空间通信中可变长数据帧协议探讨

2010-05-11杨兴龙

中国新技术新产品 2010年18期

杨兴龙

（辽河油田通信公司兴隆台通信站，辽宁盘锦 124010）

1 CCSDS协议综述

1982年，美国航宇局(NASA)，欧洲空间局(ESA)和许多其它国家的空间局成立了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)，其职责是开发空间数据系统标准化的通信体系结构、通信协议与业务，使未来的空间任务能以标准化的方式进行数据交换与处理，促进国际间的相互支持、合作与交流。1986年完稿的一套CCSDS COS常规建议侧重于满足常规自由飞行科学卫星的要求，该建议引入数据分包作为标准化的机制，允许数据采集过程与空间数据信道的传递不同步。1989年，空间数据系统咨询委员会(CCSDS)在成功的开发适用于低、中数据率航天器的常规在轨系统(COS)体制和标准的基础之上，又进一步发展了以满足复杂航天器的需要为目标的高级在轨系统(AOS)体制和标准。

2 空间数据链路协议

空间数据链路协议(如遥测、遥控和AOS空间数据链路协议)提供了在空间链路传输各种类型数据的能力，但它们的主要功能是传输可变长度的数据单元，如包。空间数据链路协议能运载任何包，条件是此包具有CCSDS认可的包版本号(PVN)。PVN必须在空间链路标识符文件中注册。目前下列包是CCSDS认可的:空间包、空间通信协议规约一网络协议((SCPS-NP)数据包、IP-4数据包和封装包 (封装其它数据单兀的特殊包)。IP-6数据包封装在空间数据链路协议的封装包中。

遥测空间数据链路协议通常从航天器发送遥测信息到地面(如返向链路)，遥控空间数据链路协议通常从地面发送指令到航天器(如前向链路)。如果需要在航天器和地面间的两路在线通信(如音频和视频)，AOS空间数据链路协议可以只用于一条返向链路中或都用于前向和返向链路中。

3 CCSDS主网模型

对照ISO/OSI-RM,CCSDS规定了空间数据网的概念模型，即CCSDS主网(Principal Network),CPN是空间数据系统概念中最重要的部分，空间链路子网及地面网级联而成，起空间计划数据管理网的作用数据流以支持空间任务用户。CPN是一个天地一体化概念模型，它由星载网、提供端到端的其结构是由一个轨道段中的星载网通过CCSDS空间链路子网(CSLS)与一个地面网或另一个轨道段中的星载网相连接，如下图所示，图中，星载网类似于计算机局域网，用来完成空载设备和空间链路子网间的信息传递。空间链路子网保障空一地或空一空信息传送，包括通过数据中继卫星的信道。地面网包括整个地面支持网络，既有航天专用网，也有通用公共网。

CCSDS主网模型

4 CCSDS标准的技术特征

CCSDS定义了通信网的概念模型和业务模型。CCSDS通信系统结构遵从国际化标准化组织(ISO)制定的开放系统互连参考模型COSIRM，并根据航天数据通信的特点，在OSI框架内扩展了星载与地面计算机网络，将传统的遥测、遥控、遥感、语音、电视、计算机数据、导航信息以及管理信息集成到一个双向逻辑对称的高速数据网络中。

信息传递的基本方式采用包交换。CCSDS的基带数据结构采用分包格式，系统面向用户的是自主信息包，而不是单个的数据。用户按照自身的需求产生标准的信息包，系统也可以为用户包装数据，每个包中除用户数据块外，还辅以必要的标志和说明。

引入虚拟信道概念。由于空间通信信道有干扰多、衰落现象严重等特点，信号传输多采用连续波方式。这不但有利于系统同步和抗干扰，同时也便于将数据传输及测速测距集成到一个信道上。连续波数据传输实现多用户共享的基本方式是时分制。CCSDS保留了固定帧长度的概念，同时建立了虚拟信道的概念。虚拟信道是在时分制的基础上实现多用户共享信道的方式，其主要机制是动态分配信道资源。

遥测体制发展为分包遥测。传统的空间遥测系统是针对特定的空间任务和负载配置而进行设计的，在整个负载操作周期内使用相同的遥测格式，当负载改变时系统不易重新配置。这种固定的遥测格式对于多任务高动态的测量任务适应性较差。分包遥测体制按应用过程进行分类管理，对任务中的每个应用过程的信息进行打包，加上包头包尾，通过包头区分不同应用过程及同一应用过程的不同数据。在传输时把各信息源的包穿插组成传输帧。分包遥测对数据的这种管理形式使其具有动态条件下信道利用率高、适用于多任务多用户和利于国际合作的优点。并且在传输帧头中，含有传统帧格式的帧同步码组，给利用传统地面站接收分包遥测信息带来了扩展的余地。

遥控用传输级的命令协议代替链路级的协议。由于空间技术的发展，从地面控制中心到航天器的数据率和传输量比过去增加了几个数量级，要求遥控防议提供更大的信息吞吐量。由于星载网和数据中继星使用的增加，使总的往返时间和卫星通过空间链路接收数据与最终传送到卫星目的地之间的数据丢失概率增加。传统用于空间环境下的遥控协议尽管满足了完整的、按顺序传送的基本要求，但只能通过空间链路工作，不能提供可靠的端对端的传输功能，而CCSDS开发的分包遥控的命令操作过程(COP)不但能保证无码位差错传输，而且能保持特定次序，遥控数据无遗漏、无重复的传输，满足了空间运行环境下端对端传送和文件转移的需要。

5 虚拟信道复用

5.1 同步多路复用

虚拟信道在指定时隙占用物理信道，每个虚拟信道的顺序是固定的且不断重复。这种方式适合大多数业务是同步的且数据率固定的情况。因为各个虚拟信道在固定时隙传送，即使在某一时隙没有有效数据也必须发送填充数据以保持虚拟信道的顺序和数据流的连续性。当绝大多数用户数据为等时的、目_速率固定时，可使用该方式。

5.2 异步多路复用

各虚拟信道数据单元仅在被有效数据填满时才会被发送。如果两个或更多虚拟信道同时被填满时，则根据优先级机制来决定虚拟信道的传输。这种方式可以灵活的处理突发性错误，信道利用率高，但对于那些优先级较低的同步业务，有可能因为排队延迟过长而超过它所规定的最大延迟。因此，这种方式较适合于输入数据路数较少的情况。对于输入路数较多且同步业务对时延要求很严格的情况则不宜采用该种方式。

优点:即使在用户数据量不断变化的情况下，这种方式的效率也很高。

缺点:会引入排队延迟，延迟量随用户数据量的变化而变化，从而导致等时业务数据的抖动。在某些场合，这些抖动可能难以忍受。