浅谈星地通信中的传输协议

2018-04-12包少彬

数字通信世界 2018年3期

包少彬，骆乐

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京　210014）

1　引言

随着通信系统的不断发展，卫星通信逐渐成为Internet网络的一个重要组成部分，基于卫星通信网络的地面通信网延伸及星地网互联互通逐渐成为通信系统发展的重要趋势。但是，由于空间传输链路与地面传输链路相比存在误码率较大、时延较长，以及信息传输不对称等情况，导致在地面通信网络传输中广泛使用的TCP/IP协议不再适用于空间网络，进而限制的卫星通信在端到端通信及星地一体化通信中的应用。在此情况下，针对卫星通信的特点，基于TCP/IP协议改进的SCPS协议应运而生，成为构建卫星通信网络和星地通信网络的重要技术协议。

2　卫星通信中TCP/IP协议的适应性与对策

卫星通信由于空间传输距离远，导致信号在传输过程中衰减较大，从而造成在接收端接收到信号的Eb/N0相对较低，信息误码率较高。一般卫星链路的信息传输误码率为10-6数量级，而地面链路的信息传输误码率为10-12数量级，两者之间的差别非常之大。并且，空间链路容易受到各种干扰影响，引入更多的噪声，进一步增大信号的接收难度；同时，空间距离造成的信号传输时延（同步卫星单跳约540ms）也是卫星通信的特点之一。

TCP/IP协议是一种可靠的传输机制，通过握手过程、报文管理、流量控制、错误检测和处理，提供有效的拥塞控制机制，起到稳定通信、防止网络崩溃的作用，因此普遍应用在地面互联网通信之中。

但是，针对卫星通信误码率高、时延长等缺点，采用传统TCP/IP协议进行信息传输，会造成数据丢失、拥塞、确认延缓，从而降低信息传输速率、减弱系统流量控制，造成数据在卫星通信链路上的滞留、丢包概率增加，引起网络拥塞，最终导致通信系统吞吐量的下降。

上世纪末期，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）参考TCP/IP协议的分层设计思想，提出了一套适用于空间通信的传输协议——SCPS协议。SCPS协议根据空间通信的特点，对TCP/IP协议进行了相应的裁剪、修改和扩充，以适应空间通信误码率高、延时长等特点。

3　SCPS协议简介

SCPS协议以TCP/IP协议结构为基础，进行相应修改和完善，其结构与TCP/IP结构对应如图1所示。

图1　SCPS与TCP/IP协议栈在OSI模型中比较

SCPS协议簇包括网络协议（SCPS-NP）、安全协议（SCPSSP）、传输协议（SCPS-TP）和文件协议（SCPS-FP）。

SCPS-NP对应Internet中的IP协议，提供灵活简洁的终端地址与组地址表示方法，提供数据报的优先级操作机制和每包路由控制机制。

SCPS-SP与IPSec类似，为空间网络数据传输提供了可选的端到端保护。

SCPS-TP为空间通信网络提供端到端的数据传输服务；SCPS-FP支持带宽受限环境下的文件传输与指令传输。SCPSTP在使用SCPS协议时是必须使用的，而其他三个协议可以用TCP/IP协议簇中的协议替代。SCPS-TP相对TCP/IP的修改如下：采用SNACK与报头压缩技术来减小误码率；增大TCP拥塞窗口，以适应卫星通信中时延大的要求；数据速率控制功能，防止出现拥塞；可选择的多种拥塞控制机制；往返时延测量功能。通过上述修改和补充的SCPS-TP很好的解决了卫星通信中误码率高、时延大、前向（主站到用户终端）和返向（用户终端到主站）链路差异大等问题。

SCPS-FP是对FTP协议的扩展，在空间环境中将传输文件和数据分割成数据单元，主要支持带宽受限环境下的文件传输与指令传输。SCPS主要以3种具体方式实现：一是端到端SCPS方式：在包括地面网络在内的整个网络中，保证传输层与应用层端到端的连接，Internet网络层IP协议在卫星地面站处与空间网络层SCPS-NP进行互相转换，或者将SCPS-NP封装到IP可选域；二是传输层双层网关方式：利用空间网络对分离的地面网进行中继，保证应用层协议端到端的连接，在地面站网关进行TCP协议与SCPS协议之间的转换；三是传输层单网关方式：将地面终端分为Internet网络终端和支持SCPS的地面终端，利用单一地面站网关进行协议转换。

4　SCPC协议在卫星通信中的应用

随着信息化的不断发展，卫星通信网络与地面通信网络的互联互通变得日趋紧密和迫切，适用于地面通信网络的TCP/IP协议已经不能满足卫星通信网络的介入。为此需要在卫星通信网络与地面通信网络之间进行地面与空间传输协议的转换（协议网关），实现地面TCP/IP协议与空间SCPS协议的转换，满足端到端通信以及地面通信网络与卫星通信网络的互联互通，并提高整体网络的通信性能。端到端及星地一体化通信网络（卫星通信网络与地面通信网络）互联互通如图2所示。

协议网关将卫星通信网络两端的TCP/IP链路或通信网络隔离，在地面终端或通信网络与网关之间采用标准TCP/IP协议，在网关之间采用SCPS 协议。网关从地面终端或通信网络上接收到TCP/IP数据，将其数据转换成适用于卫星链路传输的SCPS协议数据，并在卫星通信网络的另一端将数据转换为适合地面链路传输的TCP/IP数据，实现与地面终端或通信网络用于的通信。

通过协议转换网关的使用，使得运行商和用户获得了两种技术相结合而带来的所有优势，达到现有基于TCP协议的应用程序无需改变，同时在空间链路中采用适用于于卫星链路的SCPS协议。协议转换网关在空间段屏蔽了卫星链路的各种不利因素，从而增强了通信链路或系统的整体性能。