CCSDS Proximity-1空间链路协议吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

CCSDS Proximity-1空间链路协议吞吐量性能研究

史府鑫，程子敬

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

Proximity-1空间数据链路协议是CCSDS推荐的4个空间数据链路层协议之一，是专门为邻近空间链路制定，一般用于航天器之间近距测控通信任务。为了提高临近航天器之间通信的吞吐量，本文分析了Proximity-1协议中的COP-P处理过程，并对其的不足之处进行了改进，推导出吞吐量与误码率、帧长等参数关系公式，并进行了仿真验证，得出误码率不同时，选用不同的帧长，吞吐量最多可提高20%，证明选用不同的帧长发送，可以提高系统吞吐量，为空间数据链路协议的应用提供参考。

CCSDS；proximity-1协议；COP-P；吞吐量

随着空间探测的进行和空间应用的发展，构建完善的空间通信网络，进而构成空间与地面能够互联互通的天地一体化通信网络，受到国际宇航界的广泛关注。空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）为空间通信制定了一系列的推荐标准，其中包括4个数据链路层标准：TM （Telemetry Space Data Link Protocol）、AOS（Advanced Orbiting Systems Space Data Link Protocol）、TC（Telecommand Space Data Link Protocol）和 Proximity-1（Proximity-1 Space Link Protocol）[1-3]。随着我国探月工程的开展，CCSDS专门为临近空间设计的协议Proximity-1将逐渐在我国航天领域得到广泛应用。

1　Proximity-1协议简介

Proximity-1协议收发两端使用相同的协议实体，每个实体同时具有收发功能[2]。Proximity-1协议是一个复杂的跨层协议，分为数据链路层和物理层，数据链路层又分为空间链路层和编码与同步子层，空间链路层又分为帧子层、MAC子层、数据服务子层、I/O子层[3]。

Proximity-1提供两种该服务质量（顺序控制、快速控制）和3种服务类型（分组服务、用户自定义数据服务、时间服务）[4]。在该协议中，通信双方在建立连接的过程中通过“握手”的方式来实现实时参数改变，所以其帧长是可变的，这为数据传输提供了很大的灵活性。

图1　Proximity-1协议应用场景示意图

图2　Proximity-1协议应用场景示意图

在发送端，数据业务子层运行帧发送处理程序，处理接收到的邻近空间链路控制字，接收I/O子层传送的快速或序列控制帧，并反馈给I/O子层应答。在接收端，运行帧接收处理程序，接收由帧子层传送的数据帧。

2　COP-P分析研究

2.1COP-P简介

CCSDS Proximity-1协议能够实现各个航天器之间的直接通信，不需要借助地面站进行数据中转，具有短程、双向的特点[5]。CCSDS根据实际使用的需要先后制定了COP-0、COP-1、COP-2和COP-P 4个标准，COP-P是专为Proximity-1协议制定的。

图3　Proximity-1跨层结构数据流向示意图

Proximity-1协议中的数据服务子层通过COP-P过程保证通过顺序控制服务传输的SDU的数据传输可靠性，实现数据无丢失、无重复和连续的发送，但是对通过快速服务传输的SDU不保证传输可靠性[6-7]。

COP-P协议定义了FOP-P（Frame Operation Procedure for Proximity Links）的帧发送操作过程、FARM-P（Frame Acceptance and Reporting Mechanism for Proximity Links）的帧接收和报告机制[8]。

2.2COP-P处理过程

针对顺序控制帧，COP-P会存储数据服务子层最近传输和已经确认的帧的序列号等所有状态信息，并且协议的PLCW是由帧子层根据FARM-P相应生成的[9-11]。在发送端，FOP-P驱动快速服务和顺序控制服务，负责排序和复用用户的数据，并且保持与FARM-P的同步。FOP-P只维护一个单输出已发送帧序列，包括已发送但还没有被接收机确认的顺序控制帧。在接收端，FARM-P为数据驱动，仅对接收到的FOP-P的内容做出了反应，并通过PLCW提供合适的反馈，告知下一期待接收的帧序列，如果本次接收到的帧序列号是想要的帧序列号，则将该帧送往上层并反馈含有下一期待的帧序列号的PLCW，如果接收到的帧序列号不是想要的帧序列号，丢弃该帧，反馈PLCW。

图4　COP-P进程改进示意图

规范中的图4.1给出了COP-P的完整处理过程。但是这个图中的PLCW传输路径有不妥之处，使人对COP-P的处理过程产生误解。图4示出了原图以及我们做出的修改。根据协议分层模型、规范4.3.3中的第三、第四段对FOP-P和FARM-P的说明、其他各处对COP-P的描述，并结合TC协议所使用的COP-1操作的常识，图4.1中的数据传输方向有错误。收端回传的PLCW应该发给发端的FOP-P（PLCW对发端的FARM-P没有任何用处）。在图4中，给出虚线所示的正确传输路径。改进后，前向发送的传输帧N（S）和反向回传的PLCW正好构成一个环路。

3　Proximity-1协议吞吐量性能分析

空间链路的数据链路层协议性能评价的主要指标是吞吐量[14]，其定义为单位时间内接收端成功接收的有效用户数据量，即成功接收有效数据量的速率[12]。

吞吐量=（总传输数据量—无效数据量）／总时间 ，其计算公式为

其中，T为总的观测时间，N为观测时间T内接收端接收到的用户数据量，P为接收到的用户数据中能正确译码接收的概率，η为接收到的用户数据中有效数据所占的比例。

3.1协议的重传机制

Proximity-1协议中COP-P采用的重传方式是回退N ARQ（GBN-ARQ）。其主要原理是：GBN-ARQ协议的传输原理：发送端把信息拆分成分组，加入信息比特（发送序号、接收序号以及校验比特等）构成长度相等的数据帧，然后把数据帧存储到传输缓冲区等待传输[13]。发送端一次连续发送N个数据帧（N为信道最大能承受的帧数），接收端对接收到的数据帧进行错误检测（包括帧的顺序），每正确接收一个数据帧，则向发送端反馈一个ACK，没有正确接收数据帧，则反馈一个NACK同时丢弃该出错的数据帧以及其后续的数据帧。若收到ACK，发送端将继续传输后面的N个帧；若收到NACK，发送端将从出错帧开始重新发送N个帧。

3.2吞吐量数学模型

链路速率（RS）：每个航天器都有一个固定的链路速率RS。决定了协议传输数据速率的上限。

根据Proximity-1协议的Version-3帧结构，帧头长度L′=5，同步子（ASM）和校验码（CRC）的总长度L″=3+4=7，数据域长度为L，Version-3帧的总长度为n=L+L′，则成功接收帧的概率为

Proximity-1吞吐量计算公式：

3.3仿真实现及结果分析

由上述数学模型，我们进行了仿真实验。设置传输速率RS=1 Mbps，仿真结果如图5所示。

图5　不同帧长下吞吐量与误码率的关系图

从仿真结果可以看出，系统的吞吐量跟误码率和帧长都有关，并不是简单的线性关系。在不同的信道环境下，由于误码率的不同，帧长的大小对吞吐量有着较大影响。

当帧长为2048 byte时，吞吐量随误码率的变化幅度最大。而在帧长为128 byte时，吞吐量随时间变化幅度最小，但是吞吐量一直都不高。大趋势是，误码率越小，帧长越长，吞吐量越大。但是帧长过低，如L=128 byte时，由于帧开销过大，帧效率太低，导致吞吐量一直很小。在误码率为0.9×10-4时，选用帧长512 byte比选用2048 byte的吞吐量提高了近20%。所以在不同误码率下，都有一个帧长，能使吞吐量最大。而Proximity-1协议通过Hailing信号来实现通信过程中参数的实时改变，所以帧长是动态可变的[15]，在数据的传输过程中可以通过实时监测，改变帧长，从而实现吞吐量最大化。

4　结束语

文中给出了吞吐量跟帧长、误码率关系的计算公式，并得出了可以通过对帧长的实时控制提高了系统吞吐量。在实际应用时，还应进一步研究因变帧长而造成的其他参数的变化，如滑动窗口N大小、超时重发时间、延迟等，来进一步提高系统吞吐量。

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Research on throughput of CCSDS Proximity-1 space link protocol

SHI Fu-xin，CHENG Zi-jing
（Bering Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

The Proximity-1 is one of the four space data link layer protocols recommended by the CCSDS（Consultative Committee of Space Data System）.The Proximity-1 protocol is created especially for adjacent space links，and is commonly used in short range TT&C communication tasks between spacecraft.For the purpose of increasing the throughput of the communications between adjacent spacecraft，this paper analyzed and improved the deficiencies of the COP-P process of the Proximity-1 protocol.The mathematical relationships between the throughput and parameters including bit error rate and frame length were firstly derived and then verified using simulations.The results show that，given different bit error rates，the throughput can increase by up to 20%if using different frame lengths.In other words，the throughput of system can be increased by choosing different frame lengths for sending.This finding is of referential significance for the application of the space data link protocols.

CCSDS；proximity-1 protocol；COP-P；throughput

TN927+.23

A

1674－6236（2016）21-0112-03

2016-03-12稿件编号：201603194

国家自然科学基金资助项目（91538202；91438117）

史府鑫（1990—），女，山东青岛人，硕士研究生。研究方向：空间信息网络。