劉華峰,徐瀟審,孫寶升,費(fèi)立剛,劉 鋒,卞春江,程子敬

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041；2.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心,北京 100094；3.北京航空航天大學(xué),北京 100191；4.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190；5.航天恒星科技有限公司,北京 100086)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，人類在外層空間的活動(dòng)日趨復(fù)雜。具有IP子網(wǎng)的大型航天器的出現(xiàn)[1]，以及地面測(cè)控網(wǎng)的IP化，使得構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越明顯[2]。同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)由于其高覆蓋率、高傳輸速率和高動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的特點(diǎn)，在空間信息傳輸方面發(fā)揮著巨大作用，是未來(lái)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。目前，國(guó)內(nèi)外基于同步骨干衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸主要采用基于應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分發(fā)模式，不能支持空間段和地面段在網(wǎng)絡(luò)層上的直接互聯(lián)，難以適應(yīng)未來(lái)天地一體化數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)男枨蟆４送?，隨著用戶數(shù)量和類型的迅速增長(zhǎng)，以及數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，傳統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)分發(fā)模式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性持續(xù)增加、運(yùn)行維護(hù)成本成倍增長(zhǎng)等問(wèn)題，形成數(shù)據(jù)分發(fā)能力和系統(tǒng)效率的瓶頸。因此，研究基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式具有重要意義。

國(guó)外各航天大國(guó)從20世紀(jì)末期開始，啟動(dòng)了空間互聯(lián)網(wǎng)(NGSI)、基于航天飛機(jī)的通信與導(dǎo)航(CANDOS)、太空互聯(lián)網(wǎng)路由器計(jì)劃(IRIS)等研究項(xiàng)目，大力推進(jìn)了天地一體化網(wǎng)絡(luò)的理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[3-8]。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也開始進(jìn)行了探索性研究，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司54所等多家單位在基于IP over CCSDS方式的天地一體化協(xié)議體系應(yīng)用、空間寬帶網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了較大進(jìn)展。本文在吸收國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，提出基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式，設(shè)計(jì)基于IP over CCSDS的天地一體化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議體系，并基于在軌同步衛(wèi)星開展了天地一體化IP互聯(lián)模式試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸能力測(cè)試。

1 基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)組成

基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)由同步骨干衛(wèi)星及其對(duì)應(yīng)的地面站組成。用戶航天器包括單IP地址和多IP地址兩種航天器，用戶航天器和地面用戶中心分別通過(guò)同步骨干衛(wèi)星星間鏈路和地面網(wǎng)絡(luò)接入，形成用戶航天器與地面用戶中心間的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)。用戶航天器和同步骨干衛(wèi)星地面站配置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，完成天地間數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳輸層的協(xié)議性能增強(qiáng)。在天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)中，用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可基于網(wǎng)絡(luò)層直接進(jìn)行路由和數(shù)據(jù)分發(fā)，不需要在應(yīng)用層處理。

圖1 基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 協(xié)議體系

本文根據(jù)CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的最新發(fā)展和國(guó)內(nèi)外空間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議體系的研究成果，在基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化網(wǎng)絡(luò)中采用IP與CCSDS相結(jié)合的協(xié)議體系，協(xié)議棧如圖2所示。

圖2 基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧示意圖

2.1 數(shù)據(jù)鏈路層

地面段網(wǎng)絡(luò)與航天器內(nèi)部子網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。空間段采用CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(SDLPs)。由于地面系統(tǒng)和空間系統(tǒng)采用不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，所以在經(jīng)星間和星地信道傳輸前，需要完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

統(tǒng)一采用IP協(xié)議，如圖3所示，IP PDUs使用CCSDS IP延伸(CCSDS Internet Protocol Extension，IPE)約定和CCSDS封裝服務(wù)被逐個(gè)封裝到CCSDS封裝包中，然后封裝包在一個(gè)或多個(gè)SDLPs傳輸幀中被傳輸[14,15]。

圖3 IP over CCSDS Space Link示意圖

2.3 傳輸層

由于基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化網(wǎng)絡(luò)存在鏈路傳播時(shí)延長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)延積大、鏈路差錯(cuò)率較高、鏈路帶寬不對(duì)稱等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)TCP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的性能嚴(yán)重下降。因此傳輸層在使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/UDP協(xié)議的同時(shí)，針對(duì)要求可靠傳輸且保障傳輸性能的應(yīng)用，采用TCP分段技術(shù)增強(qiáng)傳輸層性能。TCP分段技術(shù)的核心思想是將TCP連接分成兩個(gè)或多個(gè)部分，利用代理設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)時(shí)延和高差錯(cuò)率部分與其余部分隔離，通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)延和高差錯(cuò)率部分使用SCPS-TP等專用協(xié)議來(lái)增強(qiáng)傳輸性能。代理設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)TCP與SCPS-TP等專用協(xié)議間的轉(zhuǎn)換[16]。

2.4 應(yīng)用層

在應(yīng)用層，支持HTTP、SMTP、FTP和Telnet等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。同時(shí)用戶可以根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)專門的應(yīng)用層協(xié)議。

3 典型應(yīng)用示例

以同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)支持帶有IP子網(wǎng)的大型航天器與地面網(wǎng)絡(luò)IP互聯(lián)為例，說(shuō)明基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理流程。

航天器信息系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換主要基于以太網(wǎng)技術(shù)，上層采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧。通過(guò)同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行的航天器與地面之間的數(shù)據(jù)傳輸中，除了傳送遙控信息的前向鏈路外，其余部分均采用AOS體制。IP報(bào)文采用IP over AOS方式封裝和解析。

3.1 返向鏈路數(shù)據(jù)處理流程

如圖4所示，航天器內(nèi)部子網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在傳輸層采用UDP或TCP協(xié)議，IP報(bào)文目的地址為地面相應(yīng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的IP地址。通過(guò)空間鏈路傳輸前，由空間網(wǎng)關(guān)對(duì)傳輸層和鏈路層的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，若傳輸層采用TCP協(xié)議，將TCP轉(zhuǎn)換為SCPS-TP協(xié)議，鏈路層將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換為AOS幀，并采用IP over AOS的方式將IP報(bào)文封裝到AOS幀中(具體封裝細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)[17]。同步骨干衛(wèi)星地面站的地面網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層作對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換，然后直接通過(guò)路由器路由傳輸IP報(bào)文。最終，地面用戶中心路由器根據(jù)IP報(bào)文中的目的地址將報(bào)文直接向業(yè)務(wù)處理設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 返向鏈路協(xié)議棧處理流程示意圖

3.2 前向鏈路處理流程

除前向鏈路的遙控指令仍然按照原有方式發(fā)送到地面站外，前向鏈路處理流程為返向鏈路處理流程的逆過(guò)程，如圖5所示。

圖5 前向鏈路協(xié)議棧處理流程示意圖

4 基于同步骨干衛(wèi)星的天地IP互聯(lián)模式試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)環(huán)境組成如圖6所示，主要包括空間用戶航天器模擬系統(tǒng)(包括空間數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)、空間網(wǎng)關(guān)、調(diào)制調(diào)解設(shè)備、發(fā)射和接收單元)、同步骨干衛(wèi)星、地面站系統(tǒng)(包括發(fā)射和接收單元、調(diào)制解調(diào)設(shè)備和地面網(wǎng)關(guān))和地面用戶中心模擬系統(tǒng)。其中，空間和地面模擬系統(tǒng)里的主要設(shè)備包括文件服務(wù)器、Web服務(wù)器、郵件服務(wù)器、IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和終端設(shè)備等?？臻g網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)關(guān)主要用于鏈路層和傳輸層的協(xié)議轉(zhuǎn)換。測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)空間鏈路帶寬理論值為上行5 Mbps、下行150 Mbps。而空間網(wǎng)關(guān)/地面網(wǎng)關(guān)的處理帶寬在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可以達(dá)到千兆。

圖6 試驗(yàn)環(huán)境示意圖Fig.6 The experimental environment

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式試驗(yàn)驗(yàn)證，主要圍繞協(xié)議技術(shù)體制驗(yàn)證、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能測(cè)試和綜合性能測(cè)試三個(gè)方面開展，具體試驗(yàn)結(jié)果和分析如下。

(1)協(xié)議技術(shù)體制驗(yàn)證

主要進(jìn)行天地TCP/UDP性能測(cè)試：TCP性能測(cè)試分別針對(duì)空間用戶子網(wǎng)——同步骨干衛(wèi)星——地面子網(wǎng)間單個(gè)TCP連接、多個(gè)TCP連接測(cè)試等情況進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如表1所示；UDP采用單路傳輸和多路傳輸兩種情況進(jìn)行測(cè)試，其中設(shè)定單路UDP最大速率為50 Mbps，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 TCP性能測(cè)試結(jié)果

表2 UDP性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，天地一體化網(wǎng)絡(luò)的TCP傳輸速率可穩(wěn)定達(dá)到120 Mbps左右。在單路傳輸帶寬不超過(guò)50 Mbps的限制下，UDP傳輸總速率最高可達(dá)132 Mbps。

(2)系統(tǒng)應(yīng)用功能測(cè)試分析

對(duì)常用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明，天地一體化IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)中成熟的應(yīng)用業(yè)務(wù)(包括Web訪問(wèn)、FTP服務(wù)、Email服務(wù)、多媒體會(huì)議、語(yǔ)音通話、遙操作業(yè)務(wù)、Telnet服務(wù)等)均可支持，且用戶體驗(yàn)良好。

表3 功能測(cè)試結(jié)果

(3)系統(tǒng)綜合應(yīng)用測(cè)試分析

測(cè)試系統(tǒng)的空間鏈路是不對(duì)稱的，其中上行5 Mbps、下行150 Mbps。通過(guò)對(duì)寬帶網(wǎng)關(guān)進(jìn)行限速，來(lái)測(cè)試整個(gè)試驗(yàn)在不同狀態(tài)下的綜合應(yīng)用情況，分為非滿負(fù)荷綜合應(yīng)用測(cè)試和滿負(fù)荷綜合應(yīng)用測(cè)試兩種狀態(tài)。其中，非滿負(fù)荷綜合應(yīng)用測(cè)試是限制前向信息速率不超過(guò)3 Mbps，返向信息速率不超過(guò)100 Mbps的情況下，測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)服務(wù)性能；滿負(fù)荷綜合應(yīng)用測(cè)試是指天地網(wǎng)絡(luò)之間上行最大數(shù)據(jù)速率接近5 Mbps，下行最大數(shù)據(jù)速率接近150 Mbps的情況下，測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)服務(wù)性能。在兩種狀態(tài)下，同時(shí)進(jìn)行FTP業(yè)務(wù)、天地間互ping業(yè)務(wù)、Web訪問(wèn)業(yè)務(wù)、Email業(yè)務(wù)等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能業(yè)務(wù)綜合測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表4。

表4 綜合應(yīng)用測(cè)試效果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果反映出由于同步骨干衛(wèi)星空間鏈路存在不對(duì)稱性，所以在工程應(yīng)用中要根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)在路由或交換節(jié)點(diǎn)限定具體應(yīng)用的前/返向數(shù)據(jù)速率，避免出現(xiàn)個(gè)別應(yīng)用占用大量帶寬的情況，才能保證天地間網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

上述試驗(yàn)表明：基于同步骨干衛(wèi)星的天地一體化IP互聯(lián)模式可并行支持多種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)；能夠高效支持基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著航天任務(wù)復(fù)雜性的不斷提高，建立天地一體化的航天互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外航天測(cè)控和通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2，18]。同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)理論研究、技術(shù)試驗(yàn)和工程應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)航天數(shù)據(jù)傳輸模式向天地一體化網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式的轉(zhuǎn)變，將對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起到巨大的示范效應(yīng)和推動(dòng)作用。本文基于一顆同步骨干衛(wèi)星完成靜態(tài)IP天地互聯(lián)試驗(yàn)，而在實(shí)際應(yīng)用中是多顆同步骨干衛(wèi)星和地面站接力為航天器服務(wù)，這就帶來(lái)了天地一體化網(wǎng)絡(luò)中同步骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的移動(dòng)性管理和延遲容忍等問(wèn)題，這些問(wèn)題我們將在后續(xù)開展進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。