深空通信中基于中继选择的文件传输协议

2016-06-29 09:35彭海英王恩普

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年1期

关键词：时延

赵　辉，王　琴，彭海英，王恩普

(重庆邮电大学光通信与网络重点实验室，重庆 400065)

深空通信中基于中继选择的文件传输协议

赵辉，王琴，彭海英，王恩普

(重庆邮电大学光通信与网络重点实验室，重庆 400065)

摘要：针对深空通信传播时延大、误码率高以及链路间歇性中断的问题，提出一种基于中继选择的深空文件传输协议。该协议将文件传输过程分为跳到跳发送和端到端重传2个阶段。在发送阶段，提出一种中继选择算法，通过分析天体运动规律选择合适的中继节点，并结合深空链路信道特点，分析链路丢包率和信道增益的关系，选择最优中继链路逐跳进行传输，降低丢包率进而减少重传次数；在重传阶段，目的端对数据包进行校验和检查，丢失的数据包通过端到端链路进行重传，保证文件的可靠传输。仿真结果表明，当端到端误码率大于10-5时，所提协议能有效减少重传次数，进而降低传输时延。在误码率为10-3时，与空间数据系统咨询委员会(consultative committee for space data systems，CCSDS)提出的文件传输协议(CCSDS file delivery protocol，CFDP)相比，该协议的传输时间缩短了40%，能较好地适应深空通信环境。

关键词：深空通信；中继选择；文件传输协议；时延

0前言

深空通信具有时延大、误码率高、链路间歇中断以及信道非对称等完全不同于地球通信环境的特点，对深空文件的可靠传输提出了巨大挑战[1-3]。目前应用较多的是空间数据系统咨询委员会(consultative committee for space data systems，CCSDS)提出的文件传输协议[4](CCSDS file delivery protocol，CFDP)，其主要目标是解决空间链路中文件传输遇到的各种问题，特定情况下能较好地适应深空通信环境。随着深空探测目标由月球转向火星以及太阳系其他行星，深空通信的距离趋于极限，由此导致的长传播时延和能量衰减使得基于单跳的CFDP传输机制无法满足未来深空探测的要求[5]。

近年来，研究学者提出了多种中继传输方式，如HbH-STP(hop-by-hop satellite transport protocol)[6], HTPIN(hop-by-hop transport protocol for interplanetary backbone networks)[7]等，采用跳到跳传输和逐跳确认机制来保证深空文件传输的可靠性。由于深空误码率较高[8]，一般为10-7—10-3，经过多跳后错误呈指数累积。逐跳确认机制中，中继节点正确接收到数据包后才转发，如果有错误则立即向上一跳请求重传，错误被提前恢复，避免了跳到跳错误累积，从而保证数据传输的可靠性。但如果数据包在前几跳甚至第一跳中就传输失败，重传成功后在后面的转发过程中仍然可能再次失败，造成链路资源浪费和传输时延增加；另外，逐跳确认机制需要大量的交互信息，深空通信上下行链路数据速率不对称并且链路间歇性中断，接收方的反馈信息很难及时准确地到达发送方，极大地增加了文件传输时延。

基于上述分析，本文以CFDP为基础提出一种中继文件传输协议(relay file delivery protocol，RFDP)，能有效降低文件传输时延，同时实现文件的可靠传输。首先根据天体运动规律以及受力情况，选择出合适的中继节点；再根据深空信道特点，分析链路丢包率和信道增益的关系，并逐跳选择丢包率最小的链路发送数据包；最后在目的端检查是否有丢包，并通过端到端路径进行重传。

1中继选择算法

1.1中继节点位置选择

为保证深空探测任务顺利进行，在深空通信中，常使用中继卫星来实现数据的可靠传输。中继卫星旨在为行星周围子网络提供数据中继服务，同时为其他航天任务提供通讯和导航服务，而中继卫星的位置直接决定了它能否实现这些任务。

太阳系内任何物体都会受到太阳的引力作用，因此中继卫星不可能静止于某一点，而是以某一角度绕太阳做圆周运动。要使中继卫星保持在理想的轨道位置，需要对其进行轨道保持。行星轨道附近的一些特殊点，由于受到行星和太阳共同的引力作用而呈现出特殊的力学特性，这些点就是行星和太阳的拉格朗日点[9]。利用拉格朗日点的特殊力学性质，卫星可以稳定或亚稳定地保持在这些点附近，从而减少卫星进行轨道保持所消耗的能量，增加卫星的寿命，降低网络的运营成本。图1为太阳-行星系统的5个拉格朗日点分布情况。

拉格朗日点的力学特性使得在其位置上布置中继卫星具有一些独特的优势，但并不是每一个拉格朗日点上都适合放置中继卫星。以图1为例，分析适合布置中继卫星的拉格朗日点。由拉格朗日点的性质可知，L1与L22点可以随行星一起绕太阳公转而保持与行星和太阳的几何关系不变，但是2点距离行星太近，因此没有必要在L1,L2点上布置中继卫星。L3点上中继卫星只在满足一定初始条件时才能稳定运行，但这种情况下轨道保持的次数和消耗的燃料要比布置在非拉格朗日点上少得多，因此可以在L3点布置中继卫星。L4和L5点上的中继卫星理论上是稳定的，但由于引力摄动，只需要较少的轨道保持就可以长期稳定运动，因此也适合在该点布置中继卫星。

图1　太阳-行星系统的拉格朗日点分布情况Fig.1　Distribution of the Lagrange pointsof sun-planet system

除了拉格朗日点，行星表面以及行星轨道上的通信卫星也可以用来完成文件的中继传输。因此，L3,L4和L5点上的中继卫星以及通信卫星都可以为深空文件传输提供中继服务。

1.2最优路径选择

深空通信中，电磁波经过多条路径传播至接收端。深空信道具有莱斯分布特性，信号除了经反射、折射、散射等多跳传输路径外，还能从发送端直接到达接收端(如从卫星直接到达地面接收机)。

图2　中继链路系统模型Fig.2　System model of relay link

对于M=2k的QAM信号(k为偶数)，矩形QAM等效于2个正交载波上的PAM(pulseamplitudemodulation)的叠加[11]，通过PAM的误码率能计算出QAM的误码率。

二进制PAM系统误码率为

(1)

则4QAM系统的误码率为

(2)

(1)—(2)式中：Q(x)为高斯Q函数，定义为

(3)

(4)

(5)

由(3)式

(6)

则

(7)

由此可得Q(x)关于x单调递减，故x>0时，有

(8)

又由(5)式，有

(9)

可见，信道增益λ值越大，数据包成功到达接收端的概率越大，即丢包率和链路信道增益成反比。故本文提出的RFDP协议中继选择算法可以描述为：发送方逐跳选择信道增益最大的链路作为传输路径，确保每一跳传输中丢包率最低，进而降低错误累积的影响，使数据包以较大的概率正确到达目的端，提高整个文件传输的成功率。

2基于中继选择的深空文件传输协议

2.1RFDP文件发送过程

深空通信中的传输损耗主要由传输距离和地球大气衰减造成，采用多跳中继传输可以用来对抗这种衰减，提高链路性能[12]。但在深空通信中，系统的复杂度和成本随着链路数目的增多而增加，系统可靠性也随之降低。

根据深空通信中损耗的分类以及未来深空网络发展的趋势，构建3跳中继下行链路。图3为火星-地球相距较远时的情况，此时太阳-火星拉格朗日点都在火星轨道外侧，放置中继卫星会极大地增加通信距离，故不选择。图中L3,L4和L5为适合放置中继卫星的太阳-地球拉格朗日点，R1, R2, R3为火星和地球的轨道卫星。图3中列出了几种可能的传输路径，再根据1.2节的最优路径选择方法，选出丢包率最小的链路，完成文件传输。

图3　火星-地球中继通信模型Fig.3　Relay model of mars-earth communication

RFDP文件传输协议分为发送和重传2个阶段。发送阶段是根据上述中继节点以及最优路径选择方法逐跳选择中继节点并转发数据包。为了与端到端传输方式区分，称产生业务流的端节点为源端，最终接收的节点为目的端，中间转发的节点叫发送方，下一跳叫接收方。

RFDP协议的发送阶段可以描述为：发送方逐跳选择信道增益最大的链路对应的节点作为下一跳并发送数据，最终形成一条最优路径，使数据包以较大的概率正确到达接收方。RFDP文件发送阶段根据路径选择过程分为以下3阶段进行。

1)火星探测器-中继卫星:选择火星轨道上或拉格朗日点上的中继卫星，比较探测器到各中继卫星的丢包率，选择丢包率最小的链路对应的中继卫星。接收方选定后，探测器开始发送文件，中继卫星收到数据包后立即寻找下一跳中继卫星进行转发，而不管是否有丢包;

2)中继卫星-中继卫星:由第1跳的接收方发送数据，接收方是地球-太阳拉格朗日点或地球轨道卫星。发送方选取丢包率最小的链路对应的中继卫星作为第2跳接收方；

3)中继卫星-地面站:由上一跳的接收方直接将接收到的数据传给地球，数据发送完成。

至此，文件发送阶段结束。

2.2RFDP文件重传过程

在发送阶段，接收方收到数据包后直接转发，不进行校验和检查，直到将所有的数据包发送到目的端。深空中误码率高，链路间歇性中断，虽然RFDP的中继选择算法降低了每一跳的丢包率，同时削弱了中断的影响，但是仍可能会有极少数的数据包不能正确到达目的端。因此，重传对文件的可靠传输是必不可少的。深空信道具有莱斯分布特性，同时存在端到端和点到点通信路径。由于重传的数据包个数比较少，为减少中继节点资源浪费，选用端到端路径进行重传。

所有的数据包发送完之后，目的端会收到一个文件结束标识，表示文件发送结束，进入重传阶段。目的端对接收到的数据包进行统计，检查出有数据包缺失或出错时，通过端到端路径向源端发送反馈信息请求重传。

综上所述，RFDP文件传输过程如图4所示，具体步骤如下。

1)源端通过端到端路径向目的端发送元协议数据单元MPDU(meta-data PDU)，内含文件信息和发送端标识等信息，通知目的端文件传输开始。

2)源端选择合适的下一跳节点，发送文件PDU以及文件结束标识EOF_PDU(end of file PDU)；中继节点逐跳转发收到的数据包，直到转发至目的端，此为中继传输阶段。

3)目的端接收到EOF_PDU后，对它接收到的PDU信息进行统计，检查是否有丢失。如果有，进行下一步；否则，跳到步骤5)。

4)目的端利用端到端路径向源端发送否定确认信息NAK(negative acknowledgment)请求重传；源端接收到NAK信息，重传丢失的PDU，直到包括MPDU在内的所有PDU都被成功接收为止。

5)目的端正确接收到全部数据包后，向源端发送传输完成标识FIN_PDU(finish PDU)，表明文件传输成功。源端接收到FIN_PDU后返回一个ACK FIN给目的端，同时关闭链路，释放缓存数据，目的端收到ACK FIN后关闭链路，文件传输结束。

步骤4)为端到端重传过程。当有PDU丢失时，目的端向源端返回一个NAK信息，同时启动NAK计时器；源端接收到NAK信息后释放已经确认的PDU所占的缓存，同时发送它所要求重传的PDU。在目的端，NAK计时器到达规定时间后，将再次对接收到的全部PDU信息进行统计，如果仍有丢失，则再次触发新的NAK，并启动NAK计时器。如此反复，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。

图4　基于中继选择的深空文件传输过程Fig.4　Deep space file delivery procedure based on relay selection

3理论分析及仿真验证

3.1文件传输时间理论性能分析

下面参照文献[13]的文件传输时间计算方法，讨论RFDP的传输时间。

不失一般性，将源端和目的端之间的距离等分成3段，构成3跳中继链路。中间节点在收到数据包后立即转发，不必等待其他数据包到达。忽略中继卫星从接收到转发数据包的处理时间，记总的传输时间为Ttrans。则Ttrans由以下几部分构成：第1轮发送是将MPDU和所有文件PDU全部发送，这个时间记为T1；然后发送一个EOF_PDU告知目的端所有数据已经发送完毕，目的端正确接收到EOF后发送ACK确认信息。由于EOF和ACK也有可能出错而引发重传，因此将源端发送第1个EOF到正确接收ACK为止的时间记为TEOF；收到ACK后等待第1个NAK到达的时间记为TNAK1；之后源端重传上一轮丢失的数据包，然后等待接收方反馈，时间构成记为Ti+TNAKi，直到所有分组全部正确接收。因此RFDP总的传输时间为

(10)

(10)式中，M为重传次数。

当通信距离较短或者端到端误码率较低的时候，CFDP能够很好地适应深空环境，以较低的重传次数完成数据的可靠传输。但是，在误码率较高的情况下，CFDP需要多次重传。图5、图6分别为传输数据大小为1 Mbyte、数据包长度为1 000 bit的文件时RFDP与CFDP在传输阶段丢包个数以及所需的重传次数。

图5　传输阶段丢包个数Fig.5　Number of lost packets in transmission phase

图5中，当误码率小于10-5时，相同的端到端误码率下，CFDP和RFDP丢包个数相差不大。这是因为误码率较小时，端到端丢包率很小，因此CFDP丢包数少，此时相较于CFDP，RFDP的优势不明显。当误码率大于10-5时，RFDP的丢包个数明显少于CFDP，且随着误码率的增加，RFDP的丢包个数上升趋势也比CFDP缓慢。这是因为相比CFDP，RFDP是中继传输方式，把通信距离分成数段，降低了中断的影响，同时采用中继选择算法，每一跳传输都选择误码率最低的链路进行转发，使得丢包数减少。

图6　重传次数Fig.6　Number of retransmission

图6为文件传输结束所需的重传次数。由于RFDP和CFDP的重传机制相同，影响重传次数的是传输阶段的丢包数，因此在误码率为10-7—10-5时，CFDP和RFDP重传次数相差不大；误码率大于10-5时，RFDP的重传次数明显少于CFDP。

3.2时延性能仿真分析

为了验证RFDP的优越性，用Matlab软件进行仿真，并与CFDP进行性能比较。

图7和图8分别为地球—月球和地球—火星通信中，传输相同大小、相同包长的文件时，平均传输时间与误码率的关系。从图7和图8中可以看出，在误码率为10-7—10-5时，RFDP和CFDP传输时间相差不大，当误码率大于10-5时，RFDP传输时间明显小于CFDP，且增长趋势比CFDP缓慢。这是因为RFDP在发送阶段采用了中继选择机制，使得丢失数据包减少，进而重传次数少，缩短了文件传输时间，这说明在误码率较高的情况下，相较于CFDP，RFDP能有效降低文件传输时间。

图7　1.35 s单向传输延时下的平均传输时间Fig.7　Delivery time with 1.35 s propagation delay

表1　系统仿真参数

如图7所示，在月球-地球通信中，当误码率大于10-5，传输同样大小、同等包长的文件时，RFDP的文件传输时间比CFDP短，最大相差约98 s，降低了40%；图7a中，RFDP在传输1 MByte、包长分别为1 000 bit和4 000 bit的文件时，包长越小，传输时间越短，最大差值可达130 s，这表明了包长选取对传输时间的重要性。

图8　240 s单向传输延时下的平均传输时间Fig.8　Delivery time with 240 s propagation delay

如图8所示，在火星-地球通信中，当误码率大于10-5，传输同样大小、同等包长的文件时，RFDP的文件传输时间比CFDP短。在误码率为5×10-4时，传输时间缩短了约1 200 s。

图7b中RFDP在传输包长为1 000 bit、文件大小分别为1 MByte和0.5 MByte的文件时，数据包大小为0.5 MByte的文件传输时间要明显小于1 MByte的。相同情况下，在图8b火星-地球通信中，RFDP传输0.5 MByte文件的时间只是略小于传输1 MByte文件的。仿真中我们取文件大小为1 MByte，信道速率为1 Mbit/s，则数据包发送时延约为8 s。由此可以看出，地球-月球之间单向传播时延和数据发送时延在同一个数量级，因此传输时间受文件大小和数据包长度的影响较大；而地球-火星之间单向传播时延远远大于数据包发送时延，此时，RFDP文件传输时间主要由单向传播延时(即距离)决定，其他因素影响较小。

4结论

为有效解决深空通信传输距离远、误码率高以及链路间歇性中断等问题，本文提出了一种基于中继选择的文件传输协议。首先根据深空信道特征，将数据传输过程分为跳到跳发送和端到端重传2个阶段。发送阶段采用中继选择算法选取丢包率最小的最优中继路径，有效减少数据包的丢失。然后重传阶段利用端到端路径，节约链路资源的同时降低系统复杂度。仿真结果表明，本文提出的RFDP文件传输协议能够减少丢包，有效降低时延。在误码率为10-3，传输同样大小、同等包长的文件时，相比CFDP，RFDP的传输时间可缩短40%。当端到端误码率较大时，RFDP在降低时延方面的优势更加明显。

参考文献：

[1]De COLA T, PAOLINI E, LIVA G, et al. Reliability options for data communications in the future deep-space missions[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(11): 2056-2074.

[2]CLARE L P, AGRE J R, YAN T. Considerations on communications network protocols in deep space[C]// Aerospace Conference, 2001, IEEE Proceeding. Big Sky MT:IEEE, 2001(2)：943-950.

[3]DURST R C, FEIGHERY P D, SCOTT K L. Why not use the standard internet suite for the interplanetary internet [EB/OL]. (2000-12-20)[2014-10-12]. http://www.doc88.com/p-5337160979174.html.

[4]Consultative Committee for Space Data Systems. CCSDS 727.0-B-4-2007.CCSDS File Delivery Protocol Recommendation for Space Data Systems Standards[S].Washington, D.C.：CCSDS, 2007.

[5]CESARONE R J, ABRAHAM D S, DEUTSCH L J. Prospects for a next generation deep-space network[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(10):1902-1915.

[6]陈静,刘立祥,胡晓惠.一种适用于卫星网络的跳到跳的传输协议[J].宇航学报, 2010,31(4):1162-1168.

CHEN Jing, LIU Lixiang, HU Xiaohui. A Hop-by-hop Transport Protocol for Satellite Networks[J]. Journal of Astronautics, 2010，31(4):1162-1168.

[7]SUN Haoliang, HU Xiaohui, LIU Lixiang. A Hop-by-Hop Transport Protocol for Interplanetary Backbone Networks[C]// Computer Science & Service System, 2012 International Conference on IEEE. Nanjing: IEEE, 2012: 1271-1275.

[8]SUN X, YU Q, WANG R, et al. Performance of DTN protocols in space communications[J]. Wireless networks, 2013, 19(8): 2029-2047.

[9]LU J, LU Q S, WANG Q. Orbit control strategy for Lagrange point orbits based on an analytical method[J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2013, 56(4): 830-839.

[10] 雷维嘉,王换换,谢显中.喷泉中继传输网络中基于信道信息和剩余能量的中继选择算法[J]. 重庆邮电大学学报:自然科学版, 2012, 24(2):190-195.

LEI Weijia, WANG Huanhuan, XIE Xianzhong. A relay selection algorithm based on channel information and residual energy in fountain relay transmission networks[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications：Natural Science Edition, 2012, 24(2):190-195.

[11] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2007.

FAN Changxin, CAO Lina. Communication fundamentals[M]. Beijing: National Industrial Press, 2007.

[12] BREIDENTHAL J C. The merits of multi-hop communication in deep space[C]// IEEE Aerospace Conference. Big Sky, USA:IEEE, 2000, 1:211-221.

[13] 朱万里,翟立君,晏坚,等. DSFDP:一种增强型的深空文件传输协议[J].宇航学报, 2011, 32(3):640-644.

ZHU Wanli, ZHAI Lijun, YAN Jian, et al. DSFDP: An Enhanced Deep Space File Delivery Protocol[J]. Journal of Astronautics, 2011, 32(3):640-644.

File delivery protocol based on relay selection for deep space communication

ZHAO Hui，WANG Qin，PENG Haiying，WANG Enpu

(Key Laboratory of Optical Communication and Networks, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, 400065, P.R.China)

Abstract:In view of the problem of long delay, large BER and intermittent interruption in deep space communication, a deep space file delivery protocol based on relay selection is proposed. The presented protocol divides the file delivery into two stages: hop-by-hop transmission and end-to-end retransmission. In transmission stage, a relay selection algorithm is put forward, which selects the appropriate relay nodes based on the law of celestial motion, and builds the optimal path according to the relation between loss rate and channel characteristics to decrease packet dropout and the retransmission times. In retransmission stage, the receiver checks the received packets and requires the source to retransmit the lost ones through end-to-end link, which can guarantee the reliability of data delivery. Simulation results indicate that when the end-to-end BER is greater than 10-5, the proposed file delivery protocol can effectively decrease retransmission times and lower transmission delay. When BER is 10-3, compared with CFDP, the transmission delay can be reduced by 40% indicating that the proposed file delivery protocol can well adapt to deep space communication environment.

Keywords：deep space communication; relay selection; file delivery protocol; delay

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.01.008

收稿日期：2014-12-07

修订日期：2015-04-10通讯作者：赵辉zhaohui@cqupt.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(61271261)；重庆市科委自然科学基金(CSTC 2012jjA40048)

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China (61271261); The Natural Science Foundation Project of CQ CSTC(CSTC 2012jjA40048)

中图分类号：TN927；TN915.04

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)01-0053-07

作者简介：