基于數據池的中繼衛星地面數據傳輸體系及關鍵技術研究

李望 朱亮 胡星剛 徐會忠

(1 中國電子科技集團公司第十研究所,成都 610036) (2 北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094)

中繼衛星因為其固有的優點，受到美俄等航天強國的重視并得到大力發展[1-5]。隨著中繼衛星的技術快速發展，我國的中繼衛星系統也得到長足發展。文獻[5-6]總結了我國第一代中繼衛星地面應用系統建設情況，包括共性難點和總體設計上的特殊性。文獻[7]提出了以中繼衛星系統為骨干構建我國空間傳輸網絡的設想，通過星間、星地高速激光/微波鏈路，可有效保障空間大量信息的快速落地。但是，空間大量數據的應用越來越多，如何保障這些不同用戶與任務的空間數據落地后進行有效的傳輸與分發成為中繼衛星系統發展中急需解決的主要問題之一。

現有的中繼衛星數據傳輸架構為中心代理型，即空間數據落地后都通過地面站送給調度中心(以下簡稱中心)，再由中心按照預先配置好的用戶連接，將數據送給用戶。這種中心代理架構是在數據發送者和數據接收者之間引入一個中介，即在地面站與用戶間引入中心的數據傳輸與分發設備，中心的數據傳輸與分發設備接收數據發送者(地面站)發出的數據，根據本地保存的任務信息對數據進行過濾，將數據分類轉發給不同的數據接收者(用戶)，這種架構對中心數據傳輸與分發設備的可靠性、傳輸能力等有著較高的要求，同時需要固定配置用戶端的鏈路。因此，傳輸與分發系統的可靠性、靈活性、傳輸性能將明顯制約中繼衛星系統的地面數據傳輸效能。

本文提出的基于數據池(以下簡稱為池)的數據傳輸與分發架構，采用多個通用的數據傳輸與分發設備構成數據傳輸與分發池，池的兩端分別連接地面站與用戶。根據不同用戶、不同任務的地面數據傳輸需求，可靈活的調度池中的數據傳輸資源，完成資源動態調度與配置。由于不存在中心代理模式下的傳輸性能瓶頸，同時提升傳輸與分發系統的可靠性，并具有靈活的用戶連接配置能力，該架構將明顯提升中繼衛星系統地面數據傳輸與分發效能。

1 傳輸模式分析

1.1 現有中心數據傳輸模式

中繼衛星系統的數據傳輸特點是中繼衛星先通過星間鏈路，將衛星節點的返向數據傳輸到衛星所對應的地面站，再將用戶的數據匯集到中心，最后傳輸給用戶中心；同時用戶中心也是先將前向數據發給中心，再根據規劃，發給各地面站，再通過相應的衛星鏈路送給衛星用戶。因為中繼衛星是同步軌道衛星，所以可以一直維持天地鏈路，保持實時數據傳輸。這與中低軌衛星只能在過頂地面站時進行數據傳輸存在顯著區別。中繼衛星傳輸采用中心代理傳輸方式，即所有的數據都通過中心的數據傳輸與分發設備進行傳輸，如圖1所示。地面站提供前返向數據發送/接收通道，接收中心的傳輸與分發設備轉發的前向數據；同時接收、恢復空間數據幀，按地面格式實現數據打包，向中心的傳輸與分發設備發送。中心完成地面鏈路控制，按照任務計劃，配置好地面站與數據傳輸分發設備、數據傳輸與分發設備與用戶等之間的鏈路，然后數據傳輸與分發設備接收用戶發送的前向數據并轉發到所連接的地面站，接收地面站發送的返向數據并轉發到用戶，同時完成前返向數據的協議轉換。用戶接收中心的數據傳輸與分發設備發送的返向數據并按約定的格式解包，按約定的格式打包前向數據并向中心的數據傳輸與分發設備發送。

圖1 基于中心的數據傳輸模式Fig.1 Center-based data transfer mode

如圖1所示，現有中繼衛星數據傳輸的主要問題有：①數據傳輸流程受單一傳輸模式的制約，并存在明顯的數據傳輸能力瓶頸；②數據傳輸資源、接口配置固化，靈活性差，可能導致傳輸系統的可靠性差；③地面站、中心、用戶三者間數據傳輸設備信息接口復雜、狀態差異大，導致高速數傳設備資源利用率低、地面鏈路建設投入巨大。

1.2 基于池的數據傳輸模式

基于池的數據傳輸模式采用新的傳輸架構，多個通用的數據傳輸設備形成一個傳輸與分發池，負責與地面站、用戶等進行動態鏈接，完成前返向數據的接收、處理、分發等，如圖2所示，包括兩種傳輸設備方式：基于調度的數據傳輸和基于IP網關的數據傳輸。基于調度的數據傳輸是在中心的控制、調度下完成建鏈、數據傳輸、拆鏈等，基于IP網關的數據傳輸是基于路由策略的數據傳輸，按照目標地址自動完成數據傳輸與分發。

在基于調度方式下，中心接收用戶發送的任務請求，分配數據分發池資源，向專業監控下達數據傳輸任務/數據重傳任務，向用戶發送數據傳輸池任務調度設備通信參數。任務結束后，接收專業監控上報的任務執行結果報告；數據傳輸池接收地面站專業監控下達的任務信息，分配數據傳輸設備資源，與用戶數據接收模塊建立數據連接，接收用戶數據接收模塊發送的前向數據，并向用戶數據接收模塊傳輸返向數據。與地面站數傳終端設備建立連接，接收數傳終端發送的返向數據，并向數傳終端發送前向數據。完成數據協議轉換；用戶完成中繼衛星數傳/重傳任務申請，接收中心返回的數據傳輸池任務調度設備通訊參數并轉發到用戶數據接收模塊；用戶數據處理模塊與數據傳輸設備建立通訊連接，接收數據傳輸設備發送的返向數據并按約定的格式解包，按約定的格式打包前向數據并發送到數據傳輸設備。

IP網關除了提供上述基于調度方式下的能力外，還支持未來用戶數據直接IP傳輸的應用需求，即載荷數據直接基于IP地址的數據傳輸分發，適應未來天地一體化信息網絡基于天地IP互聯的數據中繼傳輸系統[8]的應用需求。

圖2 基于池的數據傳輸模式Fig.2 Pool-based data transfer mode

采用基于池的數據傳輸架構，可以更好的滿足如下需求：

(1)高性能需求：在中心代理架構中，由于中心代理的引入，增加了數據在網絡傳輸的環節，存在傳輸性能瓶頸，而基于池的數據傳輸在吞吐量和傳輸時延兩方面的性能均優于中心代理架構。

(2)可靠性需求：基于池的數據傳回架構在可靠性、抗毀性方面強于中心代理架構，基于池的中心管理設備在完成與數據發送方和數據接收方之間任務信息交互后，即不再參加數據傳輸的中間過程，此時中心管理設備的失效對整個數據傳輸過程不會造成影響。

(3)戰時實時性需求：基于池的傳輸架構能夠更好的適應戰時臨時、快速傳輸。用戶不具備接入中繼衛星系統數據傳輸骨干網，或用戶/地面站與中心之間傳輸帶寬受限時，基于池的架構，用戶可就近直接與中繼衛星地面站/中繼衛星機動站建立通訊連接，完成數據的接收和發送。任務交互信息數據量為KB級，可通過衛通或電話/傳真進行交互。

(4)空間網絡融合應用需求：通過基于池的數據傳輸，將用戶接入管理服務與數據業務傳輸服務職能分開，可有效提升管理和傳輸效能，從而提高中繼衛星系統的數據傳輸利用效率。并且在未來的空間信息網絡中，需要提供多種應用服務，而新的基于池的傳輸架構具有更好的靈活性、實時性、可靠性，對于多種類型的服務及融合提供更好的支持。

2 基于池的數據傳輸體系設計

2.1 傳輸架構

針對中繼衛星數據傳輸系統這種先落地再分發的應用特點，采用“1+n+K+m”池式的數據傳輸體系架構，即1個中心、n個地面站、K個通用的傳輸分發設備、m個用戶。

調制解調設備采用標準化，具有標準的外部數據接口(采用規范化設計，如規范的交互通信協議、調度指令等)，只負責完成前返向數據的發送和接收，數據的調制和解調，不再承擔任務流程控制、鏈路控制等，從而簡化調制解調設備的設計。

傳輸分發設備采用標準化通用化，也具有標準的外部交互接口，由中心任務管理設備的統一調度，可實現數據傳輸池在地面站、中心的靈活部署。根據任務對數據傳輸性能及可靠性、重要性的需求，可以指定多種資源分配策略，實現終端設備與數據傳輸設備的多種配置組合。

通過制定標準的調制解調數據接口、數據傳輸接口，以及在用戶配置通用數據處理終端的方式，解決數傳設備信息接口復雜的問題，用戶只需關注與部署在用戶的數據處理終端之間的數據接口，簡化了系統聯試聯調的環節，提升中繼衛星使用效能。

圖3 基于池的數據傳輸體系結構Fig.3 Pool-based data transfer system architecture

2.2 運行模式

完整的中繼衛星系統地面數據傳輸包括管理控制設備、通用數據傳輸設備(含IP網關)、存儲設備等組成，如圖4所示。

1)管理控制設備

負責數傳鏈路控制、任務調度、節點的狀態管理，以及向地面站專業監控上報數據傳輸系統的工作狀態，并提供傳輸任務過程的監視與控制，包括監控實時任務、事后重傳任務、數據統計分析等。

2)通用數據傳輸設備

采用多個通用數據傳輸設備，每個設備部署數據傳輸/存儲軟件，接受調度設備的指令，完成數傳鏈路建立、數傳鏈路切換、實時數據傳輸等功能。并部署數據事后重傳軟件，完成任務數據的事后重傳。同時IP網關設備除了配置通用數據傳輸設備的功能外，還配置路由、空間協議處理等功能，支持天地一體網絡化數據傳輸與分發。

3)存儲設備

完成前返向數據的存儲，用于事后重傳、分析。為了能夠實現多任務的數據存儲、重傳，可采用分布式存儲方式實現。

4)通用的數據傳輸設備以及IP網關設備

作為資源池在調度中心的統一管理與資源分配下，分別與地面站終端調制解調設備、用戶數據處理終端進行動態鏈接，完成滿足基于多任務調度下的按需數據傳輸需求以及基于天地一體化IP路由策略的數據傳輸應用需求。IP網關除了基于調度的功能外，還采用基于IP的路由策略的數據傳輸方式，主要是按照路由算法實現端到端的數據傳輸，即在路由策略下實現數據的傳輸，本文不再進行贅述。多任務資源調度下的數據傳輸方式下的流程包括計劃接收、任務準備、任務執行和任務結束四個方面。

3 主要關鍵技術

1)通用數據傳輸設備硬軟件架構

面向未來大容量空間信息傳輸的需求，中繼衛星系統的數據分發能力需要不斷提升。中繼衛星星間鏈路或用戶鏈路是與用戶相連，在沒有星上處理及分發能力之前，均是通過每顆衛星轉發到地面站，在地面站進行處理后，將用戶數據送給中心。當衛星具有處理與分發能力時，通常是低速信息可以直接在星上進行分發，高速數據依然要先送到地面后進行分發。而前向與之類似，且前向還要根據航天器標識來進行數據轉發。因此，如何設計通用的數據傳輸設備硬件架構，以滿足不斷提升的中繼衛星傳輸應用需求，成為通用化的傳輸設備的核心。

同時，除了需要支持按需調度的傳輸分發需求，針對未來天地一體化信息傳輸未來的發展，將來會面向用戶端數據的直接IP傳輸問題[9]，因此在軟件架構設計的時候，除了需要考慮支持具有調度規則，也要考慮支持空間傳輸協議與IP路由傳輸分發規則。

2)標準化模塊化技術

由于通用的數據傳輸設備是池的分發核心，因此，依據設備的具體要求，按照“數據接收、存儲”和“數據處理”兩大核心功能，進行模塊化設計和接口標準化設計，以支持接口動態配置、性能靈活升級、資源按需重構，達到中繼衛星系統地面數據傳輸與中心同用戶之間的數據傳輸相關設備的技術狀態和接口協調維護工作，提升系統運行的穩定性。

重點是數據傳輸分發相應接口的標準化、可配置化，如在數據傳輸池的每個設備，均需要能夠支持管理的標準化管理模塊，并能夠通過管理模塊實現對業務端口的IP地址、端口號、發送數據的目的IP地址、端口號等進行配置，從而實現按需動態調度的數據傳輸池。

同樣，地面站、用戶數據終端等，都需要具有相應的能力。

3)基于池的管理與調度技術

數據傳輸池作為資源如何動態進行管理與調度，滿足不同用戶、不同任務、不同業務傳輸應用需求。包括池資源管理、池資源調度、多任務運行管理與任務管理等。

在遵循文獻[10]提出的資源分配原則基礎上，基于數據傳輸池的資源管理與調度重點需要關注一下幾個方面：

資源加入與退出及狀態管理：中心可以動態感知某個具體傳輸設備的加入，通過合法性檢驗，自動加入傳輸池，并根據整個傳輸池的情況分配相應的IP地址、端口號。同時，實時收集數據傳輸池里面的所有傳輸設備的狀態，并進行分類管理。

用戶的任務需求：有中心對用戶的數據傳輸需求進行分析、判斷，落實到具體可以完成用戶任務的傳輸計劃；

資源調度：針對用戶的傳輸計劃以及傳輸池的狀態(傳輸設備能力、使用情況)，動態分配相應的傳輸設備資源，并根據需要調整地面站、傳輸設備、用戶數據終端三方的IP地址、端口號以及數據發送方的IP地址與端口號。當數據傳輸任務完成后，釋放任務所占用的數據傳輸設備。

4 演示驗證測試

演示驗證系統主要包括多臺數據分發設備構成的數據分發池、模擬地面終端站、模擬用戶終端、模擬用戶中心等，主要目標是完成基于池的數據分發系統模式驗證。

用戶終端生成的數傳數據，經中繼衛星轉發后，由中繼地面站數傳終端接收解調，并按照地面數據格式送給數據分發設備，數據分發設備根據相關規則，轉發給對應的用戶中心。應用中心生成的數據送給數據分發設備，數據分發設備根據相關規則轉發給數傳終端，經過處理、調制后通過中繼衛星送給用戶終端。

采用定制Linux操作系統+分發軟件的形式，數據分發軟件劃分為如下功能模塊：管理調度、實時數據接收、實時數據分發、用戶終端狀態提取、傳輸狀態報告管理、數據存貯、事后數據重傳(實現地面終端重傳和分發設備重傳)等。數據分發設備軟件組成與模塊間關系如圖5所示。

圖5 數據分發軟件架構Fig.5 Data distribution software architecture

分發設備基于CN78XX專用網絡處理器，該處理器共有48核，通過軟件配置部署數據分發軟件。測試結果如表1所示。

表1 設計指標及測試結果

通過表1可以看出，在管理調度、數據分發存儲、前向數據實時傳輸、返向數據實時傳輸、數據轉發時延以及軟件加載切換時間6項測試中，測試結果均滿足設計指標要求，證明基于池的中繼衛星數據傳輸架構可以滿足中繼衛星未來基于多任務、多用戶、多業務等應用需求下的數據傳輸與分發。

5 結束語

本文在分析了現有中心代理型中繼衛星數據傳輸架構不足的基礎上，提出了一種新的基于池的中繼衛星地面數據分發架構，分析了其傳輸架構和運行模式，闡述了主要關鍵技術并進行了演示驗證測試。測試結果證明：基于池的中繼衛星數據傳輸架構可以滿足中繼衛星未來基于多任務、多用戶、多業務等應用需求下的數據傳輸與分發。該架構簡化了中繼衛星用戶數據分發流程，提升數據分發效率，從而能夠有效提升中繼衛星使用效能。