基于数据池的中继卫星地面数据传输体系及关键技术研究

李望 朱亮 胡星刚 徐会忠

(1 中国电子科技集团公司第十研究所,成都 610036) (2 北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)

中继卫星因为其固有的优点，受到美俄等航天强国的重视并得到大力发展[1-5]。随着中继卫星的技术快速发展，我国的中继卫星系统也得到长足发展。文献[5-6]总结了我国第一代中继卫星地面应用系统建设情况，包括共性难点和总体设计上的特殊性。文献[7]提出了以中继卫星系统为骨干构建我国空间传输网络的设想，通过星间、星地高速激光/微波链路，可有效保障空间大量信息的快速落地。但是，空间大量数据的应用越来越多，如何保障这些不同用户与任务的空间数据落地后进行有效的传输与分发成为中继卫星系统发展中急需解决的主要问题之一。

现有的中继卫星数据传输架构为中心代理型，即空间数据落地后都通过地面站送给调度中心(以下简称中心)，再由中心按照预先配置好的用户连接，将数据送给用户。这种中心代理架构是在数据发送者和数据接收者之间引入一个中介，即在地面站与用户间引入中心的数据传输与分发设备，中心的数据传输与分发设备接收数据发送者(地面站)发出的数据，根据本地保存的任务信息对数据进行过滤，将数据分类转发给不同的数据接收者(用户)，这种架构对中心数据传输与分发设备的可靠性、传输能力等有着较高的要求，同时需要固定配置用户端的链路。因此，传输与分发系统的可靠性、灵活性、传输性能将明显制约中继卫星系统的地面数据传输效能。

本文提出的基于数据池(以下简称为池)的数据传输与分发架构，采用多个通用的数据传输与分发设备构成数据传输与分发池，池的两端分别连接地面站与用户。根据不同用户、不同任务的地面数据传输需求，可灵活的调度池中的数据传输资源，完成资源动态调度与配置。由于不存在中心代理模式下的传输性能瓶颈，同时提升传输与分发系统的可靠性，并具有灵活的用户连接配置能力，该架构将明显提升中继卫星系统地面数据传输与分发效能。

1 传输模式分析

1.1 现有中心数据传输模式

中继卫星系统的数据传输特点是中继卫星先通过星间链路，将卫星节点的返向数据传输到卫星所对应的地面站，再将用户的数据汇集到中心，最后传输给用户中心；同时用户中心也是先将前向数据发给中心，再根据规划，发给各地面站，再通过相应的卫星链路送给卫星用户。因为中继卫星是同步轨道卫星，所以可以一直维持天地链路，保持实时数据传输。这与中低轨卫星只能在过顶地面站时进行数据传输存在显著区别。中继卫星传输采用中心代理传输方式，即所有的数据都通过中心的数据传输与分发设备进行传输，如图1所示。地面站提供前返向数据发送/接收通道，接收中心的传输与分发设备转发的前向数据；同时接收、恢复空间数据帧，按地面格式实现数据打包，向中心的传输与分发设备发送。中心完成地面链路控制，按照任务计划，配置好地面站与数据传输分发设备、数据传输与分发设备与用户等之间的链路，然后数据传输与分发设备接收用户发送的前向数据并转发到所连接的地面站，接收地面站发送的返向数据并转发到用户，同时完成前返向数据的协议转换。用户接收中心的数据传输与分发设备发送的返向数据并按约定的格式解包，按约定的格式打包前向数据并向中心的数据传输与分发设备发送。

图1 基于中心的数据传输模式Fig.1 Center-based data transfer mode

如图1所示，现有中继卫星数据传输的主要问题有：①数据传输流程受单一传输模式的制约，并存在明显的数据传输能力瓶颈；②数据传输资源、接口配置固化，灵活性差，可能导致传输系统的可靠性差；③地面站、中心、用户三者间数据传输设备信息接口复杂、状态差异大，导致高速数传设备资源利用率低、地面链路建设投入巨大。

1.2 基于池的数据传输模式

基于池的数据传输模式采用新的传输架构，多个通用的数据传输设备形成一个传输与分发池，负责与地面站、用户等进行动态链接，完成前返向数据的接收、处理、分发等，如图2所示，包括两种传输设备方式：基于调度的数据传输和基于IP网关的数据传输。基于调度的数据传输是在中心的控制、调度下完成建链、数据传输、拆链等，基于IP网关的数据传输是基于路由策略的数据传输，按照目标地址自动完成数据传输与分发。

在基于调度方式下，中心接收用户发送的任务请求，分配数据分发池资源，向专业监控下达数据传输任务/数据重传任务，向用户发送数据传输池任务调度设备通信参数。任务结束后，接收专业监控上报的任务执行结果报告；数据传输池接收地面站专业监控下达的任务信息，分配数据传输设备资源，与用户数据接收模块建立数据连接，接收用户数据接收模块发送的前向数据，并向用户数据接收模块传输返向数据。与地面站数传终端设备建立连接，接收数传终端发送的返向数据，并向数传终端发送前向数据。完成数据协议转换；用户完成中继卫星数传/重传任务申请，接收中心返回的数据传输池任务调度设备通讯参数并转发到用户数据接收模块；用户数据处理模块与数据传输设备建立通讯连接，接收数据传输设备发送的返向数据并按约定的格式解包，按约定的格式打包前向数据并发送到数据传输设备。

IP网关除了提供上述基于调度方式下的能力外，还支持未来用户数据直接IP传输的应用需求，即载荷数据直接基于IP地址的数据传输分发，适应未来天地一体化信息网络基于天地IP互联的数据中继传输系统[8]的应用需求。

图2 基于池的数据传输模式Fig.2 Pool-based data transfer mode

采用基于池的数据传输架构，可以更好的满足如下需求：

(1)高性能需求：在中心代理架构中，由于中心代理的引入，增加了数据在网络传输的环节，存在传输性能瓶颈，而基于池的数据传输在吞吐量和传输时延两方面的性能均优于中心代理架构。

(2)可靠性需求：基于池的数据传回架构在可靠性、抗毁性方面强于中心代理架构，基于池的中心管理设备在完成与数据发送方和数据接收方之间任务信息交互后，即不再参加数据传输的中间过程，此时中心管理设备的失效对整个数据传输过程不会造成影响。

(3)战时实时性需求：基于池的传输架构能够更好的适应战时临时、快速传输。用户不具备接入中继卫星系统数据传输骨干网，或用户/地面站与中心之间传输带宽受限时，基于池的架构，用户可就近直接与中继卫星地面站/中继卫星机动站建立通讯连接，完成数据的接收和发送。任务交互信息数据量为KB级，可通过卫通或电话/传真进行交互。

(4)空间网络融合应用需求：通过基于池的数据传输，将用户接入管理服务与数据业务传输服务职能分开，可有效提升管理和传输效能，从而提高中继卫星系统的数据传输利用效率。并且在未来的空间信息网络中，需要提供多种应用服务，而新的基于池的传输架构具有更好的灵活性、实时性、可靠性，对于多种类型的服务及融合提供更好的支持。

2 基于池的数据传输体系设计

2.1 传输架构

针对中继卫星数据传输系统这种先落地再分发的应用特点，采用“1+n+K+m”池式的数据传输体系架构，即1个中心、n个地面站、K个通用的传输分发设备、m个用户。

调制解调设备采用标准化，具有标准的外部数据接口(采用规范化设计，如规范的交互通信协议、调度指令等)，只负责完成前返向数据的发送和接收，数据的调制和解调，不再承担任务流程控制、链路控制等，从而简化调制解调设备的设计。

传输分发设备采用标准化通用化，也具有标准的外部交互接口，由中心任务管理设备的统一调度，可实现数据传输池在地面站、中心的灵活部署。根据任务对数据传输性能及可靠性、重要性的需求，可以指定多种资源分配策略，实现终端设备与数据传输设备的多种配置组合。

通过制定标准的调制解调数据接口、数据传输接口，以及在用户配置通用数据处理终端的方式，解决数传设备信息接口复杂的问题，用户只需关注与部署在用户的数据处理终端之间的数据接口，简化了系统联试联调的环节，提升中继卫星使用效能。

图3 基于池的数据传输体系结构Fig.3 Pool-based data transfer system architecture

2.2 运行模式

完整的中继卫星系统地面数据传输包括管理控制设备、通用数据传输设备(含IP网关)、存储设备等组成，如图4所示。

1)管理控制设备

负责数传链路控制、任务调度、节点的状态管理，以及向地面站专业监控上报数据传输系统的工作状态，并提供传输任务过程的监视与控制，包括监控实时任务、事后重传任务、数据统计分析等。

2)通用数据传输设备

采用多个通用数据传输设备，每个设备部署数据传输/存储软件，接受调度设备的指令，完成数传链路建立、数传链路切换、实时数据传输等功能。并部署数据事后重传软件，完成任务数据的事后重传。同时IP网关设备除了配置通用数据传输设备的功能外，还配置路由、空间协议处理等功能，支持天地一体网络化数据传输与分发。

3)存储设备

完成前返向数据的存储，用于事后重传、分析。为了能够实现多任务的数据存储、重传，可采用分布式存储方式实现。

4)通用的数据传输设备以及IP网关设备

作为资源池在调度中心的统一管理与资源分配下，分别与地面站终端调制解调设备、用户数据处理终端进行动态链接，完成满足基于多任务调度下的按需数据传输需求以及基于天地一体化IP路由策略的数据传输应用需求。IP网关除了基于调度的功能外，还采用基于IP的路由策略的数据传输方式，主要是按照路由算法实现端到端的数据传输，即在路由策略下实现数据的传输，本文不再进行赘述。多任务资源调度下的数据传输方式下的流程包括计划接收、任务准备、任务执行和任务结束四个方面。

3 主要关键技术

1)通用数据传输设备硬软件架构

面向未来大容量空间信息传输的需求，中继卫星系统的数据分发能力需要不断提升。中继卫星星间链路或用户链路是与用户相连，在没有星上处理及分发能力之前，均是通过每颗卫星转发到地面站，在地面站进行处理后，将用户数据送给中心。当卫星具有处理与分发能力时，通常是低速信息可以直接在星上进行分发，高速数据依然要先送到地面后进行分发。而前向与之类似，且前向还要根据航天器标识来进行数据转发。因此，如何设计通用的数据传输设备硬件架构，以满足不断提升的中继卫星传输应用需求，成为通用化的传输设备的核心。

同时，除了需要支持按需调度的传输分发需求，针对未来天地一体化信息传输未来的发展，将来会面向用户端数据的直接IP传输问题[9]，因此在软件架构设计的时候，除了需要考虑支持具有调度规则，也要考虑支持空间传输协议与IP路由传输分发规则。

2)标准化模块化技术

由于通用的数据传输设备是池的分发核心，因此，依据设备的具体要求，按照“数据接收、存储”和“数据处理”两大核心功能，进行模块化设计和接口标准化设计，以支持接口动态配置、性能灵活升级、资源按需重构，达到中继卫星系统地面数据传输与中心同用户之间的数据传输相关设备的技术状态和接口协调维护工作，提升系统运行的稳定性。

重点是数据传输分发相应接口的标准化、可配置化，如在数据传输池的每个设备，均需要能够支持管理的标准化管理模块，并能够通过管理模块实现对业务端口的IP地址、端口号、发送数据的目的IP地址、端口号等进行配置，从而实现按需动态调度的数据传输池。

同样，地面站、用户数据终端等，都需要具有相应的能力。

3)基于池的管理与调度技术

数据传输池作为资源如何动态进行管理与调度，满足不同用户、不同任务、不同业务传输应用需求。包括池资源管理、池资源调度、多任务运行管理与任务管理等。

在遵循文献[10]提出的资源分配原则基础上，基于数据传输池的资源管理与调度重点需要关注一下几个方面：

资源加入与退出及状态管理：中心可以动态感知某个具体传输设备的加入，通过合法性检验，自动加入传输池，并根据整个传输池的情况分配相应的IP地址、端口号。同时，实时收集数据传输池里面的所有传输设备的状态，并进行分类管理。

用户的任务需求：有中心对用户的数据传输需求进行分析、判断，落实到具体可以完成用户任务的传输计划；

资源调度：针对用户的传输计划以及传输池的状态(传输设备能力、使用情况)，动态分配相应的传输设备资源，并根据需要调整地面站、传输设备、用户数据终端三方的IP地址、端口号以及数据发送方的IP地址与端口号。当数据传输任务完成后，释放任务所占用的数据传输设备。

4 演示验证测试

演示验证系统主要包括多台数据分发设备构成的数据分发池、模拟地面终端站、模拟用户终端、模拟用户中心等，主要目标是完成基于池的数据分发系统模式验证。

用户终端生成的数传数据，经中继卫星转发后，由中继地面站数传终端接收解调，并按照地面数据格式送给数据分发设备，数据分发设备根据相关规则，转发给对应的用户中心。应用中心生成的数据送给数据分发设备，数据分发设备根据相关规则转发给数传终端，经过处理、调制后通过中继卫星送给用户终端。

采用定制Linux操作系统+分发软件的形式，数据分发软件划分为如下功能模块：管理调度、实时数据接收、实时数据分发、用户终端状态提取、传输状态报告管理、数据存贮、事后数据重传(实现地面终端重传和分发设备重传)等。数据分发设备软件组成与模块间关系如图5所示。

图5 数据分发软件架构Fig.5 Data distribution software architecture

分发设备基于CN78XX专用网络处理器，该处理器共有48核，通过软件配置部署数据分发软件。测试结果如表1所示。

表1 设计指标及测试结果

通过表1可以看出，在管理调度、数据分发存储、前向数据实时传输、返向数据实时传输、数据转发时延以及软件加载切换时间6项测试中，测试结果均满足设计指标要求，证明基于池的中继卫星数据传输架构可以满足中继卫星未来基于多任务、多用户、多业务等应用需求下的数据传输与分发。

5 结束语

本文在分析了现有中心代理型中继卫星数据传输架构不足的基础上，提出了一种新的基于池的中继卫星地面数据分发架构，分析了其传输架构和运行模式，阐述了主要关键技术并进行了演示验证测试。测试结果证明：基于池的中继卫星数据传输架构可以满足中继卫星未来基于多任务、多用户、多业务等应用需求下的数据传输与分发。该架构简化了中继卫星用户数据分发流程，提升数据分发效率，从而能够有效提升中继卫星使用效能。