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深空通信数据传输协议的优化设计

郑秋平  
【摘要】:深空通信网络与地面网络在物理环境特性和信息传输业务需求上有着很大的不同,面临着链路可靠性传输以及端到端有效性传输等多方面的挑战。随着深空探测范围的增大、通信传输距离趋近极限,最直接的影响是能量损耗以及传播时延的增加。近年来,随着深空探测通信距离的日益增加,导致路径损耗进一步增大,使用传统的TCP/IP协议的传输效率很低,甚至无法有效建立端到端的TCP连接;同时,巨大的通信传播时延和链路易中断的特点使得基于反馈重传方式的传输协议等待时间较长且频繁中断,严重影响了通信质量。因此,如何在大损耗、超远距离的空间环境下实现更加有效的信息可靠传输是深空通信亟待解决的关键难题。 本文首先在Ka波段的信道条件下,通过对地面站天气状体进行预测建模,结合预测模型改善传统CFDP协议的传输机制。与X、C等其他波段相比,Ka波段具有的最大优势是可用频段宽,这在当今日益短缺的空间通信频段资源的情况下,无疑是未来深空信息传输频段的必然选择。但是,Ka波段的重要特点,同时也是选择这一波段的缺点是Ka波段收到大气层天气影响导致的信号衰减较大,极大的影响了通信系统的工作效率。同时,由于深空通信自身物理环境的特点(传输路径长、传输时延大等),CCSDS空间委员会针对于深空探测提出了以否定指令重传为基础的CFDP协议,但仍存在许多缺陷,需要多方面完善。综合以上两点,本文设计一种可以抵抗Ka波段信道天气影响的改进型的CFDP协议,即选择等待CFDP协议,将天气状态预测模型与协议传输机制有效结合。通过仿真实验论证,在地-火文件传输过程中,选择等待CFDP性能相对于传统的CFDP协议在文件传输时延上的性能较好,可以有效提高深空传输层协议的有效性。 另外,考虑到未来面向深空探测的星际互联网(IPN,InterPlaNetaryInternet)的发展,及长时延、高误码率、非对称带宽以及间歇性等空间链路特点,将延迟容忍网络(DTN,Delay Tolerant network)引入到深空通信中来。文章先讨论了LTP协议(Licklider Transmission Protocol)在DTN网络中的关键性作用,并研究其传输机理,描述了完整的LTP传输模型;然后对LTP定时器的模型进行了理论分析;最后,通过仿真分析LTP协议的性能,有助于对DTN特殊功能层以及整个协议体系进行深入的研究。


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