CCSDS Proximity-1空間鏈路協議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛星信息工程研究所 北京 100086）

CCSDS Proximity-1空間鏈路協議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛星信息工程研究所 北京 100086）

Proximity-1空間數據鏈路協議是CCSDS推薦的4個空間數據鏈路層協議之一，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。為了提高臨近航天器之間通信的吞吐量，本文分析了Proximity-1協議中的COP-P處理過程，并對其的不足之處進行了改進，推導出吞吐量與誤碼率、幀長等參數關系公式，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送，可以提高系統吞吐量，為空間數據鏈路協議的應用提供參考。

CCSDS；proximity-1協議；COP-P；吞吐量

隨著空間探測的進行和空間應用的發展，構建完善的空間通信網絡，進而構成空間與地面能夠互聯互通的天地一體化通信網絡，受到國際宇航界的廣泛關注。空間數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）為空間通信制定了一系列的推薦標準，其中包括4個數據鏈路層標準：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專門為臨近空間設計的協議Proximity-1將逐漸在我國航天領域得到廣泛應用。

1　Proximity-1協議簡介

Proximity-1協議收發兩端使用相同的協議實體，每個實體同時具有收發功能[2]。Proximity-1協議是一個復雜的跨層協議，分為數據鏈路層和物理層，數據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、數據服務子層、I/O子層[3]。

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

圖1　Proximity-1協議應用場景示意圖

圖2　Proximity-1協議應用場景示意圖

在發送端，數據業務子層運行幀發送處理程序，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子層應答。在接收端，運行幀接收處理程序，接收由幀子層傳送的數據幀。

2　COP-P分析研究

2.1COP-P簡介

CCSDS Proximity-1協議能夠實現各個航天器之間的直接通信，不需要借助地面站進行數據中轉，具有短程、雙向的特點[5]。CCSDS根據實際使用的需要先后制定了COP-0、COP-1、COP-2和COP-P 4個標準，COP-P是專為Proximity-1協議制定的。

圖3　Proximity-1跨層結構數據流向示意圖

Proximity-1協議中的數據服務子層通過COP-P過程保證通過順序控制服務傳輸的SDU的數據傳輸可靠性，實現數據無丟失、無重復和連續的發送，但是對通過快速服務傳輸的SDU不保證傳輸可靠性[6-7]。

COP-P協議定義了FOP-P（Frame Operation Procedure for Proximity Links）的幀發送操作過程、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會存儲數據服務子層最近傳輸和已經確認的幀的序列號等所有狀態信息，并且協議的PLCW是由幀子層根據FARM-P相應生成的[9-11]。在發送端，FOP-P驅動快速服務和順序控制服務，負責排序和復用用戶的數據，并且保持與FARM-P的同步。FOP-P只維護一個單輸出已發送幀序列，包括已發送但還沒有被接收機確認的順序控制幀。在接收端，FARM-P為數據驅動，僅對接收到的FOP-P的內容做出了反應，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的處理過程產生誤解。圖4示出了原圖以及我們做出的修改。根據協議分層模型、規范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，并結合TC協議所使用的COP-1操作的常識，圖4.1中的數據傳輸方向有錯誤。收端回傳的PLCW應該發給發端的FOP-P（PLCW對發端的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，前向發送的傳輸幀N（S）和反向回傳的PLCW正好構成一個環路。

3　Proximity-1協議吞吐量性能分析

空間鏈路的數據鏈路層協議性能評價的主要指標是吞吐量[14]，其定義為單位時間內接收端成功接收的有效用戶數據量，即成功接收有效數據量的速率[12]。

吞吐量=（總傳輸數據量—無效數據量）／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內接收端接收到的用戶數據量，P為接收到的用戶數據中能正確譯碼接收的概率，η為接收到的用戶數據中有效數據所占的比例。

3.1協議的重傳機制

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

3.2吞吐量數學模型

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

根據Proximity-1協議的Version-3幀結構，幀頭長度L′=5，同步子（ASM）和校驗碼（CRC）的總長度L″=3+4=7，數據域長度為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仿真實現及結果分析

由上述數學模型，我們進行了仿真實驗。設置傳輸速率RS=1 Mbps，仿真結果如圖5所示。

圖5　不同幀長下吞吐量與誤碼率的關系圖

從仿真結果可以看出，系統的吞吐量跟誤碼率和幀長都有關，并不是簡單的線性關系。在不同的信道環境下，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協議通過Hailing信號來實現通信過程中參數的實時改變，所以幀長是動態可變的[15]，在數據的傳輸過程中可以通過實時監測，改變幀長，從而實現吞吐量最大化。

4　結束語

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

[1]趙和平．近距鏈路協議及其應用前景[C]．全國第十屆空間及運動體控制技術學術年會論文，2002：210-214.

[2]CCSDS.211.0-B-4 Proximity-1 space link protocol-data link layer[S].Washington D.C:CCSDS，2006.

[3]CCSDS.211.0-B-4 Proximity-1 space link protocol-coding and synchronization sublayer[S]，Washington D.C.:CCSDS，2006.

[4]Reinert J M；Barnes P Challenges of integrating NASA sspace communication networks[C]∥.Systems Conference（SysCon），2013 IEEE International，Year:2013，Pages:475-482.

[5]任放，趙和平.CCSDS鄰近空間鏈路協議的初步探究[J].航天工業學院學報，2007，17（5）：3-6.

[6]CCSDS 130.0-G-1.Overview of Space Link ProyocolS[S]. June 2011.Green Book，Issue 1:1～2.

[7]Proximity-1 space link protocol.Recommendation for space data system standards[S]，CCSDS 211.0-B-1.Blue Book，2003.

[8]ZHANG Lei；AN Cheng-jin；Spinsante，Susanna；etal.Adaptive link layer security architecture for telecommand communicationsinspacenetworks[J].Systems En-gineering and Electronics，Journal of，2014，25:357-372.

[9]WANG Jia-ning；HE Jing-Yi；YANG Yue；etal.STK and application in simulation of thespacelasercommunicationnetwork[C].OptoelectronicsandMicroelectronics（ICOM），2012 International Conference on，2012,308-312.

[10]YU Xiao-you；YU Fang；HOU Wei-bing；etal.State-of the Art of Transmission Protocols for Deep Space Com-munication Networks[C].Networking and Distributed Computing（ICNDC），2010 First International Conference on，2010，123-127.

[11]Bhasin，K.；Barnes，P.；Reinert，J.；Golden，B.Applying model based systems engineering to NASA's spacecom munication snetworks[C].Systems Conference（SysCon），2013 IEEE International，2013，325-330.

[12]Sanchez Net，M.；Del Portillo，I.；Cameron，B.；Crawley，E. ArchitectingSpacecommunicationnetworksundermission demand uncertainty[C]//Aerospace Conference，2015 IEEE.2015：1-11.

[13]劉存明.無線通信鏈路自動請求重傳協議研究及排隊性能分析[D].蘭州:蘭州理工大學,2008.

[14]彭剛．AWGN信道中的信噪比估計算法[D]．南京：南京理工大學，2005.

[15]Lin S，Costello D J，Miller M J．Automatic-repeat-requesterror-control schemes[EB／OL]．[2012-09-14]．http：／／ieeexplore．ieee．org／xpl／login.jsp tp=8Lamumber=10918658Y-url http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs _a11.jsp%3Farnumber%3D1091865.

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：空間信息網絡。