張大鵬，許子涵，王愛華，王 悅

(1. 中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094； 2. 北京理工大學信息與電子學院，北京市100081)

1 引言

服務于載人月球探測任務的地月空間信息系統(tǒng)涉及航天器數(shù)量多、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，且有月地通信鏈路傳輸距離遠、月球背面無法通過地面深空站直接通信、通信鏈路中斷頻繁等情況。因此，地月空間組網(wǎng)通信具有網(wǎng)絡拓撲的時變復雜性、間斷性的鏈路連接、網(wǎng)絡高度異構與協(xié)議多樣、非對稱的通信帶寬、遠距離通信傳播時延等特點[1-2]。 傳統(tǒng)地面局域網(wǎng)技術和近地星-地點對點通信技術無法滿足地月空間組網(wǎng)需求，因此需要建立適用于地月空間架構的組網(wǎng)方案來滿足地月空間日益多元化的信息傳輸需求。 將地面互聯(lián)網(wǎng)概念引申到空間，構建空間互聯(lián)網(wǎng)，使之具有與地面互聯(lián)網(wǎng)類似的能力和靈活性[3]，同時為日益復雜的航天任務對空間通信技術提出的挑戰(zhàn)性難題提供有效解決途徑[4]。 因此，實現(xiàn)多目標大數(shù)據(jù)量的高帶寬組網(wǎng)互連互通以及地月空間信息系統(tǒng)如何能夠保證高可靠性組網(wǎng)通信傳輸是需要重點解決的問題。

空間網(wǎng)絡體系架構的構建主要由空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)、機構間操作指導組/機構間互操作大會(Interagency Operations Advisory Group/Interoperability Plenary，IOAG/IOP)和互聯(lián)網(wǎng)工程任務組/互聯(lián)網(wǎng)研究任務組(Internet Engineering Task Force/Internet Research Task Force，IETF/IRTF)等組織來實施[5-6]。 在空間網(wǎng)絡技術的發(fā)展過程中，這些組織主要形成了4 個協(xié)議體系發(fā)展方向:基于CCSDS 的協(xié)議體系(或Space Communication Protocol Specification， SCPS 體 系)、基于TCP/IP 的協(xié)議體系、將CCSDS 與TCP/IP結合的協(xié)議體系、基于容忍延遲/中斷網(wǎng)絡(Delay/Disruption Tolerant Networking，DTN) 的 協(xié) 議 體系[5-6]，4 個協(xié)議體系各有優(yōu)缺點，而基于DTN 的協(xié)議體系針對深空環(huán)境設計，為更遠期的發(fā)展設計，涵蓋了上述3 種協(xié)議體系，是更高一級的協(xié)議體系[6]。 空間網(wǎng)絡體系架構或協(xié)議體系的構建主要體現(xiàn)在其相應標準的研究工作中，這些空間協(xié)議標準根據(jù)工程實際經(jīng)驗而制定、修訂或廢止。以CCSDS 相關標準為例，SCPS 協(xié)議體系中只有空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議[7](SCPS -Security Protocol，SCPS-TP)繼續(xù)使用，相應地又制定了在CCSDS 空間鏈路之上承載IP 協(xié)議標準[8](IP over CCSDS space links，IPoC)，針對DTN 協(xié)議體系發(fā)布了對空間DTN 體系結構完整闡述的綠皮書[9]，并對LTP(Licklider Transmission Protocol)空間可靠性傳輸協(xié)議以及BP(Bundle Protocol)覆蓋層協(xié)議相關服務與機制進行說明， 形成了藍皮書[10-11]。

DTN 的協(xié)議體系針對深空環(huán)境提出[6]，為適應星際間長時延通信在傳統(tǒng)協(xié)議中進行改造[12]。首先，DTN 使用“存儲-攜帶-轉發(fā)(store-carry-forward)”模式[12]，這種數(shù)據(jù)中繼服務機制較好地解決星球區(qū)域網(wǎng)絡和星球中繼網(wǎng)絡長時延和日常性網(wǎng)絡中斷導致的問題，適用于地球到月球乃至更遠距離的深空通信。 其次，構建由多個子網(wǎng)組成的行星際互聯(lián)網(wǎng)需要實現(xiàn)多個子網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)機制，DTN 通過Bundle 協(xié)議層將不同類型的網(wǎng)絡下層協(xié)議(如地面段的TCP/IP，星地鏈路的CCSDS 包協(xié)議和AOS 協(xié)議)整合，在不改變原有網(wǎng)絡基本結構的基礎上實現(xiàn)多重異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，具有良好的兼容性和擴展性，是一種面向未來的網(wǎng)絡體系架構。 與無法適應網(wǎng)絡中斷的IP 協(xié)議僅能提供文件傳輸?shù)腃FDP 相比，基于DTN 協(xié)議體系更適合形成一個統(tǒng)一、完整的星際互聯(lián)網(wǎng)絡結構，DTN 目前可能是未來深空互聯(lián)網(wǎng)最具說服力的架構[13]，各國的航天機構已經(jīng)部署了DTN 協(xié)議項目，并進行了DTN 協(xié)議空間試驗[14]。

本文根據(jù)未來載人月球探測任務需求及地月空間組網(wǎng)設計特點，在地月空間信息系統(tǒng)通信結構的基礎上，研究適用于地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的DTN 協(xié)議，并形成組網(wǎng)方案，進行地月空間通信網(wǎng)絡仿真分析。

2 地月空間通信鏈路

2.1 通信系統(tǒng)結構

由于地球與月球相對運行形成遮蔽以及月球本地(比如南北極)觀測仰角過低等，造成在行星表面與地球間建立直接通信鏈路困難，月球背面無法直接與地球通信。 載人月球探測任務中會涉及到多個航天器，如果要求所有月球區(qū)域的航天器都與地球直接通信，在整體效能方面無法達到最優(yōu)，因此需要考慮采用月球中繼衛(wèi)星完成地月空間的中繼通信。

對于月基通信單元，早期可利用月面著陸器或居住艙作為小型的月面通信基站，后續(xù)可發(fā)展為月球基地的通信基站。

在現(xiàn)有地球中繼衛(wèi)星功能基礎上，可考慮補充對月中繼通信能力，形成地球對月中繼衛(wèi)星。相對于地面對空間激光鏈路傳輸，激光鏈路在空間傳輸不會受到云層遮擋等因素影響，可以采用激光鏈路作為地月空間的主干通信鏈路。

選擇地面深空站、地球中繼星(具備對月通信功能)、月球中繼星、月面通信基站作為地月空間主干鏈路的主通信與路由節(jié)點，建立高可靠、高速的2×2 地月空間骨干網(wǎng)絡的信息傳輸通道，完成載人月球探測任務數(shù)據(jù)或其他高速任務數(shù)據(jù)傳輸，骨干網(wǎng)絡結構示意圖如圖1 所示。 對于高速數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸通道，通信鏈路選擇Ka 頻段射頻鏈路，可傳輸上百兆bps 高速率數(shù)據(jù)，以及激光通信鏈路可傳輸幾百兆bps 以上高速率數(shù)據(jù)，Ka 頻段射頻鏈路與激光通信鏈路形成備份。 在地球空間內仍然以相關頻段微波通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，在月球空間內通信鏈路與地球空間相類似。

圖1 地月空間骨干網(wǎng)絡結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the backbone network structure in cislunar space

2.2 鏈路可見性

在地月空間中，需要將繞月衛(wèi)星的坐標參數(shù)換算到以地球為中心的坐標系統(tǒng)[15]。 如圖2 所示，月球中繼衛(wèi)星的坐標需要根據(jù)月球相對于地球坐標變換得到，月球中繼衛(wèi)星相對于地心坐標系的矢量公式見式(1):

圖2 地月坐標轉換示意圖Fig.2 Schematic diagram of earth-moon coordinate transformation

由于月面通信基站直接對地面深空站通信鏈路可見性在50%左右，要達到月球空間的全覆蓋仍需要月球中繼衛(wèi)星的配合；且月面通信基站的建立受到月面地形環(huán)境等因素的影響，因此在地月空間中，地球通信終端到月球通信終端需要經(jīng)過月球中繼衛(wèi)星通信作為主要通信鏈路。

月球中繼衛(wèi)星與地球可見性的鏈路幾何關系如圖3 所示。 圖中Dc為地月間距離，Ds為月球中繼衛(wèi)星對地球的距離，Rm為月球半徑，am為月球中繼衛(wèi)星半長軸。 以月球中繼衛(wèi)星高度線和對月球切線的夾角λ 為最小夾角，當月球中繼星對應的λ 角大于λmin，表示月球中繼衛(wèi)星對地鏈路可見。

當?shù)厍蛑欣^衛(wèi)星具備對月通信功能時，與月球空間的月軌飛行器或月面用戶建立第二類地月空間通信鏈路。 與圖3 的原理相同，當?shù)厍蛑欣^星對應的φ 角大于地球中繼衛(wèi)星高度線和對地球切線的最小夾角φmin時，表示地球中繼衛(wèi)星對月鏈路可見，其幾何關系如圖4 所示。

圖3 月球中繼衛(wèi)星對地可見性Fig.3 Visibility of lunar relay satellite to earth

圖4 地球中繼衛(wèi)星對月可見性Fig.4 Visibility of earth relay satellite to moon

由上述2 類鏈路可構成月球中繼衛(wèi)星與地球中繼衛(wèi)星之間通信鏈路，幾何關系如圖5 所示。地月中繼衛(wèi)星間可見性以它們之間最大可見鏈路距離Dmax進行判斷，當?shù)卦轮欣^衛(wèi)星間距離D 大于可見鏈路距離Dmax時，星間鏈路不可見。 最大可見鏈路長度Dmax見式(2):

由α 約為7.9E05°， Dmax可簡化為式(3):

式中，Dc為地月間距離，Re為地球半徑，Rm為月球半徑，ae和am分別為地球中繼衛(wèi)星半長軸和月球中繼衛(wèi)星半長軸(以圓軌道為例)，如圖5 所示。

圖5 地月鏈路可見性Fig.5 Visibility of earth-moon link

3 地月空間組網(wǎng)方案

3.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)組成

基于上節(jié)通信鏈路互聯(lián)互通形成地月空間通信網(wǎng)絡，主要組成部分為星球(地球、月球)空間網(wǎng)絡及星際空間網(wǎng)絡。 地球空間網(wǎng)絡的組成單元包括地基單元和地球中繼單元，各個地基單元可以聯(lián)網(wǎng)形成地基空間子網(wǎng)，地球中繼單元可以組網(wǎng)形成地球中繼子網(wǎng)，2 個子網(wǎng)間互聯(lián)通信形成地球空間區(qū)域網(wǎng)。 同樣，月球空間網(wǎng)絡的組成單元包括月基單元和月球中繼單元，各個月基單元可以互聯(lián)通信形成月基空間子網(wǎng)，月球中繼單元可以組網(wǎng)形成月球中繼子網(wǎng)，2 個子網(wǎng)間互聯(lián)通信形成月球空間區(qū)域。 通過微波通信或激光通信方式將地球空間網(wǎng)絡與月球空間網(wǎng)絡聯(lián)絡互通，形成整個地月空間主干網(wǎng)，網(wǎng)絡結構示意見圖6。月球中繼子網(wǎng)中的月球中繼衛(wèi)星可以將月基空間子網(wǎng)用戶接入地月空間主干網(wǎng)中，因此月球中繼子網(wǎng)也可稱為月球空間接入網(wǎng)，同理地球中繼子網(wǎng)也可稱為地球空間接入網(wǎng)。

圖6 地月空間網(wǎng)絡結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of cislunar space network structure

3.2 網(wǎng)絡拓撲架構

基于DTN 協(xié)議體系的星際互聯(lián)網(wǎng)絡在技術的適用性、可行性以及先進性均符合地月空間組網(wǎng)需求，可作為地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的主要協(xié)議架構。 同時，由于DTN 具有良好的兼容性，因此仍以采用CCSDS 協(xié)議棧及TCP/IP 協(xié)議棧中具有較好通信性能及適用性的下層協(xié)議，如AOS 協(xié)議、IP 協(xié)議等，為地月空間網(wǎng)絡的上層應用提供鏈路層、網(wǎng)絡層及傳輸層支持。

在地月空間信息系統(tǒng)高速通信鏈路中，將地面指控中心(或地面站)、地球對月中繼衛(wèi)星、月球中繼衛(wèi)星(或具備中繼功能的月軌空間站)、月球基地(或居住艙)等配置支持DTN 協(xié)議的網(wǎng)關路由設備，利用BP 束協(xié)議將地基空間/月基空間子網(wǎng)、地球中繼/月球中繼子網(wǎng)、地月空間主干網(wǎng)等不同的鏈路層和傳輸層協(xié)議整合起來。

考慮地面已經(jīng)廣泛應用和未來月表可能廣泛應用的TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系，在地球空間和月球空間采用IP over AOS 協(xié)議體系，能夠最大程度兼容現(xiàn)有地面測控體系和航天器測控體制，利用IP 報文支持單播、組播、廣播通信模式，也為未來月球基地建設保留最大的兼容性，這也符合未來地月空間網(wǎng)絡漸進演化建設的設計思想。

因此，在地月空間傳輸采用DTN 協(xié)議體系，通過BP 協(xié)議統(tǒng)一應用層協(xié)議，通過AOS 協(xié)議統(tǒng)一鏈路層協(xié)議，地月間通過DTN 協(xié)議組成深空通信網(wǎng)絡將地球及月球區(qū)域網(wǎng)絡有機互聯(lián)。

為了地月空間可靠組網(wǎng)，在地月通信網(wǎng)絡拓撲結構中采用多網(wǎng)關的網(wǎng)狀結構，即在地球空間區(qū)域網(wǎng)中以深空地面站和地球對月中繼衛(wèi)星作為DTN 網(wǎng)關節(jié)點，在月球空間區(qū)域網(wǎng)中以月球中繼衛(wèi)星和月球基地作為DTN 網(wǎng)關節(jié)點，地月網(wǎng)關節(jié)點交叉互連構成網(wǎng)狀結構，增強了組網(wǎng)的可靠性。在該拓撲架構下，既有效避免了單網(wǎng)關的單點故障失效，又增加了網(wǎng)絡結構隨航天器軌道運行變化的適應能力，提高了網(wǎng)絡通信覆蓋性和可靠性。地月空間通信網(wǎng)絡拓撲結構如圖7 所示，三角符號表示DTN 網(wǎng)關節(jié)點。

圖7 地月空間網(wǎng)絡拓撲結構Fig.7 Topology structure of Cislunar space network

3.3 基于DTN 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸

基于DTN 協(xié)議由地面用戶應用端至月球或月面用戶應用端網(wǎng)絡傳輸示意圖如圖8 所示。 由圖8 可見，BP 作為覆蓋層協(xié)議將基于TCP 網(wǎng)絡、基于UDP 網(wǎng)絡、基于LTP 網(wǎng)絡等異構網(wǎng)絡互聯(lián)[16]，存儲轉發(fā)的路由管理保證了這種動態(tài)異構網(wǎng)絡環(huán)境下跨越不同網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)逐跳傳遞的可靠傳輸。

圖8 基于DTN 協(xié)議的地月空間數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.8 Schematic diagram of cislunar space data transmission based on DTN protocol

4 仿真設計及結果

4.1 傳輸需求與系統(tǒng)組成

以載人月球探測任務為例，地月空間信息系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務數(shù)據(jù)主要是遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、話音、圖像視頻多媒體數(shù)據(jù)等。 根據(jù)實際需求，對月球探測業(yè)務數(shù)據(jù)及其屬性設計如表1 所示。 其中，對于有實時性要求的數(shù)據(jù)包，若5 s 內無法完成端到端的遞交，則視為傳輸失敗。

表1 信息傳輸需求Table 1 Information transmission requirements

地月空間信息系統(tǒng)架構及網(wǎng)絡結構主要是基于月球中繼衛(wèi)星星座方案而構建，按照載人月球探測任務最終全月覆蓋的目標，本文選擇六星雙圓極軌道的星座結構進行組網(wǎng)仿真，并對相應的雙星單圓極軌道、三星單圓極軌道、四星雙圓極軌道等星座結構同樣進行組網(wǎng)仿真與比較。 不同星座方案如表2 所示。

表2 月球中繼星座方案Table 2 Scheme of Lunar relay constellation

地基單元選擇佳木斯、喀什、南美3 個深空站，地球中繼單元選擇一顆GEO 高軌衛(wèi)星。 月球空間用戶節(jié)點分別位于月球赤道300 km 軌道、月球赤道表面、月球南極表面、月球背面表面，分別代表月軌飛行器、航天員或月面探測器等。

假設中繼衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包的最大可用存儲空間為200 M，通信鏈路為Ka 頻段，最大帶寬為155 Mbps，且一個中繼月球衛(wèi)星在同一波束內最多與4 個用戶節(jié)點同時通信。

4.2 仿真指標設計

4.2.1 連通性

選取端到端最大不可見時間這一指標衡量中繼星座架構連通性。 單個用戶節(jié)點某一時刻產生的數(shù)據(jù)包，在不考慮鏈路帶寬、節(jié)點最大連接數(shù)量、存儲能力等網(wǎng)絡參數(shù)，僅考慮鏈路通斷性的前提下，最快可完成遞交的時間即該節(jié)點與目的節(jié)點在這一時刻的端到端最大不可見時間。 某一月球空間用戶節(jié)點在一個月球公轉周期中的所有時刻，與所有有潛在通信需求的地球空間用戶節(jié)點的端到端最大不可見時間，即該節(jié)點在整個仿真周期中的端到端最大不可見時間。 月球空間用戶各節(jié)點在整個仿真周期中的端到端最大不可見時間如圖9 所示。

圖9 端到端最大不可見時間Fig.9 End to end connectivity

由仿真結果可知，兩星極圓軌道與三星極圓軌道對月球赤道節(jié)點的覆蓋性差，存在一個約兩天半的連續(xù)不可見時間段。 除此之外，各星座構型下各節(jié)點的端到端最大不可見時間均小于2 h。在另外兩種中繼星座構型下，月球赤道節(jié)點的端到端最大不可見時間也明顯高于其他節(jié)點。 故本文仿真在處理仿真結果數(shù)據(jù)時，將月球赤道節(jié)點與其他月球空間用戶節(jié)點的網(wǎng)絡性能分開分析。

4.2.2 網(wǎng)絡性能

選取遞交率、平均延遲、最大緩存占用量3 個指標網(wǎng)絡性能。 遞交率指在數(shù)據(jù)包生存期內成功送達至目的節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量與計劃發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比。 平均延遲指成功送達至目的節(jié)點的時間與該數(shù)據(jù)包產生時間的延遲。 最大緩存占用量指某類節(jié)點在1 個月球周期中緩存量使用最多的時刻下的緩存使用量。 若最大緩存占用量小于預設的緩存容量，則說明在該場景下可優(yōu)化節(jié)點存儲能力，減少成本。

通常延遲包含節(jié)點處理延遲、排隊延遲、存儲攜帶延遲、傳輸延遲、傳播延遲5 部分。 節(jié)點處理延遲指路由器對到達的分組進行差錯檢測等處理的時間，通常在毫秒量級，故可忽略不計。 排隊延遲、存儲攜帶延遲、傳輸延遲根據(jù)仿真中實際等待情況進行計算。 傳播延遲指分組從某一節(jié)點發(fā)出后，到達下一節(jié)點所花費的時間。 假設地月平均距 離 約 為3.84 × 105km， 光 的 傳 播 速 度 為3.0×105km，故地月節(jié)點間的傳播延遲約為1.28 s，月球節(jié)點與繞月衛(wèi)星的傳播延遲約為0.02 s。

4.3 仿真結果分析

4.3.1 遞交率

數(shù)據(jù)包的遞交率如圖10 所示。 同一中繼星座構型下非實時性數(shù)據(jù)包因節(jié)點可攜帶的時間較長，遞交率高于實時性數(shù)據(jù)包，體現(xiàn)了DTN 存儲-攜帶機制的優(yōu)勢。 同時節(jié)點對非實時性數(shù)據(jù)包的存儲-攜帶增加了節(jié)點緩存中實時性數(shù)據(jù)包的排隊延遲，導致實時性數(shù)據(jù)包遞交率隨非實時性數(shù)據(jù)包生存期時長的增加而略微下降。

圖10 數(shù)據(jù)包遞交率Fig.10 Delivery rate of packets

隨著非實時性數(shù)據(jù)包生存期的增加，非實時性數(shù)據(jù)包的遞交率有較為明顯的上升。 四星雙圓極軌道星座構型下，當非實時性數(shù)據(jù)包生存期為60 min 時，月球赤道節(jié)點的非實時性數(shù)據(jù)包遞交率與六星雙圓極軌道星座構型相差約2.4%，其他節(jié)點相差約1%，實時性數(shù)據(jù)包遞交率分別相差約11.1%、7.6%。 考慮到六星雙圓極軌道構型的實現(xiàn)成本較高，從遞交率角度來說，若允許適當降低對實時性數(shù)據(jù)包的通信需求，四星雙圓極軌道構型在遞交率性能上可替代六星雙圓極軌道星座構型。 同理，若不考慮對月球赤道節(jié)點的支持，在非實時性數(shù)據(jù)包生存期為60 min 時，三星單圓極軌道星座構型的實時性數(shù)據(jù)包遞交率僅比四星雙圓極軌道星座構型低約3.4%，非實時性數(shù)據(jù)包遞交率低約1.9%，故該中繼星座構型可在不考慮支持月球赤道節(jié)點通信需求時，作為四星雙圓極軌道星座構型的一個最小系統(tǒng)替代方案。

4.3.2 網(wǎng)絡時延

數(shù)據(jù)包的平均延遲如圖11 所示。 由于中繼節(jié)點在數(shù)據(jù)包超時情況下，會將實時性數(shù)據(jù)包丟棄，故延遲較大的實時性數(shù)據(jù)包無法到達目的節(jié)點，因此4 種架構下的實時性數(shù)據(jù)包平均延遲均在1.33～1.38 s 之間，相差不大。 對于非實時性數(shù)據(jù)包，其平均延遲隨著中繼星座的覆蓋性與允許攜帶數(shù)據(jù)包時長的增加而增加。 由于各中繼星座構型對月球赤道節(jié)點的覆蓋率相對其他節(jié)點均較差，故月球赤道節(jié)點的非實時性數(shù)據(jù)包平均延遲均高于同一場景下的其他節(jié)點，但總體上均小于10 min。 由實際通信需求對比可知，實時性數(shù)據(jù)包平均約1.35 s 左右的延遲與非實時性數(shù)據(jù)包平均不到10 min 的延遲，在實際通信中均屬于可接受的延遲范圍。

圖11 數(shù)據(jù)包平均延遲Fig.11 Average delay of packets

4.3.3 最大緩存占用量

節(jié)點最大緩存占用量如圖12 所示。 當月球空間用戶節(jié)點無可用鏈路，且所采集的數(shù)據(jù)包未超出其生存期時，需將這些數(shù)據(jù)包暫時存儲于緩存中。 在非實時性數(shù)據(jù)包的生存期小于等于60 min時，月球節(jié)點所需的緩存能力實際不足10 G。 即可根據(jù)仿真所得結果對月球空間用戶的緩存設備進行適當優(yōu)化，以使用更低成本的硬件設備達到同樣的網(wǎng)絡通信性能。 在六星雙圓極軌道星座構型場景中，由于衛(wèi)星對月球的覆蓋率足夠高，通信資源足夠多，故對月球空間用戶節(jié)點的存儲能力需求較低。 在考慮中繼星座構型優(yōu)化、替換方案時，需對應地提升月球空間用戶節(jié)點的存儲能力。 對于衛(wèi)星節(jié)點，在一個月球周期內的各類場景下，其最大緩存能力均達到200 Mb。

圖12 節(jié)點平均緩存占用量Fig.12 Average buffer usage of nodes

5 結論

本文分析了地月空間組網(wǎng)通信的特點，基于地月空間通信鏈路，形成了地月空間組網(wǎng)方案，以基于DTN 協(xié)議體系作為地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的主要協(xié)議架構，同時兼顧CCSDS 協(xié)議棧及TCP/IP 協(xié)議棧的AOS 協(xié)議、IP 協(xié)議。 根據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸需求，對于不同的月球中繼衛(wèi)星星座結構進行了投遞率、網(wǎng)絡時延、用戶節(jié)點存儲能力等性能指標仿真分析，結論如下:

1) 六星雙圓極軌道星座構型可同時為月背、月球南極、月球赤道、環(huán)月飛行器等用戶節(jié)點從通信網(wǎng)絡性能上提供較好的支持，各類數(shù)據(jù)包的遞交率、延遲及對用戶節(jié)點的存儲能力要求等性能指標均較好。 但該中繼星座構型所需發(fā)射的衛(wèi)星較多，成本高。

2) 四星雙圓極軌道星座構型可作為六星雙圓極軌道星座構型從成本上優(yōu)化替代方案。 其實時性數(shù)據(jù)包遞交率比后者略有降低，同時非實時性數(shù)據(jù)包的延遲與對月球用戶節(jié)點的緩存能力要求有所提高，但均在可接受范圍內。 該中繼星座軌道構型少使用了兩顆衛(wèi)星，降低了成本。

3) 在月球赤道表面節(jié)點對通信網(wǎng)絡性能需求不高時，三星單圓極軌道星座構型可作為四星雙圓極軌道星座構型在成本上優(yōu)化的替代方案。同時，該構型比后者少使用了一顆衛(wèi)星，同樣降低了成本。