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《中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)》 2009年
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IP over CCSDS空间组网通信关键技术研究

蒋立正  
【摘要】: 随着我国载人航天工程和深空探测工程的发展,特别是建设空间实验室和空间站目标的确定,空间任务将呈现多样性、长期性及国际合作的迫切性,这对天地通信提出了更高的要求和更严峻的挑战。要求有天基测控通信网的支持,空间移动平台联网,地基测控通信网与天基测控通信网互联,使航天器对地传输模式向星际中继模式转变;要求天地间通信提供多种数据传输方式,其交互性和多业务能力更强、带宽更大、接入更灵活、效率更高、扩展性更好,使当前简单的数据交换向网络传输转变。显然,目前各系统各自采用独立的天地间点到点通信模式将不能满足这些要求,因此,建成完全的天基测控网和数据通信网才能从根本上改变我国空间数据系统的技术面貌。 基于此问题,本文首先分析了当前国际上空间数据系统建设中所采用的关键技术,提出了适合我国未来发展的基于IP over CCSDS的空间通信网络构建模式,构建了其总体框架,分析了技术实现要点,建立了与其相关的空地通信网络协议栈总体模型,填补了国内在此方面的研究空白。 针对如何使用CCSDS AOS承载IP数据报的问题,分析了解决方法及其接口关系。对IPv4和IPv6区别对待,建立了其数据传输服务过程及IPv4/IPv6 over CCSDS协议栈模型;针对使用CCSDS承载IP数据包所需要的服务,分析了CCSDS AOS VCP服务及ENCAP服务数据传输过程;设计了IP over CCSDS AOS数据传输服务应用模型及相关的协议处理流程。 卫星网络的移动性决定了IP over CCSDS模式下常规IP技术将不再适合,须采用移动IP技术。结合IP技术在卫星网络中面临的诸如IP数据包长度可变、星际链路复杂、路由表管理困难和路由切换速度快等问题,着重探讨了移动IP隧道技术、路由技术。最后,在我国空间组网通信领域,首次设计了Mobile IP over CCSDS AOS通信总体模型。 由于IP面对独立报文,不面向连接的,不保证报文的可靠传输,而TCP则负责确保数据端到端的可靠交付。因此,在IP over CCSDS模式下的空间组网通信中,空间通信链路对TCP/IP数据传输性能的影响主要体现在传输层。首先简要分析了常规TCP协议的工作原理及相关控制机制,结合空间通信环境对TCP协议的影响,得出了常规TCP协议不适合空间通信这一结论。选取了SCPS-TP提出的SNACK改进策略,基于NS2对TCP进行了适应性改进,构建SNACK TCP空间通信网络仿真模型,并对其在空间网络中的吞吐率、丢包率、链路利用率等性能进行了仿真对比分析。仿真结果证明,TCP SNACK在空间通信环境下,各方面性能较其他常规TCP协议都具有优异表现,更适合于IP over CCSDS模式下的空间数据通信。 采用IP over CCSDS AOS模式是满足未来空间网络通信技术要求的合理有效途径。本文的研究成果可为统一空间段各任务系统的通信平台,支持数据、语音和视频图像等多种业务,提高通信系统的可扩展性和效率,有效降低成本,满足今后空间任务长期性、多样性要求,也为未来遥科学的应用和国际合作打下坚实的技术基础。
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