（信息与通信工程专业论文）基于ccsds的空间数据链路协议研究与仿真.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 为满足未来我国空间探测的发展需要，本课题对空间数据系统咨询委员会 c c s d s 建议的几个空间数据链路协议进行了分析和研究。 论文首先介绍了c c s d s 空间数据链路协议的发展历史，说明我国开展对其研 究和最终采用c c s d s 建议的必要性。参照c c s d s 空间数据链路协议的建议并结 合本课题实际需要，在总结出了一种有效的传送帧产生算法和确定相关参数后， 采用o p n e t 仿真工具对遥测t m 和遥控t c 协议进行建模。并利用此模型，对多 业务类型数据源包分发和c o p 。1 闭环控制机制进行了仿真。 参考通用协议性能分析方法，对已经建立的t m 和t c 协议模型进行了性能仿 真。首先利用t m 模型，分别从源包和帧数据域长度变化角度出发，仿真了它们 对协议通信链路吞吐量的影响。然后引入有效吞吐量的概念，从理论仿真角度分 别得出了遥控包、段数据域和帧数据域长度对有效吞吐量的影响。最后针对t c 协 议实际应用例子，分析了加入身份认证机制可能对协议产生的影响。 课题建模和仿真的目的是找寻对协议干扰的方法，同时作为重要的创新点， 论文在最后提出了基于有效吞吐量性能和身份认证机制的两种干扰方法。 主题词：c c s d s ；o p n e t 仿真：c o p 1 ；f o p 1 ；干扰 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h es p a c ee x p l o r a t i o no fo u rc o u n t r y ，t h i st h e m ea n a l y s e sa n d s t u d i e ss e v e r a ls p a c ed a t al i n kp r o t o c o l sp r o p o s e db yc c s d s f i r s t t h i st h e m ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya b o u tc c s d ss p a c ed a t al i n k p r o t o c o l s ，s h o w i n gt h en e c e s s i t yo fs t u d y i n ga n df i n a l l yu s i n gt h ep r o p o s a l si n o u r c o u n t r y r e f e r r i n gt ot h ep r o p o s a l so fc c s d ss p a c ed a t al i n kp r o t o c o la n dc o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a l i t y ，a f t e rs u m m a r i z i n ga l le f f i c i e n ta l g o r i t h mo ft r a n s f e rf r a m eg e n e r a t i n g a n dc o n f i r m i n ga l lp a r a m e t e r s ，w em o d e lt ma n dt cu s i n go p n e tw h i c hi sa s i m u l a t i o nt 0 0 1 t h e n ，w es i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fd a t as o u r c ep a c k e t sa n dc o p 一1 u s i n g t h em o d e l s r e f e r r i n gt ot h eg e n e r a lc a p a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d s ，w es i m u l a t et h ec a p a b i l i t i e s o ft ma n dt cw h i c hh a v eb e e nm o d e l e d f i r s t ，w es i m u l a t et h et h r o u g h o u tc h a n g e s u s i n gt mm o d e lw h e nt h es o u r c ep a c k e ta n dd a t af i e l do ft r a n s f e rf r a m ec h a n g e c o n t i n u a l l y t h e ni n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fe f f e c t i v et h r o u g h o u t ，w ea n a l y z et h e c h a n g e so fe f f e c t i v et h r o u g h o u tw h e nt e l e c o m m a n dp a c k e t ，d a t af i e l do ft e l e c o m m a n d s e g m e n ta n dd a t af i e l do ft r a n s f e rf r a m ec h a n g ec o n t i n u m l y a tl a s t ，t a k i n ga na p p l i e d e x a m p l ei n t oa c c o u n t ，w ea n a l y z et h ep o s s i b l e e f f e c tw h e ni d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n m e c h a n i s mi sa d d e di n t ot c p r o t o c 0 1 b e c a u s et h ep u r p o s eo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gi st h a tt h i st h e m ec a nf i n d m e t h o d st oi n t e r f e r ec c s d ss p a c ed a t al i n kp r o t o c o l s a tl a s tt h i st h e m eb r i n gf o r w a r d t w oi n t e r f e r e n c em e t h o d sb a s e do ne f f e c t i v et h r o u g h o u ta n di d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ， w h i c ha r ei m p o r t a n ti n n o v a t i o np o i n t si nt h i st h e m e k e yw o r d s - c c s d s ；o p n e ts i m u l a t i o n ；c o p - 1 ；f o p - 1 ；i n t e r f e r e n c e 第i i 页 国防科学技术大! 学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1c c s 时间码p 域格式1 4 表3 2 数据源包结构。2 3 表3 3 传送帧初始结构2 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1 分包遥测系统6 图2 2 分包遥控的分层模型7 图2 3 分包遥控与分包遥测的关系8 图2 4 分包遥控的数据结构9 图2 5a o s 发送端数据流1 0 图3 1c c s 时间码t 域格式1 4 图3 2 数据源包格式。1 4 图3 3 传送帧格式1 5 图3 4 传送帧主导头格式1 5 图3 5 传送帧副导头格式j 1 5 图3 6 遥测协议仿真系统项目模型1 6 图3 7 遥测协议空间子网节点模型1 6 图3 8 遥测协议地面子网节点模型1 7 图3 9 遥测协议s o u r c e 节点模型1 7 图3 1 0 x r n tv cp r o c e s s 节点模型1 8 图3 11r c vm ep r o c e s s 节点模型18 图3 1 2 遥测协议s o u r c e 进程模型一1 9 图3 1 3 传送帧生成算法示意图2 0 图3 1 4 传送帧生成的有限状态机模型2 l 图3 15 数据源包恢复的有限状态机模型2 2 图3 1 6 装入数据包后的帧结构2 4 图3 1 7 装入了空闲数据包的传送帧结构2 5 图3 18 源包数量随时间变化关系图2 5 图3 1 9 传送帧数量随时间变化关系图2 6 图3 2 0 接收端恢复出的源包格式2 6 图3 2 1 信宿接收的源包数量随时间变化关系图2 7 图3 2 2c o p 参数之间的关系2 8 图3 2 3f o p 1 的分层模型2 8 图3 2 4f o p 1 与上层进程间通信包格式2 9 图3 2 5f o p 1 与下层进程问通信包格式3 0 图3 2 6f o p 1 发送队列数据结构31 图3 2 7 遥控协议仿真系统项目模型3 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图3 3 7 图3 3 8 图3 3 9 图3 4 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 ，11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 遥控协议地面子网项目模型3 2 遥控协议空间子网项目模型3 3 遥控协议链路干扰子网项目模型3 3 遥控协议s o u r c e 节点模型3 4 f o p 节点模型3 4 f o pl o w e r 节点模型34_procedure 遥控协议s o u r c e 进程模型3 5 f o ph i g h e rp r o c e d u r e 进程模型3 5 f o p 进程模型3 6 f a r m 进程模型3 7 仿真第6 0 秒f o p 1 重传2 4 号帧图示3 8 发送端f o p 1 传送帧数量随时间变化图3 9 接收端f a r m 1 已接收帧数量随时间变化图3 9 不同源包大小下吞吐量随时间变化图4 0 不同帧数据域大小下吞吐量随时间变化图4 1 遥控包结构图：4 2 遥控段结构图一4 2 遥控帧结构图一4 3 有效吞吐量随遥控包长变化图4 4 有效吞吐量随遥控段数据域长度变化图4 5 有效吞吐量随遥控帧数据域长度变化图一4 6 包含身份认证的遥控协议示意图一4 9 e s a p s s 0 4 1 0 7 认证系统4 9 加入身份认证后的遥控协议项目模型5 0 加入数字签名域后传送帧的结构图5 0 f a r m 高层接收端通过身份认证的帧数量变化图5 1 f a r m 端接收到的传送帧数量变化图5 l 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王盟旦墨盟窒闺数握焦整迹邀盟窒生笾墓 学位论文作者签名：且零日期：加6 7 年月u 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题日： 基i 鳗墨堕煎空间数量堡整迹这盟窥量笾真 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 协 。i 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 尽管到目前为止，人类进行太空探索已经有了很长的一段时期，但航天技术 的日渐成熟和广泛应用却是缘于最近几十年计算机及通信技术的飞速发展。由于 早期的空间任务传输的数据量小，且对质量要求也不高，所以传统的航天技术主 要采用基于p c m ( p u l s ec o d em o d e m ) 体制的测控系统。随着科技的不断进步，航天 器平台和有效载荷的复杂度都在不断提高。从对地观测卫星到数据中继卫星，从 近地轨道卫星到空间站，还有火星探测器等深空飞行器，航天任务的物理环境更 复杂，功能要求更高，数据速率范围更宽，因此对航天任务的数据业务需求也提 出了更高的要求，传统的测控体制已经不能满足需求。基于这种情况，1 9 8 2 年， 美国宇航局( n a s a ) 、欧洲空间局( e s a ) 和许多其他国家的空间局成立了空间数据 系统咨询委员会c c s d s ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c e d a t as y s t e m ) 。 c c s d s 的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，同时也加速空间数据 系统的开发，促进国际间的相互支持、合作与交流。c c s d s 经过2 0 多年的发展， 目前已有3 4 个空间机构参与支持，包括b n s c ( 英国国家空间中心) 、i n p e ( 巴西空 间研究院) 、c s a ( 力n 拿大空间局) 、n a s a ( 美国宇航局) 、c n e s ( 法国国家空间中心) 、 n a s d a ( 日本宇宙开发事业团) 、d l r ( 德国航空航天中心) 、r s a ( 俄罗斯空间局) 、 e s a ( 欧洲航天局) 、a s i ( 意大利空间局) 等1 0 个著名空间机构【i j ，并逐步建立了一 套基本的空间通信标准，被广泛地应用于空间通信领域，有大约2 5 6 个空间任务 采用了c c s d s 建议。 由于我国的空间探测技术起步较晚，发展一直滞后于西方发达国家，目前还 只是c c s d s 的观察员，尚没有成为其中正式的一员。与多数航天强国比较成熟得 应用了c c s d s 测控体制不同的是，目前我国还处于起步阶段。随着空间探测的不 断深入和深空探测的开展，现有的体制已经不能满足需求。我们也逐渐意识到， 未来航天器测控数据体制迫切需要采用c c s d s 建议。例如摒弃传统的常规在轨系 统c o s 体制，采用先进的高级在轨系统数据体制，需要将传输数据封装进c c s d s 源包，在虚拟信道和主信道中进行多路复用，并经纠错编码后形成统一的传输数 据流。跟踪研究c c s d s 一系列建议不但能大幅度提高我国空间探测能力，更有利 于加强与其他国家间的航天合作，从而发挥中国这个空间大国在空间数据系统领 域中的应有作用。因此，开展对c c s d s 建议研究和性能分析具有很重要的意义。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 1 国外研究现状 1 2 国内外研究现状及发展趋势 早期的分包遥测协议是为了增加地空间链路利用效率，受包交换思想影响而 提出的。而基于同样的原理，c c s d s 又制定了遥控系统建议，用来将地面上的遥 控信息封装成遥控数据包。后来，为了满足诸如国际空间站这样的高级轨道系统 的通信需求，c c s d s 对上述两个建议进行扩展，提出了高级在轨系统建议。它扩 充了包遥测建议服务使其能够支持各种类型数据，可用于空到地、地到空两个方 向传输，其包格式与包遥测协议建议相同，但传输帧格式略有不同。 从2 0 世纪9 0 年代开始，c c s d s 开始对其已制定的三个空间链路协议进行重 构和扩充，形成统一的层次清晰的空间链路协议模型，将原空间链路包含的三个 协议进行分解和合并，形成空间包协议，t m ( t e l e m e t r y ) 、t c ( t e l e c o m m a n d ) 、 a o s ( a d v a n c e do r b i t i n gs y s t e m s ) 空间链路协议和t 1 w t c 同步和信道编码三个层 次，从而使其链路层不但可以支持上面原有的网络层，原则上也支持其它的任何 网络协议。为了扩充原协议的功能，c c s d s 参照因特网协议层次模型，开发了一 组称为空间通信协议规范s c p s ( s p a c ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ) l 拘协 议，相应开发了s c p s 网络协议( s c p s - n p ) ，s c p s 安全协议( s c p s s p ) ，s c p s 传 输协议( s c p s t p ) 和s c p s 文件协议( s c p s f p ) 。开发这些协议的目的是满足下列需 求【2 】： 支持可靠数据传输的标准协议需求； 满足正在开展的多空间节点任务配置对空间网络选路的需求； 大幅度压缩运行成本且保持从空间任务获得结果的能力的需求； 与因特网兼容和互操作的需求。 这些技术和协议在各国的空间飞行器遥控遥测和国际空间站中得到了广泛的 应用。 1 2 2 国内研究现状 尽管我国到目前一直未能成为c c s d s 正式成员，但航科集团5 院作为观察员， 自8 0 年代开始一直跟踪和研究c c s d s 系列建议，于9 6 年成立了c c s d s 常设工 作组。在9 5 年开展了空间站信息与数据系列概念研究，首次提出了空间站采用 c c s d s 体制的设计方案，并于9 6 年开展了c c s d s 体制空间数据系统研究。 目前我国航天器测控技术仍处于采用c c s d s 建议的初级阶段，但随着航天任 务复杂性的增加，特别是未来载人航天的实现，对星地闭合回路、空间站与地面 站之间交互支持的需求在日益增长，目前的测控技术已经不能适应复杂测控的要 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 求了，建立成熟的c c s d s 测控体制是新一代航天器测控分系统的迫切要求。 近些年中，a o s 在实践五号卫星及神州飞船数管系统中的应用，说明了国内 航天器测控技术的发展正在逐渐向国际标准靠拢，特别是复杂航天器比如载人飞 船等，已经不仅需要常规数据系统的支持，还需要使用高级在轨系统( a o s ) 的建议 实现数据的规范化管理，因此在测控系统的实现中，从常规系统c o s 向a o s 的 过渡是必经的一个阶段。 1 2 3 空间通信发展趋势 随着空间探测的进行和空间应用的发展，空间通信模式也将发生变革。目前 空间通信和地面通信为两个相互独立的网络，其中运行着各自的通信协议，由于 体系结构的不一致，这将给空地通信带来不小的麻烦，而未来的空间任务需要端 到端天地一致的网络协议。 地面上i p 协议是用户普遍采用的通信协议，采用此协议的网络己互连构成遍 布全球的通信协议，空间如果能够应用此协议，那么可以使地面和空间的通信从 网络层开始采用基本上一致的协议，从而可以从网络层开始提供一体化的端到端 通信服务，不但可以有效地利用现有的因特网基础设施，而且可以利用现有的i p 技术和产品，使空间任务的成本大幅度降低。 i p 最初是为固定网络设计的，并不适应空间应用。但i p 技术是一项开放的不 断发展的技术，当前为扩大应用领域也正处于变革和演变阶段。人们不断研究如 何修改、升级和完善i p 协议，使其能够用于各种通信环境中。i p 技术的发展特别 是在移动通信中的发展使之逐渐适应空间通信需求，主要体现在以下几个方面【2 j ： 1 ) 对移动通信的支持。航天器在飞行过程中要通过无线信号与其他实体通 信，航天器在空间可组织成a dh o e 网络互相通信，与地面系统通信要通 过地面跟踪站或经跟踪卫星中继接入到地面网络。 2 ) 对q o s 的支持。传统的因特网只支持一种服务，即尽力而为的服务，显 然不能满足空间通信的需求。随着因特网的应用发展，要求网络提供更多 类型的服务质量保证支持，尤其对实时数据和移动通信环境下的服务质量 的支持，如何提供i p 网络服务质量保证支持也是目前研究的热点问题。 目前已经提出了如集成服务模型和差分服务模型等多种机制。 3 ) 下一代协议i p v 6 的制定。从1 9 9 0 年开始，i e t f 就着手研制下一代i p 协 议，这个新一代的i p 协议现在已正式称作i p v 6 。i p v 6 是在总结i p v 4 的经 验基础上发展起来的，它继承了i p v 4 的优点，又融入了不少对新功能的 支持。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 本文的主要工作及结构 本文的第一章是绪论部分，从人类航天工程和空间探索出发，引入了本课题 研究对象c c s d s 空间通信协议，并对其发展历史进行了简要的介绍；然后概述了 国内外关于c c s d s 空间通信协议研究现状，展现了协议应用的美好前景和课题研 究的重大意义，并针对空间通信的未来，具体总结了几点发展趋势；最后说明本 文的主要工作及结构。 第二章是对本课题研究基本理论和相关工具的简介。首先阐述了研究对象 c c s d s 空间数据链路几个协议的发展历史；然后针对将在课题中重点研究的t m 和t c 协议给出了较详细的说明；最后是对仿真工具o p n e t 的介绍。 第三章以t m 3 】和t c 4 为重点建立c c s d s 空间数据链路协议模型。搭建t m 仿真模型时首先从确定源包和传送帧格式出发，并给出了拆包组帧算法，按照从 源包到虚拟信道复用到主信道复用再到物理信道的顺序建立了模型，最后用仿真 图形验证了模型的正确性；搭建t c 仿真模型时以闭环控制机制 c o p 1 ( c o m m t m i c a t i o n so p e r a t i o np r o c e d u r e 1 ) t 5 j 为核心，按照从高层进程到 f o p 。l ( f r a m eo p e r a t i o np r o c e d u r e 1 ) 再到低层进程的顺序建立地面模型，并以相反 的顺序建立空间模型，最后利用仿真图形验证了c o p 1 的功能。该章节两协议模 型的建立，为此后协议性能分析和仿真奠定了基础。 第四章从三个方面对两个协议的性能进行了分析和仿真。首先以搭建的t m 模 型为基础，利用o p n e t 仿真了源包大小和帧数据域大小对吞吐量性能的影响；其 次从理论上分析了t c 协议遥控包、遥控段和遥控帧之间的关系及对协议有效吞吐 量性能的影响，并用m a t l a b 工具进行了仿真；并通过具体的实例，说明了遥控协 议应用中，闭环控制可能存在的一个问题。作为本课题研究的目的和重要创新点， 论文最后总结提出了遥控协议基于有效吞吐量性能和身份认证机制的干扰方法。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章相关理论和工具简介 2 1c c s d s 空间数据链路协议简介 c c s d s 自成立以来，制定了许多空间通信协议，在各国的航天计划和太空探 测中得到了广泛的应用。而迄今为止，最成熟且被各国采用更多的为一组空间数 据链路协议。 2 1 1c c s d s 空间通信协议概述 2 0 世纪8 0 年代，为增加地空之间链路的利用率，受包交换思想的影响，c c s d s 首先制定了包遥测协议，用于传输由航天器到地面的变长数据包。随后c c s d s 又 制定了遥控系统建议，用于传输遥控信息。接着c c s d s 又扩展提出了高级在轨系 统建议( a o s ) ，可用于空到地、地到空两个方向传输，其包格式与包遥测协议 建议相同，但传输帧格式略有不同。c c s d s 制定的上述几个建议，构成了空间链 路通信建议。 2 0 世纪9 0 年代，c c s d s 对其制定的三个空间链路协议进行了重构和扩充， 形成统一和清晰的空间链路协议模型，将原空间链路包含的三个协议进行分解和 合并，形成空间包协议，t m t c a o s 空间链路协议，t m t c 同步和通道编码三个 层次，从而使其链路层不但可以支持其上面原有的网络层，原则上也支持其他的 任何网络协议。 美国喷气动力实验室设置了名为n e x tg e n e r a t i o ns p a c ei n t e m e t ( n g s i ) 的项目 研究使用公开标准( i p 协议及c c s d s 协议) 连接具有自主能力的地球观测星座与 地面因特网，将来空间通信大部分将采用c c s d s 协议建议。 c c s d s 在o s i 模型的数据链路层中定义了两个子层：数据链路协议子层和同 步及通道编码子层。数据链路协议子层明确高层通过空间链路使用数据包( 例如 传输帧) 传输数据单元的方法。同步及通道编码子层说明了通过空间链路传输“传 送帧”的同步和通道编码方法。 数据链路子层中的协议包括： t m 空间数据链路协议 t c 空间数据链路协议 a o s 空间数据链路协议 上述三种协议具有通过单向空间链路进行数据传输的能力。 c c s d s 也制定了两种同步及通道编码子层的标准： t m 同步及通道编码 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t c 同步及通道编码 t m 、t c 、a o s 和临近p r o x i m i t y - 1 的数据链路协议子层部分称作空间数据 链路协议。 2 1 2 遥测( t m ) 空间数据链路协议 遥测的概念对人们来说并不陌生，迄今已是很成熟的技术。但是由于新一代 航天器的星上信源自主能力得到加强，使产生的源包具有自主性、随机性和异步 性等特点。而且这些源包都要经过同一空地链路传回地面，在随之而来的大数据 量和高效传输业务的要求下，需要对传统遥测系统进行更进一步的改进，于是便 产生了分包遥测的概念，并且沿用至今，分包遥测系统代表了遥测协议实现的整 个过程。不同的数据源的各种应用过程将产生多种类型的数据源包，例如航天器 健康数据包、故障诊断数据包等，这些可根据具体的使用业务来划分。而不同的 数据包类型是划分虚拟信道的依据，为了对各种数据有效传输，要求相同类型的 数据占用同一虚拟信道，并形成信道传输所需的传送帧。多个虚拟信道然后将复 用成一条主信道，经过相关业务处理后，主信道将最终形成供空地传输的物理信 道。至此，经过了整个分包遥测的数据产生和发送过程，如图2 1 所示。 分包遥测中一个最重要的概念是虚拟信道( v i r t u a lc h a n n e l ) ，它是一种对多 数据流的信道动态管理机制，实际上是多信源以动态时分的方式虚拟独占物理信 道，从而使多数据流用同一物理信道进行数据传输。由于虚拟信道可独立管理， 并且使分包遥测在单一物理信道上实现了动态复用，提高了信道利用率，与传统 遥测相比有显著的优越性u j 。 应用 过程 ( a p ) 例 v c 0 工程数据 v c l 实时响应 v c 2 下卸数据 二二! 日 二二兰口 二二】日分解源包 西酉西琶、黻多槽 图2 1 分包遥测系统 第6 页 0 体 杠总a b 嗽雎肿胪 1 2 3 4例宿宿宿宿 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 分包遥测中的虚拟信道可以独立管理，不同虚拟信道可具有不同的优先级， 以便为不同类型的数据提供不同等级的服务。分包遥测与传统遥测相比有显著的 优越性。由予提供了虚拟信道机制，可以对不同传输需求的数据提供不同等级的 服务，分包遥测能够兼容各信源宽范围的不同特性和不同实时性的要求；由于分 包遥测在单一物理信道上实现了动态复用，使信道利用率得到了提高；由于各应 用过程能独立自主地按照自身需求生成不同长度的源包，而不受固定采样率的限 制，使分包遥测信源自主性得到保证，能充分支持各应用过程的不同数据需求。 2 1 3 遥控( t c ) 空间数据链路协议 随着航天器数量的增多、复杂程度的提高和飞行任务难度的加大，航天器的 自主控制能力加强，对遥控提出了更高的要求，这使得传统的p c m 遥控方式不能 再满足日益增长的需要。e s a 从1 9 9 1 年开始就停用了原先的遥控标准p s s 4 5 ，转 而采用与c c s d s 分包遥控建议( t c ) 兼容的遥控标准p s s 0 4 1 0 7 ，我国也已参 照c c s d s 建议形成了自己的国军标。分包遥控采用分层体制，可以将复杂的航天 器控制过程简化为由各层一系列简单的标准操作同等实现。纵观c c s c s 制定的空 间数据链路协议建议体系，大体上均包含了数据源、虚拟信道复用、主信道复用 和物理信道传输几个层次，但是具体到不同的协议仍有一定的差别。分包遥控的 体系结构从上到下依次为：应用过程层、系统管理层、分包层、分段层、信道编 码层和物理层，如图2 2 所示。其中最具特色的是在分段层引入了“多路接收指针” m a p ( m u l t i p l e x e ra c c e s sp o i n t ) ，即在虚拟信道复用前增加了一级信道复用，这 样将大大优化信道优先级的分配，提高信道的传输效率【l j 。 l 数据管 理业务 1r jl ； 应用过程层 主 v 系统管理层j 毒t i：分包层 分段层 ， 传送层 奉 v 信道编码层 毒， 物理层 0， 图2 2 分包遥控的分层模型 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 分包遥控和分包遥测构成星地间上下行闭合回路，它们之间的关系可以由图 2 3 说明，目前在分包遥测中已经没有分段层了，分段层曾经出现在老版本的 c c s d s 分包遥测建议中。通过分包遥测定期返回的遥控命令链路控制字c l c w ( c o m m u n i c a t i o n sl i n kc o n t r o lw o r d ) 可以反映星上对遥控命令的传送和接收验证 情况，这是二者相互联系最重要的部分。c l c w 在接收端( 星上) 的传送层生成， 其中包含对遥控传送帧的接收状态信息，反馈给发送端( 地面) 以决定是否继续 发送遥控帧，或重传，或改变遥控帧序列。 分包遥控 星 上 分包遥测 图2 3 分包遥控与分包遥测的关系 包的结构变化上，从数据单元到遥控包，再到遥控段，最终形成传送帧的过 程将非常适合不同数据量数据的传输，如图2 4 所示。所有的特性都是依据协议实 现的实际过程提出的，能很好的适应空间遥控过程对数据高正确率和高传输效率 的要求。超出遥控帧数据域长度的遥控包将被分解成长度合适的若干段，把几个 短遥控包集装成一个段，每一段能正好放入一个遥控帧的数据域中。每一遥控段 只能装一个包的一部分，也就是说，如果一个段在装完前一个包的剩余部分后还 没有到帧数据域长度，也不能继续装下一个包，下一个包必须另起一段。遥控帧 将分成长度固定的短码块以便于进行差错编码，这种遥控码块流再装入信道传输 单元( c l t u ) 中，每一c l t u 可以包含一个或多个遥控帧，在c l t u 的前面有起 始序列，结尾处有结尾序列以标志一个c l t u 的开始和结束。这些c l t u 通过无 线调制后进入物理信道，向接收端发送。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 遥控包 遥控段 传送帧 分组码 遥控信道 传送单元 图2 4 分包遥控的数据结构 2 1 。4 高级在轨数据系统( a o s ) 空间数据链路协议 高级在轨系统是对常规系统的改进，它相比常规系统最大区别是能提供的业 务类型要广泛得多。随着技术的发展，星上的数据处理能力得到了极大的提高， 有时可以将星上视为与地面对等的一个数据处理中心，因此传统的遥控和遥测概 念在高级在轨系统的数据双向传输中就变得相对模糊，取而代之的是星地之间前 向和返回链路的概念，这样，a o s 可以使用对称型的业务和协议，在空间链路之 间双向提供声音、图像、高速遥测、低速处理数据的传输。为了使不同类型的数 据共享同一链路，a o s 提供了不同的传输机制( 同步、异步、等时) 、不同的用户数 据格式协议( 如比特流、字节块、数据包等) 以及不同等级的差错控制。a o s 是一种 包含空间链路的国际网，能够实现星一地立体的交互支持，成为了空间的“综合 数字业务网”，它能够提高信道利用率，降低成本，保证高质量的数据传输【6 】。发 送端数据流如图2 5 所示，接收端数据流是与其相反的一个过程i l j 。 由于业务范围的扩展，a o s 定义了一系列新概念，特别值得一提的是c c s d s 主网c p n 。它为空间任务用户提供端一端数据流的处理网络，包括在空间轨道上 的星载网络和空间链路子网( s l s ) ，空间链路子网将星载网络与地面网络或另一 轨道上的星载网络连接在一起。c p n 端到端业务有两种类型：路径业务和i n t e r n e t 业务，它们在概念上对应于o s i r m ( 开放系统互联一参考模型) 中的网络层。两 个航天器之间或航天器与地面之间的数据链路构成了空间链路子网。s l s 是c p n 的重要组成部分，它本身提供除路径业务和i n t e r n e t 业务外的其他六种业务：包装、 多路、比特流、虚拟信道访问、插入和虚拟信道数据单元业务。路径业务和i n t e m e t 业务也需要通过s l s 完成数据传输任务。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 网 络 层 间包 t ：一 空阐包 协议 ： i 复用 j 二二芒篙 图2 5a o s 发送端数据流 第1 0 页 雷 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 1 网络仿真概述 2 2o p n e t 仿真工具简介 随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用多种多样化，单纯地依靠 经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适 应网络的发展。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，于是网络仿 真技术应运而生i s 。 网络仿真是一项新兴的专门技术，它通过数学建模和统计分析的方法模拟网 络行为，从而获得特定网络的性能参数和统计报表。网络仿真的目的是为网络规 划提供可靠的定量依据，以进行科学的网络设计和网络建设，同时提高网络的利 用率，降低投资风险【9 j 。 2 2 2o p n e t 仿真平台简介 o p n e t 最早是在1 9 8 6 年由麻省理工大学的两个博士创建，并发现网络模拟 非常有价值，因此于1 9 8 7 年建立了商业化的o p n e t 。o p n e t 软件嵌入了关于如 何运作网络设备、网络协议、应用以及服务器的专业知识。这使得网络运营、工 程规划、应用软件开发方面的众多用户在优化性能和提高效率方面的各种努力有 了空前显著的效果。目前共有大概2 7 0 0 个o p n e t 用户，包括企业、网络运营商、 仪器配备厂以及军事、教育、银行、保险等领域。o p n e t 近几年赢得的大量奖项 是对其在网络仿真中所采用的精确模拟方式及其呈现结果的充分肯定。在设备制 造领域，企业界如c i s e o ，运营商如a t & t ，采用o p n e t 做各种各样的模拟和调 试。在国防领域，主要被美国广泛使用，其他国家大多低调处理【l u 。 o p n e t 公司的第一个商业化产品为m o d e l e r ，在此基础上，o p n e t 公司又开 发出了其他产品，使得其产品的种类更加丰富。目前o p n e t 公司的产品线除了 m o d e l e r 外，还包括i t g u r u 、s p g u r u 、o p n e td e v e l o p m e n tk i t 以及w d m g 唧。 不同的产品面向的客户群也不一样。m o d e l e r 主要面向研发，其宗旨是为了 “a c c e l e r a t i n gn e t w o r kr & d ( 加速网络研发) ；i t g u r u 可以用于大中型企业， 作智能化的网络设计、规划和管理；s p g u r u 相对i t g u r u 在功能上更加强大，内嵌 了更多的o p n e t 附加功能模块，包括流分析模块( f l o w a n a l y s i s ) 、网络医生模 块( n e t d o c t o r ) 、多提供商导入模块( m u l t i v e n d o ri m p o r t ) 、m p l s 模块，使得 s p g u r u 成为电信运营商量身定做的智能化网络管理、规划以及优化的平台； w d m g u r u 是面向光纤网络的运营商和设备制造商，为其提供了管理w d m 光纤网 络，并为测试产品提供了一个虚拟的光网络环境。o p n e t 开发包( o d k ，o p n e t d e v e l o p m e n tk i t ) 和n e t b i z o d k 是一个更底层的开发平台，其中o d k 为开发时 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 环境，n e t b i z 为运行时环境，可以用于设计用户自定制的解决方案，定制用户的 界面，并且o d k 提供了大量的函数，用于网络优化和规划【8 1 。 2 2 3o p n e tm o d e l e r 仿真工具简介 m o d e l e r 采用层次化的网络模拟方式( h i e r a r c h i c a ln e t w o r km o d e l i n g ) ，从协 议间关系看，节点模块符合o s i 七层建模标准，业务层t c p 层一i p 层一i p 封装 层a r p 层m a c 层物理层：从网络物件层次关系看，提供了三层建模机制， 最底层为进程( p r o c e s s ) 模型，以状态机来描述协议；其次为节点( n o d e ) 模型， 由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的 协议、设备、网络完全对应，全面反映了网络的相关特性。 o p n e tm o d e l e r 特点如下【j ： 1 1 层次化的网络模型 使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。 2 ) 简单明了的建模方法 在“过程层次”模拟单个对象的行为，在“节点层次”将其互连成设备，在 “网络层次”将这些设备互连组成网络。 3 ) 有限状态机 o p n e tm o d e l e r 使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模。 4 ) 对协议编程的全面支持 o p n e tm o d e l e r 具有4 0 0 多个库函数支持，这样可以方便系统分析员编写出 风格简洁的协议模型。 5 ) 具有无线、点到点以及点到多点链路 链路的行为是透明的，并可通过编程修改链路的传输速率，支持的传送方式 等链路属性。 6 ) 图形化和动态仿真 这个内容主要是针对无线和卫星通信网络。 7 ) 具有丰富的集成