从IRIG 106看遥测网络标准TmNS发展

陈雨迪，刘燕都，焦义文

（航天工程大学 北京 101400）

引 言

二十世纪六十年代以来，美国靶场司令委员会RCC（Range Commanders Council）下属的靶场仪器组IRIG（Inter-Range Instrumentation Group）发布了一系列IRIG 106遥测标准。随着遥测技术标准不断提升和发展，我国现行的遥测标准（GJB 21）基本上参照了IRIG 106[1]。

随着各类航空、航天飞行器的出现，特别是针对组网式的飞行器，飞行试验的遥测需求不断增长，除了传输数据量和所需带宽增长外，为实现高效飞行试验而建立飞行试验遥测网络的需求也被提出。2004年10月，美国试验中心和项目评估投资机构CETIP（Central Test and Evaluation Investment Program）启动了集成网络增强遥测iNET（integrated Network Enhanced Telemetry）项目计划[2]。作为iNET项目计划的一部分，遥测网络标准TmNS（Telemetry Network Standard）被用来规范和指导系统的开发和组件之间的互操作。TmNS随着IRIG 106的修订不断更新发展，目前最新版为2019年7月发布的IRIG 106-19[3]。

1 TmNS概念及发展

TmNS作为iNET的核心部分，最早在2007年的文献[4]中就被提出，作为IRIG 106的第二部分进行具体细节的更新和发展。

1.1 TmNS概念

制定TmNS的目的是通过定义系统的功能接口来促进网络遥测系统体系结构的开放性和不同组件供应商之间的互操作性，以实现在诸多试验对象、RF（Radio Frequency）网络、遥测地面站之间的通信和协同工作。

TmNS的核心是描述网络上组件的网络和接口，所有基于TmNS的网络都力求接近现有的基于因特网的网络。同时，TmNS还提供了与现有设备、方法和技术融合的机制。TmNS不同于其他的技术革新，它通过显著提高频谱效率和数据交换效率来革新飞行测试的执行方式，其基本原则是增强而不是取代现有的遥测系统，这一基本原则又进一步产生了将基于TmNS的功能与现有的设备、方法和技术结合起来的需要。

1.2 TmNS突出功能

根据IRIG 106的阐述，TmNS的IP网络具备路由、服务质量QoS（Quality of Service）和阻塞控制等特性，为遥测技术带来了以下一些新的功能：

①双向通信功能：可以直接从传感器和记录器实时访问测试设备上当前和过去的测量数据；在串行流遥测馈送丢失数据时能近实时地对测试设备恢复测量；向地面站提供对测试设备进行状态监控、参数配置等实时控制的能力。

②动态频谱共享：基于对遥测资源的瞬时需求，能提供在多个并发测试活动之间共享频谱资源的能力。

③服务质量：提供根据特定活动的优先级来动态共享频谱资源的能力，也会考虑一些特定服务的优先传输，例如语音服务。

④完全互联系统：提供从一个天线到另一个天线的无缝转换传输和接收数据的能力，包括不同网络(频率)和其他距离范围的天线。

⑤超视距遥测：TmNS具备实现测试设备到测试设备遥测(中继)通信的能力，从而支持大量测试设备的测试和长距离测试。

1.3 TmNS标准发展

TmNS作为iNET项目计划的核心部分，对于TmNS的描述最早出现在文献[4]中。iNET项目计划最初设想是通过吸引广大用户和设备供应商的参与来共同开发完善以实现空地一体的集成网络增强遥测，因此没有在最初就制定出统一的协议、数据接口、硬件管理机制等技术标准。在iNET的项目文件中，TmNS被定义为遥测网络系统(Telemetry Network System)。

随着iNET项目计划的不断探索和相关技术验证，对于TmNS的设想形成了更具体的统一认识。IRIG 106对TmNS的定义也发展为遥测网络标准（Telemetry Network Standard），对其进行标准化描述，收入到遥测标准的第二部分，但没有正式纳入发布版本。直到2017年IRIG 106-17[5]第一次将TmNS作为21章到28章纳入到正式发布的版本中，并且在IRIG 106-19[3]中增添了部署TmNS频段计划并且将TmNS部署频段计划合并到遥测标准的第2章中。

1.4 国内对于TmNS标准研究现状

国内相关文献中，文献[1, 2, 6]最早对网络遥测技术进行研究探索：文献[1]在国内最早介绍了当时最新发布的iNET遥测网络标准，概述了遥测网络系统(TmNS)的概念与范畴，引入了网络化遥测的概念；文献[2]重点探讨了遥测网络系统的体系结构，包括外围设备、外设配置人机接口、网络管理等，并阐述了遥测网络在航空飞行试验中的应用前景；文献[6]介绍了遥测网络系统的技术框架，包括系统组成、体系结构、增强功能和主要技术指标，并给出了一种可行的TmNS技术实现方案。文献[7-12]就遥测网络的网络组网技术进行了研究：文献[7]提出基于无线网技术来实现新的“飞行试验遥测数据实时远程传输”方案，参照遥测网络标准对飞行试验遥测传输中的无线组网技术和数据安全进行了研究；文献[8-10]对遥测网络系统的联网控制协议进行了研究，为提出用于新一代遥测网络系统的控制与联网协议做出了一定的贡献；文献[11]对S+C波段飞行试验遥测网络系统的管理需求、管理方法等进行了研究，提出并实现了基于SNMP协议的遥测网络系统管理技术方案；文献[12]利用基于无线mesh网络的测试系统，优化无线mesh网络组网模式和各参数，增强了网络遥测的通信稳定性和可靠性，增加了单机遥测传输距离，同时测试了多机协同试飞时遥测传输距离的性能。文献[13]研究分析比较了B-LM算法和E-LM算法运用于TmNS射频网络管理的性能；文献[14-17]为综述类文章，从技术应用、未来前景等角度也对网络化遥测进行了分析。

2 TmNS技术框架

2.1 TmNS分层架构

基于文献[18]提出的构想，国际互联网工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）成功定义了一种用来描述IP网络的沙漏方法，如图1所示。TmNS利用基于IETF沙漏结构模型描述的IP网络描述了TmNS的层次构型，其中IP层是网络组件之间基本互操作性的重要保证。图2显示了经典IETF IP沙漏模型的TmNS专门化。

图1 IETF沙漏构型Fig.1 Hourglass model defined by IETF

图2 TmNS专门化的沙漏构型Fig.2 Hourglass model specialized for TmNS

在沙漏构型的基础上，再对TmNS进行分层架构设计。根据设计理念，TmNS本质上是一个通信和数据交付系统，参照TCP/IP模型它被划分为应用层、传输层、互联网层和网络接入层。同时，TmNS根据需求在应用层增添了无线电接入网络应用、数据传输应用和常见的客户端/服务器应用的相关协议；在网络接入层增添了射频链接层和射频物理层的相关协议，如图3所示。在对应的分层架构模型中，TmNS中的一层服务于它上面的层，并由它下面的层服务，数据交互严格遵从层与层之间的特定协议。

2.2 TmNS定义的两种指挥控制平台

实际运行过程中，TmNS定义了两个主要的命令和控制平台，分别是测试/任务指挥控制平台（图4中红色部分）和靶场基础设施指挥控制平台（图4中黑色部分），这两种平台体现了传统遥测体系与网络化遥测融合的方式，其基本理念就是通过两类指挥控制平台对遥测网络的功能进行分解分配，并区分每个平台内数据传输的形式、密级，从而实现高效、安全的网络化遥测。

测试/任务指挥控制平台主要负责特定测试相关的命令和控制。该指挥控制平台主要由测试设备和任务控制室的红色网络组件组成，如图4所示，红色网络组件位于内联网络加密器的后面。它涉及测量、遥测处理、消息/数据格式确定、数据记录、测试设备组件状态的配置，平台内传递的信息是未进行加密的文本。

靶场基础设施指挥控制平台主要用于单个或多个范围内的与给定测试所需的资源供应相关的命令和控制。该平台主要由地面天线站点、距离操作中心和测试设备上的黑网络组件组成。它包含频谱共享、QoS、双向遥测通信的建立和管理，以及来自测试设备的从一个给定的地面天线位置到另一个天线位置的通信转换（天线到天线的切换），其内部的信息是以密文形式传递的。

图3 TmNS分层架构Fig.3 Layered architecture of TmNS

图4 TmNS定义的命令和控制平台Fig.4 Command and control planes defined by TmNS

3 TmNS关键技术

3.1 基于网络的数据信息

为了方便数据信息加解密编解码，实现高效安全地传输信息，遥测网络中数据传递以统一的信息格式传递，这要求不仅包含了地面IP网络中标准化传输，还包含了在射频端的信息格式统一化。测试数据以TmNS数据消息（TmNS Data Message）的形式传递，其中包含一个数据头信息和一个有效信息负载，如图5所示。

实际测量是包含在TmNS数据消息的数据包中，并且在TmNS数据消息中测量参数的映射是定义在一个系统配置文件中。该系统配置文件是一个元数据描述语言MDL（Metadata Description Language）定义的文件，用来描述特定的正在传输或者使用TmNS数据消息的设备配置信息。

图5 TmNS数据消息Fig.5 TmNS data message

3.2 系统配置管理

TmNS中的系统管理是基于国际标准化组织电信管理网络模型FCAPS。作 为 电 信 管 理 网TMN（Telecommunications Management Network）层次结构的补充，国际电信联盟电信标准部ITU-T同时划分出了网络管理系统提供的五个通用的管理职能：故障、配置、计算、性能和安全性FCAPS（Fault，Configuration，Accounting，Performance and Security）。本质上，在系统管理和配置方面，TmNS系统由两类部件——托管设备和TmNS管理员组成。通过提供网络上故障、配置、会计、性能和安全配置信息的视图，实现了对所有从属于遥测网络部件的管理。

图6显示了由TmNS特例化的系统管理构建模块，其使用的核心技术是简单网络管理协议SNMP（Simple Network Management Protocol），SNMP管理信息库MIBs（Management Information Bases）为进行管理提供参考手册。托管设备执行名为“代理（agents）”的应用程序，这些应用程序使用TmNS定义的管理信息库来提供它们内部状态并接受控制和配置。文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）和Internet控制消息协议在文件传输、用户发现和参数配置方面发挥了重要作用。

图6 TmNS系统管理Fig.6 System management of TmNS

3.3 时间同步

整个基于TmNS的系统内时间使用基于IEEE 1588-2008的时间协议进行分发，该版本时间协议也称为精确时间协议版本2，并且在TmNS系统中，时间信息是在不添加任何报文的情况下传输的。网络遥测标准中定义的时间同步协议中，规定了三类时钟，分别是IEEE 1588主时钟、IEEE 1588从时钟和IEEE 1588边界时钟。主时钟接口主要支持关键网络节点的时间同步，与GPS时钟源同步；从时钟接口应用于次重要的网络节点同步于主时钟接口的关键网络节点，当网络内没有主时钟接口的关键网络节点时，从时钟以最后一个已知时间为准自行计时；边界时钟技术用于支持将时间同步数据传输到需要高度同步的设备，例如透明时钟。带有主时钟或从时钟的网络节点都支持外部的秒脉冲输出，以便在一微秒内验证分布式时钟之间的时间信号同步是否锁定。

3.4 服务质量

当遥测网络遇到数量众多的用户提交的差异化服务需求时，为避免产生的阻塞使得传输数据、服务需求丢失，TmNS标准采用了QoS机制。QoS机制可用于特定测试或跨多个测试中的某些数据集，由于性能原因、飞行安全考虑等因素，这些数据集可能有严格的传输优先级要求。针对这些数据集不同的优先级，TmNS注释了一个典型的差异化服务体系结构，形成标准的IP QoS机制，用于协调相互竞争的数据传输，应对可能产生网络的网络阻塞。

3.5 射频网络管理

射频网络采用了一个基于开放式系统互联参考模型OSI（Open System Interconnect Reference Model）的数据传输方法。在经典的OSI模型中，数据通过OSI堆栈先从应用层传递到物理层，再通过传播媒介在物理层之间传输，最后回到接收方应用程序的堆栈。在大多数情况下，射频网络的操作与其他任何采用TCP/ IP协议的网络一样，使用标准的数据管理协议创建消息，例如简单的网络管理协议；在传输层依据TCP或UDP协议封装数据包；然后进一步封装成包含逻辑寻址和路径路由确定的IP包。射频网络与OSI模型的不同之处在于数据链路和物理层，为了支持通过RF链路进行传输，射频网络中修改了媒体访问控制MAC（Media Access Controls）协议。

射频网络媒体接入采用了一种基于时隙结构的传输方案，在每个分配的频点上将串行的通道分成多个时隙Epoch在多个链路进行分配。这样在同一频率上就实现了多个链路时分复用[13]。由于链路中任务时有时无，需求多样化，所以需要对时隙Epoch进行动态管理。为了支持Epoch结构的动态更新，TmNS定义了传输机会TxOp（Transmission Opportunities）。TxOp是传输实体可以通过其相关的RF接口进行传输的时间窗口，包含一个开始时间和一个停止时间，决定了一个Epoch的重复时间边界。收发器根据RF网络消息提供的TxOp来更新他们当前的活动策略，选择性地先执行部分Epoch，如图7所示。

图7 基于时隙结构的传输Fig.7 Transmission scheme based on Epoch

4 TmNS未来发展以及启示

4.1 TmNS未来发展

在最新版的IRIG 106-19中，遥测网络标准提出了若干未来需要继续补充发展的内容：

①物理链路层的多载波传输

目前TmNS标准物理层协议中采用了单载波形偏移正交相移键控SOQPSK-TG（Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying）信息调制方式。为了有利于机载设备和地面系统之间的连续数据流遥测的同步和互操作性，在与靶场委员会频谱管理小组（Frequency Management Group of the Range Commanders Council）进行协调后，标准建议射频网络遥测采用4900.0MHz到4922.0MHz的频带。但是目前的单载波调制方式仍有一定的局限性，为了提高抗多径干扰和抗多普勒效应的性能[19]，TmNS在未来的标准中为多载波调制预留了位置。

②数据信息传输协议中需求定义的应用数据传输部分

需求定义的应用数据传输（Request-Defined Application Data Transfer）是TmNS特有的通过资源客户端传输TmNS数据消息的属于应用程序级别的方法。其中包含基于实时流协议RTSP（Real Time Streaming Protocol）的控制通道、基于RTSP的数据通道、可靠性至上RC（Reliability Critical）传输协议和需求定义的数据通道。其中前三个协议已作出详细描述，“需求定义的数据通道”这一节还未形成统一标准，有待后期补充发展。

③RF 链路管理的容量动态分配算法

RF链路中，链路管理器LM（Link Manager）是一个负责优化控制和协调射频网络中链路容量分配的TmNS应用，主要通过管理无线电组件传输机会分配的TDMA控制器实现。目前标准中还未对链路容量动态分配算法进行详细阐述，有待后期的研究发展。

4.2 网络遥测带来的启示

目前我国航天飞行器的遥测现状是各型任务主要基本参照遥测标准（GJB 21），根据任务的需求不同进行差异化的订制。这种工作模式在现有的遥测任务规模、飞行器数量的情况下，是暂时可以满足任务需求的。未来随着航天飞行器数量增多、遥测任务规模扩大，尤其是小卫星组网等需求，目前固定的点对点遥测接收工作模式难以满足用户数量剧增的需求[20]。即使大规模建站，不采用网络IP化的遥测，现行遥测模式也难以应对数量众多优先级各异的遥测需求。因此遥测标准相应部分亟需更新，网络化遥测应加强推广。

5 结束语

本文在分析遥测标准IRIG 106-19中关于遥测网络标准更新部分的基础上，分析了网络遥测技术的技术框架、关键技术和未来发展，并提出了网络遥测带来的启示。大力发展网络化遥测，符合我国未来空地一体遥测网络建设的趋势，也对形成新的遥测标准具有积极意义。