基于GEO通信衛星的低軌航天器數據通信協議研究

石云 程子敬 柳綿

(北京衛星信息工程研究所，北京 100086)

近年來，航天事業突飛猛進，空間任務不斷豐富與完善，不僅包括對地觀測、衛星導航、衛星通信，而且新增了載人航天、月球探測等任務[1-2]，低軌航天器的數量與種類較以往極大地增加。

有些大型低軌航天器需要將各類科學實驗數據大量下傳，而傳統的低軌航天器信息下傳的方式相對單一，通常是依靠星座星間鏈路、全球建站等將星上信息傳輸到地面。完全通過星座星間鏈路的傳輸方式下傳信息，會受到星上存儲容量、衛星數量、衛星星座成本等多方面因素的約束；而單一依靠直接往地面站下傳方式，則面臨地面站選址及在全球建站的可行性等因素制約。因此，需要擴展新的有效傳輸方式，解決此類低軌航天器面臨的各類科學試驗數據大量信息實時下傳的問題。

通過國內外文獻調研[3-6]，低軌航天器可以采取一種基于地球靜止軌道(GEO)通信衛星轉發的新的傳輸方式，即通過GEO通信衛星將信息轉發到地面。采取這種基于GEO通信衛星轉發的方式，除了在物理信道上要做適應性修改，十分重要的一個關鍵問題是傳輸協議的選擇。

基于GEO通信衛星的低軌航天器的傳輸挑戰主要來自于上下行帶寬不對稱、鏈路可用時間有限、拓撲變化頻繁等，使其難以實現傳統地面網絡技術所達到的服務質量(QoS)及可靠性要求。依據國內外研究現狀[7-14]，衛星通信傳輸協議大致分為兩類：一類屬于類傳輸控制協議(TCP)，此類協議基于TCP協議進行慢啟動階段改進、擁塞控制改進、數據重傳機制改進等，如SCPS-TP和眾多的TCP變種；另一類則屬于非連接型協議，此類協議一般無鏈接建立階段、無擁塞控制，數據重傳機制與TCP也有較大的區別，如利克里德傳輸協議(LTP)。目前，對空間網絡傳輸技術的研究，主要集中在對TCP、SCPS-TP、LTP等傳輸協議在超時、不同丟包率等條件下的吞吐量性能分析及協議優缺點比較[8,15-16]，應用場景為深空通信的LTP特性研究[17]，多個束匯聚在一個LTP數據塊對提升系統吞吐量的影響[18-19],基于星際互聯等場景提出以DTN為核心的單一協議棧設計[7]等。未見針對低軌航天器應用GEO通信衛星的數據傳輸設計及研究。

本文在研究網絡架構的基礎上，對GEO通信衛星和低軌航天器的可見性、協議棧設計等問題進行了探討，并通過仿真分析驗證了其技術的可行性。

1 基于GEO通信衛星的低軌航天器數據傳輸原理

1.1 網絡架構

基于GEO通信衛星的低軌航天器數據傳輸的典型應用場景如圖1所示。

圖1 基于GEO通信衛星的低軌航天器動態傳輸系統示意圖

該場景空間段包括低軌航天器、通信衛星；地面段包括衛星通信地面主站、地面小站及地面網絡等。低軌航天器可以通過兩條鏈路傳輸信息：一個是通過GEO通信衛星傳輸到地面主站；一個是直接傳輸給地面小站。在該場景下，低軌航天器作為高速移動的低軌節點，其鏈路具有大時空尺度和高動態特性。

1.2 低軌航天器與通信衛星可見性研究

通過STK軟件建模仿真，研究GEO通信衛星和低軌航天器的可見性，低軌航天器與GEO通信衛星平均每天9.5圈可進行通信(每天8～10圈)，平均每次通信時間446 s(7.5 min)，最長通信時間756 s(12.5 min)，每天累計通信時間4200 s(70 min),如圖2所示。

圖2 低軌航天器與GEO通信衛星一天內可見性分布(共7天)

由圖2可知，GEO通信衛星與低軌航天器單次可見時間平均7 min左右，為充分利用衛星資源，低軌航天器如何快速接入衛星通信系統，且有效高速傳輸數據至關重要。因此，系統的協議棧設計在數據傳輸中的性能將非常關鍵，本文重點研究在此場景下數據傳輸的協議性能。

1.3 空間網絡傳輸技術研究

在現有傳輸協議特點及實現方法研究的基礎上，研究適合基于GEO通信衛星進行數據傳輸的低軌航天器動態傳輸系統。由于網絡具有鏈路不對稱、網絡連接的間歇性、資源有限等特點，為了保證網絡的互聯操作和高效運行，必須采用能夠提供跨越間歇、中斷、動態網絡的可靠消息傳遞機制的網絡協議。同時，低軌航天器與地面站間的星地鏈路(后面簡稱星地鏈路)和低軌航天器與通信衛星間的星間鏈路(后面簡稱星間鏈路)在延時與誤碼等鏈路特性不同，所以傳輸協議的采用應考慮這種差異，為組網信息傳輸提供更好的性能。

基于上述分析及系統網絡架構，本文提出一種雙傳輸協議棧技術，即在低軌航天器節點上設計雙協議棧(傳輸層設計LTP傳輸協議與SCPS-TP傳輸協議)。整個網絡中需要實現兩個協議轉換網關，即低軌航天器網關實現SCPS-TP協議與LTP協議之間的轉換，地面網關實現SCPS-TP協議與TCP協議之間的轉換。低軌航天器協議棧示意如圖3所示。

圖3 低軌航天器協議棧示意圖Fig.3 Protocol stack of low orbit spacecraft

雙協議棧設計思路如下。

1)星地鏈路協議設計

星地鏈路與星間鏈路相比，由于大氣層、地面物體遮擋、降雨等因素影響造成信道環境相對惡劣和較高的誤碼率，因此，需要既能解決高速運動帶來的鏈路通斷的影響，又要盡可能保證可靠傳輸。

(1)SCPS-TP協議是針對空間長延時、高誤碼、動態傳輸的特點，通過對TCP協議的擴展和改進使其適用于空間信道，并且與TCP協議有較好的兼容性。

(2)SCPS-TP協議支持選擇性的否定應答(SNACK)和具有自適應能力的擁塞控制等功能，能夠有效地解決高誤碼率和高丟包率帶來的傳輸速率波動(帶寬利用率低)問題。

(3)低軌航天器和地面站之間鏈路延時較小(一般3 ms左右)，對SCPS-TP協議性能影響不大，LTP協議優勢不明顯。

基于上述分析，星地鏈路延時較小的情況下，SCPS-TP協議在擁塞控制、兼容性等方面優于LTP協議，星地鏈路選擇SCPS-TP協議。

2)星間鏈路協議設計

星間鏈路信道環境相對較好，LTP協議可以充分利用綠色數據段機制提高帶寬利用率，星間鏈路延時較大(一般130 ms左右)，LTP協議在大延時方面比SCPS-TP協議優勢突出。因此，星間鏈路選擇LTP協議。

低軌航天器發送方向上，首先檢測接收數據的下一跳節點，如果下一跳為衛星節點，則在選擇傳輸協議封裝處理時需配置選擇LTP協議，如果下一跳為地面節點，則在選擇傳輸協議封裝處理時需配置選擇SCPS-TP協議。在接收方向上，如檢測到的上一個跳節點為衛星節點，則使用LTP傳輸協議來處理下層傳遞上來的數據包，如果上一跳節點為地面節點，則使用SCPS-TP傳輸協議來處理下層傳遞上來的數據包。

1.3.1 地面網關設計及工作機制

地面網關協議棧配置為Bundle+TCP/SCPS-TP+IP，實現傳輸層TCP協議與SCPS-TP協議間轉換。其中，Bundle層協議是在DTN架構中提出的上層協議。傳輸層TCP/IP協議棧為地面成熟協議棧。傳輸層SCPS-TP協議主要用于星地鏈路的傳輸協議。Bundle層與SCPS-TP之間的通信需要編寫相應的SCPS-TP匯聚層(SCPS-TP Convergence Layer)來實現。

當地面用戶想要與空間用戶建立通信時，通過本地配置的Bundle層服務，將應用請求/數據封裝成Bundle，并且啟動Bundle層針對TCP的分片功能(默認4 kbyte)，之后通過TCP匯聚層將這些Bundle的分片遞交給TCP；地面用戶TCP層收到第一個來自該Bundle的分片后，與地面網關建立TCP連接，連接建立后，地面網關的Bundle層開始接收來自用戶的Bundle分片，待Bundle完整接收后，再通過SCPS-TP匯聚層遞交給SCPS-TP傳輸層。當地面網網關的Bundle層接收到來自SCPS-TP的Bundle分片時，先將這些分片重組，檢查Bundle的完整性，然后通過TCP將該Bundle遞交給地面用戶。其中，Bundle層提供的服務有：報文封裝(對應用層提供的服務)、分片/重組(對傳輸層提供的服務)、進行地址變換、端口號映射、路由及保管存儲等，保證應用數據的可靠傳輸；SCPS-TP傳輸層通過擁塞控制算法實現“選擇性否定確認(SNACK)”機制和包頭壓縮技術，進行速率控制和擁塞控制。

1.3.2 低軌航天器網關設計及工作機制

低軌航天器網關協議棧配置為Bundle+SCPS-TP/LTP+IP，實現傳輸層LTP協議與SCPS-TP協議間轉換。Bundle層、傳輸層SCPS-TP的設計與地面網關中的相同，傳輸層LTP協議基于DTN網絡架構實現，Bundle層與LTP之間的通信需要實現相應的LTP匯聚層(LTP Convergence Layer)來實現。

低軌航天器網關與地面網關的工作機制類似，區別在于實現傳輸層LTP協議與SCPS-TP協議間轉換。當低軌航天器網關接收到來自SCPS-TP的Bundle分片時，先將這些分片重組，檢查Bundle的完整性，然后通過LTP將該Bundle遞交給衛星節點。

2 仿真驗證

2.1 仿真概述

半物理仿真平臺由終端PC(運行協議棧)和網絡損傷儀(模擬真實鏈路)組成，通過協議棧在真實PC和仿真鏈路上的運行，通過在網絡損傷儀中設置鏈路帶寬、時延、抖動等參數來模擬真實鏈路情況，而且在網絡損傷儀中設置鏈接的連接和斷開時間，測試協議的運行性能。如圖4所示，地面主站、地面小站、低軌航天器、通信衛星均采用PC機模擬。

圖4 半物理仿真實驗示意圖Fig.4 Semi-physical simulation sketch map

2.2 仿真結果分析

基于2.1節描述的應用場景，對比低軌航天器采取雙協議棧(Bundle+SCPS-TP/LTP+IP)與低軌航天器采取類TCP協議(TCP-HYBLA)，在不同延時、誤碼、鏈路非對稱條件下的協議性能。仿真參數設置為低軌航天器向地面傳輸大小為10 Mbyte的文件，誤比特率為10-6，上行傳輸速率為100 kbit/s，下行傳輸速率為10 Mbit/s，鏈路延時從0到135 ms變化，其中低軌航天器與地面站之間鏈路延時為3 ms，低軌航天器與通信衛星之間鏈路延時為135 ms，仿真結果如圖5所示。

圖5 誤碼率10-6條件下非對稱鏈路對協議性能的影響Fig.5 Impact of asymmetric channel on protocol performance under 10-6 error rate channel

從圖5仿真可以看出，在非對稱鏈路(上行傳輸速率為100 kbit/s，下行傳輸速率為10 Mbit/s)、誤碼率10-6情況下：低軌航天器與地面站之間采用SCPS-TP協議，下行傳輸速率可達到5.11 Mbit/s，優于采取類TCP協議(TCP-HYBLA下行傳輸速率3.97 Mbit/s)，與LTP協議傳輸速率相差不大(LTP下行傳輸速率5.4 Mbit/s)；低軌航天器與通信衛星之間采用LTP協議，下行傳輸可達到4.21 Mbit/s，優于采取類TCP協議(TCP-HYBLA下行傳輸速率1.2 Mbit/s)，因此，本文設計的雙協議棧可提升低軌航天器信息傳輸速率。

3 結束語

本文研究了應用GEO通信衛星傳輸低軌航天器數據的可行性和傳輸技術，通過搭建半物理仿真平臺，對比SCPS-TP、LTP、TCP協議在基于GEO通信衛星的低軌航天器數據傳輸的性能。通過系統級仿真驗證，低軌航天器采取雙協議棧(Bundle+SCPS-TP/LTP+IP)優于全鏈路單一采取類TCP協議，設計的雙協議棧能提升低軌航天器信息傳輸速率。

參考文獻(References)

[1] 王忠貴.載人空間站工程測控通信系統挑戰和機遇[J].飛行器測控學報,2013,32(4):281-285

Wang Zhonggui. Challenges and opportunities facing TT&C and communication systems for China’s manned space station program[J].Spacecraft TT&C Technology,2013,32(4):281-285 (in Chinese)

[2] 劉保國，吳斌.中繼衛星系統在我國航天測控中的應用[J].飛行器測控學報,2012,31(6):1-5

Liu Baoguo, Wu Bin. Application of TDRSS in Chinese space TT&C[J].Spacecraft TT&C Technology,2012,31(6):1-5 (in Chinese)

[3] 趙芳.低軌衛星通信系統路由與交換技術研究[D].成都：電子科技大學,2015

Zhao Fang. Research on routing and switch technology for LEO satellite communication system[D].Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China,2015 (in Chinese)

[4] Kimura K, Inagaki K, Karasawa Y. Double-layered inclined orbit constellation for advanced satellite communications network[J]. IEICE Transactions on Communications,1997,80(1):93-102

[5] Akyildiz I F, Ekici E, Bender M D. MLSR: a novel routing algorithm for multilayered satellite IP networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking(TON), 2002,10(3):411-424

[6] Dash D S, Durresi A, Jain R. Routing of VoIP traffic in multilayered satellite networks[C]//Performance and Control of Next-Generation Communications Networks.International Society for Optics and Photonics, 2003,5244:65-76

[7] 林闖, 董揚威, 單志廣. 基于 DTN 的空間網絡互聯服務研究綜述[J]. 計算機研究與發展, 2014, 51(5): 931-943

Lin Chuang, Dong Yangwei, Shan Zhiguang. Research on space internetworking service based on DTN[J]. Journal of Computer Research and Development, 2014, 51(5): 931-943 (in Chinese)

[8] Wang J, Jiang C, Zhang H, et al. Aggressive congestion control mechanism for space systems[J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine, 2016, 31(3): 28-33

[9] Voyiatzis A. A survey of delay-and disruption-tolerant networking applications [J]. Journal of Internet Engineering, 2012,5：331-334

[10] Stepanek J,Razdan A,Nandan A,et al. The use of a proxy on board the satellite to improve TCP performance[C]//Global Telecommunications Conference,2002.New York:IEEE,2002,3:2950-2954

[11] Luglio M, Sanadidi M Y, Gerla M, et al. On-board satellite “Split TCP” proxv[J]. IEEE Journal on Selected Area in Communications,2004,22(2):362-370

[12] Marchese M, Rossi M, Morabito G.PETRA:Performance enhancing transport architecture for satellite communication[J]. IEEE Journal on Selected Area in Communications,2004,22(2):320-332

[13] Stewart R, Xie Q, Morneault K, et al. Stream control transmission protocol[J].Desert,2004,35(2):75-87

[14] Akyildiz I F, Morabito G，Palazzo S. TCP-Peach: A new congestion control scheme for satellite IP network[J].IEEE/ACM Transactions on Networking, 2001,9(3):307-321

[15] 楊冠男, 李文峰, 張興敢. 天地一體化信息網絡協議體系與傳輸性能簡析[J]. 中興通訊技術, 2016, 22(4):39-45

Yang Guannan, Li Wenfeng, Zhang Xinggan. Network protocol system and transmission performance of integrated space and terrestrial information network[J].ZTE Technology Journal, 2016,22(4):39-45 (in Chinese)

[16] Yan H, Wang X, Zhang Y, et al. Performance evaluation of transport protocols for navigation satellite networks[C]//Electronics Information and Emergency Communication (ICEIEC), 2017 7th IEEE International Conference on IEEE.New York：IEEE，2017:87-90

[17] Yu Q, Burleigh S C, Wang R, et al. Performance modeling of licklider transmission protocol (LTP) in deep-space communication[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2015,51(3):1609-1620

[18] Hu J, Wang R, Zhang Q, et al. Aggregation of DTN bundles for space internetworking systems[J]. IEEE Systems Journal, 2013,7(4):658-668

[19] Wang R, Wei Z, Zhang Q, et al. LTP aggregation of DTN bundles in space communications [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2013,49(3):1677-1691