基于CCSDS协议的包复用技术研究.docx

大学学士学位论文毕业设计（论文）成绩评定学生姓名： 专业： 通信工程 学号： 题目： 基于CCSDS协议的包复用技术研究 毕业设计（论文）答辩委员会（小组）评语：答辩评分： 答辩委员会主任（组长）（签字）： 年 月 日毕业设计（论文）成绩： 指导教师评分30%审阅评分20%答辩评分50%毕业设计（论文）成绩 （分）毕业设计（论文）总评成绩（等级）： 答辩委员会主任（签字）： 年 月 日毕业设计（论文）评语指导教师评语：指导教师评分： 指导教师（签字）： 年 月 日 评阅人评语：评阅人评分： 评阅人（签字）： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书学 院信息科学与工程学院专 业通信工程学生姓名学 号设计（论文）题目基于CCSDS协议的包复用技术研究内容及要求：1、了解CCSDS空间通信网络协议规范；2、针对CCSDS AOS高级在轨系统的包信道复用机理进行深入研究和分析；3、利用MATLAB仿真软件，在一定的统计分布模型下，进行A包复用过程的仿真；4、在仿真的基础上，对包复用性能进行分析比较。进度安排：1-3周 资料查阅，学习相关理论知识；4-7周 了解MATLAB仿真软件，进行仿真的初步设计；8-12周 对包复用模型进行详细仿真设计和理论比较；13-14周 仿真调试，数据分析和比较；15-16周 撰写论文，准备答辩。指导教师（签字）：年 月 日学院院长（签字）： 年 月 日学生毕业设计档案学 生 姓 名学 院信息科学与工程学院学 号指导教师姓名职 称副教授、教授所在单位沈阳理工大学毕业设计题目基于CCSDS协议的包复用技术研究毕业设计（论文）完成情况毕业设计各阶段名称起止日期完成情况（存在问题及整改意见）阶段成绩*查阅资料,学习相关理论知识了解MATLAB仿真软件，进行仿真的初步设计对包复用模型进行详细仿真设计和理论比较仿真调试、数据分析和比较撰写论文、准备答辩论文答辩13 周47 周812 周1314 周1516 周指导教师意见 （根据学生出勤及毕业设计（论文）完成情况，指导教师是否同意该学生参加答辩）指导教师（签名）： 年 月 日*注：阶段成绩分A、B、C三级：A为全面完成任务，B为完成任务，C为完成任务不好。摘 要 国际空间数据系统咨询委员会CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)是随着空间技术的不断发展而由多国空间组织共同组成的国际性标准化组织。其建立了一套完善的空间数据系统，是国际上大多数空间任务采用的标准，使空间站内数据传输与交换规格化。CCSDS主要有两套成熟建议：常规在轨系统COS(Coventional Orbiting System)和高级在轨系统AOS(Advanced Orbiting System)。AOS协议比COS更能适应许多新的空间系统（如空间站、无人空间平台、自由飞行器等）和新的空间任务发展对数据系统的更高要求。 本文主要对CCSDS高级在轨系统AOS中的包信道复用技术机理进行研究与分析，并对成帧过程的自适应帧生成算法的复用效率进行仿真。主要内容有：对包复用中的帧生成总过程进行分析，逐一介绍其中出现的数据单元以及其特点；分析了两种帧生成算法的原理，针对对更为优越的自适应帧生成算法，分析影响其复用效率的因素，进行公式推导得出复用效率与等待时间的关系公式，用Matlab软件进行仿真，输出多个多路复用协议数据单元MPDU(Multiplexing Protocol Data Unit)时等待时间对复用效率的影响。仿真结果表明，等待时间越久，复用效率越高。关键词：AOS 协议；自适应帧生成算法；复用效率Abstract Consultative Committee for Space Data systems (CCSDS) is an international standard organization consisted of multinational space organization, with the constant development of space technology by multinational spatial organization composed of international standardization organizations. It established a comprehensive system of spatial data, is the international standards adopted by the majority of space missions, the space station normalized data transmission and exchange. There are two sets of mature CCSDS recommendations: COS (Coventional Orbiting System) and AOS (Advanced Orbiting System,). AOS protocol more adaptable than COS many new space systems (such as space stations, unmanned space platforms, such as freedom of aircraft) and the development of new space missions and higher requirements for data systems This paper focuses on the research and analysis of CCSDS the packet multiplexing module. The framing of adaptive multiplexing frame generating efficiency of the algorithm for simulation. The details are: the packet multiplexing frame generating overall process of analysis of the data which it appears introduced one by one unit and their characteristics; analysis of the principle of two frame generation algorithm, for the more superior adaptive frame generation algorithm, analysis affect its reuse efficiency factor for the theoretical formula for multiplexing efficiency and latency between formulas simulation using MATLAB programming, output a plurality of Multiplexing Protocol Data Unit (MPDU) when the wait time for multiplexing efficiency. Simulation results show that the longer the wait, the multiplexing efficiency.Key words：AOS protocol；adaptive frame generation algorithm；multiplexing efficiency目 录1 绪 论11.1 课题研究背景11.1.1 CCSDS的成立11.1.2 CCSDS层次结构21.2 国内外研究现状51.3 本文主要研究内容62 CCSDS的AOS特性研究82.1 AOS的特点82.2 AOS系统综述92.2.1 空间链路子网102.2.2 虚拟信道链路控制子层112.3 业务介绍122.3.1 业务分类132.3.2 业务等级152.4 AOS的分层关系162.5 本章小结173 高级在轨系统AOS包复用机理研究与分析183.1 AOS数据流特点183.2 数据单元格式193.3 几个关键问题203.3.1 复用支持的数据格式203.3.2 MPDU长度213.3.3 MPDU首导头指针字段的设置213.3.4 复用方式213.3.5 填充数据213.3.6 不同类型数据单元的判别223.4 成帧过程分析223.5 本章小结234 帧生成算法研究234.1 高效率帧生成算法描述234.2 自适应帧生成算法描述244.3 自适应帧生成算法复用效率研究244.3.1 MPDU复用效率影响因素分析244.3.2 MPDU复用效率公式推导254.4 Matlab仿真284.4.1 仿真参数设计284.4.2 仿真结果输出28结 论30致 谢31参考文献31附录A 英文原文32附录B 中文翻译4350 1 绪 论1.1 课题研究背景 空间通信系统是空间信息传输、导航、遥感、测控等系统的统称，是随着20世纪航天技术、电子技术、通信技术、遥感技术、计算机技术等的发展而逐步发展起来的。空间通信系统，是由携带各类有效载荷的航天器、星座及其地面支持系统组成，按照信息资源最大综合利用原则，以航天器为枢纽，采用集中和分布结合的方式，互联互通进行信息交换，并具有一定自主运行管理和网络重构能力的天地一体化智能综合信息网络。 随着航天技术的进一步的发展以及人类对太空探索的需求,空间技术己经成为代表一个国家和地区科技实力的重要标志。空间站作为人类探索空间的一种重要的载人航天器己经引起各国的高度重视,它是随着人类载人飞船、航天飞机的发展而诞生的,发展空间站的目的是为人类探索空间创造更好的条件。 未来空间站将是一个规模庞大、管理复杂的大系统,而其中的发射技术、往返运输的航天飞机技术、空间站本身的生保技术等己经被人类突破,所以,未来空间站技术的核心是数据与通讯管理技术,主要问题是如何在复杂的天地环境下有效地将空间站上海量的数据快速准确的传送到地面,这一问题的解决将直接关系到空间站担负的实验能力。 针对空间站数据与通信系统的特性,很有必要建立一套新的、合理并为各个空间国家共同接受的数据体制和标准。国际空间站上的数据系统在数据体制上,采用国际空间数据咨询委员会（CCSDS)为载人航天而设计的高级在轨系统（AOS）系列标准。1.1.1 CCSDS的成立 CCSDS是一个由各国空间组织管理部门联合正式组建的国际协调机构，成立于1982年1月。只有各国空间组织才可以成为其成员或观察员，科学或工业机构只能作为非止式成员。成员必须参加CCSDS的全部活动并提供支持，且在其内部使用CCSDS的标准，有权参加CCSDS的内部表决；观察员则可少量参加其活动，鼓励采用与CCSDS标准兼容的内部标准，观察员不直接参加表决；非正式成员可以只注意CCSDS的活动，建议其采用CCSDS的标准并提出建议。目前该组织有9个正式成员，22个观察员和101个非正式成员。 该组织的宗旨是通过技术协商方式，建立一整套空间数据系统的标准，以便实现广泛的国际合作和相互支持.随着空间事业的发展，空间任务越来越多，系统也越来越复杂，有些任务要求测控不间断地跟踪航天器，但全球步站又不可能，故开始考虑把几个任务的测控集中设计，使用统一的跟踪系统，进一步使不同国家在航天器测控方面，包括测控传输格式及频率等。采用统一的或相互兼容的测控体制，形成标准化，以达到相互支持的研究及攻关，从而实现广泛的国际合作，相互支持，即地球站与地球站，地球站与航天器，航天器与航天器之间都能够连接和通信，一国的航天器的跟踪、测量、数据采集，通信和控制均可借助国际力量，从而大大节省人力、财力、物力，并有可能扩大航天器的发射窗口增多挽救航天器的机会，提高航天器的利用率等.。 CCSDS近期的具体目标是：主持制定和推广应用与空间信息有关的国际标准；指导各个空间组织的基础设施建设；获取最大的交互性；指导开发可扩展、集成快、成本低、满足不同用户交互操作的通用硬件与软件；实现支持空间飞行任务的合作与成果共享；将空间飞行任务信息系统与全球信息基础设施（GII）相结合。CCSDS的21世纪战略目标是：建立和不断扩大空间飞行任务信息系统的配套交换能力，在整个太阳系建立一个国际性可交互的空间数据通信与导航基础设施；支持近地的、深空的、以及飞向太阳系其他星体的飞行器，保证增强性、安全性和可靠性，减少任务成本和集成时间，提高空间信息的利用率。1.1.2 CCSDS层次结构 经过重构和扩充，CCSDS到21世纪初已发布了一系列标准，在主网概念模型的框架内，根据ISO模型，建立了分层的CCSDS主网业务模型，如图1.1所示。CCSDS的协议层次模型类似因特网协议模型，将协议模型层次化，增强了网络层功能，增加了网络层以上的协议，并将因特网协议纳入其中，使整个空间通信标准呈现一种开放式结构。这一方面保证了系统的标准化与开放性；另一方面可以与遵循ISO标准的通信网互联，通过航天数据网提供的ISO规范内的各种业务，其结果将为用户提供更为广泛的服务，更为透明的信息传输以及更为经济的资源共享。空间用户可以在不同层次上通过业务入点进出系统，要求系统提供规范内的服务。图1.1 CCSDS协议层次模型 空间通信协议体系结构自下而上包括：物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。其中，每一层又包括若干个可供组合的协议。 1.物理层 物理层标准包括两部分：无线射频和调制系统和Proximity-1。无线射频和调制系统对星地之间使用的频段、调制方式等作出了定义。Proximity-1是个跨层协议，规定了邻近空间链路物理层特性，包含物理层和数据链路层。物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态信息：如载波捕获信号。而数据链路层又包含五个子层：同步和信道编码子层、帧子层、媒体接入控制子层 、数据服务子层和I/O子层。 2.数据链路层 CCSDS数据链路层定义了数据链路协议子层和同步与信道编码子层。数据链路协议子层规定了传输高层数据单元的方法。数据链路层以传送帧（Transfer Frame）为传输单元。同步与信道编码子层规定了在空间链路上传送帧的同步与信道编码方法。CCSDS 开发了数据链路层协议子层的以下四种协议：TM空间数据链路协议、TC空间数据链路协议、AOS空间数据链路协议，以及Prox-1空间链路协议的数据链路层。 这些协议提供了在单条空间链路上的数据传输功能，统称为空间数据链路协议（Space Data Link Protocol，SDLP）。与之相对应，CCSDS还开发了数据链路层的同步与信道编码子层三个标准：TM同步与信道编码、TC同步与信道编码，以及Prox-1空间链路协议的编码与同步层标准。TM和AOS空间数据链路协议使用底层的TM同步与信道编码。TC空间数据链路协议使用底层的TC同步与信道编码。Prox-1空间链路协议具有数据链路层和物理层的功能，其中，Prox-1空间链路协议的数据链路层使用底层的Prox-1同步与信道编码。 3.网络层 网络层空间通信协议实现空间数据系统的路由功能。空间数据系统包括星上子网和地面子网两大部分。CCSDS开发了两种网络层协议：空间分组协议SPP和SCPS-NP。网络层的协议数据单元通过空间数据链路协议传输。路由是根据协议数据单元（PDU）的地址决定的。这两个协议都不提供重传功能，重传由高层协议保证。在某些情况下，空间分组协议SPP的协议数据单元的源和目的地址可以标识为相应的应用进程，此时，该协议既作为网络层协议，又作为应用层协议。为了同现有的地面网相兼容，网络层使用封装技术后，因特网的IPv4和IPv6分组也可以通过空间数据链路协议传输，与SPP、SCPS-NP可复用或独用空间数据链路。SCPS- NP提供了可选择的路由方案与灵活的路由表维护方案，对空间网络动态拓扑的特点具有良好的适应性。SCPS-NP主要的不足在于不支持与IPv4或者IPv6的互操作。若要将网络层基于SCPS- NP的网络与基于IPv4或者IPv6的网络互联，需要将SCPS-NP头转换为IPv4或者IPv6。然而这种转换必然会损失SCPS- NP的部分功能。 4.传输层。 CCSDS开发了传输层SCPS-TP协议，向空间通信用户提供端到端传输服务。CCSDS 还开发了用于文件传输的协议CFDP，CFDP既提供了传输层的功能，又提供了应用层文件管理功能。传输层协议的协议数据单元（PDU）通常由网络层协议传输，在某些情况下，也可以直接由空间数据链路协议传输。因特网的TCP、UDP 可以基于SCPS-NP、IPv4 或IPv6。 作为一个传输层协议，SCPS-TP也提供可靠的、面向字节的数据流传输服务。但与Internet 的TCP相比，SCPS-TP进行了如下几个方面的改进：使TCP分离（TCP- splitting） 技术，这使得SCPS-TP的可靠性是通过在端到端路径中各段的可靠性来获得的；SCPS- TP使用选择性的负确认即selective- NAK，而不是TCP中使用的ACK。这样在SCPS-TP中就不用为每个发送的数据包都发送一个确认，而是发送方定期地要求接收方对它已经成功接收到的数据包进行确认，这样就减少了确认发送的数量，从而减轻了通信链路负载。此外，SCPS-TP中没有重传定时器，也不在传输数据之前通过三次握手建立连接。 CFDP是CCSDS的协议栈中最重要的协议之一， 它不仅提供一般的文件传输功能，还具有文件管理功能；此外，CFDP自身还具有可靠传输机制，并不需要通过下层协议来获得可靠性。CFDP的重转机制具有以下特点：没有连接协议；不等收到一个传输数据单元的确认后再传其他的数据单元；重转缓冲区一般使用非易失性的存储器。目前的CFDP包括三种机制：文件处理机制；点到点的可靠传输机制；利用下层空间链路进行数据传输服务机制。 SCPS安全协议SCPS-SP和因特网安全协议IPSec可以与传输协议结合使用，提供端到端数据保护能力。SCSP-SP是SCPS协议簇中唯一涉及安全保障的协议，提供数据完整性检查、机密性机制、身份认证和接入控制服务，以防止数据受到攻击。 5.应用层 应用层空间通信协议向用户提供端到端应用服务，如，文件传输和数据压缩 CCSDS开发了三个应用层协议：SCPS文件协议SCPS-FP、无损数据压缩、图像数据压缩。每个空间项目也可选用非CCSDS 建议的特定应用协议，以满足空间项目的特定需求。应用层PDU通常由传输层协议传输，某些情况下，也可以直接由网络层协议传输。其中， CCSDS文件传输协议CFDP具有传输层和应用层功能。制定无损数据压缩和无损图像压缩的目的都是为了能尽量多的传回有用的数据同时尽量少的占用星上的存储资源和链路带宽。1.2 国内外研究现状 我国20世纪90年代初开始跟踪研究CCSDS建议，经过近20年的努力，已实现了从单纯的跟踪研究到工程应用、前沿技术验证的转变。1999年5月发射的“实践”五号卫星上，首先对神舟飞船有效载荷数管系统的主要技术进行了先期在轨飞行验证性试验，这次试验取得了圆满成功，达到了预期目的，特别是采用CCSDS标准的数据系统可以在空间正常工作。2001年初发射的神舟二号飞船是国内公用航天器首次采用CCSDS标准，实现了高速多路复接器，按该标准组装数据，通过S波段发射器下行。2007年下半年发射的嫦娥一号月球探测卫星，其载荷数据管理系统（PDMS）中的高速复接器也按CCSDS标准组装数据下行。2008年上半年发射的风云三号气象卫星，在其L波段的实时传输信道、X波段的实时及延时传输信道中，都采用了CCSDS的AOS标准。根据我国航天科技发展规划，在航天测控通信领域逐渐采用CCSDS标准已经成为必然。 国际空间站的数据系统采用的就是AOS数据标准，这是AOS标准与空间站结合的成功案例。CCSDS标准逐渐被越来越多国家的空间组织和商业企业采用，例如ESA欧洲空间技术中心、美国的Lockheed Martin导弹与航天公司、NASA戈达德飞行中心、NASA喷气推进实验室等。 高速多路复接器在未来的空间科学技术中越来越重要，它能够混合复接科学实验数据、视频数据、音频数据等多类型数据，国际上已经有很多国家深入研究了高速复接器的相关课题，努力发展高数据吞吐率、多信道且适用性广的高速多路混合复接器。1997年，在日本国家空间开发组织（NASDA）发射的ETS-VII卫星的数据管理系统中，利用CCSDS建议，实现了灵活有效地复接不同速率、不同长度和格式的高可靠压缩图像数据、工程参数数据和科学试验数据，以实现实时遥操作。其中，实时图像数据速率为1.5Mbps，复接后数据总速率为2Mbps，通过S波段发射机下行。2003年发射的ETS-VIII，继续采用符合CCSDS建议的有效载荷数据处理系统，它可以给移动用户提供高质量音频、视频等多媒体通信业务。这两颗卫星采用的都是由日本三菱公司开发的高速复接器，他们计划在未来实现可以复接多路音频和视频数据的120Mbps高速复接器。在空间站的建设中，2004年发射的欧空局哥伦布舱较先进，它使用可以复接低速的音频、遥控数据和高速的视频数据、载荷数据、系统数据的高速复接器，复接速度可达到150Mbps。1.3 本文主要研究内容 本文在CCSDS AOS基础上，主要对AOS中两级多路复用技术进行研究，内容共分为四章，具体结构安排如下： 第一章绪论介绍了CCSDS AOS标准的提出、CCSDS结构特点、国内外的发展现状以及本论文的内容结构安排。 第二章CCSDS的AOS特性研究对高级在轨系统（AOS）进行了分析，总体介绍了CCSDS AOS协议的特点、结构特征、业务类型和分层关系。 第三章 高级在轨系统AOS包复用机理研究与分析，就基于AOS协议的包复用技术的机理性能进行分析。首先介绍了AOS数据流特点、数据单元格式、几个关键性问题。然后分析了包复用帧生成过程，不同应用进程数据包封装成帧时，包复用中数据结构的变化。第四章 AOS包复用帧生成算法实现及仿真首先介绍了两种帧生成算法的原理，后对自适应算法进行详细分析。研究帧生成算法的复用效率时，分析影响复用效率的因素，推导等待时候和复用效率的关系公式，用Matlab软件仿真验证，对仿真结果进行分析。2 CCSDS的AOS特性研究 AOS是国际空间数据咨询委员会根据空间技术发展的需要相对COS而提出的一种数据通讯和传输体制。采用AOS的好处是有利于开展多国合作需要，高级在轨系统服务于空一一空和空一一地测控通讯以及数据管理系统，可处理大容量、高速率数据、支持不同需要的许多用户同时访问。通过建立统一数据流,通过对信道的动态管理同时传输数据、话音、电视图象、静止图象、实验数据、遥测、遥控等各种不同信息，通过动态地对虚拟信道进行管理调度、合理利用的合路机制、有效的纠、检错措施，保证了信道的高速率、高质量，保证了系统高可靠性,从而可满足高速率、大容量、多用户的复杂航天器的数据处理、数据传输要求。2.1 AOS的特点 AOS是为满足载人航天等复杂航天器的需求而开发的。 1.从应用的角度看，其特点有下几种:u 用户数据率变化范围大（从几bit/s到几百兆bit/s）；u 可为大量用户提供方便、透明和标准化的服务，可广泛地满足科学研究、工程实验和商业经营等各种任务的需要；u 可处理新的数字化的数据类型(包括音频和视频信号)；u 可通过空地数据信道对称地进行数据传输；u 与星载和地面计算机广泛联网，完全实现国际范围的开放式系统互联；u 创造更多的国际参与合相互支持的机会。常规系统和高级系统可以在一起 运行；u AOS位于空间的下行部分可以与分包遥测系统接口，上行分包遥控可以与高级在轨系统地面的上行部分相结合。2.从设计的角度看，其特点有下几种：l 用结构上分层的思想，把整个通信网分为若干层，不同层具有不同功能、采用不同的数据结构，各层的数据单元中均设置导头域，用于记录一些有用信息，以便在接收端方便正确地提取用户数据。l 采用两种多路复用机制，即包信道的多路复用及虚拟信道的多路复用，且用户动态分享信道，提高了空间数据信道的利用率。l 设置八种不同的业务，用于处理不同性质的数据。l 根据用户对业务质量的不同要求，采用三种不同的业务等级，即简化了系统配置，又满足了不同质量要求的用户的需求。l 在空间链路子网（SLS）中设置虚拟信道（VC），每个SLS的应用分享一个。VC，各个VC分时占用物理信道，从而可避免长数据源垄断信道，解决了有序地管理信道的问题。l 不同类型用户采用不同格式的数据单元，最后合为一个数据流,通过物理信道传输。l 设置航天器标识符，对不同航天器进行统一分配其航天器标识符，这样在目标端可获得并区分来自不同航天器的数据。2.2 AOS系统综述 AOS的数据传输是在一个包含空间链路的网络中传输，这个网络称为CCSDS主网（CPN）。CPN在空间任务中起着数据管理网的作用，为各种空间任务用户提供对端的数据传输服务。 CCSDS主网（CPN）由三个子网组成，即星载网、地面网以及空间链路子网（SLS），其中的核心是SLS。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。它既包括地基系统，也包括通过通信卫星的中继系统。CCSDS主网的概念模型已经得到广泛认可，这是天地一体化的概念模型，是完整的能向用户提供端对端的数据流通的网络模型。通常所说的航天通信测控网主要是指航天专用网，是整个空间信息网的一部分。如图2.1所示。图2.1 主网概念模型 根据不同用户需求，AOS可提供八种类型的业务，分别为：路径业务、网间业务、包装业务、多路复用业务、位流业务、虚拟信道存取业务、虚拟信道数据单元业务和插入业务。其中路径业务和网间业务用户的数据在传输过程中要经过整个CCSDS主网，即从CCSDS主网的一个端点传输到另一个端点，因此，称为端对端业务，剩下的六种业务是空间链路子网（SLS）业务，一方面支持两种端对端业务的传输，另一方面还提供SLS数据的传输。 空间链路子网是CPN的核心，对一个物理信道的动态多路复用，就是在空间链路子网中完成的。空间链路子网提供两种多路复用机制，即虚拟信道多路复用和包信道多路复用。其中本文要研究的包信道复用是使用多个用户共用一个虚拟信道的多路复用机制。将来自不同信源的各个CCSDS包级联在一起形成一个互相邻的CCSDS包串，然后将其分块，块的长度恰好能装入固定长度的CVCDU数据域。来自不同信源的包形成各自的包信道，而几个包信道共用一个虚拟信道。使用包含在CCSDS包导头中的应用过程标识符可以识别每个包信道。2.2.1 空间链路子网 CPN的核心是空间链路子网，空间链路子网内部是分层结构，由空间链路层和物理信道层构成。空间链路层又由两个子层构成：虚拟信道链路控制（VCLC）子层和虚拟信道存取（VCA）子层，这两个子层位于物理信道层之上，物理信道层访问物理介质完成空一地通信。空间链路层利用多路复用的方法支持多信源多用户信息有效的通过空间链路子网，它提供两个级别的多路复用：由VCLC子层实现的包信道复用和由VCA子层实现的虚拟信道复用。在SLS的6种业务中，包装、复用、位流业务由VCLC子层提供，虚拟信道存取、虚拟信道数据单元、插入业务由VCA子层提供。AOS建议参照开放系统互连（OSI）的层次模型，将SLS分为空间链路层（Space Link Layer）和物理信道层（Physical Charnel Layer），分别对应于OSI的数据链路层和物理层，如图2.2、图2.3所示。图2.2 空间链路层与0SI层对应关系图2.3 空间链路子网结构2.2.2 虚拟信道链路控制（VCLC）子层 AOS空间数据链路层包含虚拟信道链路控制子层VCLC（Virtual Channel Link Control）和虚拟信道访问子层VCA（Virtual Channel Access）。并在VCLC、VCA和物理层三个层次上提供了两种多路复用：基于VCLC子层的CCSDS包信道复用和基于VCA子层的虚拟信道（Virtual Channel）复用。本文主要对基于VCLC子层的包复用性能进行研究，以下简要介绍VCLC子层。 VCLC子层主要有两个功能：第一，已经打包好的数据利用包装业务和多路复用业务传输，数据单元封装在一个MPDU；第二，位流数据利用位流业务，把数据封装到BPDU进行传输。VCLC子层利用VCA子层所提供的VCA业务来传输MPDU和BPDU；在传输时，VCLC子层根据VCDU一来判断要通过那条VC来进行传输。 VCLC子层提供的包装业务、多路复用业务、位流业务，及其对应的过程、数据单元、接口参数之间的关系见图2.4。图2.4 VCLC内部结构2.3 业务介绍 CPN提供了能够双向传输信息的8种业务，以支持不同类型的用户需求。它们分别是互联网业务（Internet Service）、路径业务（Path Service）、包装业务（Encapsulation Service）、多路复用业务（Multiplexing Service）、位流业务(Bitstream Service)、虚拟信道存取业务(Virtual Channel Access Service)、虚拟信道数据单元业务(Virtual Channel Data Unit Service)、插入业务(Insert Service)。如图2.5所示，其中互联网业务和路径业务为CPN的两个端到端业务，其余6业务为SLS数据传输业务。图2.5 业务和数据流模型2.3.1 业务分类 高级在轨系统AOS协议包含以下8种业务类型： （1）互联网业务 互联网业务用于在CPN的星上和地面网络之间传输交互式数据，如文件传输、电子邮件、远程终端访问等，直接映射于OSIRM模型中的网络层，采用的是无连接的工作模式。Internet业务的业务数据单元长度可变，主要用于间歇性的数据传输，其数据速率相对较低，数据量属于低到中的水平。 （2）路径业务 路径业务主要用于在比较固定的源与目的地之间传输数据，例如有效载荷的测量数据或遥测数据等，其目的是便于常规系统与AOS系统的接轨。它的数据速率属于中到高，数据量较大。源包作为业务数据单元，长度可变，用户数据可以是已经封装好的源包，也可以是字节流，由AOS包装业务将其封装成源包。 与地面网络复杂多变的路由相比，路径业务的源与目的地之间的路由是固定的，而且由网络管理预先设计，不同的这种固定路由用“逻辑数据路径”（LDP）区分，每个需要穿越CPN的源包被贴上一个唯一的“路径标识符”标签，而并不需要标明完整的源和目的地址，路由时就根据这个路径标识符和由网络管理制定的路由表确定源包的下一个节点。这种相对静止的路由路径业务实现简单，适合于星地的通信环境，能够为大容量遥测类数据提供高效服务。 （3）包装业务 包装业务是将外来的数据结构(如ISO8473包)包装在CCSDS数据结构内，打包后的数据与路径业务一同处理，包装过程实际上是一个协议转换过程；多路复用业务将不同的CCSDS包级联在一起并将它们放到一个称为M-PDU的数据块中，其大小刚好容纳一个虚拟信道数据单元的固定长度数据域。位于下层的多路复用业务可以接受馐业务和路径业务；位流业务将来自每个SLS用户的比特流切成若干短块，这些数据块称为B-PDU，其长度刚好容纳一个虚拟信道数据单元的固定长度数据域。 （4）多路复用业务 多路复用业务使不同用户的业务数据单元可以在同一虚拟信道上传输。它可以接受包装业务和路径业务的数据单元，将这些长度可变、符合源包格式的业务数据单元集合在一起，组成长度固定，而且正好适合一个虚拟信道数据单元数据域长度的数据块。这些不同的业务数据单元由包导头中的应用过程标识符区分，在接收端，根据该标识符和包长度标志可以恢复出独立源包。 （5）位流业务 位流业务面向的是比特流型的数据，这些数据的内部结构和划分对CPN是透明的。位流业务将SLS用户的比特型数据流划分成适合虚拟信道数据单元数据域长度的块，有时为了符合这种固定长度的要求，还需要填充一些数据，在接收端则需去除这些填充数据，这一过程对上层用户来说是透明的。不同用户的比特流数据不能多路复用在同一虚拟信道上传输。位流业务一般采用异步或等时传输，将保持数据的顺序性，例如高速率图像数据的传输可以采用等时的位流业务。 （6）虚拟信道存取业务 虚拟信道存取业务用于传送专用业务数据单元，它的长度正好符合虚拟信道数据单元数据域大小，而其内部结构则不为CPN所知，CPN要做的就是把这种业务数据单元直接填充进虚拟信道数据单元然后传送即可。这一访问业务也可服务于CCSDS之外的其他协议标准，其他协议格式的业务数据单元，如HDLC，可以通过该访问业务使用SLS空间链路提供的服务。 （7）虚拟信道数据单元业务 虚拟信道数据单元业务通过SLS传输不同SLS用户的长度固定、面向字节的虚拟信道协议数据单元（VCDU）或是经过RS编码后的编码虚拟信道协议数据单元（CVCDU）。不同于星载网或者地面网上使用SLS服务的Internet业务和路径业务，使用虚拟信道数据单元业务的用户是另外的CCSDS授权了的，安全的SLS用户，它们产生的协议数据单元具有和虚拟信道协议数据单元一样的格式和长度，可以直接通过SLS提供的虚拟信道复用到空间物理信道中进行传输。 （8）插入业务 插入业务使专用字节型低速业务数据单元能够高效利用SLS信道进行等时传输。插入业务数据单元放在每一虚拟信道数据单元的插入域中，与其他类型的业务数据单元共用同一VCDU或CVCDU传输。CCSDS建议数据速率如果低于10Mbps，可以考虑采用插入域进行等时传输；速率高于10Mbps的等时数据适合采用比特流业务用专门的虚拟信道进行传输。使用等时插入业务的典型例子有中等速率的话音数据的传输、远程操作控制等。 如果在一个物理信道上使用了插入业务，该信道上的所有虚拟信道数据单元都必须保留插入域。为了降低实现复杂度，CCSDS还建议插入业务与虚拟信道数据单元业务不在同一物理信道上同时使用。2.3.2 业务等级 空间链路子网提供了三种业务等级以满足不同用户对传输过程的不同需求，这三种不同等级业务的差别在于针对用户数据传输中的错误概率不同，相应采取的防错、纠错措施不同。 第一级业务，对丢失数据单元的概率的要求是11012，由于采用了RS编码和ARQ重传控制，由SLS引入的错误几率特别低而且具有顺序性； 第二级业务，对丢失数据单元的概率的要求是1107，由于采用RS编码但未采用ARQ重传控制，所以通过SLS传送的用户数据有遗漏或重复，但无差错的概率很大，仍然保持顺序性； 第三级业务，对丢失数据单元的概率的要求是1107，由于未采用RS编码和ARQ重传控制，所以通过SLS传送的用户数据有遗漏或重复，而且可能含有错误。 表2.1给出了空间链路子网里的六种业务类型和业务等级的组合。其中I表示同步传送，A表示异步传送。表2.1 允许的业务等级和类型组合SLS业务业务等级I23传送类型IAIAIA多路复用和包装位流虚拟信道数据单元虚拟信道访问插入2.4 AOS的分层关系 AOS数据要通过CCSDS主网传输，一个在轨段中的星载网通过空间链路子网，与地面网或另一个在轨段中的星载网相连接，从而构成了CCSDS主网。CCSDS主网具有数据处理网的作用。AOS数据传输是面向数据流的，在结构上是分层的，分层关系基于国际标准化组织开放系统互连（ISOOSI）七层参考模型，但由于空间数据链路数据率很高，空间数据信道分为五个数据处理层。其中各层的作用与功能如下所述：1. 用户层：指有效载荷仪器、核心系统及数据分析设备等由用户控制的设备的操作。2. 应用过程层（相当于ISOOSI模型的7、6、5、4层）：与用户行为有关的数据处理单元，包括遥测的获得、指令的执行、系统管理、设备或核心系统应用过程的执行、信息的标准格式化等。3. 局域网层（相当于ISOOSI第3层)：允许各应用过程在他们的本地环境内相互通信，此层包括局域网及数据总线，通过网关或网桥与空间数据链路层相连。4. 空间数据链路层（相当于ISOOSI模型的第2层)：允许各个在轨局域网互通信或与地面数据分配网通信。5. 空间数据信道层（相当于ISOOSI模型第l层)：建立空一空或空一地物理信号传输路径。图2.6 （ISOOSI）模型与AOS分层关系2.5 本章小结 本章主要详细介绍了CCSDS AOS协议。分析了AOS的网络分层、服务业务类型、业务等级、AOS数据流及特点、AOS数据单元格式，从而为深入研究AOS协议中两级多路复用之包复用做好铺垫。3 高级在轨系统AOS包复用机理研究与分析 多路复用技术是当前AOS协议的核心和研究热点，合理的复用机制是保证AOS整个空间系统能够高效、有序地完成各项复杂功能任务的前提。包信道复用是多路复用的两级复用机制之一。 CCSDS的包信道复用技术，是VCLC子层提供的合路功能将符合CCSDS包格式的业务数据单元级连在一个虚拟信道上，允许在一个虚拟信道上多路传输用户间的各自通信。 复用过程把来自多个用户的CCSDS包合成在一个公共的数据结构内，形成一个MPDU，以便在一个虚拟信道上传输。在特定的任务内MPDU的长度是固定的，并恰好能装入固定长度的虚拟信道数据单元(VCDU)的数据区内，,数据结构变化如图3.1所示。这样处理的好处之一是，对于低速率的业务数据，进行数据合并和整合后，以高中速率进入信道存取时隙时，可以相对提高虚拟信道调度的效率。3.1 AOS数据流特点 AOS建议利用合理的合路机制、有效的纠检错编码，以满足高速率、大容量、多用户空间飞行器的数据处理和数据传输要求，并保证较高的信道利用率和高质量的数据传输。在空间站数据系统任务的多样性和复杂性下，AOS 数据流具有以下主要特点：（1）用户数据率在几比特每秒到几百兆比特每秒的范围内变化，能处理的数据类型多样化。 提供声音、图像、高速遥控遥测和低速数据等的传输； 能够处理新型的数字化数据类型，例如视频、音频信号； 为大量用户提供的服务越来越方便、透明和标准化；（2）为用户提供服务的方式灵活多变。 能够广泛地满足科学研究、工程试验和商业经营等各种任务的需要； 通过空-地、地-空数据信道进行对称数据传送，在空间链路之间双向提供数据传输； 为了处理不同性质的数据，设置 8 种不同的业务； 采用三种不同的业务质量等级以满足用户对业务质量的不同需求，这样既简化了系统配置，又满足了不同质量要求的用户需求； 不同类型的用户采用相应的数据单元格式，最后合路为一条数据流，在一条物理信道传输；（3）有效的信道传输及结构上分层管理。 采用结构上分层的思想将整个通信网分成具有不同功能且不同数据结构的若干层，在各层的数据单元中设置导头域，用于记录有用信息，使接收端能够方便、正确地提取用户数据； 采用包信道多路复用和虚拟信道多路复用两种多路复用机制，用户共享信道，以提高空间数据信道的利用率； 在空间链路子网中增设虚拟信道的概念，各VC分时占用物理信道，防止长数据源垄断信道，能高效有序地传送数据。3.2 数据单元格式 CCSDS建议书保留了固定帧长的概念，同时建立了全新的虚拟信道的概念。CCSDS分包是一种在时分制式基础上实现多用户共享信道的新方式，其主要机制是动态分配信道资源。来自不同业务类型的用户数据在传送至信道之前将形成虚拟信道数据单元。 包复用过程涉及的数据单元格式如下： （1）CCSDS源包 源包是一组由空间数据信源（主要是来自星上应用程序）传输给地面