空間通信中可變長數據幀協議探討

楊興龍

（遼河油田通信公司興隆臺通信站，遼寧 盤錦 124010）

1 CCSDS協議綜述

1982年，美國航宇局(NASA)，歐洲空間局(ESA)和許多其它國家的空間局成立了空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)，其職責是開發空間數據系統標準化的通信體系結構、通信協議與業務，使未來的空間任務能以標準化的方式進行數據交換與處理，促進國際間的相互支持、合作與交流。1986年完稿的一套CCSDS COS常規建議側重于滿足常規自由飛行科學衛星的要求，該建議引入數據分包作為標準化的機制，允許數據采集過程與空間數據信道的傳遞不同步。1989年，空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)在成功的開發適用于低、中數據率航天器的常規在軌系統(COS)體制和標準的基礎之上，又進一步發展了以滿足復雜航天器的需要為目標的高級在軌系統(AOS)體制和標準。

2 空間數據鏈路協議

空間數據鏈路協議(如遙測、遙控和AOS空間數據鏈路協議)提供了在空間鏈路傳輸各種類型數據的能力，但它們的主要功能是傳輸可變長度的數據單元，如包。空間數據鏈路協議能運載任何包，條件是此包具有CCSDS認可的包版本號(PVN)。PVN必須在空間鏈路標識符文件中注冊。目前下列包是CCSDS認可的:空間包、空間通信協議規約一網絡協議((SCPS-NP)數據包、IP-4數據包和封裝包 (封裝其它數據單兀的特殊包)。IP-6數據包封裝在空間數據鏈路協議的封裝包中。

遙測空間數據鏈路協議通常從航天器發送遙測信息到地面(如返向鏈路)，遙控空間數據鏈路協議通常從地面發送指令到航天器(如前向鏈路)。如果需要在航天器和地面間的兩路在線通信(如音頻和視頻)，AOS空間數據鏈路協議可以只用于一條返向鏈路中或都用于前向和返向鏈路中。

3 CCSDS主網模型

對照ISO/OSI-RM,CCSDS規定了空間數據網的概念模型，即CCSDS主網(Principal Network),CPN是空間數據系統概念中最重要的部分，空間鏈路子網及地面網級聯而成，起空間計劃數據管理網的作用數據流以支持空間任務用戶。CPN是一個天地一體化概念模型，它由星載網、提供端到端的其結構是由一個軌道段中的星載網通過CCSDS空間鏈路子網(CSLS)與一個地面網或另一個軌道段中的星載網相連接，如下圖所示，圖中，星載網類似于計算機局域網，用來完成空載設備和空間鏈路子網間的信息傳遞。空間鏈路子網保障空一地或空一空信息傳送，包括通過數據中繼衛星的信道。地面網包括整個地面支持網絡，既有航天專用網，也有通用公共網。

CCSDS主網模型

4 CCSDS標準的技術特征

CCSDS定義了通信網的概念模型和業務模型。CCSDS通信系統結構遵從國際化標準化組織(ISO)制定的開放系統互連參考模型COSIRM，并根據航天數據通信的特點，在OSI框架內擴展了星載與地面計算機網絡，將傳統的遙測、遙控、遙感、語音、電視、計算機數據、導航信息以及管理信息集成到一個雙向邏輯對稱的高速數據網絡中。

信息傳遞的基本方式采用包交換。CCSDS的基帶數據結構采用分包格式，系統面向用戶的是自主信息包，而不是單個的數據。用戶按照自身的需求產生標準的信息包，系統也可以為用戶包裝數據，每個包中除用戶數據塊外，還輔以必要的標志和說明。

引入虛擬信道概念。由于空間通信信道有干擾多、衰落現象嚴重等特點，信號傳輸多采用連續波方式。這不但有利于系統同步和抗干擾，同時也便于將數據傳輸及測速測距集成到一個信道上。連續波數據傳輸實現多用戶共享的基本方式是時分制。CCSDS保留了固定幀長度的概念，同時建立了虛擬信道的概念。虛擬信道是在時分制的基礎上實現多用戶共享信道的方式，其主要機制是動態分配信道資源。

遙測體制發展為分包遙測。傳統的空間遙測系統是針對特定的空間任務和負載配置而進行設計的，在整個負載操作周期內使用相同的遙測格式，當負載改變時系統不易重新配置。這種固定的遙測格式對于多任務高動態的測量任務適應性較差。分包遙測體制按應用過程進行分類管理，對任務中的每個應用過程的信息進行打包，加上包頭包尾，通過包頭區分不同應用過程及同一應用過程的不同數據。在傳輸時把各信息源的包穿插組成傳輸幀。分包遙測對數據的這種管理形式使其具有動態條件下信道利用率高、適用于多任務多用戶和利于國際合作的優點。并且在傳輸幀頭中，含有傳統幀格式的幀同步碼組，給利用傳統地面站接收分包遙測信息帶來了擴展的余地。

遙控用傳輸級的命令協議代替鏈路級的協議。由于空間技術的發展，從地面控制中心到航天器的數據率和傳輸量比過去增加了幾個數量級，要求遙控防議提供更大的信息吞吐量。由于星載網和數據中繼星使用的增加，使總的往返時間和衛星通過空間鏈路接收數據與最終傳送到衛星目的地之間的數據丟失概率增加。傳統用于空間環境下的遙控協議盡管滿足了完整的、按順序傳送的基本要求，但只能通過空間鏈路工作，不能提供可靠的端對端的傳輸功能，而CCSDS開發的分包遙控的命令操作過程(COP)不但能保證無碼位差錯傳輸，而且能保持特定次序，遙控數據無遺漏、無重復的傳輸，滿足了空間運行環境下端對端傳送和文件轉移的需要。

5 虛擬信道復用

5.1 同步多路復用

虛擬信道在指定時隙占用物理信道，每個虛擬信道的順序是固定的且不斷重復。這種方式適合大多數業務是同步的且數據率固定的情況。因為各個虛擬信道在固定時隙傳送，即使在某一時隙沒有有效數據也必須發送填充數據以保持虛擬信道的順序和數據流的連續性。當絕大多數用戶數據為等時的、目_速率固定時，可使用該方式。

5.2 異步多路復用

各虛擬信道數據單元僅在被有效數據填滿時才會被發送。如果兩個或更多虛擬信道同時被填滿時，則根據優先級機制來決定虛擬信道的傳輸。這種方式可以靈活的處理突發性錯誤，信道利用率高，但對于那些優先級較低的同步業務，有可能因為排隊延遲過長而超過它所規定的最大延遲。因此，這種方式較適合于輸入數據路數較少的情況。對于輸入路數較多且同步業務對時延要求很嚴格的情況則不宜采用該種方式。

優點:即使在用戶數據量不斷變化的情況下，這種方式的效率也很高。

缺點:會引入排隊延遲，延遲量隨用戶數據量的變化而變化，從而導致等時業務數據的抖動。在某些場合，這些抖動可能難以忍受。

5.3 混合多路復用

同步/異步混合多路復用將采用一個兩個級別的多路復用方式。第一級把信道分成同步方式和異步方式。第二級分別采用前面提到的方法對兩種方式進行相應的處理。這種復用方式具體的配置將根據總的數據速率、等時數據量相對總數據量的比率以及異步數據的實時性要求而定。

6 總結

CCSDS(空間數據系統咨詢委員會)，其職責是開發空間數據系統標準化的通信體系結構、通信協議與業務，使未來的空間任務能以標準化的方式進行數據交換與處理，同時也加速空間數據系統的開發，促進國際間的相互支持、合作與交流。

[1]黃薇，張紀生.CCSDSAOS建議介紹[J].飛行器測控學報，2000.

[2]丁英，劉增田.CCSDS標準及應用淺析[J].指揮技術學院學報，1995.