全球卫星导航系统星间链路层协议设计✴

董飞鸿，吕晶，常江，孔博（解放军理工大学通信工程学院，南京210007）

全球卫星导航系统星间链路层协议设计✴

董飞鸿，吕晶，常江，孔博
（解放军理工大学通信工程学院，南京210007）

分析了全球卫星导航系统（GNSS）发展的现状，指出建立GNSS星间链路（ISL）的需求。针对这样的需求，提出以高级在轨系统（AOS）空间数据链路层协议建议书为参考来设计适用于GNSS的星间链路层协议。对GNSS星间可能传输的业务信息基于AOS的建议进行了归类，认为GNSS星间链路层协议可以使用AOS，具体给出了AOS建议下星间链路层协议的设计。为使协议更适合GNSS ISL链路层，主要从3个方面对AOS进行改进，即：优化了虚拟信道数据单元的结构，削减了3种服务，改进了虚拟信道调度与复用方法。对协议的性能进行了分析仿真，得出了信道误码率、帧长、包长和吞吐量的关系，仿真结果表明所设计的协议可作为GNSS星间链路协议设计的参考。

全球卫星导航系统；星间链路；业务分类；虚拟信道数字单元；复用业务；协议设计

1 引言

美国GPS Block III设计理念是“连通到一颗卫星即连通整个星座”。下一代GPS要求具有自主导航的能力，基于星间链路的信息传输成为一种必要的方式。然而，国内研究GNSS链路层协议文献较少。导航卫星星间链路的特点与一般通信星座星间链路的设计有相似之处，如轨道距离周期性变化，使得信道特性在不断变化；星上处理存储能力有限，对协议设计产生不利影响等。但更有许多不同之处，如：导航系统传输的业务以星间测距信息为主，通信或其他额外信息为辅；星间时间同步精度要求高（纳秒级，星间测距精度）；要求具有GEO与MEO的星间链路；业务类型以数据信息为主，没有话音视频业务等。导航系统星间链路信息速率要求相对较低（每秒数万比特级），时延大［1］（100 ms级），只有根据导航系统的物理层结构特性设计与之相适配的链路层协议才能使得系统可靠工作。本文以国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）针对空间信息传输提出的AOS标准和建议为参考设计了GNSS ISL的链路层协议，对我国导航系统的建设具有一定参考价值，有利于与国际标准的接轨。

2 GNSS的协议参考模型

完备的协议栈类型是OSI参考模型，它是由国际标准化组织（ISO）提出的一个网络系统互连模型。然而，OSI参考模型由于其复杂性，至今仍然没有一个实际的网络应用它。因特网采用TCP／IP作为其协议模型，TCP／IP协议的优点不言而喻，其简单实用的特点使得它在互联网中得到了广泛应用。在卫星信道环境中，TCP／IP受到了巨大挑战。因此，CCSDS提出了一种新的协议参考模型，该协议是专门针对空间活动提出的网络通信协议参考模型，其共有5层（物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层），每层都提供了若干参考协议［2］，其结构如图1所示。GNSS协议模型的设计可以参考CCSDS协议参考模型来设计合适的协议栈。

3 AOS协议简介［3］

AOS协议是CCSDS协议族的数据链路层［4］参考协议之一，该协议的主要目的是把网络层的数据进行卫星-卫星或卫星-地面的单段节点传送。

3.1 AOS协议的特点

与OSI中的数据链路层有所区别，CCSDS空间数据链路层协议包括两个子层：数据链路协议子层（DLPS）和同步与信道编码子层（SCCS）。DLPS用传输帧（TF）实现不同速率数据的传输，传输帧是一种固定长度的协议数据单元。而SCCS主要负责帧同步、帧定界及纠错编译码等。AOS协议可以实现不同数据类型共用一条物理信道进行传输，为了使得实现简单、可靠且易于同步，AOS使用了固定长度的TF。AOS最大的特点就是采用了虚拟信道（VC）的技术，一条物理信道被分为若干的逻辑信道，允许上层的不同服务要求的数据流进行传输，这样有利于信道资源的充分利用和传输信息的统一化。AOS信道是用全球虚拟信道标示符（GVCID）区分的，具体由TF版本号（TFVN）、卫星标示符（SID）和虚拟信道标示符（VCID）三部分组成。

3.2 AOS的服务业务

AOS提供了8种服务业务：路径业务、网间业务、位流业务、多路复用业务、虚拟信道接入业务、虚拟信道数据单元业务、插入业务和封装业务。

AOS的数据链路层包括两个子层：虚拟信道控制链路子层（VCLC）和虚拟信道访问子层（VCA）。VCLC子层主要有两个功能：一是已经打包好的数据利用封装业务和多路复用业务传输，数据单元封装在一个复用协议数据单元（M-PDU）；二是位流数据利用位流业务，把数据封装到位流协议数据单元（B -PDU）进行传输。VCLC子层利用VCA子层所提供的VCA业务来传输M-PDU和B-PDU。

AOS根据用户业务的不同，采用3种不同的业务等级，这样既简化了系统的配置管理，又满足了不同质量要求的用户需求。业务等级一要求有请求重传控制机制［5］，需要双工信道，数据传输采用编码虚拟数据单元（CVCDU），数据单元编码为RS码，对可靠性极高的数据可以归为此类；等级二数据单元进行RS编码，数据传输采用CVCDU，当误码率为10-5时，经过编码纠错后可达到10-12，满足一般数据传输要求［6］；等级三业务依赖于物理信道特性可以没有差错控制，数据传输采用虚拟信道单元（VCDU），头部有RS（10，6）纠错码控制，数据段循环冗余（CRC）检错，要求VCDU丢失率小于10-7。

3.3 数据的封装

数据的封装是指对于不同速率的信息进行封装，形成格式统一的VCDU格式，经过星上处理，把各个VCDU复接为连续的数据流。VCDU由主导头、插入区、数据单元区、尾序列区（可选）组成，其结构如图2所示。

由于AOS定义的服务等级一和等级二都需要进行差错控制，VCDU的尾部应该再加上一个RS校验码块，形成编码虚拟信道单元（CVCDU），如图3所示。AOS协议用等长的数据单元，因此相同情况下CVCDU的效率较VCDU低。

3.4 AOS在GNSS星间链路中适用性分析

CCSDS-AOS协议建议的业务类型比较全面（8种），对于每种业务的应用是可选的，完整的AOS建议可以应用于诸多航天任务。降低AOS实现的复杂度以适应工程实际是一贯做法。基于导航系统星间信息传输需求的理解，认为封装业务、复用业务、虚拟信道访问（VCA）业务、虚拟信道数据单元业务和位流业务（可选）是星间链路层设计需要的业务。第4节进一步对5种服务进行改进，以适应GNSS星间链路业务传输需求。

4 GNSS的业务信息分类与协议设计

4.1 星间链路业务信息的传输需求及分类

星间链路业务信息主要包括星间自主运行信息、上行注入分发信息和星间观测量下传信息。由于不同的业务信息对时延、误码率的要求不同，不同信息对导航系统的影响也不同，因此对于业务的分析尤其重要。这里分类的思想是基于AOS业务等级和所需服务的概念，即把所有的业务归为若干等级，分别定义到相应的服务，在传送时进行区别对待，使其占用不同的信道资源。

基于AOS业务等级的建议，GNSS星间业务信息根据其传输时延要求的不同，信息的优先级定义为1级、2级和3级共3个级别。对于信息的服务质量，则根据对误码率要求的不同，定义为一级、二级和三级。对于信息速率的分类，分为低速率信息和高速率信息。对于以上信息的分类标准没有特别严格的界限，在实际应用中，可根据需求更新星上配置来改变分类策略。

4.2 GNSS星间链路层协议模型

本文设计的协议模型采纳了AOS数据链路层的5种业务，它们与网络层、虚拟信道层及物理层的关系模型如图4所示。

封装业务：为非CCSDS-AOS标准的用户的信息传输提供了条件，通过封装后，现有的一些协议和应用可以保持不变，由星间链路协议直接承载。

复用业务：为不同信息提供了在同一条虚拟信道内传输的可能，通过复用，把封装的数据包和CCSDS包串联、组织复用到同一虚拟信道中去，使得导航链路支持多任务和消息类型。

虚拟信道访问（VCA）业务：使用虚拟信道访问协议数据单元（VC-PDU）传输。VCA业务允许多个VC并发的使用同一物理信道。

虚拟信道数据单元业务：需要传送的数据被封装为VCDU或CVCDU，然后被分配到虚拟信道中进行传输。

位流业务：将上层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。该业务用来传送高速率固定时延的数据，每个位流数据源需要专门地占有一个虚拟信道。利用这种业务可传送用户定义的未经构造的、面向码位的、无固定长度的数据。

4.3 信息处理过程

对协议模型进行分析，可以把链路层的工作过程描述如下：对于高速数据单独占用一个虚拟信道，可以用位流业务进行处理，通过B-PDU成帧模块把连续的比特流封装为固定长度的B-PDU。对于低速业务，则用复用业务，使多个低速数据包共用一条虚拟信道。对于误码要求高的数据用CVCDU格式传输，一般数据用VCDU格式。

（1）VCDU成帧

虚拟信道数据单元业务负责对所有上述数据进行封装，添加VCDU主导头，封装帧主导头需要包含的信息有虚拟信道数据单元的GVCID、信息的优先级等。依据业务服务质量要求的不同，还有可能封装成CVCDU。VCDU帧格式的设计在4.4节将进行详细介绍。

（2）虚拟信道调度与复用

如图5所示，对于优先级为1的VCDU给以最高优先级，直接进行传输。对于优先级为2和3的VCDU，当有1级VCDU传输时，其他VCDU都是放在缓存中的（包括中优先级缓存和低优先级缓存）。当1级VCDU传输完了之后，从中优先级缓存中取出VCDU进行传输，当中优先级的VCDU传输完后再传输低优先级缓存中的VCDU。当所有VCDU传送完了则传输填充VCDU以保证数据链路的连续性。

4.4 帧格式设计

本文设计的帧由同步码（24 bit）、主导头（64 bit）、目的地址（8 bit）、类型标识符（2 bit）、数据和尾序列（可选）组成，如图6所示。

同步码：同步码的接收实际上是随机序列中独特码检测问题，文献［7］介绍了同步码的选取，本文采用Baker码型。Baker码是一个八位的比特序列，如：10110111000。

主导头：目的是对信息进行标识和进行优先级时延的区分［8］，是对AOS协议的VCDU主导头进行改进后得到的。包括主导头版本号（2 bit）、虚拟信道标识（6 bit）、卫星MAC标识符（8 bit）、计数器（24 bit）、实时性优先级标识（2 bit）、保留域（6 bit）和差错控制域（16 bit）组成，其结构如图7所示。版本号用来定义传送帧的结构（01表示该帧为VCDU帧结构，10表示该帧为CVCDU结构）。主导头标识符由虚拟信道标识和卫星MAC标识符组成，用于分辨该帧属于哪颗卫星的哪个虚拟信道。主导头计数器对每个需要传输的帧进行计数。实时性优先级为01表示1级数据，10表示2级数据，11表示3级数据。

目的地址：这个字段是目的节点的地址，当目的节点收到源节点的帧后，分析MAC地址，如果是自己的地址或者是MAC广播地址，则将该帧数据的内容传给网络层。

类型：说明了网络层协议的类型，如SCPS-NP、IP等。因为根据传输业务的不同，导航信息系统的网络层可能采取多种不同的协议，当数据帧发送到目的节点后，目的节点根据类型字段把数据字段传送到相应的网络层协议进行处理（即多路分解）。对于不同类型网络层协议的区别，可以根据CCSDS网络层中4种协议（SCPS-NP、IP V4、IP V6及Space Packet Protocol）的合理选择来最终决定。

数据：是指从上层传给链路层的数据包，是链路层传递数据的基本内容。

尾系列（可选）：一般对于CVCDU选择RS编码，该字段允许接收节点对接收到的帧进行差错检测和纠正。

4.5 差错检测和纠错

以GPS为例，同轨道面MEO卫星星间距离为20 358 km左右，信号传波时延67 ms以上，如果采用确认重传机制则等待时间消耗太大，因此一般情况下考虑采用前向差错纠正（FEC）。

FEC的优点在于它可以减少发送方重传的次数，在接收方进行纠错，从而避免了等待。一般用RS（255，223）进行信道编码对整个VCDU加以保护。如业务等级一，可靠性要求高，则在RS保护的基础上需要引入自动重发请求（ARQ）机制进行进一步的差错控制。

5 协议性能分析

衡量链路层协议性能的指标主要有有效数据吞吐量、数据包平均时延、数据质量及信道利用率。影响AOS协议的业务吞吐量性能的主要因素有链路速率、编码效率、包效率、帧效率、信道误比特率等。

对于随机的通信业务源，用指数分布的ON／OFF过程能够较好地模拟数据随机突发到达的过程。在导航系统中，其业务又有自己的特殊性，主要表现在多数信息是周期的、可预测的，如星间双向测距数据、卫星状态信息数据等，有一些信息的传递要求严格的时间戳，如遥控指令信息。

本文假设业务的到达过程是周期平稳过程。数据包长与帧长一般为整数关系，这样可以减少为补满固定帧长时的额外开销，提高信道的利用效率［9］。

推导得到信道吞吐量R的计算公式如下：

式中，C代表信道容量，rs代表信道RS编码的效率，η（Flen）为帧效率，η（Plen）为包效率，Flen为传输帧的长度，sF为帧开销，Plen为业务信息的包长度，sP为包开销，γ为包的相关系数，Pe为信道误比特率。为简化分析，不考虑编码效率对业务吞吐量的影响，吞吐量R计算公式如下：

假设GNSS星间链路的C为50 kbit／s，包长固定为500 bit，得出信道误码率、帧长和吞吐量的关系如图8所示；若帧长固定为1 000 bit，得出信道误码率、包长和吞吐量的关系如图9所示。

从图8可以看出，当误码率一定、帧长较小时，信道的吞吐量较低，随着帧长的增加，信道的吞吐量明显增加，随后趋势减缓并逐渐下降；当帧长一定、误码率Pe较小时，吞吐量较大，转折点也来得较迟。

从图9可以看出，当误码率一定、包长较小时，信道的吞吐量较低，随着包长的增加，信道的吞吐量明显增加，随后趋势减缓并逐渐下降；当包长一定、误码率Pe较小时，吞吐量较大。

综合图8和图9可以得出结论：当空间链路信道条件较差时，短帧长、短包长可以提高数据的吞吐量；当包长和帧长长度相当时，包开销sP最小，吞吐量变大，但包长超过帧长时吞吐量明显下降。

6 结束语

本文介绍了一种实现卫星导航星间链路层协议的方法，详细分析了基于AOS的数据链路层帧格式设计和控制策略，指出了评价协议性能的指标，分析了影响信息吞吐量的因素，得出了不同信道误码率（BER）条件下帧长、包长和链路吞吐量曲线，为最佳帧长包长的选取提供了依据。从本文协议性能分析部分可看出，合理选择协议的帧结构、帧长和调度算法可以提高信息吞吐量。在下一步考虑卫星导航系统通信协议设计的工作中，本文链路层协议可考虑在与其他协议进行跨层设计与优化上作进一步研究。

［1］杨宁虎，陈力.卫星导航系统星间链路分析［J］.全球定位系统，2007（2）：20-22. YANG Ning-hu，CHEN Li.ISL analysis of navigation satellite system［J］.GNSS World of China，2007（2）：20-22.（in Chinese）

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［6］王迎.AOS空间实验室卫星通信仿真系统的设计与实现［D］.西安：西北工业大学，2003. WANG Ying.Design and realization for AOS space lab satellite communication simulation system［D］.Xi′an：Northwestern Polytechnical University，2003.（in Chinese）

［7］Sklar B.Digital communication-fundamentals and application［M］.2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002：486-489.

［8］李芳，付前程.利用高级在轨系统实现实时／非实时数据混合传输［J］.网络安全技术与应用，2009（4）：69-70. LIFang，FU Qian-cheng.Real-time and non-real-time data transfer using advanced orbiting system［J］.Network Security Technology＆Application，2009（4）：69-70.（in Chinese）

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DONG Fei-hong was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1987. He received the B.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

Email：feihong070＠qq.com

吕晶（1965—），男，天津人，1988年获国防科技大学硕士学位，现为解放军理工大学教授、硕士生导师，主要研究方向为卫星导航、卫星通信；

常江（1972—），男，河北秦皇岛人，1996年获解放军理工大学硕士学位，现为解放军理工大学副教授、硕士生导师，主要研究方向为卫星导航、卫星通信；

CHANG Jiang was born in Qinhuangdao，Hebei Province，in 1972.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 1996.He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

孔博（1987—），男，陕西澄城人，2010年获西安电子科技大学学士学位，现为解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为卫星通信和空时协同通信。

KONG Bo was born in Chengcheng，Shaanxi Province，in 1987.He received the B.S.degree from Xidian University in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite communication and space time cooperative communication.

Link Layer Protocol Design of Global Navigation Satellite System

DONG Fei-hong，LV Jing，CHANG Jiang，KONG Bo
（Institute of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China）

This paper analyses the actualstate developmentof Global Navigation Satellite System（GNSS），points out the need of the Inter-satellite Link（ISL）for GNSS.To achieve this requirement，it advises the Advance Orbit System（AOS）Space Data Link Protocol Recommendation can be used as a reference.The possible traffic which may be senton ISL is classified based on AOS recommendation.Itindicates the AOS can be appropriate. To let the protocol appropriate for GNSS ISL，three main improvements are made，including optimizing virtual channel data unit frame structural components，reducing three services and improving on scheduling and multiplexing scheme.A link layer protocol is designed and its performance is simulated.The relationship among Bit Error Rate（BER），frame length，packetlength and throughputis analysed.The simulation results show thatthe protocol designed can be a reference for GNSS.

GNSS；inter-satellite link；class of traffic；VCDU；multiplexing service；protocol design

as born in Tianjin，in 1965.He

the M.S.degree from NationalUniversity of Defense Technology in 1988.He is now a professor and also the instructor ofgraduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

The National Natural Science Foundation of China（No.60972062）

TN96；TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.002

董飞鸿（1987—），男，陕西西安人，2010年获解放军理工大学学士学位，现为解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、卫星通信；

1001-893X（2012）02-0130-06

2011-11-11；

2012-01-06

国家自然科学基金资助项目（60972062）