基于DTN的復雜深空通信網絡拓撲分析

余 果，董振興，趙蔚宸，朱 巖

(1.中國科學院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室，北京100190；2.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049)

1 引言

為支撐日益增多的深空探測任務，美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度以及中國等航天大國相繼建設了地面測控站并組建了深空網(Deep Space Network，DSN)，以實現對航天器的跟蹤、導航與通信等[1-2]。同時，隨著航天科技的發展和探測成本的降低，越來越多的中小型國家開始計劃深空探索項目，但面臨著地面測控站、深空網等硬件支撐設施的制約。為促進深空探索的發展，向深空探測新入者提供一個平等的機會，中科院空間中心吳季等人提出了一種通用行星際通信網絡(Universal Interplanetary Communication Network，UNICON)，旨在為未來深空探測用戶提供一種低成本、高效率、高可靠的中繼通信服務。對于該網絡，判斷其拓撲設計合理性及應用價值是開展后續研究工作的基礎。

由于容忍延遲/中斷網絡(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)[3]是美國國家航空與航天管理局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出的一種專門適用于具有大延遲、高誤碼、鏈路中斷等特性的網絡協議體系，在深空通信網絡場景中應用廣泛[4-6]，因此本文采用DTN作為UNICON網絡的協議體系結構。對于基于DTN的空間通信網絡，文獻[7]對DTN網絡在地火通信場景下的協議性能進行了分析，建立了LTP(Licklider Transmission Protocol，LTP)協議傳輸性能模型；文獻[8]對DTN協議體系在低軌道(Low-Earth orbit，LEO)衛星通信環境中的性能進行了分析；文獻[9]考慮了DTN協議體系在地球同步軌道衛星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)通信場景中的適應性，得出LTP協議更適用于GEO通信場景的結論；文獻[10]在基于GEO中繼的國際空間站(International Space Station，ISS)與地球通信的場景下，分析了鏈路中斷對DTN協議體系性能的影響。以上研究主要集中在兩跳數據傳輸的簡化網絡場景下的特定協議的性能研究，而忽略了多跳數據傳輸的復雜網絡場景的研究，而且由于關注的通信場景較為簡單且均已在空間中有所部署，目前還沒有對網絡的拓撲合理性及應用價值進行評估的DTN研究。

針對以上問題，提出基于網絡拓撲性能和網絡服務能力的網絡評價方法，并應用于新構建的UNICON網絡，對其進行評估。

2 UNICON網絡拓撲

2.1 UNICON深空通信網絡

通用行星際通信網絡UNICON由6顆通信衛星組成，被均勻部署在地球軌道和火星軌道之間的日心軌道上，軌道半長軸為1.455AU，其星座軌道位置如圖1。

圖1 UNICON星座軌道位置圖

基于UNICON的深空通信網絡(以下簡稱UNICON網絡)由航天器和地面站兩部分組成。航天器部分包括UNICON星座和GEO星座，其中UNICON星座為金星軌道至主小行星帶范圍內的探測任務提供通信和測控服務，GEO星座為UNICON星座和地面站之間提供中繼服務。地面站部分主要是地面控制中心，為用戶衛星提供服務、向用戶衛星上傳任務、對UNICON衛星實施操控。

2.2 深空通信網絡場景搭建

以火星探測任務為例，使用衛星工具包(Satellite Tool Kit，STK)搭建地火通信仿真模型。設計地火通信場景為：火星——UNICON——GEO——地球，選擇1個火星探測器(“奧德賽”火星探測器)、6顆UNICON衛星、2顆GEO衛星(歐洲衛星公司的SES-2、SES-5)和2個地面站(Kashi、Santiago)作為通信節點搭建網絡場景，仿真時間為1 Jan 2020 00:00:00.000 (UTCG)至1 Jan 2021 00:00:00.000(UTCG)。

3 網絡拓撲性能分析

網絡拓撲的性能是網絡部署的基礎和依據，因此設計將網絡拓撲性能視作網絡評價指標之一。

深空通信場景具有鏈路中斷的特點，這使得深空通信的有效鏈路資源極為寶貴，而有效鏈路的持續時間組成了網絡可通信時間，因此網絡可通信時間可作為評價網絡拓撲性能的指標之一。同時，隨著探測任務的日趨復雜，任務中所需傳輸的數據量隨之增大，對深空通信網絡的通信容量的要求也隨之升高，因此將網絡通信容量也作為衡量網絡拓撲性能的重要指標。此外，長時延是深空通信場景的另一大特點，這為數據傳輸的可靠性保證提出了極大挑戰，因此對一種網絡拓撲的傳輸時延進行分析也尤為重要。由此，本文從網絡可通信時間、網絡通信容量和網絡時延三個方面，對不同網絡拓撲的性能進行綜合評價分析。

2.2節搭建的UNICON網絡場景中包含四種不同的網絡拓撲：探測器——地面站、探測器——UNICON——地面站、探測器——GEO——地面站、探測器——UNICON——GEO——地面站。利用STK搭建地火通信場景，根據各個鏈路的持續時間和距離狀況，對以上四種網絡拓撲的性能進行分析。

3.1 網絡可通信時間

對于一種網絡拓撲，只要存在一條非UNICON星座內的通信鏈路有效，此時的該網絡便是可通信的，以此標準進行網絡可通信時間的分析。

經STK仿真得到的鏈路持續時間及鏈路距離狀況分析，可以得到不同網絡拓撲在2020年內的網絡可通信時間，如圖2，其中可通信時間以網絡可通信時間在2020年一年之中所占百分比表示。

圖2 2020年不同網絡拓撲的網絡可通信時間

由圖2可知，包含GEO星座的網絡拓撲比不包含GEO星座的網絡拓撲網絡可通信時間更長，可實現全年不間斷通信，即GEO星座的存在保證了地面站無論何時都有機會接收到來自探測器的數據。因此從網絡可通信時間方面分析，探測器——GEO——地面站以及探測器——UNICON——GEO——地面站的網絡拓撲比另外兩種網絡拓撲的性能更好。

3.2 網絡通信容量

(1)

Ck=ratek×T

(2)

一個網絡在時間T內的通信容量由組成網絡的不同鏈路中最小的鏈路容量所決定[11]，因此整個網絡的通信容量計算如下

C=min(C1，C2，C3，…，Ck)

(3)

各個鏈路的鏈路距離和最遠距離時的數據速率見表1，由此可得各個網絡架構在2020年的通信容量，如圖3。

表1 各鏈路的鏈路距離及數據速率

圖3 2020年不同網絡拓撲的通信容量

由圖3可知，探測器——UNICON——GEO——地面站的網絡拓撲在2020年內的通信容量為1816.85Gbit，在四種網絡拓撲中具有最大通信容量。因此從通信容量方面分析，探測器——UNICON——GEO——地面站網絡拓撲較其它三種網絡拓撲性能更優。

3.3 網絡時延

在深空通信場景中，由于鏈路的大時延特性，排隊時延和處理時延相對傳播時延數值較小，暫不考慮[5]，因此對網絡時延的分析只包含對傳輸時延和傳播時延的分析。

由STK仿真得出的距離信息和表1中的數據速率信息，可計算出不同網絡拓撲下從火星向地球傳輸一張512*512RGB圖像的總時延，如圖4。

由圖4可知，傳輸圖像時，探測器——GEO——地面站的網絡拓撲用時最長，其它三種網絡拓撲的最小時延相差不大。由此可知UNICON星座的加入有效地改善了探測器——GEO星座間的鏈路，而該星座的加入造成的最大時延增大主要是由于中繼鏈路數量增加。

圖4 不同網絡拓撲傳輸512*512RGB圖像的傳輸時延

綜上所述，探測器——UNICON——GEO——地面站的網絡拓撲，含有GEO星座，符合依據網絡可通信時間分析出的優勢網絡構型，通信容量最大，且UNICON星座的加入縮短了探測器到GEO星座的傳輸延時。因此，針對本節提出的四種深空通信網絡拓撲方案，從網絡可通信時間、網絡通信容量和網絡時延等三個方面綜合分析，探測器——UNICON——GEO——地面站的方案為火星——地球場景深空通信網絡拓撲的最優選擇。

4 網絡服務能力分析

復雜深空探測任務對深空通信網絡的通信容量提出了更高要求[12]。深空通信網絡應能夠在滿足深空探測任務需求的同時，保證有限的存儲器空間在最大工況下不會發生內存溢出造成任務數據丟失[12-13]。為此，以第3節分析出的最優構型作為UNICON網絡的網絡拓撲結構，對UNICON網絡服務范圍內的探測任務，分別預估所能夠提供的網絡通信容量和所需要的節點存儲器容量，以衡量該網絡的服務能力。

4.1 網絡通信容量

UNICON網絡的最小通信容量，可依據3.2節所敘述網絡通信容量計算方法計算得到，UNICON網絡各個鏈路的數據發送速率見表2。

表2 UNIOCN網絡各個鏈路的數據發送速率

由STK仿真場景可知UNICON網絡包含探測器——UNICON、UNICON——GEO、GEO——地面站三條鏈路，依據式(1)、(2)，可得三條鏈路的通信容量，將其代入式(3)可得UNICON網絡在時間T內對不同深空任務所能提供的最小通信容量，其中C1_X表示X探測器——UNICON鏈路的通信容量，具體值由深空探測任務而定；tx_continue表示在總時間T內X探測器——UNICON鏈路的持續時間，且tx_continue≤T；rateX代表X探測器——UNICON鏈路的數據發送速率；C2、C3分別表示UNICON——GEO、GEO——地面站鏈路的通信容量：

C(Gbit)=min(C1_x，C2，C3)

=min(ratex×tx_continune，1407.35，308812.5)

=min(ratex×tx_continune，1407.35)

(4)

將各個任務下探測器——UNICON鏈路的數據發送速率代入式(4)，可得對于不同服務范圍的深空探測任務，該深空通信網絡所能夠提供的最小通信容量，見表3。

表3 UNIOCN網絡能夠提供的最小通信容量

4.2 中繼節點存儲器容量

中繼節點存儲器的最小容量需求可由節點內存中可能堆積的最大數據量獲得。實際空間通信中，空間鏈路的高誤碼可能導致部分數據丟失。由于本文的深空通信網絡采用的是DTN網絡體系，因此數據丟失所引發的只是接收節點的上一跳節點而非源節點的數據重傳。為簡便計算，將中繼節點的發送數據成功率設為α，將接收數據成功率設為β，假設通信網絡中的每條鏈路上造成數據丟失的鏈路損傷均相同，即α=β≤1。則在時間t內，中繼節點內存中堆積的數據量見式(5)，其中vtransmit、vrecieve分別為本地節點的數據發送速率和接收速率，ttransmit(ttransmit≤t)、trecieve(trecieve≤t)分別為上一跳節點與本地節點、本地節點與下一跳節點的有效數據傳輸時間，Vdata_all為總數據傳輸量。

(5)

4.3 對火星探測任務的服務能力分析

以當前仍在工作的“好奇號”火星車為例，利用2.2節搭建的深空通信網絡場景，進行UNICON網絡的服務能力分析。火星探測器選取“奧德賽”號，每當探測器從火星車上空飛過時，火星車與探測器之間最多能夠通信8分鐘，傳輸250Mbit的數據。以下分別從網絡通信容量和中繼節點存儲器容量進行服務能力的分析。

1)網絡通信容量

根據STK仿真得知，2020年內火星車與探測器共有1800次通信，則火星車共需下傳54.93GB數據。根據式(6)，可計算出基于UNICON構架的深空通信網絡在2020年內針對以“奧德賽”為探測器的火星探測任務所能夠提供的最小通信容量，其中tMars_continue可由STK仿真得到

C=min(C1_Mars，1407.35)

=min(60×26138498.688，1407.35)

=1407.35(Gbit)=175.92(GB)

(6)

由計算結果可知，175.92GB>54.93GB，因此UNICON網絡為以“奧德賽”號為探測器的“好奇號”火星車提供服務時，可滿足其數據傳輸的任務需求。

2)中繼節點存儲器容量

本文對數據堆積量最大時所需的存儲器容量進行分析。考慮2020年內火星車與探測器最繁忙的一輪數據傳輸時間分布情況，如圖5。在此通信狀況下，分析式(5)可知，當β=1，即數據在理想信道上傳輸時，中繼節點內存中所堆積的數據量最大，因此為了求得存儲器容量上限，這里僅對β=1的情況進行分析。

圖5 網絡通信最繁忙時各鏈路的數據傳輸時間分布

對于以“奧德賽”為探測器的火星探測任務，將表3中各個鏈路的最小數據速率和最大數據速率代入式(5)，可計算出UNICON網絡在2020年通信最繁忙時刻各個中繼節點的最大數據堆積量，以及一輪數據傳輸結束后的最終數據堆積量，見表4。

表4 2020年UNICON網絡在最繁忙時刻各節點數據堆積量

由表4可知，當數據由“好奇號”向地面傳輸時，經過一輪網絡通信最繁忙時的數據傳輸，中繼節點探測器、GEO衛星均沒有數據堆積，而只有與探測器連接的UNICON衛星中會存在707.03Mbit的數據堆積，且只有在數據傳輸路徑為經兩顆或三顆UNICON星轉發時，才會出現這樣的結果。根據STK分析可知，數據傳輸路徑為經兩顆或三顆UNICON星轉發的最長持續時間為104天，假設這個時間段內的每一輪數據傳輸均與網絡通信最繁忙時候的數據傳輸情況相同，則2020年UNICON衛星中將會產生的最大數據堆積量為67.58Gbit。因此UNIOCN網絡為以“奧德賽”號為探測器的“好奇號”火星探測任務提供可靠的數據傳輸服務時，UNICON衛星的星載存儲器至少需要8.5GB的容量。而當前星載存儲器容量可輕松達到Tbit級別[14-15]，完全可以滿足UNICON衛星的存儲器容量設計需求。

5 結論

本文針對基于DTN的復雜深空通信網絡，提出了從性能及服務能力兩方面分析網絡拓撲的網絡評價方法，以此對UNICON網絡進行評估，主要結果如下：①在探測器——地面站、探測器——UNICON——地面站、探測器——GEO——地面站、探測器——UNICON——GEO——地面站四種網絡拓撲中，探測器——UNICON——GEO——地面站的網絡拓撲綜合性能最優；②UNICON網絡的通信容量能夠滿足“好奇號”火星探測任務在2020年內的數據傳輸需求；③在UNICON衛星的星載存儲器容量大于8.5GB時即可滿足“好奇號”火星探測的可靠數據傳輸服務需求，可實現性很高；④以上分析證實UNICON網絡拓撲設計合理，具有一定應用價值，且為今后該網絡的部署奠定了理論基礎。上述結果說明提出的網絡評價方法能夠有效地評估未來基于DTN的復雜深空通信網絡的價值，一定程度上彌補了DTN研究在網絡拓撲評估上的不足。