CCSDS Proximity-1空間鏈路協(xié)議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

CCSDS Proximity-1空間鏈路協(xié)議吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

Proximity-1空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是CCSDS推薦的4個(gè)空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)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(cè)控通信任務(wù)。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(xié)議中的COP-P處理過(guò)程，并對(duì)其的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)出吞吐量與誤碼率、幀長(zhǎng)等參數(shù)關(guān)系公式，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得出誤碼率不同時(shí)，選用不同的幀長(zhǎng)，吞吐量最多可提高20%，證明選用不同的幀長(zhǎng)發(fā)送，可以提高系統(tǒng)吞吐量，為空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的應(yīng)用提供參考。

CCSDS；proximity-1協(xié)議；COP-P；吞吐量

隨著空間探測(cè)的進(jìn)行和空間應(yīng)用的發(fā)展，構(gòu)建完善的空間通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)成空間與地面能夠互聯(lián)互通的天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)，受到國(guó)際宇航界的廣泛關(guān)注?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）為空間通信制定了一系列的推薦標(biāo)準(zhǔn)，其中包括4個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)：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(guó)探月工程的開(kāi)展，CCSDS專門為臨近空間設(shè)計(jì)的協(xié)議Proximity-1將逐漸在我國(guó)航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1　Proximity-1協(xié)議簡(jiǎn)介

Proximity-1協(xié)議收發(fā)兩端使用相同的協(xié)議實(shí)體，每個(gè)實(shí)體同時(shí)具有收發(fā)功能[2]。Proximity-1協(xié)議是一個(gè)復(fù)雜的跨層協(xié)議，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)服務(wù)子層、I/O子層[3]。

Proximity-1提供兩種該服務(wù)質(zhì)量（順序控制、快速控制）和3種服務(wù)類型（分組服務(wù)、用戶自定義數(shù)據(jù)服務(wù)、時(shí)間服務(wù)）[4]。在該協(xié)議中，通信雙方在建立連接的過(guò)程中通過(guò)“握手”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)改變，所以其幀長(zhǎng)是可變的，這為數(shù)據(jù)傳輸提供了很大的靈活性。

圖1　Proximity-1協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

圖2　Proximity-1協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子層運(yùn)行幀發(fā)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(yīng)答。在接收端，運(yùn)行幀接收處理程序，接收由幀子層傳送的數(shù)據(jù)幀。

2　COP-P分析研究

2.1COP-P簡(jiǎn)介

CCSDS Proximity-1協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)航天器之間的直接通信，不需要借助地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，具有短程、雙向的特點(diǎn)[5]。CCSDS根據(jù)實(shí)際使用的需要先后制定了COP-0、COP-1、COP-2和COP-P 4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，COP-P是專為Proximity-1協(xié)議制定的。

圖3　Proximity-1跨層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流向示意圖

Proximity-1協(xié)議中的數(shù)據(jù)服務(wù)子層通過(guò)COP-P過(guò)程保證通過(guò)順序控制服務(wù)傳輸?shù)腟DU的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)丟失、無(wú)重復(fù)和連續(xù)的發(fā)送，但是對(duì)通過(guò)快速服務(wù)傳輸?shù)腟DU不保證傳輸可靠性[6-7]。

COP-P協(xié)議定義了FOP-P（Frame Operation Procedure for Proximity Links）的幀發(fā)送操作過(guò)程、FARM-P（Frame Acceptance and Reporting Mechanism for Proximity Links）的幀接收和報(bào)告機(jī)制[8]。

2.2COP-P處理過(guò)程

針對(duì)順序控制幀，COP-P會(huì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)子層最近傳輸和已經(jīng)確認(rèn)的幀的序列號(hào)等所有狀態(tài)信息，并且協(xié)議的PLCW是由幀子層根據(jù)FARM-P相應(yīng)生成的[9-11]。在發(fā)送端，F(xiàn)OP-P驅(qū)動(dòng)快速服務(wù)和順序控制服務(wù)，負(fù)責(zé)排序和復(fù)用用戶的數(shù)據(jù)，并且保持與FARM-P的同步。FOP-P只維護(hù)一個(gè)單輸出已發(fā)送幀序列，包括已發(fā)送但還沒(méi)有被接收機(jī)確認(rèn)的順序控制幀。在接收端，F(xiàn)ARM-P為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，僅對(duì)接收到的FOP-P的內(nèi)容做出了反應(yīng)，并通過(guò)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(hào)是想要的幀序列號(hào)，則將該幀送往上層并反饋含有下一期待的幀序列號(hào)的PLCW，如果接收到的幀序列號(hào)不是想要的幀序列號(hào)，丟棄該幀，反饋PLCW。

圖4　COP-P進(jìn)程改進(jìn)示意圖

規(guī)范中的圖4.1給出了COP-P的完整處理過(guò)程。但是這個(gè)圖中的PLCW傳輸路徑有不妥之處，使人對(duì)COP-P的處理過(guò)程產(chǎn)生誤解。圖4示出了原圖以及我們做出的修改。根據(jù)協(xié)議分層模型、規(guī)范4.3.3中的第三、第四段對(duì)FOP-P和FARM-P的說(shuō)明、其他各處對(duì)COP-P的描述，并結(jié)合TC協(xié)議所使用的COP-1操作的常識(shí)，圖4.1中的數(shù)據(jù)傳輸方向有錯(cuò)誤。收端回傳的PLCW應(yīng)該發(fā)給發(fā)端的FOP-P（PLCW對(duì)發(fā)端的FARM-P沒(méi)有任何用處）。在圖4中，給出虛線所示的正確傳輸路徑。改進(jìn)后，前向發(fā)送的傳輸幀N（S）和反向回傳的PLCW正好構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。

3　Proximity-1協(xié)議吞吐量性能分析

空間鏈路的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)是吞吐量[14]，其定義為單位時(shí)間內(nèi)接收端成功接收的有效用戶數(shù)據(jù)量，即成功接收有效數(shù)據(jù)量的速率[12]。

吞吐量=（總傳輸數(shù)據(jù)量—無(wú)效數(shù)據(jù)量）／總時(shí)間 ，其計(jì)算公式為

其中，T為總的觀測(cè)時(shí)間，N為觀測(cè)時(shí)間T內(nèi)接收端接收到的用戶數(shù)據(jù)量，P為接收到的用戶數(shù)據(jù)中能正確譯碼接收的概率，η為接收到的用戶數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)所占的比例。

3.1協(xié)議的重傳機(jī)制

Proximity-1協(xié)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(xié)議的傳輸原理：發(fā)送端把信息拆分成分組，加入信息比特（發(fā)送序號(hào)、接收序號(hào)以及校驗(yàn)比特等）構(gòu)成長(zhǎng)度相等的數(shù)據(jù)幀，然后把數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)到傳輸緩沖區(qū)等待傳輸[13]。發(fā)送端一次連續(xù)發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)幀（N為信道最大能承受的幀數(shù)），接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)（包括幀的順序），每正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀，則向發(fā)送端反饋一個(gè)ACK，沒(méi)有正確接收數(shù)據(jù)幀，則反饋一個(gè)NACK同時(shí)丟棄該出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀以及其后續(xù)的數(shù)據(jù)幀。若收到ACK，發(fā)送端將繼續(xù)傳輸后面的N個(gè)幀；若收到NACK，發(fā)送端將從出錯(cuò)幀開(kāi)始重新發(fā)送N個(gè)幀。

3.2吞吐量數(shù)學(xué)模型

鏈路速率（RS）：每個(gè)航天器都有一個(gè)固定的鏈路速率RS。決定了協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)速率的上限。

根據(jù)Proximity-1協(xié)議的Version-3幀結(jié)構(gòu)，幀頭長(zhǎng)度L′=5，同步子（ASM）和校驗(yàn)碼（CRC）的總長(zhǎng)度L″=3+4=7，數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)，Version-3幀的總長(zhǎng)度為n=L+L′，則成功接收幀的概率為

Proximity-1吞吐量計(jì)算公式：

3.3仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

由上述數(shù)學(xué)模型，我們進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置傳輸速率RS=1 Mbps，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同幀長(zhǎng)下吞吐量與誤碼率的關(guān)系圖

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的吞吐量跟誤碼率和幀長(zhǎng)都有關(guān)，并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。在不同的信道環(huán)境下，由于誤碼率的不同，幀長(zhǎng)的大小對(duì)吞吐量有著較大影響。

當(dāng)幀長(zhǎng)為2048 byte時(shí)，吞吐量隨誤碼率的變化幅度最大。而在幀長(zhǎng)為128 byte時(shí)，吞吐量隨時(shí)間變化幅度最小，但是吞吐量一直都不高。大趨勢(shì)是，誤碼率越小，幀長(zhǎng)越長(zhǎng)，吞吐量越大。但是幀長(zhǎng)過(guò)低，如L=128 byte時(shí)，由于幀開(kāi)銷過(guò)大，幀效率太低，導(dǎo)致吞吐量一直很小。在誤碼率為0.9×10-4時(shí)，選用幀長(zhǎng)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(gè)幀長(zhǎng)，能使吞吐量最大。而Proximity-1協(xié)議通過(guò)Hailing信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程中參數(shù)的實(shí)時(shí)改變，所以幀長(zhǎng)是動(dòng)態(tài)可變的[15]，在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，改變幀長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)吞吐量最大化。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中給出了吞吐量跟幀長(zhǎng)、誤碼率關(guān)系的計(jì)算公式，并得出了可以通過(guò)對(duì)幀長(zhǎng)的實(shí)時(shí)控制提高了系統(tǒng)吞吐量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步研究因變幀長(zhǎng)而造成的其他參數(shù)的變化，如滑動(dòng)窗口N大小、超時(shí)重發(fā)時(shí)間、延遲等，來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量。

[1]趙和平．近距鏈路協(xié)議及其應(yīng)用前景[C]．全國(guó)第十屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)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(xié)議的初步探究[J].航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(wú)線通信鏈路自動(dòng)請(qǐng)求重傳協(xié)議研究及排隊(duì)性能分析[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2008.

[14]彭剛．AWGN信道中的信噪比估計(jì)算法[D]．南京：南京理工大學(xué)，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(hào)：201603194

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(wǎng)絡(luò)。