分离载荷近距协议的数据链路层仿真研究

陈 俊 ， 熊蔚明

（1.中国科学院大学 北京 100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100190）

在空间探测任务中，从主控星释放出多个从星，形成一主多从的分布式航天器。主星作为主要的处理单元，接收、处理从星返回的探测数据，并完成与地面接收站之间的通信任务，接收地面控制数据和指令[2]。地面和主星之间是常规的空间链路，遵循空间数据咨询委员会（CCSDS）建议的常规在轨协议（COS）和高级在轨协议（AOS）进行通信，而主星与从星之间的链路存在着新的特点和要求，需要建立附加链路，探索新的链路协议[3]。

1 Proximity-1协议应用背景

近距链路协议 （proximity-1）最初是JPL为火星（Mars）探测试验制定的，包括物理层及链路层协议，是CCSDS的COS和AOS协议在近距链路上的延伸，更能适应中等信号强度、短时延、通信过程短和独立等近距星间链路的特点。

采用这种协议，可设计出如下方案：地面站只与星体结构中的一个主航天器之间建立常规的空间链路，而在主星与从星之间建立附加的空间链路，称为近距空间链路，采用proximity-1协议。上行链路的途径是：地面站-主星-近距空间链路-从星。主星产生的控制命令直接通过近距空间链路传送给从星。下行链路发送的信息按照相反的方向传送，从星可以利用主星AOS系统的路径业务，把测量信息送回地球[4]。本文着重从数据链路层对proximity-1协议进行拆分，最后提出一种模拟该协议的方案和实现平台。

2 协议模型简介

2.1 协议的分层模型

Proximity-1协议是应用于空间“会话”的双向数据链路层协议，数据链路层中有5个子层：编码与同步（C&S）子层、帧（Frame）子层、介质访问控制（MAC）子层 、数据服务（Data Service）子层、输入输出（I/O）子层[5]。

采用Proximity-1协议通信的数据链路层整体方案基本结构如图1所示。

2.2 数据链路层协议传输单元格式

Proximity-1规定其协议数据单元PDU为Version-3传输帧[5]，传输帧的结构如图2所示，必须包含以下字段：

1）24 位（3 字节）粘贴同步标志（ASM），为 FAF320（十六进制）；

2）变长V-3传输帧（最大2048字节）；

3）32 位（4 字节）的循环冗余编码（CRC-32）。

图1 数据链路层基本结构图Fig.1 Structure diagram of the data link layer

2.3 数据链路层协议操作流程简介

以用户数据的操作流程为例作简要介绍：发送过程中，用户数据单元（SDU）经过I/O子层的接口，在I/O子层内按照协议规定的帧结构标准，组成传输帧进入数据服务子层，在数据服务子层遵循Proximity-1协议的帧发送操作步骤（FOP-P）将帧发送至帧子层，帧子层根据协议中规定的优先级排序方法将帧排序输出到C&S子层，C&S子层在帧前端加上附加同步标记（ASM），尾部加32位CRC校验码组成近距链路传输单元PLTU，最后传输给物理层。

接收过程中，C&S子层从物理层传送的码流中划分找出PLTU，然后从PLTU中提取出帧传送给帧子层，帧子层根据帧的类型将收到的帧发给不同的地方，其中，用户数据帧传送至数据服务子层，并在数据服务子层中按照近距链路的帧接受和报告机制（FARM-P）发送到I/O子层，最后，I/O子层提取和重建出用户数据。

图2 proximity-1传输帧结构图Fig.2 Structure diagram of the proximity-1

整个过程中，MAC子层控制各子层的操作状态，接收和处理监督协议数据单元（SPDUs），存储分配MIB参数和状态变量，提供多种支配操作状态的控制信号等[6]。

2.4 协议各子层之间的接口及关联操作

Proximity-1协议各层之间的接口关系如图3所示[7]。

3 实施方案

3.1 整体方案设计

分离载荷的编队组网示意图如图4所示，组网由一个主星和多个从星构成，主星到从星的前向通道为广播式发送，主星发射机向从星广播发送码流，通过不同的航天器标识符区分不同的从星地址，从星检测出与自身相一致的标识符地址时，接收信息。返向通道上，不同的从星发射回主星的不同数据链路以时分或者频分的方式来划分。地面站与主星之间采取常规空间链路协议，本文不作涉及。

图4 分离载荷组网图Fig.4 The network diagram of the Fractionated Payload

3.2 协议流程模拟平台

对Proximity-1协议在分离载荷组网中的通信流程模拟中，本文使用moxa多串口卡作为硬件模拟平台。分离载荷组网中的不同航天器载荷采用moxa平台上不同的串口来代表，分离载荷在空间中的无线链路链接这里用直接的物理链路链接代替，在代表主星的串口和代表从星的所有串口之间用串口线连接起来。

软件开发平台选用了visual studio环境，使用C#语言的串口函数对moxa卡的各个串口进行调用，在此基础之上根据proximity-1协议的规定，实现协议数据链路层的各项操作流程。

3.3 软件关键算法

1）通信链接建立

图5 proximity-1通信链路建立流程Fig.5 The communication process established in proximity-1 protocol

链路建立部分通过握手过程实现，通信双方由主机发起连接，通过发送载波空闲同步序列的方法，使双方通信达到同步的目的，即建立通信链路，链路成功建立之后开始双向的数据传输服务。proximity-1通信链路建立流程如图5所示[7]。

2）帧发送优先级排序

通信会话中，当有多个帧需要发送时，为了保证能有序、可靠、高效地发送数据，不同的帧类别应规定不同的发送优先级，帧优先级的排序工作在帧子层中完成，帧子层必须以有效的策略选择要发送的帧类别[8]。

不同的帧类别包括：来自MAC子层和数据服务子层提供的帧，由接收端数据服务子层返回的PLCW或状态报告，来自I/O子层的迅速帧和序列控制帧。Proximity-1中规定了两种服务质量（QOS）：迅速帧服务和序列控制帧服务。

帧子层采用基于以下优先级的策略来选择要发送的帧：

1）第一优先级必须给在MAC子层来自MAC队列来的帧；

2）如果U_frame_last_sent参数值为真，第二优先级必须给PLCW或者状态报告；

3）第三优先级必须给在输入/输出子层来自迅速帧队列的迅速帧；

4）第四优先级必须给顺序控制帧，如果有需要，先给来自于发送队列的，然后是来自于输入/输出子层的顺序控制帧队列中的；

5）如果U_frame_last_sent参数值为假，第五优先级必须给PLCW或者状态报告。

以上策略保证了发送完每一个迅速帧或序列控制帧之后可以尽快地发送来自接收端的PLCW或状态报告，及时了解接收端是否对所发出的帧作出了响应。

3.4 软件模拟

主机发送软件模拟结果如图6所示，基于proximity-1协议流程，主机读取用户数据，将读取到的数据按照规定的结构封装成帧，按照go-back-n的机制连续发送数据帧到从机。从机接收到数据帧后，立刻返回一个近距链路控制字（PLCW），PLCW包含重传标志位，主机根据该标志位判断从机接收到的数据帧是否出错，标志位为1时检查该PLCW的报告值，依据该报告值退回到出错帧重新发送。

图6 proximity-1通信主机发送Fig.6 Send test for master machine of proximity-1 protocol

从机接收软件模拟结果如图7所示，从机接收主机发送过来的数据帧，检查帧序号以及帧尾校验值，将检查结果写入PLCW返回给主机处理，并把接收到的无差错数据帧存入接收文件。

图7 proximity-1通信从机接收Fig.7 Receive test for slave machine of proximity-1 protocol

4 结束语

在未来的空间探测任务中，proximity-1近距链路协议的使用无疑具有明显优势，因为可靠的底层协议是实现星间信息交互的关键，随着我国探月的深入及将来探测火星和其他行星任务的开始，近距空间链路协议肯定会越来越受关注，对于近距链路协议进行深入地探索和全面研究是非常有必要的，本文对近距协议作出了一定的探讨，对近距链路协议的功能层次模型作出了描述，分析研究了实现过程的几个关键点，有利于今后对近距链路协议的进一步应用[9]。

[1]PROXIMITY-1 Space Link Protocol-Data Link Layer[P].CCSDS 211.0-B-4.2006.

[2]孙志颖.天地一体化网络协议的研究与仿真 [D].西安：西安电子科技大学，2012.

[3]韩晓亚，刘丽华，曹江.一种小卫星编队通信中proximity-1协议的接入控制机制 [C]//CCSDS建议在我国航天领域的研究与应用专题研讨会论文集，2013年.

[4]王鹏宇.近距-1协议在星间测距中的应用[J].飞行器测控学报，2011（S1）:45-49.

[5]付林罡.邻近链路协议的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[6]饶启龙.基于CCSDS的火星探测器测控通信系统链路分析与设计[D].上海：上海交通大学，2012.

[7]唐竹.小卫星星群自组网MAC协议研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[8]PROXIMITY-1SpaceLinkProtocol-Codingand Synchronization Sublayer.CCSDS 211.2-B-1.2003.

[9]任放，赵和平.CCSDS邻近空间链路协议的初步探究[J].北华航天工业学院学报，2007（5）:3-6.