地月空间通信网络协议研究

张大鹏，许子涵，王爱华，王 悦

(1. 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094； 2. 北京理工大学信息与电子学院，北京市100081)

1 引言

服务于载人月球探测任务的地月空间信息系统涉及航天器数量多、数据种类多、数据量大，且有月地通信链路传输距离远、月球背面无法通过地面深空站直接通信、通信链路中断频繁等情况。因此，地月空间组网通信具有网络拓扑的时变复杂性、间断性的链路连接、网络高度异构与协议多样、非对称的通信带宽、远距离通信传播时延等特点[1-2]。 传统地面局域网技术和近地星-地点对点通信技术无法满足地月空间组网需求，因此需要建立适用于地月空间架构的组网方案来满足地月空间日益多元化的信息传输需求。 将地面互联网概念引申到空间，构建空间互联网，使之具有与地面互联网类似的能力和灵活性[3]，同时为日益复杂的航天任务对空间通信技术提出的挑战性难题提供有效解决途径[4]。 因此，实现多目标大数据量的高带宽组网互连互通以及地月空间信息系统如何能够保证高可靠性组网通信传输是需要重点解决的问题。

空间网络体系架构的构建主要由空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)、机构间操作指导组/机构间互操作大会(Interagency Operations Advisory Group/Interoperability Plenary，IOAG/IOP)和互联网工程任务组/互联网研究任务组(Internet Engineering Task Force/Internet Research Task Force，IETF/IRTF)等组织来实施[5-6]。 在空间网络技术的发展过程中，这些组织主要形成了4 个协议体系发展方向:基于CCSDS 的协议体系(或Space Communication Protocol Specification， SCPS 体 系)、基于TCP/IP 的协议体系、将CCSDS 与TCP/IP结合的协议体系、基于容忍延迟/中断网络(Delay/Disruption Tolerant Networking，DTN) 的 协 议 体系[5-6]，4 个协议体系各有优缺点，而基于DTN 的协议体系针对深空环境设计，为更远期的发展设计，涵盖了上述3 种协议体系，是更高一级的协议体系[6]。 空间网络体系架构或协议体系的构建主要体现在其相应标准的研究工作中，这些空间协议标准根据工程实际经验而制定、修订或废止。以CCSDS 相关标准为例，SCPS 协议体系中只有空间通信协议规范-传输协议[7](SCPS -Security Protocol，SCPS-TP)继续使用，相应地又制定了在CCSDS 空间链路之上承载IP 协议标准[8](IP over CCSDS space links，IPoC)，针对DTN 协议体系发布了对空间DTN 体系结构完整阐述的绿皮书[9]，并对LTP(Licklider Transmission Protocol)空间可靠性传输协议以及BP(Bundle Protocol)覆盖层协议相关服务与机制进行说明， 形成了蓝皮书[10-11]。

DTN 的协议体系针对深空环境提出[6]，为适应星际间长时延通信在传统协议中进行改造[12]。首先，DTN 使用“存储-携带-转发(store-carry-forward)”模式[12]，这种数据中继服务机制较好地解决星球区域网络和星球中继网络长时延和日常性网络中断导致的问题，适用于地球到月球乃至更远距离的深空通信。 其次，构建由多个子网组成的行星际互联网需要实现多个子网的互联互通，需要统一的联网机制，DTN 通过Bundle 协议层将不同类型的网络下层协议(如地面段的TCP/IP，星地链路的CCSDS 包协议和AOS 协议)整合，在不改变原有网络基本结构的基础上实现多重异构网络的互联互通，具有良好的兼容性和扩展性，是一种面向未来的网络体系架构。 与无法适应网络中断的IP 协议仅能提供文件传输的CFDP 相比，基于DTN 协议体系更适合形成一个统一、完整的星际互联网络结构，DTN 目前可能是未来深空互联网最具说服力的架构[13]，各国的航天机构已经部署了DTN 协议项目，并进行了DTN 协议空间试验[14]。

本文根据未来载人月球探测任务需求及地月空间组网设计特点，在地月空间信息系统通信结构的基础上，研究适用于地月空间信息系统组网通信的DTN 协议，并形成组网方案，进行地月空间通信网络仿真分析。

2 地月空间通信链路

2.1 通信系统结构

由于地球与月球相对运行形成遮蔽以及月球本地(比如南北极)观测仰角过低等，造成在行星表面与地球间建立直接通信链路困难，月球背面无法直接与地球通信。 载人月球探测任务中会涉及到多个航天器，如果要求所有月球区域的航天器都与地球直接通信，在整体效能方面无法达到最优，因此需要考虑采用月球中继卫星完成地月空间的中继通信。

对于月基通信单元，早期可利用月面着陆器或居住舱作为小型的月面通信基站，后续可发展为月球基地的通信基站。

在现有地球中继卫星功能基础上，可考虑补充对月中继通信能力，形成地球对月中继卫星。相对于地面对空间激光链路传输，激光链路在空间传输不会受到云层遮挡等因素影响，可以采用激光链路作为地月空间的主干通信链路。

选择地面深空站、地球中继星(具备对月通信功能)、月球中继星、月面通信基站作为地月空间主干链路的主通信与路由节点，建立高可靠、高速的2×2 地月空间骨干网络的信息传输通道，完成载人月球探测任务数据或其他高速任务数据传输，骨干网络结构示意图如图1 所示。 对于高速数据业务传输通道，通信链路选择Ka 频段射频链路，可传输上百兆bps 高速率数据，以及激光通信链路可传输几百兆bps 以上高速率数据，Ka 频段射频链路与激光通信链路形成备份。 在地球空间内仍然以相关频段微波通信链路进行数据传输，在月球空间内通信链路与地球空间相类似。

图1 地月空间骨干网络结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the backbone network structure in cislunar space

2.2 链路可见性

在地月空间中，需要将绕月卫星的坐标参数换算到以地球为中心的坐标系统[15]。 如图2 所示，月球中继卫星的坐标需要根据月球相对于地球坐标变换得到，月球中继卫星相对于地心坐标系的矢量公式见式(1):

图2 地月坐标转换示意图Fig.2 Schematic diagram of earth-moon coordinate transformation

由于月面通信基站直接对地面深空站通信链路可见性在50%左右，要达到月球空间的全覆盖仍需要月球中继卫星的配合；且月面通信基站的建立受到月面地形环境等因素的影响，因此在地月空间中，地球通信终端到月球通信终端需要经过月球中继卫星通信作为主要通信链路。

月球中继卫星与地球可见性的链路几何关系如图3 所示。 图中Dc为地月间距离，Ds为月球中继卫星对地球的距离，Rm为月球半径，am为月球中继卫星半长轴。 以月球中继卫星高度线和对月球切线的夹角λ 为最小夹角，当月球中继星对应的λ 角大于λmin，表示月球中继卫星对地链路可见。

当地球中继卫星具备对月通信功能时，与月球空间的月轨飞行器或月面用户建立第二类地月空间通信链路。 与图3 的原理相同，当地球中继星对应的φ 角大于地球中继卫星高度线和对地球切线的最小夹角φmin时，表示地球中继卫星对月链路可见，其几何关系如图4 所示。

图3 月球中继卫星对地可见性Fig.3 Visibility of lunar relay satellite to earth

图4 地球中继卫星对月可见性Fig.4 Visibility of earth relay satellite to moon

由上述2 类链路可构成月球中继卫星与地球中继卫星之间通信链路，几何关系如图5 所示。地月中继卫星间可见性以它们之间最大可见链路距离Dmax进行判断，当地月中继卫星间距离D 大于可见链路距离Dmax时，星间链路不可见。 最大可见链路长度Dmax见式(2):

由α 约为7.9E05°， Dmax可简化为式(3):

式中，Dc为地月间距离，Re为地球半径，Rm为月球半径，ae和am分别为地球中继卫星半长轴和月球中继卫星半长轴(以圆轨道为例)，如图5 所示。

图5 地月链路可见性Fig.5 Visibility of earth-moon link

3 地月空间组网方案

3.1 网络系统组成

基于上节通信链路互联互通形成地月空间通信网络，主要组成部分为星球(地球、月球)空间网络及星际空间网络。 地球空间网络的组成单元包括地基单元和地球中继单元，各个地基单元可以联网形成地基空间子网，地球中继单元可以组网形成地球中继子网，2 个子网间互联通信形成地球空间区域网。 同样，月球空间网络的组成单元包括月基单元和月球中继单元，各个月基单元可以互联通信形成月基空间子网，月球中继单元可以组网形成月球中继子网，2 个子网间互联通信形成月球空间区域。 通过微波通信或激光通信方式将地球空间网络与月球空间网络联络互通，形成整个地月空间主干网，网络结构示意见图6。月球中继子网中的月球中继卫星可以将月基空间子网用户接入地月空间主干网中，因此月球中继子网也可称为月球空间接入网，同理地球中继子网也可称为地球空间接入网。

图6 地月空间网络结构示意图Fig.6 Schematic diagram of cislunar space network structure

3.2 网络拓扑架构

基于DTN 协议体系的星际互联网络在技术的适用性、可行性以及先进性均符合地月空间组网需求，可作为地月空间信息系统组网通信的主要协议架构。 同时，由于DTN 具有良好的兼容性，因此仍以采用CCSDS 协议栈及TCP/IP 协议栈中具有较好通信性能及适用性的下层协议，如AOS 协议、IP 协议等，为地月空间网络的上层应用提供链路层、网络层及传输层支持。

在地月空间信息系统高速通信链路中，将地面指控中心(或地面站)、地球对月中继卫星、月球中继卫星(或具备中继功能的月轨空间站)、月球基地(或居住舱)等配置支持DTN 协议的网关路由设备，利用BP 束协议将地基空间/月基空间子网、地球中继/月球中继子网、地月空间主干网等不同的链路层和传输层协议整合起来。

考虑地面已经广泛应用和未来月表可能广泛应用的TCP/IP 互联网协议体系，在地球空间和月球空间采用IP over AOS 协议体系，能够最大程度兼容现有地面测控体系和航天器测控体制，利用IP 报文支持单播、组播、广播通信模式，也为未来月球基地建设保留最大的兼容性，这也符合未来地月空间网络渐进演化建设的设计思想。

因此，在地月空间传输采用DTN 协议体系，通过BP 协议统一应用层协议，通过AOS 协议统一链路层协议，地月间通过DTN 协议组成深空通信网络将地球及月球区域网络有机互联。

为了地月空间可靠组网，在地月通信网络拓扑结构中采用多网关的网状结构，即在地球空间区域网中以深空地面站和地球对月中继卫星作为DTN 网关节点，在月球空间区域网中以月球中继卫星和月球基地作为DTN 网关节点，地月网关节点交叉互连构成网状结构，增强了组网的可靠性。在该拓扑架构下，既有效避免了单网关的单点故障失效，又增加了网络结构随航天器轨道运行变化的适应能力，提高了网络通信覆盖性和可靠性。地月空间通信网络拓扑结构如图7 所示，三角符号表示DTN 网关节点。

图7 地月空间网络拓扑结构Fig.7 Topology structure of Cislunar space network

3.3 基于DTN 协议的数据传输

基于DTN 协议由地面用户应用端至月球或月面用户应用端网络传输示意图如图8 所示。 由图8 可见，BP 作为覆盖层协议将基于TCP 网络、基于UDP 网络、基于LTP 网络等异构网络互联[16]，存储转发的路由管理保证了这种动态异构网络环境下跨越不同网络的数据逐跳传递的可靠传输。

图8 基于DTN 协议的地月空间数据传输示意图Fig.8 Schematic diagram of cislunar space data transmission based on DTN protocol

4 仿真设计及结果

4.1 传输需求与系统组成

以载人月球探测任务为例，地月空间信息系统传输的业务数据主要是遥控数据、遥测数据、话音、图像视频多媒体数据等。 根据实际需求，对月球探测业务数据及其属性设计如表1 所示。 其中，对于有实时性要求的数据包，若5 s 内无法完成端到端的递交，则视为传输失败。

表1 信息传输需求Table 1 Information transmission requirements

地月空间信息系统架构及网络结构主要是基于月球中继卫星星座方案而构建，按照载人月球探测任务最终全月覆盖的目标，本文选择六星双圆极轨道的星座结构进行组网仿真，并对相应的双星单圆极轨道、三星单圆极轨道、四星双圆极轨道等星座结构同样进行组网仿真与比较。 不同星座方案如表2 所示。

表2 月球中继星座方案Table 2 Scheme of Lunar relay constellation

地基单元选择佳木斯、喀什、南美3 个深空站，地球中继单元选择一颗GEO 高轨卫星。 月球空间用户节点分别位于月球赤道300 km 轨道、月球赤道表面、月球南极表面、月球背面表面，分别代表月轨飞行器、航天员或月面探测器等。

假设中继卫星对数据包的最大可用存储空间为200 M，通信链路为Ka 频段，最大带宽为155 Mbps，且一个中继月球卫星在同一波束内最多与4 个用户节点同时通信。

4.2 仿真指标设计

4.2.1 连通性

选取端到端最大不可见时间这一指标衡量中继星座架构连通性。 单个用户节点某一时刻产生的数据包，在不考虑链路带宽、节点最大连接数量、存储能力等网络参数，仅考虑链路通断性的前提下，最快可完成递交的时间即该节点与目的节点在这一时刻的端到端最大不可见时间。 某一月球空间用户节点在一个月球公转周期中的所有时刻，与所有有潜在通信需求的地球空间用户节点的端到端最大不可见时间，即该节点在整个仿真周期中的端到端最大不可见时间。 月球空间用户各节点在整个仿真周期中的端到端最大不可见时间如图9 所示。

图9 端到端最大不可见时间Fig.9 End to end connectivity

由仿真结果可知，两星极圆轨道与三星极圆轨道对月球赤道节点的覆盖性差，存在一个约两天半的连续不可见时间段。 除此之外，各星座构型下各节点的端到端最大不可见时间均小于2 h。在另外两种中继星座构型下，月球赤道节点的端到端最大不可见时间也明显高于其他节点。 故本文仿真在处理仿真结果数据时，将月球赤道节点与其他月球空间用户节点的网络性能分开分析。

4.2.2 网络性能

选取递交率、平均延迟、最大缓存占用量3 个指标网络性能。 递交率指在数据包生存期内成功送达至目的节点的数据包数量与计划发送的数据包总数之比。 平均延迟指成功送达至目的节点的时间与该数据包产生时间的延迟。 最大缓存占用量指某类节点在1 个月球周期中缓存量使用最多的时刻下的缓存使用量。 若最大缓存占用量小于预设的缓存容量，则说明在该场景下可优化节点存储能力，减少成本。

通常延迟包含节点处理延迟、排队延迟、存储携带延迟、传输延迟、传播延迟5 部分。 节点处理延迟指路由器对到达的分组进行差错检测等处理的时间，通常在毫秒量级，故可忽略不计。 排队延迟、存储携带延迟、传输延迟根据仿真中实际等待情况进行计算。 传播延迟指分组从某一节点发出后，到达下一节点所花费的时间。 假设地月平均距 离 约 为3.84 × 105km， 光 的 传 播 速 度 为3.0×105km，故地月节点间的传播延迟约为1.28 s，月球节点与绕月卫星的传播延迟约为0.02 s。

4.3 仿真结果分析

4.3.1 递交率

数据包的递交率如图10 所示。 同一中继星座构型下非实时性数据包因节点可携带的时间较长，递交率高于实时性数据包，体现了DTN 存储-携带机制的优势。 同时节点对非实时性数据包的存储-携带增加了节点缓存中实时性数据包的排队延迟，导致实时性数据包递交率随非实时性数据包生存期时长的增加而略微下降。

图10 数据包递交率Fig.10 Delivery rate of packets

随着非实时性数据包生存期的增加，非实时性数据包的递交率有较为明显的上升。 四星双圆极轨道星座构型下，当非实时性数据包生存期为60 min 时，月球赤道节点的非实时性数据包递交率与六星双圆极轨道星座构型相差约2.4%，其他节点相差约1%，实时性数据包递交率分别相差约11.1%、7.6%。 考虑到六星双圆极轨道构型的实现成本较高，从递交率角度来说，若允许适当降低对实时性数据包的通信需求，四星双圆极轨道构型在递交率性能上可替代六星双圆极轨道星座构型。 同理，若不考虑对月球赤道节点的支持，在非实时性数据包生存期为60 min 时，三星单圆极轨道星座构型的实时性数据包递交率仅比四星双圆极轨道星座构型低约3.4%，非实时性数据包递交率低约1.9%，故该中继星座构型可在不考虑支持月球赤道节点通信需求时，作为四星双圆极轨道星座构型的一个最小系统替代方案。

4.3.2 网络时延

数据包的平均延迟如图11 所示。 由于中继节点在数据包超时情况下，会将实时性数据包丢弃，故延迟较大的实时性数据包无法到达目的节点，因此4 种架构下的实时性数据包平均延迟均在1.33～1.38 s 之间，相差不大。 对于非实时性数据包，其平均延迟随着中继星座的覆盖性与允许携带数据包时长的增加而增加。 由于各中继星座构型对月球赤道节点的覆盖率相对其他节点均较差，故月球赤道节点的非实时性数据包平均延迟均高于同一场景下的其他节点，但总体上均小于10 min。 由实际通信需求对比可知，实时性数据包平均约1.35 s 左右的延迟与非实时性数据包平均不到10 min 的延迟，在实际通信中均属于可接受的延迟范围。

图11 数据包平均延迟Fig.11 Average delay of packets

4.3.3 最大缓存占用量

节点最大缓存占用量如图12 所示。 当月球空间用户节点无可用链路，且所采集的数据包未超出其生存期时，需将这些数据包暂时存储于缓存中。 在非实时性数据包的生存期小于等于60 min时，月球节点所需的缓存能力实际不足10 G。 即可根据仿真所得结果对月球空间用户的缓存设备进行适当优化，以使用更低成本的硬件设备达到同样的网络通信性能。 在六星双圆极轨道星座构型场景中，由于卫星对月球的覆盖率足够高，通信资源足够多，故对月球空间用户节点的存储能力需求较低。 在考虑中继星座构型优化、替换方案时，需对应地提升月球空间用户节点的存储能力。 对于卫星节点，在一个月球周期内的各类场景下，其最大缓存能力均达到200 Mb。

图12 节点平均缓存占用量Fig.12 Average buffer usage of nodes

5 结论

本文分析了地月空间组网通信的特点，基于地月空间通信链路，形成了地月空间组网方案，以基于DTN 协议体系作为地月空间信息系统组网通信的主要协议架构，同时兼顾CCSDS 协议栈及TCP/IP 协议栈的AOS 协议、IP 协议。 根据业务数据传输需求，对于不同的月球中继卫星星座结构进行了投递率、网络时延、用户节点存储能力等性能指标仿真分析，结论如下:

1) 六星双圆极轨道星座构型可同时为月背、月球南极、月球赤道、环月飞行器等用户节点从通信网络性能上提供较好的支持，各类数据包的递交率、延迟及对用户节点的存储能力要求等性能指标均较好。 但该中继星座构型所需发射的卫星较多，成本高。

2) 四星双圆极轨道星座构型可作为六星双圆极轨道星座构型从成本上优化替代方案。 其实时性数据包递交率比后者略有降低，同时非实时性数据包的延迟与对月球用户节点的缓存能力要求有所提高，但均在可接受范围内。 该中继星座轨道构型少使用了两颗卫星，降低了成本。

3) 在月球赤道表面节点对通信网络性能需求不高时，三星单圆极轨道星座构型可作为四星双圆极轨道星座构型在成本上优化的替代方案。同时，该构型比后者少使用了一颗卫星，同样降低了成本。