地月空間通信網絡協議研究

張大鵬，許子涵，王愛華，王 悅

(1. 中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094； 2. 北京理工大學信息與電子學院，北京市100081)

1 引言

服務于載人月球探測任務的地月空間信息系統涉及航天器數量多、數據種類多、數據量大，且有月地通信鏈路傳輸距離遠、月球背面無法通過地面深空站直接通信、通信鏈路中斷頻繁等情況。因此，地月空間組網通信具有網絡拓撲的時變復雜性、間斷性的鏈路連接、網絡高度異構與協議多樣、非對稱的通信帶寬、遠距離通信傳播時延等特點[1-2]。 傳統地面局域網技術和近地星-地點對點通信技術無法滿足地月空間組網需求，因此需要建立適用于地月空間架構的組網方案來滿足地月空間日益多元化的信息傳輸需求。 將地面互聯網概念引申到空間，構建空間互聯網，使之具有與地面互聯網類似的能力和靈活性[3]，同時為日益復雜的航天任務對空間通信技術提出的挑戰性難題提供有效解決途徑[4]。 因此，實現多目標大數據量的高帶寬組網互連互通以及地月空間信息系統如何能夠保證高可靠性組網通信傳輸是需要重點解決的問題。

空間網絡體系架構的構建主要由空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)、機構間操作指導組/機構間互操作大會(Interagency Operations Advisory Group/Interoperability Plenary，IOAG/IOP)和互聯網工程任務組/互聯網研究任務組(Internet Engineering Task Force/Internet Research Task Force，IETF/IRTF)等組織來實施[5-6]。 在空間網絡技術的發展過程中，這些組織主要形成了4 個協議體系發展方向:基于CCSDS 的協議體系(或Space Communication Protocol Specification， SCPS 體 系)、基于TCP/IP 的協議體系、將CCSDS 與TCP/IP結合的協議體系、基于容忍延遲/中斷網絡(Delay/Disruption Tolerant Networking，DTN) 的 協 議 體系[5-6]，4 個協議體系各有優缺點，而基于DTN 的協議體系針對深空環境設計，為更遠期的發展設計，涵蓋了上述3 種協議體系，是更高一級的協議體系[6]。 空間網絡體系架構或協議體系的構建主要體現在其相應標準的研究工作中，這些空間協議標準根據工程實際經驗而制定、修訂或廢止。以CCSDS 相關標準為例，SCPS 協議體系中只有空間通信協議規范-傳輸協議[7](SCPS -Security Protocol，SCPS-TP)繼續使用，相應地又制定了在CCSDS 空間鏈路之上承載IP 協議標準[8](IP over CCSDS space links，IPoC)，針對DTN 協議體系發布了對空間DTN 體系結構完整闡述的綠皮書[9]，并對LTP(Licklider Transmission Protocol)空間可靠性傳輸協議以及BP(Bundle Protocol)覆蓋層協議相關服務與機制進行說明， 形成了藍皮書[10-11]。

DTN 的協議體系針對深空環境提出[6]，為適應星際間長時延通信在傳統協議中進行改造[12]。首先，DTN 使用“存儲-攜帶-轉發(store-carry-forward)”模式[12]，這種數據中繼服務機制較好地解決星球區域網絡和星球中繼網絡長時延和日常性網絡中斷導致的問題，適用于地球到月球乃至更遠距離的深空通信。 其次，構建由多個子網組成的行星際互聯網需要實現多個子網的互聯互通，需要統一的聯網機制，DTN 通過Bundle 協議層將不同類型的網絡下層協議(如地面段的TCP/IP，星地鏈路的CCSDS 包協議和AOS 協議)整合，在不改變原有網絡基本結構的基礎上實現多重異構網絡的互聯互通，具有良好的兼容性和擴展性，是一種面向未來的網絡體系架構。 與無法適應網絡中斷的IP 協議僅能提供文件傳輸的CFDP 相比，基于DTN 協議體系更適合形成一個統一、完整的星際互聯網絡結構，DTN 目前可能是未來深空互聯網最具說服力的架構[13]，各國的航天機構已經部署了DTN 協議項目，并進行了DTN 協議空間試驗[14]。

本文根據未來載人月球探測任務需求及地月空間組網設計特點，在地月空間信息系統通信結構的基礎上，研究適用于地月空間信息系統組網通信的DTN 協議，并形成組網方案，進行地月空間通信網絡仿真分析。

2 地月空間通信鏈路

2.1 通信系統結構

由于地球與月球相對運行形成遮蔽以及月球本地(比如南北極)觀測仰角過低等，造成在行星表面與地球間建立直接通信鏈路困難，月球背面無法直接與地球通信。 載人月球探測任務中會涉及到多個航天器，如果要求所有月球區域的航天器都與地球直接通信，在整體效能方面無法達到最優，因此需要考慮采用月球中繼衛星完成地月空間的中繼通信。

對于月基通信單元，早期可利用月面著陸器或居住艙作為小型的月面通信基站，后續可發展為月球基地的通信基站。

在現有地球中繼衛星功能基礎上，可考慮補充對月中繼通信能力，形成地球對月中繼衛星。相對于地面對空間激光鏈路傳輸，激光鏈路在空間傳輸不會受到云層遮擋等因素影響，可以采用激光鏈路作為地月空間的主干通信鏈路。

選擇地面深空站、地球中繼星(具備對月通信功能)、月球中繼星、月面通信基站作為地月空間主干鏈路的主通信與路由節點，建立高可靠、高速的2×2 地月空間骨干網絡的信息傳輸通道，完成載人月球探測任務數據或其他高速任務數據傳輸，骨干網絡結構示意圖如圖1 所示。 對于高速數據業務傳輸通道，通信鏈路選擇Ka 頻段射頻鏈路，可傳輸上百兆bps 高速率數據，以及激光通信鏈路可傳輸幾百兆bps 以上高速率數據，Ka 頻段射頻鏈路與激光通信鏈路形成備份。 在地球空間內仍然以相關頻段微波通信鏈路進行數據傳輸，在月球空間內通信鏈路與地球空間相類似。

圖1 地月空間骨干網絡結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the backbone network structure in cislunar space

2.2 鏈路可見性

在地月空間中，需要將繞月衛星的坐標參數換算到以地球為中心的坐標系統[15]。 如圖2 所示，月球中繼衛星的坐標需要根據月球相對于地球坐標變換得到，月球中繼衛星相對于地心坐標系的矢量公式見式(1):

圖2 地月坐標轉換示意圖Fig.2 Schematic diagram of earth-moon coordinate transformation

由于月面通信基站直接對地面深空站通信鏈路可見性在50%左右，要達到月球空間的全覆蓋仍需要月球中繼衛星的配合；且月面通信基站的建立受到月面地形環境等因素的影響，因此在地月空間中，地球通信終端到月球通信終端需要經過月球中繼衛星通信作為主要通信鏈路。

月球中繼衛星與地球可見性的鏈路幾何關系如圖3 所示。 圖中Dc為地月間距離，Ds為月球中繼衛星對地球的距離，Rm為月球半徑，am為月球中繼衛星半長軸。 以月球中繼衛星高度線和對月球切線的夾角λ 為最小夾角，當月球中繼星對應的λ 角大于λmin，表示月球中繼衛星對地鏈路可見。

當地球中繼衛星具備對月通信功能時，與月球空間的月軌飛行器或月面用戶建立第二類地月空間通信鏈路。 與圖3 的原理相同，當地球中繼星對應的φ 角大于地球中繼衛星高度線和對地球切線的最小夾角φmin時，表示地球中繼衛星對月鏈路可見，其幾何關系如圖4 所示。

圖3 月球中繼衛星對地可見性Fig.3 Visibility of lunar relay satellite to earth

圖4 地球中繼衛星對月可見性Fig.4 Visibility of earth relay satellite to moon

由上述2 類鏈路可構成月球中繼衛星與地球中繼衛星之間通信鏈路，幾何關系如圖5 所示。地月中繼衛星間可見性以它們之間最大可見鏈路距離Dmax進行判斷，當地月中繼衛星間距離D 大于可見鏈路距離Dmax時，星間鏈路不可見。 最大可見鏈路長度Dmax見式(2):

由α 約為7.9E05°， Dmax可簡化為式(3):

式中，Dc為地月間距離，Re為地球半徑，Rm為月球半徑，ae和am分別為地球中繼衛星半長軸和月球中繼衛星半長軸(以圓軌道為例)，如圖5 所示。

圖5 地月鏈路可見性Fig.5 Visibility of earth-moon link

3 地月空間組網方案

3.1 網絡系統組成

基于上節通信鏈路互聯互通形成地月空間通信網絡，主要組成部分為星球(地球、月球)空間網絡及星際空間網絡。 地球空間網絡的組成單元包括地基單元和地球中繼單元，各個地基單元可以聯網形成地基空間子網，地球中繼單元可以組網形成地球中繼子網，2 個子網間互聯通信形成地球空間區域網。 同樣，月球空間網絡的組成單元包括月基單元和月球中繼單元，各個月基單元可以互聯通信形成月基空間子網，月球中繼單元可以組網形成月球中繼子網，2 個子網間互聯通信形成月球空間區域。 通過微波通信或激光通信方式將地球空間網絡與月球空間網絡聯絡互通，形成整個地月空間主干網，網絡結構示意見圖6。月球中繼子網中的月球中繼衛星可以將月基空間子網用戶接入地月空間主干網中，因此月球中繼子網也可稱為月球空間接入網，同理地球中繼子網也可稱為地球空間接入網。

圖6 地月空間網絡結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of cislunar space network structure

3.2 網絡拓撲架構

基于DTN 協議體系的星際互聯網絡在技術的適用性、可行性以及先進性均符合地月空間組網需求，可作為地月空間信息系統組網通信的主要協議架構。 同時，由于DTN 具有良好的兼容性，因此仍以采用CCSDS 協議棧及TCP/IP 協議棧中具有較好通信性能及適用性的下層協議，如AOS 協議、IP 協議等，為地月空間網絡的上層應用提供鏈路層、網絡層及傳輸層支持。

在地月空間信息系統高速通信鏈路中，將地面指控中心(或地面站)、地球對月中繼衛星、月球中繼衛星(或具備中繼功能的月軌空間站)、月球基地(或居住艙)等配置支持DTN 協議的網關路由設備，利用BP 束協議將地基空間/月基空間子網、地球中繼/月球中繼子網、地月空間主干網等不同的鏈路層和傳輸層協議整合起來。

考慮地面已經廣泛應用和未來月表可能廣泛應用的TCP/IP 互聯網協議體系，在地球空間和月球空間采用IP over AOS 協議體系，能夠最大程度兼容現有地面測控體系和航天器測控體制，利用IP 報文支持單播、組播、廣播通信模式，也為未來月球基地建設保留最大的兼容性，這也符合未來地月空間網絡漸進演化建設的設計思想。

因此，在地月空間傳輸采用DTN 協議體系，通過BP 協議統一應用層協議，通過AOS 協議統一鏈路層協議，地月間通過DTN 協議組成深空通信網絡將地球及月球區域網絡有機互聯。

為了地月空間可靠組網，在地月通信網絡拓撲結構中采用多網關的網狀結構，即在地球空間區域網中以深空地面站和地球對月中繼衛星作為DTN 網關節點，在月球空間區域網中以月球中繼衛星和月球基地作為DTN 網關節點，地月網關節點交叉互連構成網狀結構，增強了組網的可靠性。在該拓撲架構下，既有效避免了單網關的單點故障失效，又增加了網絡結構隨航天器軌道運行變化的適應能力，提高了網絡通信覆蓋性和可靠性。地月空間通信網絡拓撲結構如圖7 所示，三角符號表示DTN 網關節點。

圖7 地月空間網絡拓撲結構Fig.7 Topology structure of Cislunar space network

3.3 基于DTN 協議的數據傳輸

基于DTN 協議由地面用戶應用端至月球或月面用戶應用端網絡傳輸示意圖如圖8 所示。 由圖8 可見，BP 作為覆蓋層協議將基于TCP 網絡、基于UDP 網絡、基于LTP 網絡等異構網絡互聯[16]，存儲轉發的路由管理保證了這種動態異構網絡環境下跨越不同網絡的數據逐跳傳遞的可靠傳輸。

圖8 基于DTN 協議的地月空間數據傳輸示意圖Fig.8 Schematic diagram of cislunar space data transmission based on DTN protocol

4 仿真設計及結果

4.1 傳輸需求與系統組成

以載人月球探測任務為例，地月空間信息系統傳輸的業務數據主要是遙控數據、遙測數據、話音、圖像視頻多媒體數據等。 根據實際需求，對月球探測業務數據及其屬性設計如表1 所示。 其中，對于有實時性要求的數據包，若5 s 內無法完成端到端的遞交，則視為傳輸失敗。

表1 信息傳輸需求Table 1 Information transmission requirements

地月空間信息系統架構及網絡結構主要是基于月球中繼衛星星座方案而構建，按照載人月球探測任務最終全月覆蓋的目標，本文選擇六星雙圓極軌道的星座結構進行組網仿真，并對相應的雙星單圓極軌道、三星單圓極軌道、四星雙圓極軌道等星座結構同樣進行組網仿真與比較。 不同星座方案如表2 所示。

表2 月球中繼星座方案Table 2 Scheme of Lunar relay constellation

地基單元選擇佳木斯、喀什、南美3 個深空站，地球中繼單元選擇一顆GEO 高軌衛星。 月球空間用戶節點分別位于月球赤道300 km 軌道、月球赤道表面、月球南極表面、月球背面表面，分別代表月軌飛行器、航天員或月面探測器等。

假設中繼衛星對數據包的最大可用存儲空間為200 M，通信鏈路為Ka 頻段，最大帶寬為155 Mbps，且一個中繼月球衛星在同一波束內最多與4 個用戶節點同時通信。

4.2 仿真指標設計

4.2.1 連通性

選取端到端最大不可見時間這一指標衡量中繼星座架構連通性。 單個用戶節點某一時刻產生的數據包，在不考慮鏈路帶寬、節點最大連接數量、存儲能力等網絡參數，僅考慮鏈路通斷性的前提下，最快可完成遞交的時間即該節點與目的節點在這一時刻的端到端最大不可見時間。 某一月球空間用戶節點在一個月球公轉周期中的所有時刻，與所有有潛在通信需求的地球空間用戶節點的端到端最大不可見時間，即該節點在整個仿真周期中的端到端最大不可見時間。 月球空間用戶各節點在整個仿真周期中的端到端最大不可見時間如圖9 所示。

圖9 端到端最大不可見時間Fig.9 End to end connectivity

由仿真結果可知，兩星極圓軌道與三星極圓軌道對月球赤道節點的覆蓋性差，存在一個約兩天半的連續不可見時間段。 除此之外，各星座構型下各節點的端到端最大不可見時間均小于2 h。在另外兩種中繼星座構型下，月球赤道節點的端到端最大不可見時間也明顯高于其他節點。 故本文仿真在處理仿真結果數據時，將月球赤道節點與其他月球空間用戶節點的網絡性能分開分析。

4.2.2 網絡性能

選取遞交率、平均延遲、最大緩存占用量3 個指標網絡性能。 遞交率指在數據包生存期內成功送達至目的節點的數據包數量與計劃發送的數據包總數之比。 平均延遲指成功送達至目的節點的時間與該數據包產生時間的延遲。 最大緩存占用量指某類節點在1 個月球周期中緩存量使用最多的時刻下的緩存使用量。 若最大緩存占用量小于預設的緩存容量，則說明在該場景下可優化節點存儲能力，減少成本。

通常延遲包含節點處理延遲、排隊延遲、存儲攜帶延遲、傳輸延遲、傳播延遲5 部分。 節點處理延遲指路由器對到達的分組進行差錯檢測等處理的時間，通常在毫秒量級，故可忽略不計。 排隊延遲、存儲攜帶延遲、傳輸延遲根據仿真中實際等待情況進行計算。 傳播延遲指分組從某一節點發出后，到達下一節點所花費的時間。 假設地月平均距 離 約 為3.84 × 105km， 光 的 傳 播 速 度 為3.0×105km，故地月節點間的傳播延遲約為1.28 s，月球節點與繞月衛星的傳播延遲約為0.02 s。

4.3 仿真結果分析

4.3.1 遞交率

數據包的遞交率如圖10 所示。 同一中繼星座構型下非實時性數據包因節點可攜帶的時間較長，遞交率高于實時性數據包，體現了DTN 存儲-攜帶機制的優勢。 同時節點對非實時性數據包的存儲-攜帶增加了節點緩存中實時性數據包的排隊延遲，導致實時性數據包遞交率隨非實時性數據包生存期時長的增加而略微下降。

圖10 數據包遞交率Fig.10 Delivery rate of packets

隨著非實時性數據包生存期的增加，非實時性數據包的遞交率有較為明顯的上升。 四星雙圓極軌道星座構型下，當非實時性數據包生存期為60 min 時，月球赤道節點的非實時性數據包遞交率與六星雙圓極軌道星座構型相差約2.4%，其他節點相差約1%，實時性數據包遞交率分別相差約11.1%、7.6%。 考慮到六星雙圓極軌道構型的實現成本較高，從遞交率角度來說，若允許適當降低對實時性數據包的通信需求，四星雙圓極軌道構型在遞交率性能上可替代六星雙圓極軌道星座構型。 同理，若不考慮對月球赤道節點的支持，在非實時性數據包生存期為60 min 時，三星單圓極軌道星座構型的實時性數據包遞交率僅比四星雙圓極軌道星座構型低約3.4%，非實時性數據包遞交率低約1.9%，故該中繼星座構型可在不考慮支持月球赤道節點通信需求時，作為四星雙圓極軌道星座構型的一個最小系統替代方案。

4.3.2 網絡時延

數據包的平均延遲如圖11 所示。 由于中繼節點在數據包超時情況下，會將實時性數據包丟棄，故延遲較大的實時性數據包無法到達目的節點，因此4 種架構下的實時性數據包平均延遲均在1.33～1.38 s 之間，相差不大。 對于非實時性數據包，其平均延遲隨著中繼星座的覆蓋性與允許攜帶數據包時長的增加而增加。 由于各中繼星座構型對月球赤道節點的覆蓋率相對其他節點均較差，故月球赤道節點的非實時性數據包平均延遲均高于同一場景下的其他節點，但總體上均小于10 min。 由實際通信需求對比可知，實時性數據包平均約1.35 s 左右的延遲與非實時性數據包平均不到10 min 的延遲，在實際通信中均屬于可接受的延遲范圍。

圖11 數據包平均延遲Fig.11 Average delay of packets

4.3.3 最大緩存占用量

節點最大緩存占用量如圖12 所示。 當月球空間用戶節點無可用鏈路，且所采集的數據包未超出其生存期時，需將這些數據包暫時存儲于緩存中。 在非實時性數據包的生存期小于等于60 min時，月球節點所需的緩存能力實際不足10 G。 即可根據仿真所得結果對月球空間用戶的緩存設備進行適當優化，以使用更低成本的硬件設備達到同樣的網絡通信性能。 在六星雙圓極軌道星座構型場景中，由于衛星對月球的覆蓋率足夠高，通信資源足夠多，故對月球空間用戶節點的存儲能力需求較低。 在考慮中繼星座構型優化、替換方案時，需對應地提升月球空間用戶節點的存儲能力。 對于衛星節點，在一個月球周期內的各類場景下，其最大緩存能力均達到200 Mb。

圖12 節點平均緩存占用量Fig.12 Average buffer usage of nodes

5 結論

本文分析了地月空間組網通信的特點，基于地月空間通信鏈路，形成了地月空間組網方案，以基于DTN 協議體系作為地月空間信息系統組網通信的主要協議架構，同時兼顧CCSDS 協議棧及TCP/IP 協議棧的AOS 協議、IP 協議。 根據業務數據傳輸需求，對于不同的月球中繼衛星星座結構進行了投遞率、網絡時延、用戶節點存儲能力等性能指標仿真分析，結論如下:

1) 六星雙圓極軌道星座構型可同時為月背、月球南極、月球赤道、環月飛行器等用戶節點從通信網絡性能上提供較好的支持，各類數據包的遞交率、延遲及對用戶節點的存儲能力要求等性能指標均較好。 但該中繼星座構型所需發射的衛星較多，成本高。

2) 四星雙圓極軌道星座構型可作為六星雙圓極軌道星座構型從成本上優化替代方案。 其實時性數據包遞交率比后者略有降低，同時非實時性數據包的延遲與對月球用戶節點的緩存能力要求有所提高，但均在可接受范圍內。 該中繼星座軌道構型少使用了兩顆衛星，降低了成本。

3) 在月球赤道表面節點對通信網絡性能需求不高時，三星單圓極軌道星座構型可作為四星雙圓極軌道星座構型在成本上優化的替代方案。同時，該構型比后者少使用了一顆衛星，同樣降低了成本。