(shù)據(jù)進行實時處理。用戶可以通過外接設(shè)備實現(xiàn)人機交互。圖4是測試系統(tǒng)的測試連接圖。

圖4　測試連接圖

測試系統(tǒng)模擬出多個等效通信節(jié)點，測試對象作為一個被測節(jié)點，它們均使用同樣的傳輸協(xié)議。整個系統(tǒng)初始化之后，處于等待用戶指令的狀態(tài)。用戶根據(jù)測試用例，在測試系統(tǒng)應(yīng)用程序中配置參數(shù)。配置完成后，測試系統(tǒng)根據(jù)輸入的參數(shù)生成測試任務(wù)，并通過總線將測試任務(wù)告知被測對象，最后打開測試數(shù)據(jù)文件，開始測試任務(wù)。測試進行時，測試系統(tǒng)會按照TDMA模式工作，并按照測試任務(wù)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。直到測試數(shù)據(jù)發(fā)送完畢或者用戶發(fā)送停止指令，測試結(jié)束。

3　測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件主要功能

為滿足測試需求，測試系統(tǒng)軟件應(yīng)具有下列功能：

1)能夠配置測試參數(shù)，能夠載入鏈路規(guī)劃表，讀取并解析規(guī)劃表中所包含的通信節(jié)點信息、傳輸速率信息、收發(fā)狀態(tài)信息，并由這些信息建立測試場景；

2)讀取源數(shù)據(jù)，并根據(jù)規(guī)劃表的解析結(jié)果，產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)據(jù)總線進行任務(wù)信息與測試數(shù)據(jù)的傳輸；

3)為每一個虛擬通信節(jié)點分配獨立的數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)在發(fā)送或者接收后，能夠按照通信節(jié)點、收發(fā)時間、數(shù)據(jù)類型等信息進行分類保存；

4)分通信節(jié)點統(tǒng)計顯示各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量、應(yīng)答計數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)計數(shù)、重傳計數(shù)、錯誤數(shù)據(jù)種類與錯誤數(shù)據(jù)計數(shù)；

5)產(chǎn)生系統(tǒng)時間，作為測試系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。用戶能夠自行設(shè)置系統(tǒng)時間。

3.2軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)應(yīng)用程序在Visual C++環(huán)境下開發(fā)，采用了模塊化設(shè)計，由用戶界面、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)生成模塊、鏈路規(guī)劃模塊、傳輸協(xié)議實現(xiàn)模塊、總線通信模塊與通信節(jié)點模擬模塊組成。各模塊協(xié)同工作以實現(xiàn)軟件主要功能。圖5是軟件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5　軟件結(jié)構(gòu)示意圖

其中用戶界面包括配置界面和統(tǒng)計界面。用戶通過配置界面配置參數(shù)以實現(xiàn)對各個模塊直接或間接的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的測試場景，執(zhí)行不同的測試用例，提高了測試系統(tǒng)的測試覆蓋率。統(tǒng)計界面用于顯示得到各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。

考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)處于TDMA模式下，程序設(shè)計為以時間觸發(fā)中斷的結(jié)構(gòu)。測試系統(tǒng)應(yīng)用程序根據(jù)系統(tǒng)時間進入各個中斷處理程序，使得通信過程嚴(yán)格按照時間進行。這在確保了良好的軟件結(jié)構(gòu)與程序可控性的同時簡化了編程與調(diào)試。

3.3軟件設(shè)計流程

測試系統(tǒng)軟件的工作流程如圖6所示。

圖6　軟件工作流程圖

測試系統(tǒng)軟件初始化首先完成了數(shù)據(jù)總線設(shè)備的初始化，并產(chǎn)生了系統(tǒng)時間，作為系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。整個通信過程嚴(yán)格按照時間進行，這要求時間基準(zhǔn)必須精確可靠，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性。

然后在用戶界面中載入規(guī)劃表，規(guī)劃表是用戶根據(jù)測試用例在測試前制作。測試系統(tǒng)對規(guī)劃表進行解析，并結(jié)合配置參數(shù)，生成任務(wù)信息。任務(wù)信息中包含了通信節(jié)點號，通信速率，數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量以及收發(fā)狀態(tài)等信息。由這些信息，測試系統(tǒng)可以建立測試場景。同時將源數(shù)據(jù)按照傳輸協(xié)議幀格式加上幀頭信息產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前使用的任務(wù)信息切換至當(dāng)前使用的通信節(jié)點、傳輸速率與收發(fā)狀態(tài)并將任務(wù)信息告知被測對象。被測對象同樣切換至對應(yīng)狀態(tài)后才開始測試數(shù)據(jù)的傳輸。圖7為規(guī)劃表的格式。

圖7　規(guī)劃表格式

被測對象收到測試數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理。首先對數(shù)據(jù)進行誤碼校驗，丟棄誤碼并作記錄。然后解析數(shù)據(jù)幀頭信息，以確定數(shù)據(jù)的類型，判斷是否為應(yīng)答數(shù)據(jù)、是否需要應(yīng)答、是否為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的緩存區(qū)。 最后按照傳輸協(xié)議中的應(yīng)答機制、重傳機制、轉(zhuǎn)發(fā)機制對數(shù)據(jù)做進一步處理，返回數(shù)據(jù)。

測試系統(tǒng)接收返回數(shù)據(jù)完成后進行數(shù)據(jù)解析與處理，并將此周期內(nèi)雙方的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果記錄并顯示在用戶界面的統(tǒng)計界面。然后進入下一周期，重復(fù)上述過程。直到測試數(shù)據(jù)發(fā)送完畢或者用戶發(fā)送停止指令，測試結(jié)束。

4　測試系統(tǒng)測試

4.1測試用例說明

為了對測試系統(tǒng)進行測試，設(shè)計了一個典型的測試用例。

測試系統(tǒng)模擬0xC1-0xC6共6個通信節(jié)點，被測對象作為通信節(jié)點0xE3。然后制作規(guī)劃表，設(shè)定六個節(jié)點與被測節(jié)點按時間節(jié)拍輪流通信，將通信速率設(shè)為50幀/周期。

發(fā)送的測試數(shù)據(jù)有遙控數(shù)據(jù)、運控數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)，其中遙控數(shù)據(jù)與運控數(shù)據(jù)需要應(yīng)答。為0xC1、0xC2節(jié)點各配置1680幀遙控數(shù)據(jù)，將目的地址設(shè)為0xE3，并在0xC2節(jié)點的數(shù)據(jù)中使用錯誤的CRC； 為0xC3、0xC4節(jié)點各配置1400幀運控數(shù)據(jù)，將目的地址設(shè)為0xE3，并在0xC4節(jié)點的數(shù)據(jù)中使用錯誤的CRC；為0xC5、0xC6節(jié)點配置840幀遙測數(shù)據(jù)，將0xC5節(jié)點數(shù)據(jù)的目的地址設(shè)為0xC1，0xC6節(jié)點數(shù)據(jù)的目的地址設(shè)為0xC2。三類數(shù)據(jù)的幀速率均設(shè)為10幀/周期。

4.2測試結(jié)果分析

圖8是測試完成后用戶界面統(tǒng)計界面顯示的結(jié)果從顯示的結(jié)果來看，測試系統(tǒng)按照測試用例模擬了6個通信節(jié)點與1個被測節(jié)點。各通信節(jié)點均按照測試用例正確完成了數(shù)據(jù)的傳輸，并根據(jù)傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)處理，測試系統(tǒng)如實記錄各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸處理的結(jié)果。最后使用文件對比工具Beyond Compare對保存的收發(fā)數(shù)據(jù)進行比較，確認發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)實踐的結(jié)果證明本文設(shè)計的傳輸協(xié)議測試系統(tǒng)是切實可行的。

圖8　測試結(jié)果統(tǒng)計界面

5　結(jié)論

本文介紹了導(dǎo)航星座的傳輸層協(xié)議以及目前的星間傳輸協(xié)議測試中存在的困難。針對導(dǎo)航星座的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計并實現(xiàn)了在地面使用的星間傳輸協(xié)議測試系統(tǒng)。測試結(jié)果表明測試系統(tǒng)正確實現(xiàn)了傳輸協(xié)議，能夠監(jiān)控星間數(shù)據(jù)的傳輸處理過程，可以根據(jù)測試用例生成各種測試場景?？偠灾瑴y試系統(tǒng)能夠?qū)π情g傳輸協(xié)議的各項功能與工作流程進行測試，滿足星間傳輸協(xié)議的測試需求，同時也為其他類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試提供了設(shè)計思路。

[1]何健. 嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧測試的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué), 2014.

[2]吳光耀. 星間鏈路網(wǎng)絡(luò)高效組網(wǎng)與傳輸協(xié)議研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2014.

[3]吳光耀，陳建云，郭熙業(yè)，等. 基于TDMA的星間鏈路時隙分配設(shè)計與仿真評估[J].計算機測量與控制, 2014(12)：4087.

[4]陳明玉，程子敬. SCPS-TP在衛(wèi)星鏈路上的性能測試及改進策略[J].航天器工程, 2010,19(3):96-101.

Design of Inter-satellite Transmission Protocol Testing System for Navigation Constellation

Liu Qiming，F(xiàn)eng Xuzhe，Yue Yuhang

(School of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha410073,China)

Inter-satellite network protocol is the basis of satellite communications. At present, the function of network protocol became more and more complex with the development of network technology, it makes the testing at protocol very important. The transport layer protocol which is at the core of inter-satellite network protocol receives great attention . Due to limited conditions of navigation constellation, currently, the entire network testing can not be done on transmission protocol. Therefore, a protocol testing system is needed to meet the test requirements. Based on analysis of navigation constellation communication network features and inter-satellite transmission protocol, a protocol testing system is designed. This system realize the transport layer protocol of inter-satellite network protocol and simulate communication between multiple satellites through the data bus. The test result shows that, the protocol testing is able to meet the test requirement of inter-satellite transport protocol.

navigation constellation; inter-satellite transmission protocol; protocol testing

2015-07-14；

2015-09-11。

劉騏銘(1991-)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星通信方向的研究。

1671-4598(2016)01-0054-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.014

TN919

A