石云 程子敬 柳綿

(北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京 100086)

近年來，航天事業(yè)突飛猛進(jìn)，空間任務(wù)不斷豐富與完善，不僅包括對地觀測、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信，而且新增了載人航天、月球探測等任務(wù)[1-2]，低軌航天器的數(shù)量與種類較以往極大地增加。

有些大型低軌航天器需要將各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大量下傳，而傳統(tǒng)的低軌航天器信息下傳的方式相對單一，通常是依靠星座星間鏈路、全球建站等將星上信息傳輸?shù)降孛妗Ｍ耆ㄟ^星座星間鏈路的傳輸方式下傳信息，會受到星上存儲容量、衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星星座成本等多方面因素的約束；而單一依靠直接往地面站下傳方式，則面臨地面站選址及在全球建站的可行性等因素制約。因此，需要擴(kuò)展新的有效傳輸方式，解決此類低軌航天器面臨的各類科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)大量信息實(shí)時(shí)下傳的問題。

通過國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研[3-6]，低軌航天器可以采取一種基于地球靜止軌道(GEO)通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的新的傳輸方式，即通過GEO通信衛(wèi)星將信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面。采取這種基于GEO通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的方式，除了在物理信道上要做適應(yīng)性修改，十分重要的一個(gè)關(guān)鍵問題是傳輸協(xié)議的選擇。

基于GEO通信衛(wèi)星的低軌航天器的傳輸挑戰(zhàn)主要來自于上下行帶寬不對稱、鏈路可用時(shí)間有限、拓?fù)渥兓l繁等，使其難以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量(QoS)及可靠性要求。依據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[7-14]，衛(wèi)星通信傳輸協(xié)議大致分為兩類：一類屬于類傳輸控制協(xié)議(TCP)，此類協(xié)議基于TCP協(xié)議進(jìn)行慢啟動階段改進(jìn)、擁塞控制改進(jìn)、數(shù)據(jù)重傳機(jī)制改進(jìn)等，如SCPS-TP和眾多的TCP變種；另一類則屬于非連接型協(xié)議，此類協(xié)議一般無鏈接建立階段、無擁塞控制，數(shù)據(jù)重傳機(jī)制與TCP也有較大的區(qū)別，如利克里德傳輸協(xié)議(LTP)。目前，對空間網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的研究，主要集中在對TCP、SCPS-TP、LTP等傳輸協(xié)議在超時(shí)、不同丟包率等條件下的吞吐量性能分析及協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)比較[8,15-16]，應(yīng)用場景為深空通信的LTP特性研究[17]，多個(gè)束匯聚在一個(gè)LTP數(shù)據(jù)塊對提升系統(tǒng)吞吐量的影響[18-19],基于星際互聯(lián)等場景提出以DTN為核心的單一協(xié)議棧設(shè)計(jì)[7]等。未見針對低軌航天器應(yīng)用GEO通信衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)及研究。

本文在研究網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對GEO通信衛(wèi)星和低軌航天器的可見性、協(xié)議棧設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了探討，并通過仿真分析驗(yàn)證了其技術(shù)的可行性。

1 基于GEO通信衛(wèi)星的低軌航天器數(shù)據(jù)傳輸原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于GEO通信衛(wèi)星的低軌航天器數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫蛻?yīng)用場景如圖1所示。

圖1 基于GEO通信衛(wèi)星的低軌航天器動態(tài)傳輸系統(tǒng)示意圖

該場景空間段包括低軌航天器、通信衛(wèi)星；地面段包括衛(wèi)星通信地面主站、地面小站及地面網(wǎng)絡(luò)等。低軌航天器可以通過兩條鏈路傳輸信息：一個(gè)是通過GEO通信衛(wèi)星傳輸?shù)降孛嬷髡荆灰粋€(gè)是直接傳輸給地面小站。在該場景下，低軌航天器作為高速移動的低軌節(jié)點(diǎn)，其鏈路具有大時(shí)空尺度和高動態(tài)特性。

1.2 低軌航天器與通信衛(wèi)星可見性研究

通過STK軟件建模仿真，研究GEO通信衛(wèi)星和低軌航天器的可見性，低軌航天器與GEO通信衛(wèi)星平均每天9.5圈可進(jìn)行通信(每天8～10圈)，平均每次通信時(shí)間446 s(7.5 min)，最長通信時(shí)間756 s(12.5 min)，每天累計(jì)通信時(shí)間4200 s(70 min),如圖2所示。

圖2 低軌航天器與GEO通信衛(wèi)星一天內(nèi)可見性分布(共7天)

由圖2可知，GEO通信衛(wèi)星與低軌航天器單次可見時(shí)間平均7 min左右，為充分利用衛(wèi)星資源，低軌航天器如何快速接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)，且有效高速傳輸數(shù)據(jù)至關(guān)重要。因此，系統(tǒng)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)傳輸中的性能將非常關(guān)鍵，本文重點(diǎn)研究在此場景下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議性能。

1.3 空間網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究

在現(xiàn)有傳輸協(xié)議特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法研究的基礎(chǔ)上，研究適合基于GEO通信衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛙壓教炱鲃討B(tài)傳輸系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)具有鏈路不對稱、網(wǎng)絡(luò)連接的間歇性、資源有限等特點(diǎn)，為了保證網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)操作和高效運(yùn)行，必須采用能夠提供跨越間歇、中斷、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的可靠消息傳遞機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時(shí)，低軌航天器與地面站間的星地鏈路(后面簡稱星地鏈路)和低軌航天器與通信衛(wèi)星間的星間鏈路(后面簡稱星間鏈路)在延時(shí)與誤碼等鏈路特性不同，所以傳輸協(xié)議的采用應(yīng)考慮這種差異，為組網(wǎng)信息傳輸提供更好的性能。

基于上述分析及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本文提出一種雙傳輸協(xié)議棧技術(shù)，即在低軌航天器節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)雙協(xié)議棧(傳輸層設(shè)計(jì)LTP傳輸協(xié)議與SCPS-TP傳輸協(xié)議)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，即低軌航天器網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)SCPS-TP協(xié)議與LTP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，地面網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)SCPS-TP協(xié)議與TCP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。低軌航天器協(xié)議棧示意如圖3所示。

圖3 低軌航天器協(xié)議棧示意圖Fig.3 Protocol stack of low orbit spacecraft

雙協(xié)議棧設(shè)計(jì)思路如下。

1)星地鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)

星地鏈路與星間鏈路相比，由于大氣層、地面物體遮擋、降雨等因素影響造成信道環(huán)境相對惡劣和較高的誤碼率，因此，需要既能解決高速運(yùn)動帶來的鏈路通斷的影響，又要盡可能保證可靠傳輸。

(1)SCPS-TP協(xié)議是針對空間長延時(shí)、高誤碼、動態(tài)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過對TCP協(xié)議的擴(kuò)展和改進(jìn)使其適用于空間信道，并且與TCP協(xié)議有較好的兼容性。

(2)SCPS-TP協(xié)議支持選擇性的否定應(yīng)答(SNACK)和具有自適應(yīng)能力的擁塞控制等功能，能夠有效地解決高誤碼率和高丟包率帶來的傳輸速率波動(帶寬利用率低)問題。

(3)低軌航天器和地面站之間鏈路延時(shí)較小(一般3 ms左右)，對SCPS-TP協(xié)議性能影響不大，LTP協(xié)議優(yōu)勢不明顯。

基于上述分析，星地鏈路延時(shí)較小的情況下，SCPS-TP協(xié)議在擁塞控制、兼容性等方面優(yōu)于LTP協(xié)議，星地鏈路選擇SCPS-TP協(xié)議。

2)星間鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)

星間鏈路信道環(huán)境相對較好，LTP協(xié)議可以充分利用綠色數(shù)據(jù)段機(jī)制提高帶寬利用率，星間鏈路延時(shí)較大(一般130 ms左右)，LTP協(xié)議在大延時(shí)方面比SCPS-TP協(xié)議優(yōu)勢突出。因此，星間鏈路選擇LTP協(xié)議。

低軌航天器發(fā)送方向上，首先檢測接收數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)，如果下一跳為衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，則在選擇傳輸協(xié)議封裝處理時(shí)需配置選擇LTP協(xié)議，如果下一跳為地面節(jié)點(diǎn)，則在選擇傳輸協(xié)議封裝處理時(shí)需配置選擇SCPS-TP協(xié)議。在接收方向上，如檢測到的上一個(gè)跳節(jié)點(diǎn)為衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，則使用LTP傳輸協(xié)議來處理下層傳遞上來的數(shù)據(jù)包，如果上一跳節(jié)點(diǎn)為地面節(jié)點(diǎn)，則使用SCPS-TP傳輸協(xié)議來處理下層傳遞上來的數(shù)據(jù)包。

1.3.1 地面網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及工作機(jī)制

地面網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧配置為Bundle+TCP/SCPS-TP+IP，實(shí)現(xiàn)傳輸層TCP協(xié)議與SCPS-TP協(xié)議間轉(zhuǎn)換。其中，Bundle層協(xié)議是在DTN架構(gòu)中提出的上層協(xié)議。傳輸層TCP/IP協(xié)議棧為地面成熟協(xié)議棧。傳輸層SCPS-TP協(xié)議主要用于星地鏈路的傳輸協(xié)議。Bundle層與SCPS-TP之間的通信需要編寫相應(yīng)的SCPS-TP匯聚層(SCPS-TP Convergence Layer)來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)?shù)孛嬗脩粝胍c空間用戶建立通信時(shí)，通過本地配置的Bundle層服務(wù)，將應(yīng)用請求/數(shù)據(jù)封裝成Bundle，并且啟動Bundle層針對TCP的分片功能(默認(rèn)4 kbyte)，之后通過TCP匯聚層將這些Bundle的分片遞交給TCP；地面用戶TCP層收到第一個(gè)來自該Bundle的分片后，與地面網(wǎng)關(guān)建立TCP連接，連接建立后，地面網(wǎng)關(guān)的Bundle層開始接收來自用戶的Bundle分片，待Bundle完整接收后，再通過SCPS-TP匯聚層遞交給SCPS-TP傳輸層。當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)網(wǎng)關(guān)的Bundle層接收到來自SCPS-TP的Bundle分片時(shí)，先將這些分片重組，檢查Bundle的完整性，然后通過TCP將該Bundle遞交給地面用戶。其中，Bundle層提供的服務(wù)有：報(bào)文封裝(對應(yīng)用層提供的服務(wù))、分片/重組(對傳輸層提供的服務(wù))、進(jìn)行地址變換、端口號映射、路由及保管存儲等，保證應(yīng)用數(shù)據(jù)的可靠傳輸；SCPS-TP傳輸層通過擁塞控制算法實(shí)現(xiàn)“選擇性否定確認(rèn)(SNACK)”機(jī)制和包頭壓縮技術(shù)，進(jìn)行速率控制和擁塞控制。

1.3.2 低軌航天器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及工作機(jī)制

低軌航天器網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧配置為Bundle+SCPS-TP/LTP+IP，實(shí)現(xiàn)傳輸層LTP協(xié)議與SCPS-TP協(xié)議間轉(zhuǎn)換。Bundle層、傳輸層SCPS-TP的設(shè)計(jì)與地面網(wǎng)關(guān)中的相同，傳輸層LTP協(xié)議基于DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，Bundle層與LTP之間的通信需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的LTP匯聚層(LTP Convergence Layer)來實(shí)現(xiàn)。

低軌航天器網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)關(guān)的工作機(jī)制類似，區(qū)別在于實(shí)現(xiàn)傳輸層LTP協(xié)議與SCPS-TP協(xié)議間轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)蛙壓教炱骶W(wǎng)關(guān)接收到來自SCPS-TP的Bundle分片時(shí)，先將這些分片重組，檢查Bundle的完整性，然后通過LTP將該Bundle遞交給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真概述

半物理仿真平臺由終端PC(運(yùn)行協(xié)議棧)和網(wǎng)絡(luò)損傷儀(模擬真實(shí)鏈路)組成，通過協(xié)議棧在真實(shí)PC和仿真鏈路上的運(yùn)行，通過在網(wǎng)絡(luò)損傷儀中設(shè)置鏈路帶寬、時(shí)延、抖動等參數(shù)來模擬真實(shí)鏈路情況，而且在網(wǎng)絡(luò)損傷儀中設(shè)置鏈接的連接和斷開時(shí)間，測試協(xié)議的運(yùn)行性能。如圖4所示，地面主站、地面小站、低軌航天器、通信衛(wèi)星均采用PC機(jī)模擬。

圖4 半物理仿真實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Semi-physical simulation sketch map

2.2 仿真結(jié)果分析

基于2.1節(jié)描述的應(yīng)用場景，對比低軌航天器采取雙協(xié)議棧(Bundle+SCPS-TP/LTP+IP)與低軌航天器采取類TCP協(xié)議(TCP-HYBLA)，在不同延時(shí)、誤碼、鏈路非對稱條件下的協(xié)議性能。仿真參數(shù)設(shè)置為低軌航天器向地面?zhèn)鬏敶笮?0 Mbyte的文件，誤比特率為10-6，上行傳輸速率為100 kbit/s，下行傳輸速率為10 Mbit/s，鏈路延時(shí)從0到135 ms變化，其中低軌航天器與地面站之間鏈路延時(shí)為3 ms，低軌航天器與通信衛(wèi)星之間鏈路延時(shí)為135 ms，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 誤碼率10-6條件下非對稱鏈路對協(xié)議性能的影響Fig.5 Impact of asymmetric channel on protocol performance under 10-6 error rate channel

從圖5仿真可以看出，在非對稱鏈路(上行傳輸速率為100 kbit/s，下行傳輸速率為10 Mbit/s)、誤碼率10-6情況下：低軌航天器與地面站之間采用SCPS-TP協(xié)議，下行傳輸速率可達(dá)到5.11 Mbit/s，優(yōu)于采取類TCP協(xié)議(TCP-HYBLA下行傳輸速率3.97 Mbit/s)，與LTP協(xié)議傳輸速率相差不大(LTP下行傳輸速率5.4 Mbit/s)；低軌航天器與通信衛(wèi)星之間采用LTP協(xié)議，下行傳輸可達(dá)到4.21 Mbit/s，優(yōu)于采取類TCP協(xié)議(TCP-HYBLA下行傳輸速率1.2 Mbit/s)，因此，本文設(shè)計(jì)的雙協(xié)議棧可提升低軌航天器信息傳輸速率。

3 結(jié)束語

本文研究了應(yīng)用GEO通信衛(wèi)星傳輸?shù)蛙壓教炱鲾?shù)據(jù)的可行性和傳輸技術(shù)，通過搭建半物理仿真平臺，對比SCPS-TP、LTP、TCP協(xié)議在基于GEO通信衛(wèi)星的低軌航天器數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。通過系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證，低軌航天器采取雙協(xié)議棧(Bundle+SCPS-TP/LTP+IP)優(yōu)于全鏈路單一采取類TCP協(xié)議，設(shè)計(jì)的雙協(xié)議棧能提升低軌航天器信息傳輸速率。

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