CCSDS Proximity-1空間鏈路協(xié)議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

CCSDS Proximity-1空間鏈路協(xié)議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

Proximity-1空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是CCSDS推薦的4個空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之一，是專門為鄰近空間鏈路制定，一般用于航天器之間近距測控通信任務(wù)。為了提高臨近航天器之間通信的吞吐量，本文分析了Proximity-1協(xié)議中的COP-P處理過程，并對其的不足之處進行了改進，推導(dǎo)出吞吐量與誤碼率、幀長等參數(shù)關(guān)系公式，并進行了仿真驗證，得出誤碼率不同時，選用不同的幀長，吞吐量最多可提高20%，證明選用不同的幀長發(fā)送，可以提高系統(tǒng)吞吐量，為空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的應(yīng)用提供參考。

CCSDS；proximity-1協(xié)議；COP-P；吞吐量

隨著空間探測的進行和空間應(yīng)用的發(fā)展，構(gòu)建完善的空間通信網(wǎng)絡(luò)，進而構(gòu)成空間與地面能夠互聯(lián)互通的天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)，受到國際宇航界的廣泛關(guān)注。空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）為空間通信制定了一系列的推薦標(biāo)準(zhǔn)，其中包括4個數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)：TM （Telemetry Space Data Link Protocol）、AOS（Advanced Orbiting Systems Space Data Link Protocol）、TC（Telecommand Space Data Link Protocol）和 Proximity-1（Proximity-1 Space Link Protocol）[1-3]。隨著我國探月工程的開展，CCSDS專門為臨近空間設(shè)計的協(xié)議Proximity-1將逐漸在我國航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1　Proximity-1協(xié)議簡介

Proximity-1協(xié)議收發(fā)兩端使用相同的協(xié)議實體，每個實體同時具有收發(fā)功能[2]。Proximity-1協(xié)議是一個復(fù)雜的跨層協(xié)議，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，數(shù)據(jù)鏈路層又分為空間鏈路層和編碼與同步子層，空間鏈路層又分為幀子層、MAC子層、數(shù)據(jù)服務(wù)子層、I/O子層[3]。

Proximity-1提供兩種該服務(wù)質(zhì)量（順序控制、快速控制）和3種服務(wù)類型（分組服務(wù)、用戶自定義數(shù)據(jù)服務(wù)、時間服務(wù)）[4]。在該協(xié)議中，通信雙方在建立連接的過程中通過“握手”的方式來實現(xiàn)實時參數(shù)改變，所以其幀長是可變的，這為數(shù)據(jù)傳輸提供了很大的靈活性。

圖1　Proximity-1協(xié)議應(yīng)用場景示意圖

圖2　Proximity-1協(xié)議應(yīng)用場景示意圖

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子層運行幀發(fā)送處理程序，處理接收到的鄰近空間鏈路控制字，接收I/O子層傳送的快速或序列控制幀，并反饋給I/O子層應(yīng)答。在接收端，運行幀接收處理程序，接收由幀子層傳送的數(shù)據(jù)幀。

2　COP-P分析研究

2.1COP-P簡介

CCSDS Proximity-1協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)各個航天器之間的直接通信，不需要借助地面站進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，具有短程、雙向的特點[5]。CCSDS根據(jù)實際使用的需要先后制定了COP-0、COP-1、COP-2和COP-P 4個標(biāo)準(zhǔn)，COP-P是專為Proximity-1協(xié)議制定的。

圖3　Proximity-1跨層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流向示意圖

Proximity-1協(xié)議中的數(shù)據(jù)服務(wù)子層通過COP-P過程保證通過順序控制服務(wù)傳輸?shù)腟DU的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無丟失、無重復(fù)和連續(xù)的發(fā)送，但是對通過快速服務(wù)傳輸?shù)腟DU不保證傳輸可靠性[6-7]。

COP-P協(xié)議定義了FOP-P（Frame Operation Procedure for Proximity Links）的幀發(fā)送操作過程、FARM-P（Frame Acceptance and Reporting Mechanism for Proximity Links）的幀接收和報告機制[8]。

2.2COP-P處理過程

針對順序控制幀，COP-P會存儲數(shù)據(jù)服務(wù)子層最近傳輸和已經(jīng)確認的幀的序列號等所有狀態(tài)信息，并且協(xié)議的PLCW是由幀子層根據(jù)FARM-P相應(yīng)生成的[9-11]。在發(fā)送端，F(xiàn)OP-P驅(qū)動快速服務(wù)和順序控制服務(wù)，負責(zé)排序和復(fù)用用戶的數(shù)據(jù)，并且保持與FARM-P的同步。FOP-P只維護一個單輸出已發(fā)送幀序列，包括已發(fā)送但還沒有被接收機確認的順序控制幀。在接收端，F(xiàn)ARM-P為數(shù)據(jù)驅(qū)動，僅對接收到的FOP-P的內(nèi)容做出了反應(yīng)，并通過PLCW提供合適的反饋，告知下一期待接收的幀序列，如果本次接收到的幀序列號是想要的幀序列號，則將該幀送往上層并反饋含有下一期待的幀序列號的PLCW，如果接收到的幀序列號不是想要的幀序列號，丟棄該幀，反饋PLCW。

圖4　COP-P進程改進示意圖

規(guī)范中的圖4.1給出了COP-P的完整處理過程。但是這個圖中的PLCW傳輸路徑有不妥之處，使人對COP-P的處理過程產(chǎn)生誤解。圖4示出了原圖以及我們做出的修改。根據(jù)協(xié)議分層模型、規(guī)范4.3.3中的第三、第四段對FOP-P和FARM-P的說明、其他各處對COP-P的描述，并結(jié)合TC協(xié)議所使用的COP-1操作的常識，圖4.1中的數(shù)據(jù)傳輸方向有錯誤。收端回傳的PLCW應(yīng)該發(fā)給發(fā)端的FOP-P（PLCW對發(fā)端的FARM-P沒有任何用處）。在圖4中，給出虛線所示的正確傳輸路徑。改進后，前向發(fā)送的傳輸幀N（S）和反向回傳的PLCW正好構(gòu)成一個環(huán)路。

3　Proximity-1協(xié)議吞吐量性能分析

空間鏈路的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議性能評價的主要指標(biāo)是吞吐量[14]，其定義為單位時間內(nèi)接收端成功接收的有效用戶數(shù)據(jù)量，即成功接收有效數(shù)據(jù)量的速率[12]。

吞吐量=（總傳輸數(shù)據(jù)量—無效數(shù)據(jù)量）／總時間 ，其計算公式為

其中，T為總的觀測時間，N為觀測時間T內(nèi)接收端接收到的用戶數(shù)據(jù)量，P為接收到的用戶數(shù)據(jù)中能正確譯碼接收的概率，η為接收到的用戶數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)所占的比例。

3.1協(xié)議的重傳機制

Proximity-1協(xié)議中COP-P采用的重傳方式是回退N ARQ（GBN-ARQ）。其主要原理是：GBN-ARQ協(xié)議的傳輸原理：發(fā)送端把信息拆分成分組，加入信息比特（發(fā)送序號、接收序號以及校驗比特等）構(gòu)成長度相等的數(shù)據(jù)幀，然后把數(shù)據(jù)幀存儲到傳輸緩沖區(qū)等待傳輸[13]。發(fā)送端一次連續(xù)發(fā)送N個數(shù)據(jù)幀（N為信道最大能承受的幀數(shù)），接收端對接收到的數(shù)據(jù)幀進行錯誤檢測（包括幀的順序），每正確接收一個數(shù)據(jù)幀，則向發(fā)送端反饋一個ACK，沒有正確接收數(shù)據(jù)幀，則反饋一個NACK同時丟棄該出錯的數(shù)據(jù)幀以及其后續(xù)的數(shù)據(jù)幀。若收到ACK，發(fā)送端將繼續(xù)傳輸后面的N個幀；若收到NACK，發(fā)送端將從出錯幀開始重新發(fā)送N個幀。

3.2吞吐量數(shù)學(xué)模型

鏈路速率（RS）：每個航天器都有一個固定的鏈路速率RS。決定了協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)速率的上限。

根據(jù)Proximity-1協(xié)議的Version-3幀結(jié)構(gòu)，幀頭長度L′=5，同步子（ASM）和校驗碼（CRC）的總長度L″=3+4=7，數(shù)據(jù)域長度為L，Version-3幀的總長度為n=L+L′，則成功接收幀的概率為

Proximity-1吞吐量計算公式：

3.3仿真實現(xiàn)及結(jié)果分析

由上述數(shù)學(xué)模型，我們進行了仿真實驗。設(shè)置傳輸速率RS=1 Mbps，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同幀長下吞吐量與誤碼率的關(guān)系圖

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的吞吐量跟誤碼率和幀長都有關(guān)，并不是簡單的線性關(guān)系。在不同的信道環(huán)境下，由于誤碼率的不同，幀長的大小對吞吐量有著較大影響。

當(dāng)幀長為2048 byte時，吞吐量隨誤碼率的變化幅度最大。而在幀長為128 byte時，吞吐量隨時間變化幅度最小，但是吞吐量一直都不高。大趨勢是，誤碼率越小，幀長越長，吞吐量越大。但是幀長過低，如L=128 byte時，由于幀開銷過大，幀效率太低，導(dǎo)致吞吐量一直很小。在誤碼率為0.9×10-4時，選用幀長512 byte比選用2048 byte的吞吐量提高了近20%。所以在不同誤碼率下，都有一個幀長，能使吞吐量最大。而Proximity-1協(xié)議通過Hailing信號來實現(xiàn)通信過程中參數(shù)的實時改變，所以幀長是動態(tài)可變的[15]，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中可以通過實時監(jiān)測，改變幀長，從而實現(xiàn)吞吐量最大化。

4　結(jié)束語

文中給出了吞吐量跟幀長、誤碼率關(guān)系的計算公式，并得出了可以通過對幀長的實時控制提高了系統(tǒng)吞吐量。在實際應(yīng)用時，還應(yīng)進一步研究因變幀長而造成的其他參數(shù)的變化，如滑動窗口N大小、超時重發(fā)時間、延遲等，來進一步提高系統(tǒng)吞吐量。

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Research on throughput of CCSDS Proximity-1 space link protocol

SHI Fu-xin，CHENG Zi-jing
（Bering Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

The Proximity-1 is one of the four space data link layer protocols recommended by the CCSDS（Consultative Committee of Space Data System）.The Proximity-1 protocol is created especially for adjacent space links，and is commonly used in short range TT&C communication tasks between spacecraft.For the purpose of increasing the throughput of the communications between adjacent spacecraft，this paper analyzed and improved the deficiencies of the COP-P process of the Proximity-1 protocol.The mathematical relationships between the throughput and parameters including bit error rate and frame length were firstly derived and then verified using simulations.The results show that，given different bit error rates，the throughput can increase by up to 20%if using different frame lengths.In other words，the throughput of system can be increased by choosing different frame lengths for sending.This finding is of referential significance for the application of the space data link protocols.

CCSDS；proximity-1 protocol；COP-P；throughput

TN927+.23

A

1674－6236（2016）21-0112-03

2016-03-12稿件編號：201603194

國家自然科學(xué)基金資助項目（91538202；91438117）

史府鑫（1990—），女，山東青島人，碩士研究生。研究方向：空間信息網(wǎng)絡(luò)。