IP over CCSDS空间组网应用浅析

建立天地一体化的互联网络,实现任意时刻任意两点之间的端到端通信,是空间数据系统发展的必然趋势。CCSDS(空间数据系统咨询委员会)针对空间互联网业务,于2010年4月发布了CCSDS 702.1-R-4,提出了IP over CCSDS最新推荐方法。本文根据CCSDS空间互联网业务空间链路工作组的研究,阐述了在CCSDS空间数据链路协议中承载IP数据报的实现方法、服务及业务接口,并探讨了未来基于IP over CCSDS的空间网络结构。     

CCSDS高级在轨系统协议吞吐量性能分析

简要介绍了CCSDS高级在轨系统(AOS)协议的信源特点;分析了影响AOS协议包业务吞吐量性能的因素,给出了传输集中数据时的包业务吞吐量计算公式;讨论了吞吐量-包长、吞吐量-帧长关系曲线,并针对传输集中数据情况下以吞吐量为指标优化AOS协议配置给出了指导性建议,为CCSDS AOS协议的应用提供了参考。     

CCSDS遥控通信操作规程应用

由于遥控通信的重要性,为了在有噪声的链路空间中可靠地传输遥控数据,CCSDS(空间数据系统咨询委员会)提供了遥控COP-1(通信操作规程)建议书。该探作规程使用遥控空间链路协议,规定了空间任务中地—空或空—空通信链路间应用数据的自动重传操作规程,保证了用户业务数据的正确传输。此外,还介绍了CCSDS标准建议书中的遥控通信操作规程的概念、业务类型,并对其中使用的内部规程接口、业务数据传输操作规程以及滑动窗口的应用进行了详细说明。     

IP over CCSDS协议适配的高速并行实现技术

天地一体化组网应用须在空间网和地面网之间部署IP over CCSDS(基于CCSDS空间链路承载IP业务)协议适配网关,以实现在高速CCSDS(空间数据系统咨询委员会)空间链路之上传输IP(互联网协议)数据包。针对此需求,提出一种IP over CCSDS协议适配的高速并行实现方法,并在Linux内核中采用多线程技术实现IP over CCSDS协议适配过程,通过实验进行测试与验证。测试表明,在处理器多核数目的范围内,协议适配处理性能随线程并发数目的增加而增加;当线程数目超过处理器核数时,受限于处理器核数和线程调度开销的影响,协议适配的性能并不能随着线程数目的增多而线性增加。后续,可利用FPGA(现场可编程门阵列)硬件逻辑电路的并行能力在硬件上实现协议适配的高速并行处理,并设计更高速率的同步接口,以从硬件上实现几千兆比特甚至几十千兆比特的高速IP over CCSDS协议适配。     

CCSDS建议在某新型航天器测控中的应用

CCSDS(空间数据系统咨询委员会)建议的AOS(高级在轨系统)数据传输机制和TM(遥测)信道编码,较好地满足了某新型航天器遥测功能服务于多数据源、信号格式采用帧结构以及链路采用高性能信道编码的要求。某新型航天器测控采用AOS建议的插入业务和位流业务专用虚拟信道分别解决了多个不同特征数据源的遥测数据等时传输问题;采用CCSDS建议的传送帧结构满足了非相干测量功能对下行信号的要求;同时参考CCSDS遥测同步和信道编码建议中Turbo码的码型设计和码块同步方法,完成了下行链路高性能信道编码设计。     

CCSDS SLE系统原型方案研究

基于测控系统数据在SLE(空间链路扩展)服务提供方与使用方的传输包括2个流向——前向遥控指令和返向遥测数据——这一特点,从总体方案、软件体系结构和传输协议等3个方面对SLE系统提出设计方案。通过对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)SLE系统的研究和CCSDS SLE传输协议原型软件的实施验证,利于将此协议应用于今后的工作中,便于实现与国外航天机构的相互合作。     

基于CCSDS标准的航天器上行遥控链路 协议体系与可靠性技术

针对航天测控领域中上行遥控业务的协议体系选择与可靠性设计问题,在对我国现行国军标技术指标要求与现有航天测控系统天地基遥控技术特点进行归纳梳理的基础上,基于空间段信息传输无线链路特点与CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)标准规范,研究给出了适用于我国航天测控任务的空间段遥控协议体系与可靠性措施,利用梳理统计方法对上行遥控体制进行了数学建模分析,并与CCSDS给出的应用算例进行了对比分析.分析结果表明,所涉及的上行遥控体制与CCSDS标准规范的工作效能基本相当,能够满足我国航天任务上行遥控任务使用需求.     

近距-1协议在星间测距中的应用

针对近距航天器测距的需要,将CCSDS(空间数据系统咨询委员会)近距-1协议的定时业务与微波双向单程测距法相结合进行测距。该法以直序扩频技术来获得高精度传输帧ASM(附属同步标识)最后1位下降沿的时刻,并以时间码形式,通过帧数据域在测距星之间相互对传,综合考虑协议给出的信号物理特性,对所给出的方法进行了误差分析。分析表明,航天器之间距离不远,相对速度不大时,该法具有较高精度,且与数据通信共用1套设备,降低了成本。     

深空通信中继文件传输协议设计

深空通信极远的传输距离导致链路误码率高,使文件的可靠传输需要较多的重传次数,而其传播时延长的特点,进一步加大了文件传输时延。研究以CCSDS(空间数据系统咨询委员会)文件传输协议的存储-转发机制,提出一种R-CFDP(中继型CFDP协议),设计了3种中继"存储-转发"策略,并数学建模推导了R-CFDP协议的文件传输时延理论计算式。仿真证明R-CFDP协议相对于CFDP(CCSDS文件传输协议)协议在传输时延方面具有优势。     

SLE服务模型及应用研究

空间链路扩展(SLE)服务将CCSDS空间链路协议扩展到地面要素之间,完成空间链路数据单元在空间链路信道和地面用户之间的传输,从而建立标准的空间数据传输与管理接口,降低了数据交换业务在技术、管理以及操作方面所需的代价。本文研究了SLE参考模型和其2个重要服务RAF和CLTU,并在"嫦娥一号"绕月探测工程中进行了应用,实现了基于SLE技术的CLTU和RAF服务。     

IP over CCSDS/AOS空间通信QoS保证方法

首先分析空间通信体系发展趋势,提出基于IP over CCSDS/AOS的空间通信模型。在分析总结了地面网QoS(服务质量)机制和AOS(高级在轨系统)虚拟信道调度机制的基础上,提出一种IP(互联网协议)网络层区分服务与数据链路层AOS虚拟信道动态调度相结合的QoS保证方法。该方法将网络层的业务等级划分映射到AOS的虚拟信道分配算法中,并在此基础上实现AOS虚拟信道的动态调度,提高包括话音、视频在内的综合业务在空间链路传输的性能。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

基于混合平台的深空通信遥测接收机架构设计

针对目前深空通信遥测信号接收机硬件实现存在的重配置及扩展灵活性较差的问题,提出了一种符合CCSDS(空间数据系统咨询委员会)标准基于混合平台的接收机架构设计。本设计充分利用了GPU(图形处理器)平台片上存储资源的低访问延迟特性、流多处理器的高速并行处理特性以及CUDA(统一计算架构)软件开发的配置灵活性,对接收过程中的帧同步和信道译码进行了高速实现。同时采用FPGA(现场可编程门阵列)对接收数据进行解调处理,通过CPU(中央处理器)对接收机内部数据流传输进行控制,实现了可重配置的混合平台接收机架构。实验结果表明本接收机架构在采用CCSDS标准的LDPC(低密度奇偶校验)编码时能够灵活切换多种码长码率模式,译码后数据吞吐率能够达到10 Mbit/s以上。     

NASA测控网请求空间链路扩展业务的接口说明

空间数据系统咨询委员会 (CCSDS)已经为几项空间链路扩展 (SLE)传输业务制定了建议 ,以便航天器的遥测遥控数据在负责为航天器提供通信的地面设施和测控 (TT&C)网之间进行标准的、可互操作的交换。欧空局 (ESA)和美国航空航天局 (NASA)喷气推进实验室 (JPL)的深空网 (DSN)已经实现了这些SLE传输业务。其它航天局正在尝试SLE业务 ,一些任务已经采用了SLE ,JPL已经把SLE作为在可预见的未来中任务设施和DSN之间的标准接口。NASA的空基网 (SN)、地基网 (GN)以及其他国家的航天局正在评估将SLE业务作为支持未来任务的标准…     

空间网络技术发展分析与建议

针对空间数据传输与交互支持问题,介绍了CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)、IOAG/IOP(Interagency Operations Advisory Group/InterOperability Plenary,机构间操作指导组/机构间互操作大会),以及IETF/IRTF (Internet Engineering Task Force/Internet Research Task Force,互联网工程任务组/互联网研究任务组)在空间网络体系架构方面的研究进展,分析了IETF和CCSDS针对空间网络环境所发布的最新网络层协议和传输层协议.研究结果表明,IP(Internet Protocol,互联网协议)和DTN(Delay Tolerant Networking,容延迟网络)是空间网络协议体系的2个发展方向,而空间网络技术则呈现出3个清晰的发展趋势,现阶段需要重点关注路由、服务质量保证和数据流传输这3个方面的技术问题.     

SLE服务在测控设备中的应用研究

针对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)建议的SLE(空间链路扩展)服务并不完全适应现有测控设备运行管理体系和数据交互体系的问题,在介绍SLE服务体系和我国航天测控设备运行管理体系的基础上,对测控设备接口关系、SLE业务对现有测控设备的要求以及SLE服务在测控通信领域的发展等方面进行了重点研究,提出了应用SLE服务的测控设备接口方案和相关设备设计要求,并建议逐步在深空站等具备条件的地面站配置和使用自主开发的SLE服务。     

CCSDS空间网络互联协议发展及启示

空间互联网将是由各种区域网构成的复杂异构网络,为了使其能够逐步实现自动化运行,网络效益得到最大程度的发挥,须做好网络互联的顶层规划与设计,并开发具体的标准技术.根据近年CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)发布的建议书,以及相关工作组的项目规划情况,介绍了SSI(Solar System Internetwork,太阳系互联网)体系结构、IPoC(IP over CCSDS space links,在CCSDS空间链路之上承载IP),以及DTN(Delay Tolerant Networking,容延迟网络)等标准项目.从CCSDS空间网络互联技术的发展历程不难得出结论:我国未来空间网络互联应注重区域网之间互联的顶层设计;区域网内部各子网之间的互联技术应选择以航天任务需求牵引为主;DTN将在区域网之间互联以及区域网从简单到复杂发展中都发挥重要作用.     

空间信息传输TCP扩展协议研究与性能分析

在TCP协议基础上,着重研究了CCSDS建议的SCPS-TP协议,该协议是TCP协议在空间链路传输环境下的扩展协议,能够在一定程度上解决空间信息传输面临的高误码率、非对称信道、链路容量受限、链路中断等问题。通过搭建空间信息传输网络仿真环境,本文还对2种传输协议进行了协议性能仿真及比较分析,结果表明SCPS-TP协议适用于空间通信环境下的可靠数据传输。     

基于冗余连接机制的SLE网络协议体系模型

CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)SLE(Space Link Extension,空间链路拓展)网络协议体系模型中,一个服务实例只支持建立一个物理通信链路,造成上层应用与下层链路耦合过强,存在一定的安全隐患。针对此问题,设计了基于冗余连接机制的SLE网络协议体系模型,该模型在现有的SLE网络协议体系模型中增加了逻辑连接层,支持单一服务实例同时使用多个物理链路进行空间数据传输,可根据多连接状态重新设计TML(Transport Mapping Layer,传输映射层)状态变换关系以及数据传输模式。该模型能够兼容现有的SLE网络传输体系模型,提高SLE服务的可靠性。     

深空通信中CFDP协议应用优化分析

在对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)的CFDP(CCSDS文件传输协议)工作过程和延时性能进行分析的基础上,提出深空通信环境下,适用于工程实际的协议传输效率优化目标。针对提高传输性能进行参数优化分析,并给出了获取最优化的PDU(协议数据单元)长度的方法。仿真分析了传输文件数据量、距离、误码率、带宽等任务和环境因素对CFDP协议实际使用效果和最优PDU长度选取的影响。仿真结果表明,根据具体的任务和环境条件使用分析优化后的PDU长度参数,可以使CFDP协议达到更高的实际传输效率。