淺談星地通信中的傳輸協(xié)議

包少彬，駱 樂

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京　210014）

1　引言

隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信逐漸成為Internet網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分，基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的地面通信網(wǎng)延伸及星地網(wǎng)互聯(lián)互通逐漸成為通信系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。但是，由于空間傳輸鏈路與地面?zhèn)鬏旀溌废啾却嬖谡`碼率較大、時延較長，以及信息傳輸不對稱等情況，導(dǎo)致在地面通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中廣泛使用的TCP/IP協(xié)議不再適用于空間網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而限制的衛(wèi)星通信在端到端通信及星地一體化通信中的應(yīng)用。在此情況下，針對衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，基于TCP/IP協(xié)議改進(jìn)的SCPS協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，成為構(gòu)建衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和星地通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)協(xié)議。

2　衛(wèi)星通信中TCP/IP協(xié)議的適應(yīng)性與對策

衛(wèi)星通信由于空間傳輸距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致信號在傳輸過程中衰減較大，從而造成在接收端接收到信號的Eb/N0相對較低，信息誤碼率較高。一般衛(wèi)星鏈路的信息傳輸誤碼率為10-6數(shù)量級，而地面鏈路的信息傳輸誤碼率為10-12數(shù)量級，兩者之間的差別非常之大。并且，空間鏈路容易受到各種干擾影響，引入更多的噪聲，進(jìn)一步增大信號的接收難度；同時，空間距離造成的信號傳輸時延（同步衛(wèi)星單跳約540ms）也是衛(wèi)星通信的特點(diǎn)之一。

TCP/IP協(xié)議是一種可靠的傳輸機(jī)制，通過握手過程、報文管理、流量控制、錯誤檢測和處理，提供有效的擁塞控制機(jī)制，起到穩(wěn)定通信、防止網(wǎng)絡(luò)崩潰的作用，因此普遍應(yīng)用在地面互聯(lián)網(wǎng)通信之中。

但是，針對衛(wèi)星通信誤碼率高、時延長等缺點(diǎn)，采用傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行信息傳輸，會造成數(shù)據(jù)丟失、擁塞、確認(rèn)延緩，從而降低信息傳輸速率、減弱系統(tǒng)流量控制，造成數(shù)據(jù)在衛(wèi)星通信鏈路上的滯留、丟包概率增加，引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，最終導(dǎo)致通信系統(tǒng)吞吐量的下降。

上世紀(jì)末期，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）參考TCP/IP協(xié)議的分層設(shè)計思想，提出了一套適用于空間通信的傳輸協(xié)議——SCPS協(xié)議。SCPS協(xié)議根據(jù)空間通信的特點(diǎn)，對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了相應(yīng)的裁剪、修改和擴(kuò)充，以適應(yīng)空間通信誤碼率高、延時長等特點(diǎn)。

3　SCPS協(xié)議簡介

SCPS協(xié)議以TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)修改和完善，其結(jié)構(gòu)與TCP/IP結(jié)構(gòu)對應(yīng)如圖1所示。

圖1　SCPS與TCP/IP協(xié)議棧在OSI模型中比較

SCPS協(xié)議簇包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（SCPS-NP）、安全協(xié)議（SCPSSP）、傳輸協(xié)議（SCPS-TP）和文件協(xié)議（SCPS-FP）。

SCPS-NP對應(yīng)Internet中的IP協(xié)議，提供靈活簡潔的終端地址與組地址表示方法，提供數(shù)據(jù)報的優(yōu)先級操作機(jī)制和每包路由控制機(jī)制。

SCPS-SP與IPSec類似，為空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供了可選的端到端保護(hù)。

SCPS-TP為空間通信網(wǎng)絡(luò)提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；SCPS-FP支持帶寬受限環(huán)境下的文件傳輸與指令傳輸。SCPSTP在使用SCPS協(xié)議時是必須使用的，而其他三個協(xié)議可以用TCP/IP協(xié)議簇中的協(xié)議替代。SCPS-TP相對TCP/IP的修改如下：采用SNACK與報頭壓縮技術(shù)來減小誤碼率；增大TCP擁塞窗口，以適應(yīng)衛(wèi)星通信中時延大的要求；數(shù)據(jù)速率控制功能，防止出現(xiàn)擁塞；可選擇的多種擁塞控制機(jī)制；往返時延測量功能。通過上述修改和補(bǔ)充的SCPS-TP很好的解決了衛(wèi)星通信中誤碼率高、時延大、前向（主站到用戶終端）和返向（用戶終端到主站）鏈路差異大等問題。

SCPS-FP是對FTP協(xié)議的擴(kuò)展，在空間環(huán)境中將傳輸文件和數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)單元，主要支持帶寬受限環(huán)境下的文件傳輸與指令傳輸。SCPS主要以3種具體方式實(shí)現(xiàn)：一是端到端SCPS方式：在包括地面網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的整個網(wǎng)絡(luò)中，保證傳輸層與應(yīng)用層端到端的連接，Internet網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議在衛(wèi)星地面站處與空間網(wǎng)絡(luò)層SCPS-NP進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，或者將SCPS-NP封裝到IP可選域；二是傳輸層雙層網(wǎng)關(guān)方式：利用空間網(wǎng)絡(luò)對分離的地面網(wǎng)進(jìn)行中繼，保證應(yīng)用層協(xié)議端到端的連接，在地面站網(wǎng)關(guān)進(jìn)行TCP協(xié)議與SCPS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；三是傳輸層單網(wǎng)關(guān)方式：將地面終端分為Internet網(wǎng)絡(luò)終端和支持SCPS的地面終端，利用單一地面站網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4　SCPC協(xié)議在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

隨著信息化的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通變得日趨緊密和迫切，適用于地面通信網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議已經(jīng)不能滿足衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的介入。為此需要在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行地面與空間傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換（協(xié)議網(wǎng)關(guān)），實(shí)現(xiàn)地面TCP/IP協(xié)議與空間SCPS協(xié)議的轉(zhuǎn)換，滿足端到端通信以及地面通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，并提高整體網(wǎng)絡(luò)的通信性能。端到端及星地一體化通信網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)）互聯(lián)互通如圖2所示。

協(xié)議網(wǎng)關(guān)將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)兩端的TCP/IP鏈路或通信網(wǎng)絡(luò)隔離，在地面終端或通信網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)之間采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，在網(wǎng)關(guān)之間采用SCPS 協(xié)議。網(wǎng)關(guān)從地面終端或通信網(wǎng)絡(luò)上接收到TCP/IP數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)腟CPS協(xié)議數(shù)據(jù)，并在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的另一端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合地面鏈路傳輸?shù)腡CP/IP數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與地面終端或通信網(wǎng)絡(luò)用于的通信。

通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的使用，使得運(yùn)行商和用戶獲得了兩種技術(shù)相結(jié)合而帶來的所有優(yōu)勢，達(dá)到現(xiàn)有基于TCP協(xié)議的應(yīng)用程序無需改變，同時在空間鏈路中采用適用于于衛(wèi)星鏈路的SCPS協(xié)議。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)在空間段屏蔽了衛(wèi)星鏈路的各種不利因素，從而增強(qiáng)了通信鏈路或系統(tǒng)的整體性能。

圖2　端到端及星地一體化通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通示意圖

由于地面通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)互聯(lián)顯得日益迫切，而TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的表現(xiàn)不令人滿意，而改變應(yīng)用TCP協(xié)議的硬件終端不切實(shí)際，為此在地面通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)之間引入基于SCPS 協(xié)議的TCP網(wǎng)關(guān)，用來互聯(lián)地面通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)，并提升網(wǎng)絡(luò)性能。

5　結(jié)束語

基于TCP/IP協(xié)議改進(jìn)和完善的SCPC協(xié)議較好的解決了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的問題，是星地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域通信和網(wǎng)絡(luò)延伸的重要保證。