王洋，楊宏，陳曉光，陳淞

中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094

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空間通信自適應(yīng)文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

王洋，楊宏*，陳曉光，陳淞

中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094

現(xiàn)有的基于調(diào)整重傳次數(shù)來(lái)降低文件傳遞時(shí)延的算法，或固定地重傳丟失的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(包)兩次，或僅根據(jù)丟包率來(lái)調(diào)節(jié)重傳次數(shù)，沒(méi)有考慮到包個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)包發(fā)送時(shí)延之比等影響因素。文章基于延遲型否定應(yīng)答文件傳輸協(xié)議，提出了一種用于空間通信的自適應(yīng)調(diào)節(jié)重傳次數(shù)的文件傳輸協(xié)議。對(duì)該協(xié)議的文件傳遞時(shí)延和額外傳輸開銷性能進(jìn)行了理論建模，分析了重傳階段包重傳次數(shù)對(duì)重傳回合數(shù)和重傳包總個(gè)數(shù)兩方面的影響，提出了自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)方案。理論分析和仿真結(jié)果表明，在地火通信、文件包個(gè)數(shù)為1 k、丟包率為0.79條件下，相比于雙重傳文件傳輸協(xié)議和延遲型否定應(yīng)答文件傳輸協(xié)議，分別縮短了55.69%和74.28%的文件傳遞時(shí)延；在地月通信、文件包個(gè)數(shù)為100 k、丟包率為0.79條件下，相比于僅根據(jù)誤碼率調(diào)節(jié)重傳次數(shù)的重復(fù)發(fā)送文件傳輸協(xié)議，縮短了28.05%的文件傳遞時(shí)延。

文件傳輸協(xié)議；自適應(yīng)；空間通信；文件傳遞時(shí)延；額外傳輸開銷；理論建模

在空間任務(wù)場(chǎng)景中，需要類似于地面互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)支持。但是，空間通信網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)相比，具有明顯的區(qū)別：長(zhǎng)傳播時(shí)延、斷續(xù)的鏈路連接、非對(duì)稱的帶寬、極高的鏈路誤碼率等，這都使得在地面上運(yùn)行良好的TCP/IP協(xié)議族不能應(yīng)用于空間通信網(wǎng)絡(luò)[1]。因此，為滿足空間任務(wù)的通信需求，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)制定了一系列協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，其中，CCSDS文件傳輸協(xié)議(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)被用來(lái)支持空間任務(wù)中航天器的文件傳輸操作。CFDP是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，同時(shí)也具有傳輸層的功能。它包含兩種協(xié)議操作[4-5]：核心的文件傳輸和擴(kuò)展的文件傳輸。根據(jù)空間任務(wù)需求和傳輸能力，CFDP提供可選的服務(wù)質(zhì)量，包括可靠的和不可靠的?？煽康腃FDP又可以根據(jù)使用的否定應(yīng)答(Negative Acknowledges，NAK)的模式分為四種類型：延遲型NAK，立即型NAK，提示型NAK和異步型NAK。

目前針對(duì)CFDP用于空間通信的性能評(píng)估與改進(jìn)驗(yàn)證，已有大量的研究工作[6-15]。文獻(xiàn)[6-7]分別對(duì)延遲型NAK和立即型NAK的文件傳遞時(shí)延的期望值進(jìn)行了推導(dǎo)。文獻(xiàn)[8]使用測(cè)試平臺(tái)對(duì)核心CFDP在地月通信鏈路下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估。文獻(xiàn)[9]對(duì)4種模式NAK CFDP分別進(jìn)行分析與比較，并指出延遲NAK模式更適用于空間通信誤碼率高且前向鏈路速率低的場(chǎng)景。上述文獻(xiàn)[6-9]均是針對(duì)核心CFDP的文件傳輸性能的建模與評(píng)估，同時(shí)，文獻(xiàn)[10]研究擴(kuò)展CFDP的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，設(shè)計(jì)了3種中繼“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”策略，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于CFDP的適用于Ka頻段空間鏈路的兩跳中繼文件傳輸協(xié)議。在對(duì)核心CFDP的改進(jìn)方面，目前有優(yōu)化CFDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)大小、改變重傳PDU的次數(shù)和基于糾刪編碼等方法。文獻(xiàn)[12]通過(guò)優(yōu)化CFDP PDU的大小，可以使CFDP達(dá)到更高的傳輸效率。文獻(xiàn)[13]將噴泉編碼技術(shù)引入CFDP，減少了文件傳遞時(shí)延，但也增加了發(fā)送端和接收端的編譯碼開銷及設(shè)備復(fù)雜度。文獻(xiàn)[14]提出了雙重傳延遲型NAK，僅對(duì)丟失PDU重傳兩次，可以有效地減小文件傳遞時(shí)延。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]提出了一種基于鏈路誤碼率來(lái)調(diào)節(jié)丟失包次數(shù)的自適應(yīng)CFDP協(xié)議(Repeated Sending File Delivery Protocol，RSFDP)，可在長(zhǎng)鏈路傳播時(shí)延和高誤碼率環(huán)境下減小重傳次數(shù)。但是，已有的基于調(diào)整重傳PDU的次數(shù)來(lái)降低文件傳遞時(shí)延的算法，或是固定地重傳丟失PDU兩次，或是僅根據(jù)誤碼率來(lái)調(diào)節(jié)重傳次數(shù)，沒(méi)有考慮到文件PDU個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比等影響，在不同的空間任務(wù)和環(huán)境條件下，顯然不可能是最適合的。因此，本文基于延遲型NAK CFDP，綜合考慮各種因素，例如文件PDU個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比，提出一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)重傳次數(shù)文件傳輸協(xié)議(Adjusting the Retransmitted times File Delivery Protocol，AR-FDP)，同時(shí)還考慮了額外的重傳開銷的影響，也適用于空間任務(wù)能量資源受限的場(chǎng)景。

1 AR-FDP傳輸模型

1.1 基本原理

AR-FDP基于CFDP延遲型NAK模式，依賴于NAK中丟失的PDU的個(gè)數(shù)來(lái)估計(jì)丟包率。在重傳階段，發(fā)送端本地的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊計(jì)算出需要重傳的PDU的次數(shù)Nr，然后重復(fù)重傳PDUNr次。Nr越大，成功傳輸該文件需要的重傳回合數(shù)就越小，則這些重傳回合所經(jīng)歷的傳播時(shí)延也就越小；但是Nr的增大也增加了發(fā)送端重傳這些PDU的發(fā)送時(shí)延。所以，單純地采用Nr=1的延遲型NAK CFDP或者Nr=2的雙重傳CFDP，或簡(jiǎn)單地根據(jù)誤碼率來(lái)調(diào)整Nr都不能達(dá)到較好的實(shí)際效果，需要根據(jù)空間任務(wù)的實(shí)際情況和環(huán)境特性獲取最優(yōu)的重傳PDU的次數(shù)，使得文件傳遞時(shí)延最短。

1.2 傳輸過(guò)程描述

AR-FDP的具體傳輸過(guò)程參見圖1，描述如下：

1)首先，文件在傳輸前被分割為多個(gè)普通的PDU。在第一個(gè)傳輸回合中，發(fā)送端先向接收端發(fā)送該文件的所有PDU，包括一個(gè)元數(shù)據(jù)PDU(Metadata PDU，簡(jiǎn)稱MPDU，包含源和目的標(biāo)識(shí)符的信息，文件名稱和文件大小等)，

普通的PDU和一個(gè)文件結(jié)束(End of file，EOF)PDU。

2)接收端一旦接收到EOF PDU，則向發(fā)送端發(fā)送肯定應(yīng)答(Acknowledgement，ACK)。同時(shí)，使用MPDU中的相關(guān)信息來(lái)檢驗(yàn)文件的完整性與正確性，發(fā)送NAK給發(fā)送端，NAK中包含了需要重傳的PDU序號(hào)。接收端發(fā)送NAK的同時(shí)啟動(dòng)NAK定時(shí)器，如果在定時(shí)器超時(shí)之前還沒(méi)有收到發(fā)送端重傳的數(shù)據(jù)，則再次重傳NAK。

3)發(fā)送端應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了一個(gè)鏈路丟包率的估計(jì)器，本文設(shè)計(jì)為根據(jù)NAK中丟失的PDU的個(gè)數(shù)來(lái)估計(jì)丟包率。因此，發(fā)送端收到該NAK后，首先估計(jì)丟包率，然后將丟包率的估計(jì)值提供給自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊。自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊可以根據(jù)文件PDU個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比等參數(shù)計(jì)算出需要重傳的PDU的次數(shù)Nr，同時(shí)還可以計(jì)算出此時(shí)的額外傳輸開銷。AR-FDP根據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊的結(jié)果在重傳階段重傳丟失的PDUNr次。

4)接收端接收到發(fā)送端重傳的PDU，重復(fù)步驟2)、步驟3)，直到該文件被正確接收。

5)接收端向發(fā)送端發(fā)送結(jié)束(Finished，F(xiàn)IN)PDU并啟動(dòng)FIN定期器。如果在計(jì)時(shí)器超時(shí)前沒(méi)收到發(fā)送端的確認(rèn)信號(hào)則再次發(fā)送FIN。

6)發(fā)送端接收到FIN,則向接收端返回確定信號(hào)ACK(FIN)，結(jié)束文件傳輸。

2 AR-FDP文件傳遞時(shí)延與額外 傳輸開銷的分析

2.1 重傳Nr次文件傳遞時(shí)延的期望值

首先，將整個(gè)文件傳遞過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是文件的初始傳輸過(guò)程，第二個(gè)階段為文件的重傳過(guò)程，如圖1所示。

考慮文件的初始傳輸過(guò)程：假設(shè)文件大小為L(zhǎng)file，PDU大小Lpdu，頭部大小為L(zhǎng)header，則PDU的個(gè)數(shù)記為Npdu，其中Npdu=Lfile/(Lpdu-Lheader)。假設(shè)鏈路單向傳播時(shí)延為Tprop，返向鏈路的數(shù)據(jù)速率為Rdata，則每個(gè)PDU的發(fā)送時(shí)間為Tpdu=Lpdu/Rdata。因此，文件的初始傳輸過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間為最初的Npdu個(gè)PDU的發(fā)送時(shí)間與鏈路單向傳播時(shí)延之和，即Npdu×Tpdu+Tprop。

考慮文件的重傳過(guò)程：定義Gfile為一個(gè)隨機(jī)變量，表示文件成功傳遞時(shí)所經(jīng)歷的重傳回合數(shù)。同時(shí)定義隨機(jī)變量Gpdu_i是該文件產(chǎn)生的第i個(gè)PDU所經(jīng)歷的重傳回合數(shù)。因?yàn)槊總€(gè)PDU的傳輸過(guò)程獨(dú)立于其他的PDU，所以可以認(rèn)為一個(gè)文件傳遞所經(jīng)歷的重傳回合數(shù)，是由該文件中所有PDU所經(jīng)歷的重傳回合數(shù)的最大值所決定的，即Gfile=Gpdu_max，其中Gpdu_max=max(Gpdu_1，Gpdu_2，…，Gpdu_Npdu)。

為了避免不必要的重傳，最小化文件傳遞時(shí)延，設(shè)置NAK計(jì)時(shí)器的超時(shí)時(shí)間為2Tprop+Ti，其中Ti為第i個(gè)重傳回合中重傳的PDU的發(fā)送時(shí)間，不同的重傳回合具有不同的Ti。

假設(shè)鏈路誤碼率為pe，鏈路上各個(gè)比特之間的傳輸是相互獨(dú)立的，則每個(gè)PDU的丟包率ppdu可以表示為：

(1)

NAK較小，其丟包率可以忽略。第一個(gè)重傳階段(即從第一個(gè)NAK的發(fā)送到接收端接收到該重傳過(guò)程的最后一個(gè)PDU為止)所經(jīng)歷的時(shí)間的期望值為2Tprop+T1。

同理，整個(gè)文件的重傳過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間的期望值為：

(2)

其中：

(3)

文件的重傳回合數(shù)Gfile的均值可以計(jì)算如下：E(Gfile)=E(Gpdu_max)=

(4)

現(xiàn)在分析每個(gè)PDU的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，來(lái)計(jì)算第i個(gè)PDU的重傳回合的數(shù)目小于m的概率p(Gpdu_i

1-ppdu·(ppduNr)m-1

(5)

此時(shí)，公式(4)可以寫作：

(6)

因此，總的文件傳遞時(shí)延為：

(7)

特別是，當(dāng)Nr=1時(shí)，即為延遲型NAK CFDP。

2.2 重傳Nr次額外傳輸開銷的期望值

文件傳遞時(shí)延和額外傳輸開銷是網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的不同度量指標(biāo)，不同飛行任務(wù)時(shí)需要滿足不同的需求。例如，一個(gè)火星著陸器的默認(rèn)指標(biāo)是最小化傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的文件傳遞時(shí)延，但是當(dāng)星上的可用資源變得稀缺時(shí)，可能該著陸器就會(huì)選擇將額外傳輸開銷作為度量標(biāo)準(zhǔn)。

初始傳輸過(guò)程的開銷是固定的，因此定義額外傳輸開銷Wr為重傳過(guò)程中重傳所有PDU的開銷，即：

(8)

3 自適應(yīng)控制模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 重傳Nr次導(dǎo)致的重傳回合數(shù)的變化

由式(6)可以看出，在每個(gè)重傳回合中，增大重傳丟失PDU的次數(shù)Nr，可以降低文件的重傳回合數(shù)。定義重傳Nr1次CFDP與重傳Nr2次CFDP的重傳回合數(shù)之間的差值為E(Nr1,Nr2)，則根據(jù)式(6)，可以得到：

E(Nr1,Nr2)=

(9)

可以看出，E(Nr1,Nr2)取決于鏈路的丟包率，文件包含的PDU個(gè)數(shù),以及Nr1和Nr2的取值，與鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比沒(méi)有關(guān)系。考慮重傳Nr次CFDP相比于延遲型NAK CFDP的重傳回合數(shù)的差值，即令Nr2=1。圖2給出了在不同的丟包率及Nr時(shí)的E(Nr，1)值?？梢钥闯?，隨著Nr的增大，在不同丟包率條件下，E(Nr，1)均增大。Nr=5時(shí)的E(Nr，1)相比于Nr=4時(shí)的E(Nr，1)增大得已經(jīng)不明顯了，本文假設(shè)Nr取值為1、2、3、4和5。

圖3給出了在不同的PDU個(gè)數(shù)及Nr時(shí)的E(Nr，1)值。同理，可以從圖3中看出，隨著Nr的增大，在不同PDU個(gè)數(shù)下，E(Nr，1)均增大。

3.2 重傳Nr次導(dǎo)致的重傳PDU個(gè)數(shù)的變化

第3.1節(jié)給出了重傳Nr次CFDP相比于延遲型NAK CFDP在重傳回合數(shù)之間的差值，但是，這不能被直接轉(zhuǎn)換為兩個(gè)算法之間的文件傳遞時(shí)延的差值，這是因?yàn)橹貍鱊r次CFDP在每個(gè)重傳回合對(duì)丟失的PDU都重傳了Nr遍，所以導(dǎo)致了發(fā)送時(shí)間的增加。不失一般性，定義重傳Nr1次CFDP與重傳Nr2次CFDP的總共重傳的PDU數(shù)目之間的差值為R(Nr1,Nr2)，則根據(jù)式(3)，可以得到：

R(Nr1,Nr2)=

(10)

可以看出，R(Nr1,Nr2)取決于鏈路的丟包率，文件包含的PDU個(gè)數(shù)，以及Nr1和Nr2的取值，與鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比沒(méi)有關(guān)系?？紤]重傳Nr次CFDP相比于延遲型NAK CFDP的總共重傳的PDU數(shù)目之間的差值，即令Nr2=1。圖4給出了在不同丟包率及Nr時(shí)的R(Nr，1)?？梢钥闯?，隨著Nr的增大，在不同丟包率條件下，R(Nr，1)均增大。同時(shí)，也可以看出，在給定Nr時(shí)，隨著丟包率的增大，R(Nr，1)也增大。

圖5給出了在不同的PDU個(gè)數(shù)及Nr時(shí)的R(Nr，1)值，可以看出，隨著Nr的增大，在不同PDU個(gè)數(shù)時(shí)，R(Nr，1)均增大。在給定Nr時(shí)，隨著PDU個(gè)數(shù)的增加，R(Nr，1)越來(lái)越大。

3.3 自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)文件PDU個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比等參數(shù)調(diào)節(jié)重傳次數(shù)達(dá)到最低總時(shí)延。為使重傳Nr1次相比于重傳Nr2次時(shí)(Nr1≥Nr2)，文件傳遞時(shí)延更短，需要保證由于重傳次數(shù)增大所帶來(lái)的重傳回合時(shí)間的減小要大于所帶來(lái)的重傳PDU的傳輸時(shí)間的增大，即要滿足如下不等式：

(11)

將式(9)和(10)代入式(11)，得到不等式：

(12)

式中：Tprop/Tpdu為鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比。因此，自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊的輸入為丟包率ppdu、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比Tprop/Tpdu、PDU個(gè)數(shù)Npdu。首先初始化Nr2為1，Nr1為Nr2加1。判斷式(12)是否滿足，如果滿足，則將Nr1賦值給Nr2，Nr1在原值上加1；如果不滿足，則Nr2不變，Nr1在原值上加1。重復(fù)對(duì)式(12)進(jìn)行判斷并對(duì)Nr1和Nr2賦值，以此類推直到Nr1為5時(shí)結(jié)束。此時(shí)判斷式(12)是否滿足，如果滿足，將Nr1輸出作為本算法的重傳次數(shù)，否則將Nr2輸出作為本算法的重傳次數(shù)。

同時(shí)，若星上資源有限，需要考慮額外傳輸開銷的影響，設(shè)額外傳輸開銷閾值為Wth，則需保證重傳Nr次時(shí)額外傳輸開銷Wr不大于Wth。

4 仿真結(jié)果與數(shù)值分析

本節(jié)采用Matlab對(duì)上文提出的AR-FDP算法進(jìn)行仿真。不失一般性，考慮了兩種仿真場(chǎng)景，一種為地月通信，一種為地火通信，其中參數(shù)配置見表1。

表1 仿真參數(shù)及配置

圖6(a)(d)分別給出了在地月場(chǎng)景和地火場(chǎng)景下，本文提出的AR-FDP、延遲型NAK CFDP、雙重傳CFDP[14]和僅根據(jù)誤碼率調(diào)節(jié)重傳次數(shù)的RSFDP[15]的文件傳遞時(shí)延。不論在何種場(chǎng)景下，使用本文的AR-FDP，均可以得到最小的文件傳遞時(shí)延。

由圖6(a)可以看出，在地月場(chǎng)景下，當(dāng)文件PDU個(gè)數(shù)為1k時(shí)，采用RSFDP，文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)大于其他3種算法，而其他3種算法所得到的文件傳遞時(shí)延幾乎重合，這也說(shuō)明僅根據(jù)誤碼率調(diào)節(jié)Nr是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；而當(dāng)文件PDU個(gè)數(shù)為100 k時(shí)，可以由第3節(jié)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊算法得出最佳的重傳次數(shù)為1，即本文的AR-FDP重傳次數(shù)為1，所以圖6(b)中AR-FDP與延遲型NAK CFDP兩條曲線重合在一起，雙重傳CFDP性能次之，RSFDP性能最差。圖6(a)中當(dāng)丟包率為0.79時(shí)，采用AR-FDP和RSFDP得到的文件傳遞時(shí)延分別為266 s和302 s，相比于RSFDP，采用AR-FDP可以降低11.8%的文件傳遞時(shí)延。而在圖6(b)中，當(dāng)丟包率為0.79時(shí)，相比于RSFDP，采用AR-FDP可以降低28.05%的文件傳遞時(shí)延。圖6(a)和圖6(b)的不同之處在于PDU個(gè)數(shù)大小，這說(shuō)明當(dāng)PDU個(gè)數(shù)增大時(shí)，采用AR-FDP所減小的文件傳遞時(shí)延的百分比在逐步升高，即本文所提出的算法相對(duì)于其他算法的優(yōu)勢(shì)在逐步增強(qiáng)。

由圖6(c)(d)可以看出，在地火場(chǎng)景下，當(dāng)丟包率較大(大于0.077)時(shí)，延遲型NAK CFDP性能最差，雙重傳CFDP次之，RSFDP算法性能略低于AR-FDP算法。圖6(c)中當(dāng)丟包率為0.79時(shí)，采用AR-FDP、雙重傳CFDP、延遲型NAK CFDP得到的文件傳遞時(shí)延分別為10 277 s、23 194 s和39 957 s。相比于雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP，采用AR-FDP可以分別降低55.69%和74.28%的文件傳遞時(shí)延。而在圖6(d)中，當(dāng)丟包率為0.79時(shí)，相比于雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP，采用AR-FDP可以分別降低25.12%和28.61%的文件傳遞時(shí)延。圖6(c)和圖6(d)的不同之處在于PDU個(gè)數(shù)大小，這說(shuō)明當(dāng)PDU個(gè)數(shù)增大時(shí)，采用AR-FDP所減小的文件傳遞時(shí)延的百分比在逐步降低，即本文所提出的算法相對(duì)于其他算法的優(yōu)勢(shì)在逐步減弱。

由上述仿真結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1)使用本文所提出的自適應(yīng)文件傳輸協(xié)議AR-FDP，可以根據(jù)具體的任務(wù)及環(huán)境條件，自適應(yīng)調(diào)節(jié)重傳回合中重傳PDU的次數(shù)，相比于其他3種文件傳輸協(xié)議，所需要的文件傳遞時(shí)延減小。尤其當(dāng)丟包率較大時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2)與RSFDP協(xié)議相比，在鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較小(例如地月場(chǎng)景)且丟包率較大(大于0.077)時(shí)，AR-FDP所得到的文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)小于RSFDP，文件傳遞時(shí)延的減小較為明顯，尤其是當(dāng)PDU個(gè)數(shù)較大(100 k)時(shí)，該減小趨勢(shì)尤為明顯。

3)與雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP協(xié)議相比，在鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較大(例如地火場(chǎng)景)且丟包率較大(大于0.077)時(shí)，AR-FDP所得到的文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)小于雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP協(xié)議，文件傳遞時(shí)延的減小較為明顯，尤其是當(dāng)PDU個(gè)數(shù)較小(1 k)時(shí)，該減小趨勢(shì)尤為明顯。

4)比較RSFDP、雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP三種文件傳輸協(xié)議：當(dāng)丟包率較大、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較小、PDU個(gè)數(shù)較大時(shí)，延遲型NAK CFDP更加適合，文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)小于其他兩種算法。這可以通過(guò)第2節(jié)的推導(dǎo)分析：此時(shí)重傳Nr次引入的重傳PDU的發(fā)送時(shí)間很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重傳Nr次引入的重傳回合數(shù)所經(jīng)歷的傳播時(shí)間。而當(dāng)丟包率較大、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較大、PDU個(gè)數(shù)較小時(shí)，延遲型NAK CFDP性能低于其他兩種算法。這是因?yàn)榇藭r(shí)由于重傳Nr次引入的重傳PDU的發(fā)送時(shí)間很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于重傳Nr次引入的重傳回合數(shù)所經(jīng)歷的傳播時(shí)間，所以延遲型NAK CFDP性能最差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在延遲型NAK CFDP基礎(chǔ)上提出了一種在重傳時(shí)重傳Nr次丟失PDU的自適應(yīng)文件傳輸協(xié)議AR-FDP，該自適應(yīng)協(xié)議通過(guò)本地的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)文件PDU個(gè)數(shù)、丟包率、鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比等參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)Nr的取值，同時(shí)還可以考慮額外的重傳開銷的影響。針對(duì)地月通信和地火通信場(chǎng)景，進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，在鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較小(地月場(chǎng)景)且丟包率較大、PDU個(gè)數(shù)較大(100 k)時(shí)，AR-FDP所得到的文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)小于RSFDP；而在鏈路單向傳播時(shí)延與單個(gè)PDU發(fā)送時(shí)延之比較大(地火場(chǎng)景)且丟包率較大、PDU個(gè)數(shù)較小(1 k)時(shí)，AR-FDP所得到的文件傳遞時(shí)延遠(yuǎn)小于雙重傳CFDP和延遲型NAK CFDP協(xié)議。需要指出的是，AR-FDP協(xié)議并不僅限于這兩種空間任務(wù)場(chǎng)景，在各種實(shí)際任務(wù)和鏈路環(huán)境下可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)Nr的取值，相比于延遲型NAK CFDP協(xié)議、雙重傳CFDP和RSFDP，均可有效降低文件傳遞時(shí)延。

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(編輯：車曉玲)

Design of adaptive retransmitted file delivery protocol in space communication

WANG Yang，YANG Hong*，CHEN Xiaoguang，CHEN Song

InstituteofMannedSpaceSystemEngineering，ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China

CCSDS file delivery protocol (CFDP)was improved by double retransmission mechanism or setting the retransmitted times in view of bit error rate (BER). However，without considering the impact of the number of protocol data units (PDUs)，packet error rate (PER)and the ratio of link propagation delay to PDU transmission delay，these schemes are not the most appropriate in specific space missions under different channel conditions. Based on CFDP，a new file delivery protocol adjusting the retransmitted times of lost PDUs adaptively (AR-FDP)was proposed in space communication. The theoretical models of file delivery time and extra transmission effort of AR-FDP were established. Also，the effects of retransmitted times on the number of retransmission rounds and the number of retransmitted packets were analyzed and the scheme of the adaptive control module was presented. The theoretical analysis and simulation results indicate that the AR-FDP shortens the file delivery time by 55.69% and 74.28% compared to the double retransmission scheme and CFDP respectively in Mars-to-Earth communication with PDU number of 1k and PER of 0.79. In Moon-to-Earth communication，the AR-FDP shortens the file delivery time by 28.05% compared to the scheme adjusting the retransmitted times in view of BER with PDU number of 100k and PER of 0.79.

file delivery protocol；adaptive；space communications；file delivery time；extra transmission effort；theoretical model

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0042

2016-12-15；

2017-04-05；錄用日期：2017-05-18；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-31 09:36:41

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.0936.001.html

王洋(1984-)，女，博士研究生，happyangw@163.com，研究方向?yàn)楹教炱鳒y(cè)控與通信，深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

*通訊作者：楊宏(1963-)，男，研究員，yanghong55@gmail.com，研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)

王洋，楊宏，陳曉光，等.空間通信自適應(yīng)文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(3)：53-61.WANGY，YANGH，CHENXG，etal.Designofadaptiveretransmittedfiledeliveryprotocolinspacecommunication[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(3)：53-61(inChinese).

TP919

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http:∥zgkj.cast.cn