延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在載人登月通信中的應(yīng)用研究

王 洋，趙 燕，趙錦瑾，任 凱，宮長(zhǎng)輝

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

載人深空探測(cè)是一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，在政治、經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展方面具有十分重要的戰(zhàn)略意義。測(cè)控通信作為地面與航天器的連接紐帶，是深空探測(cè)任務(wù)成功的重要保證之一[1]。針對(duì)載人航天器測(cè)控通信的高可靠性、高測(cè)控覆蓋率、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)控、高數(shù)據(jù)傳輸速率等需求，我國載人航天器采用了統(tǒng)一S波段測(cè)控通信體制，構(gòu)建了以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的天基測(cè)控通信系統(tǒng)，同時(shí)，采用了天地一體化的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控通信模式。但是，目前我國空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信的方式大多是面向數(shù)據(jù)鏈路的通信，空間數(shù)據(jù)中繼尚未實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，各航天器之間的通信仍然采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的空空通信體制，未形成空空、空地、天地一體化的網(wǎng)絡(luò)體制。目前這種通信體制嚴(yán)重影響了各類航天器的無縫測(cè)控，尤其影響未來大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)航天器自身數(shù)據(jù)信息的開發(fā)利用[2]。因此，目前的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀已經(jīng)難以適應(yīng)今后空間呈現(xiàn)出的由空間站、載人深空探測(cè)器、衛(wèi)星群等構(gòu)成的復(fù)雜空間通信架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)迅猛發(fā)展地推動(dòng)下，新一代的空間網(wǎng)絡(luò)-行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN,interplanetary network)[3]應(yīng)時(shí)而生，為空間任務(wù)提供通信服務(wù)。IPN是美國航空航天局( NASA,national aeronautics and space administration)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL,jet propulsion laboratory)為深空探測(cè)需求提出的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控方案，希望將地面互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到整個(gè)太陽系，最終為太陽系中的各類航天器提供像地面互聯(lián)網(wǎng)一樣的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。目前我國航天器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將地面網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到近地空間網(wǎng)絡(luò)的初步驗(yàn)證，而將近地空間網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到深空航天器，如構(gòu)建載人登月網(wǎng)絡(luò)，會(huì)遇到前所未有的一系列問題[4]。因此，本文著重分析了載人登月探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的難點(diǎn)，引入了延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決這些難點(diǎn)，對(duì)載人登月通信網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了試驗(yàn)仿真和優(yōu)化分析。

1 載人登月通信網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)

載人登月通信網(wǎng)絡(luò)的上行通信鏈路主要負(fù)責(zé)傳輸遙控指令、注入指令、話音數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)及應(yīng)答數(shù)據(jù)；下行通信鏈路負(fù)責(zé)傳輸平臺(tái)遙測(cè)數(shù)據(jù)、延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)、生理遙測(cè)、話音數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)等。但是，由于載人登月通信網(wǎng)絡(luò)不同于常見的地面互聯(lián)網(wǎng)，它具有特殊的環(huán)境特點(diǎn)，使得廣泛應(yīng)用于地面互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系應(yīng)用于載人登月網(wǎng)絡(luò)時(shí)性能急劇下降。載人登月網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5]：

1)通信距離遠(yuǎn)，傳播時(shí)延巨大。月球距離地球約38萬公里，最小傳播時(shí)延為1.21 s，最大傳播時(shí)延為1.35 s。

2)無線鏈路頻繁中斷。

3)信道速率不對(duì)稱。載人登月下行鏈路速率較高，而上行鏈路速率較低。

4)信號(hào)傳播環(huán)境復(fù)雜，誤碼率非常高，通常達(dá)到10-1。

因此，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系和協(xié)議用于載人登月網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不適用性主要體現(xiàn)在：

1)TCP 的三次握手機(jī)制及慢啟動(dòng)算法不適用于深空長(zhǎng)時(shí)延和有限的連接機(jī)會(huì)條件，會(huì)浪費(fèi)寶貴的帶寬資源，發(fā)送速率增加緩慢，有效吞吐量較低。

2)在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系中，鏈路如果中斷會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

3)載人登月網(wǎng)絡(luò)中受限的上行信息速率不能有效地支持接收端產(chǎn)生的大量的應(yīng)答數(shù)據(jù)的傳輸，導(dǎo)致應(yīng)答數(shù)據(jù)的延遲和丟失，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致TCP降低報(bào)文發(fā)送速率，從而降低有效吞吐量。

4)當(dāng)TCP運(yùn)行于誤碼率較高的載人登月環(huán)境時(shí)，會(huì)誤將信道誤碼而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)丟包認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)擁塞，進(jìn)而會(huì)降低報(bào)文發(fā)送速率以避免擁塞，這會(huì)進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量。

1998年，NASA JPL開始了對(duì)行星際互聯(lián)網(wǎng)的研究。2002年，Kevin Fall提出了延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN,delay/disruption tolerant network)的概念來描述行星際互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)[6]。DTN體系結(jié)構(gòu)是目前國際上公認(rèn)的用于行星際互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議體系架構(gòu)，針對(duì)載人登月、載人火星探測(cè)等深空探測(cè)場(chǎng)景研究DTN應(yīng)用，將是未來測(cè)控通信領(lǐng)域的重要研究課題，為未來載人登月、載人登陸火星、建立行星際互聯(lián)網(wǎng)提供了一種重要的技術(shù)途徑[7]。

2 延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)的概念及研究現(xiàn)狀

2.1 延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)及束協(xié)議

DTN是一個(gè)適用于“挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡(luò)”的通用協(xié)議體系，“挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡(luò)”即鏈路頻繁中斷、高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延、上下行數(shù)據(jù)速率不對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)，比如地面軍用Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、IPN網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。DTN中最重要的理念是“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”，是當(dāng)空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(比如探測(cè)器、中繼衛(wèi)星或者其他類似航天器)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的下一跳不可達(dá)時(shí)的保存數(shù)據(jù)的一種機(jī)制。圖1為DTN中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制示意圖[6]。圖1中存儲(chǔ)器(例如硬盤)可以無限期地保存消息，它們被稱為永久性存儲(chǔ)器，區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)路由器中的存儲(chǔ)芯片和緩沖區(qū)所提供的短時(shí)間存儲(chǔ)器。

圖1 DTN的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

如圖2所示，DTN體系引入了一個(gè)新的協(xié)議——束協(xié)議(BP,bundle protocol)[8]，該協(xié)議覆蓋在原來網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層協(xié)議之上，用來實(shí)現(xiàn)消息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。束協(xié)議將底層協(xié)議連接起來，使得源應(yīng)用程序可以跨越運(yùn)行在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的不同的底層協(xié)議來與目的端的應(yīng)用程序進(jìn)行通信。而束協(xié)議下面的底層協(xié)議則需要根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而進(jìn)行針對(duì)性選取。同時(shí)，束協(xié)議還可以支持點(diǎn)到點(diǎn)的重傳，該功能被稱為“保管傳輸”，是一個(gè)可選功能。

圖2 束協(xié)議的覆蓋圖

2.2 匯聚層協(xié)議

在DTN網(wǎng)絡(luò)中，束協(xié)議下面的底層協(xié)議被叫做匯聚層協(xié)議，用來支持束交換，可使用已有地面互聯(lián)網(wǎng)傳輸層協(xié)議，例如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP是會(huì)話式的，但是在具有長(zhǎng)時(shí)延、斷續(xù)連接的鏈路上，非會(huì)話式協(xié)議可能會(huì)更加實(shí)用。因此，為實(shí)現(xiàn)深空環(huán)境中的高效可靠傳輸，針對(duì)深空斷續(xù)通信和高鏈路延遲特性設(shè)計(jì)了利克里德傳輸協(xié)議(LTP，licklider transmission protocol)[9]。為了避免束協(xié)議與匯聚層協(xié)議之間數(shù)據(jù)格式不匹配的問題，同時(shí)也為了保證匯聚層協(xié)議的性能，增加了一個(gè)匯聚層適配器(CLA，convergence layer adaptor)充當(dāng)與匯聚層的接口。目前支持匯聚層協(xié)議的匯聚層適配器有基于LTP的CLA、基于TCP的CLA和UDP的CLA等。

LTP是目前用于深空通信的最合適的匯聚層協(xié)議。它區(qū)別于TCP的特性主要在于以下幾個(gè)方面：

1)LTP不需要提前建立連接，即沒有三次握手的過程。

2)為了高效利用斷續(xù)通信的帶寬資源，LTP引入會(huì)話的概念[9]。一次會(huì)話發(fā)送一個(gè)LTP塊(block)，LTP設(shè)計(jì)理念為同時(shí)傳輸多個(gè)會(huì)話來最大化通信鏈路利用率[10]。

3)LTP沒有擁塞控制策略，但是可以通過遵循計(jì)劃好的連接時(shí)間和數(shù)據(jù)速率來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

4)LTP的匯聚層適配器具有束匯聚功能，可以將多個(gè)束匯聚為一個(gè)會(huì)話，大大地減少了需要在上行鏈路中傳輸?shù)膽?yīng)答數(shù)據(jù)。

5)當(dāng)鏈路中出現(xiàn)誤碼時(shí)，由于LTP沒有擁塞控制策略，所以不會(huì)減小發(fā)送速率，對(duì)于需要可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，僅通過重傳來保證其可靠性，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

6)LTP的連接具有單向性，設(shè)計(jì)來源于深空任務(wù)中的數(shù)據(jù)流通常是單向的，航天器中的遙控?cái)?shù)據(jù)量通常非常少。因此，LTP不能像TCP那樣在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)順便把應(yīng)答數(shù)據(jù)捎帶傳送，LTP的應(yīng)答數(shù)據(jù)具有專門的數(shù)據(jù)格式。

2.3 LTP的傳輸操作過程

LTP被設(shè)計(jì)為能夠同時(shí)傳輸多個(gè)會(huì)話(即LTP block)來最大化通信鏈路利用率。一個(gè)LTP block可包含兩部分?jǐn)?shù)據(jù)(也可以只有某一部分)，第一部分為可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，被命名為“紅色部分”，為保證能被接收端可靠接收，采用了應(yīng)答和重傳機(jī)制。第二部分為不可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，被命名為“綠色部分”，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)沒有使用應(yīng)答和重傳機(jī)制。一個(gè)LTP block被分割為若干個(gè)LTP 數(shù)據(jù)段(LTP segments)傳輸，為檢測(cè)LTP block的接收狀態(tài)，將一些LTP segments標(biāo)記為檢驗(yàn)點(diǎn)(checkpoints, CP)，其中“紅色部分”的最后一個(gè)LTP segment必須被標(biāo)記為CP。當(dāng)一個(gè)CP到達(dá)，接收端就會(huì)將一個(gè)對(duì)應(yīng)的報(bào)告段(RS，report segment) 反饋給發(fā)送端。如果接收端已經(jīng)接收到該LTP block中“紅色部分”的所有LTP segments，那么該RS為一個(gè)肯定的應(yīng)答(ACK，acknowledgment)，否則該RS為一個(gè)否定的應(yīng)答(NAK，negative-acknowledgment)，丟失的LTP segments將被重傳。發(fā)送端一旦接收到RS，則反饋一個(gè)相應(yīng)的報(bào)告應(yīng)答段(RA，report acknowledgment)給接收端。CP和RS均設(shè)計(jì)了超時(shí)重傳機(jī)制(RTO，retransmission timeout)，設(shè)計(jì)師可以設(shè)置RTO時(shí)間，一旦相應(yīng)的定時(shí)器超時(shí)，CP和RS將被重傳。圖3給出了一個(gè)LTP block的傳輸操作過程。

圖3 一個(gè)LTP block傳輸操作過程

2.4 DTN的研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)對(duì)DTN的研究主要集中在地面網(wǎng)絡(luò)的路由方面[11-12]，對(duì)空間DTN的研究還相對(duì)較少，文獻(xiàn)[13]關(guān)注于地火通信場(chǎng)景，給出了一種LTP文件傳遞時(shí)延的理論建模方法并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并未考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，文獻(xiàn)[14-15]將DTN應(yīng)用于地火通信場(chǎng)景，研究了跨層包大小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但并未進(jìn)行真實(shí)文件傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證。國外對(duì)DTN應(yīng)用于空間通信的研究主要集中在BP協(xié)議在深空?qǐng)鼍跋碌睦碚摻16-17]、LTP與其他可靠傳輸協(xié)議的性能對(duì)比[18-20]以及LTP理論建模等方面[21-23]，而在工程背景下如何對(duì)LTP進(jìn)行應(yīng)用優(yōu)化以達(dá)到盡可能高的實(shí)際效率方面尚未充分開展深入的定量和定性研究。

3 基于DTN的載人登月網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

未來載人登月通信網(wǎng)絡(luò)主要由地面網(wǎng)絡(luò)、近地網(wǎng)絡(luò)、地月網(wǎng)絡(luò)、近月網(wǎng)絡(luò)和月面網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖4所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含指控中心、地面站、地球中繼衛(wèi)星、月球中繼衛(wèi)星、載人飛船及宇航員等系統(tǒng)。各網(wǎng)絡(luò)的組合及特點(diǎn)分析如下。

圖4 載人登月通信場(chǎng)景

1)地面網(wǎng)絡(luò)：

地面網(wǎng)絡(luò)主要由指揮控制中心和地面站組成，通過光纖進(jìn)行互連。光纖信道的數(shù)據(jù)速率較高、時(shí)延較小，且誤碼率極低。

2)近地網(wǎng)絡(luò)：

近地網(wǎng)絡(luò)主要由地面站、地球中繼衛(wèi)星等組成，通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行互連。

一是著力打造“秦安花椒”品牌，提高市場(chǎng)影響力和競(jìng)爭(zhēng)力，不斷開拓國內(nèi)外花椒消費(fèi)市場(chǎng)。二是提升花椒產(chǎn)品品位，優(yōu)化花椒生產(chǎn)、深加工技術(shù)，使花椒產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、品牌化、園林化的現(xiàn)代發(fā)展模式邁進(jìn)。三是建立花椒營(yíng)銷體系，健全花椒營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)，完善銷售渠道，減少中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和市場(chǎng)的有效對(duì)接，穩(wěn)定花椒價(jià)格，降低銷售成本。四是加快交易市場(chǎng)和信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，構(gòu)建花椒現(xiàn)代物流體系和信息體系。五是相關(guān)政府部門要加大市場(chǎng)監(jiān)管力度，為秦安花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。

3)地月網(wǎng)絡(luò)：

地月網(wǎng)絡(luò)主要由地球同步中繼衛(wèi)星、月球中繼衛(wèi)星等組成。載人飛船繞月飛行的高度一般在幾百公里的距離，覆蓋范圍較小，因此需要發(fā)射一到兩顆月球高軌中繼衛(wèi)星來提供通信支持。地月之間的通信距離較遠(yuǎn)，上下行鏈路具有非對(duì)稱性、誤碼率高和易中斷等特點(diǎn)。

4)近月網(wǎng)絡(luò)：

近月網(wǎng)絡(luò)主要由月球中繼衛(wèi)星、載人飛船和登月艙等組成，接入網(wǎng)絡(luò)傳輸距離較近但可能會(huì)因遮擋導(dǎo)致鏈路的中斷。

5)月面網(wǎng)絡(luò)：

月面網(wǎng)絡(luò)主要由載人飛船、登月艙和宇航員等組成，通過無線電組成一個(gè)小型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。

這五種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的環(huán)境特性各異，屬于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，需要利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。經(jīng)過上述分析，使用DTN作為載人登月網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。該協(xié)議體系是一種覆蓋層協(xié)議體系，束協(xié)議將各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接起來，在束協(xié)議的支持下，根據(jù)不同的底層環(huán)境特性來選取不同的匯聚層協(xié)議，例如可以選擇TCP/IP協(xié)議、LTP協(xié)議等不同類型網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議。圖5為作者設(shè)計(jì)的一種基于DTN的載人登月網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方案。通過使用束協(xié)議，不僅可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，還可以通過束協(xié)議的“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制來應(yīng)對(duì)鏈路的中斷，使得鏈路在中斷的時(shí)候，可以自動(dòng)地將數(shù)據(jù)保存在DTN節(jié)點(diǎn)中的大容量存儲(chǔ)器中，當(dāng)檢測(cè)到鏈路連接時(shí)，又可以自動(dòng)地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。基于DTN的載人登月網(wǎng)絡(luò)中各子網(wǎng)可以設(shè)計(jì)如下。

圖5 基于DTN的載人登月網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1)地面網(wǎng)絡(luò)：地面網(wǎng)絡(luò)采用BP/TCP/IP/以太網(wǎng)或BP/UDP/IP/以太網(wǎng)協(xié)議棧來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行6層數(shù)據(jù)處理，分別是應(yīng)用層、束層、匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

2)近地網(wǎng)絡(luò)：使用BP/TCP/IP/AOS/物理層協(xié)議或BP/UDP/IP/AOS/物理層協(xié)議，其中，數(shù)據(jù)鏈路層采用CCSDS推薦的高級(jí)在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)(AOS,advanced orbiting system)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[24]，使用IP over CCSDS[25]進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3)地月網(wǎng)絡(luò)：使用BP/LTP/AOS/物理層協(xié)議棧，將LTP segments放入AOS幀中。TCP不能用于深空鏈路，而UDP協(xié)議不保證可靠性，LTP協(xié)議是專門針對(duì)深空鏈路設(shè)計(jì)的匯聚層協(xié)議，可以通過重傳來保證數(shù)據(jù)的可靠性。

4)近月網(wǎng)絡(luò)：使用BP/LTP/近距空間鏈路協(xié)議。近距(Proximity-1)空間鏈路協(xié)議[26]覆蓋數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，是CCSDS開發(fā)的一種用于中繼衛(wèi)星、著陸器及探測(cè)器之間的近距離通信的空間鏈路協(xié)議。

5)月面網(wǎng)絡(luò)：月面網(wǎng)絡(luò)采用BP/TCP/IP/World Interoperability for Microwave Access(Wimax)或BP/UDP/IP/Wimax協(xié)議棧[27]來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 仿真場(chǎng)景及網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

針對(duì)載人登月場(chǎng)景，搭建了網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示，該平臺(tái)包含四個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)模擬地月鏈路，另外三個(gè)節(jié)點(diǎn)分別模擬載人飛船、月球中繼衛(wèi)星和深空地面站。我們選取的實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的軟件叫做Interplanetary Overlay Network (ION)[10]，用來實(shí)現(xiàn)DTN中束協(xié)議以及LTP協(xié)議。該測(cè)試平臺(tái)使用Linux Kernel中的Network Emulator(網(wǎng)絡(luò)模擬器，NETEM)來模擬信道隨機(jī)錯(cuò)誤、上下行鏈路非對(duì)稱速率以及鏈路傳播時(shí)延，可真實(shí)地模擬地月鏈路的特性。

圖6 網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)中使用2 s作為地月鏈路時(shí)延，上下行鏈路速率的非對(duì)稱比為20 kbps: 2 Mbps (即1:100)。地月鏈路和近月鏈路采用LTP作為匯聚層協(xié)議。傳遞文件大小為8 MBytes，束大小為1 KBytes，LTP 匯聚(即LTP block)大小設(shè)置為0.25 MBytes，即一個(gè)文件包含8 000個(gè)束，約240個(gè)束被匯聚到一個(gè)LTP block中，然后被分為多個(gè)LTP segments在數(shù)據(jù)鏈路上傳輸。

5 試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

本文開展的試驗(yàn)仿真中采用了不同的LTP segment大小，希望可以根據(jù)任務(wù)環(huán)境因素以有效吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。一組試驗(yàn)中選取LTP segment大小為文獻(xiàn)[18-20]仿真中常用的1 400 Bytes(仿真平臺(tái)中數(shù)據(jù)鏈路層的最大MTU長(zhǎng)度)，同時(shí)另外三組試驗(yàn)中選取LTP segment大小分別為800 Bytes、400 Bytes和 100 Bytes，將四組試驗(yàn)得到的有效吞吐量性能進(jìn)行對(duì)比，見圖7。

從圖7可以看出，隨著信道誤碼率的增加，有效吞吐量逐漸降低，例如當(dāng)LTP segment大小為1 400 Bytes，信道誤碼率為0、10-6和10-5時(shí)，有效吞吐量分別為209 424 Bytes/s、190 340 Bytes/s和149 883 Bytes/s。同時(shí)可以看出不論在何種誤碼率條件下，當(dāng)LTP segment大小為100 Bytes時(shí)，有效吞吐量均最低，約為130 000到120 000 Bytes/s。而在較低誤碼率條件(0或10-6)下，LTP segment大小為1 400 Bytes、800 Bytes和400 Bytes時(shí)，有效吞吐量性能差別不大，信道誤碼率為0時(shí)，約為200 000 Bytes/s，信道誤碼率為10-6時(shí)，約為192 000 Bytes/s。當(dāng)信道誤碼率較高時(shí)(10-5)，選取LTP segment大小為400 Bytes將得到較高的有效吞吐量，相比于LTP segment大小為1 400 Bytes、800 Bytes和100 Bytes分別提高了17 540 Bytes/s、4 160 Bytes/s和47 000 Bytes/s。

圖7 采用四種LTP segment大小，在不同誤碼率下的有效吞吐量對(duì)比圖

5.2 理論優(yōu)化分析

整個(gè)文件傳遞時(shí)間包括文件發(fā)送時(shí)間、傳播時(shí)間和排隊(duì)處理時(shí)間。在該試驗(yàn)中，文件的發(fā)送時(shí)間可以計(jì)算為：

(1)

其中：Lfile為文件大小，Rdata為下行鏈路數(shù)據(jù)速率。

對(duì)于地月通信環(huán)境，仿真中假設(shè)地月信道的傳播時(shí)延為2 s，遠(yuǎn)小于發(fā)送文件的時(shí)間Ttrans，所以由重傳導(dǎo)致的往返傳播時(shí)間和文件發(fā)送時(shí)間并不是簡(jiǎn)單的相加關(guān)系。在一定的誤碼率條件下，若LTP segment大小變小，則每個(gè)LTP segment的丟失概率減小，但是因?yàn)長(zhǎng)TP block大小不變，所以產(chǎn)生的原始CP的個(gè)數(shù)不變。因此，傳輸中丟失的CP的個(gè)數(shù)將會(huì)變小，這樣就降低了LTP block的傳輸回合的個(gè)數(shù)。本文給出當(dāng)LTP segment大小不同時(shí)，傳輸每個(gè)LTP block所需的傳輸回合的數(shù)目，定量地分析LTP segment大小對(duì)于文件傳遞時(shí)間和有效吞吐量的影響。

設(shè)每個(gè)LTP segment的長(zhǎng)度為L(zhǎng)seg，信道的誤碼率為pe，則每個(gè)LTP segment(包括CP)的丟失概率為:

pCP=pseg=1-(1-pe)8×Lseg

(2)

設(shè)每個(gè)LTP block中包含的LTP segments個(gè)數(shù)為Nseg，通過對(duì)LTP block的傳輸操作過程進(jìn)行建模分析，可以得到每個(gè)LTP block的傳輸回合數(shù)等于k的概率，表示為:

Ck-1s·pCPs·(1-pCP)k-s

(3)

其中:隨機(jī)變量Gblock是一個(gè)LTP block所經(jīng)歷的傳輸回合數(shù)，隨機(jī)變量GCP是當(dāng)一個(gè)LTP block被傳輸成功時(shí)丟失的CP總數(shù)。Gsegs表示在一個(gè)LTP block中普通(不包括CP)的LTP segments的傳輸回合數(shù)。

因此，每個(gè)LTP block的傳輸回合數(shù)的均值可以計(jì)算如下:

(4)

根據(jù)公式(4)可以得到在LTP segment大小不同時(shí)，傳輸每個(gè)LTP block所需的傳輸回合的數(shù)目，見圖8。當(dāng)誤碼率較低時(shí)(0或10-6)，LTP segment大小的改變對(duì)于每個(gè)LTP block的傳輸回合數(shù)的均值幾乎沒有任何影響。而當(dāng)誤碼率較高時(shí)(10-5)，在LTP segment為1 400 Bytes，800 Bytes，400 Bytes和 100 Bytes時(shí)，需要的傳輸回合數(shù)的期望值分別為3.456 8、2.972 5、2.583 4和2.199 7，即LTP segment大小越大，需要的傳輸回合數(shù)越多。因此，考慮到LTP segments重傳對(duì)文件傳遞時(shí)間造成的影響，應(yīng)該是在有誤碼存在時(shí)尤其是誤碼率高的條件下，LTP segment大小越大所需的文件傳播時(shí)間越大，也就造成文件傳遞時(shí)間的增大，有效吞吐量的降低。

圖8 采用不同LTP segment大小，在不同誤碼率下的每個(gè)LTP block傳輸回合數(shù)的對(duì)比圖

但是，對(duì)文件傳遞時(shí)間而言，還有一個(gè)重要的影響因素是排隊(duì)處理時(shí)間，對(duì)于地火通信場(chǎng)景來說，排隊(duì)處理時(shí)間相對(duì)于傳播時(shí)延較小，完全可以忽略；但是對(duì)于地月通信，通常單向傳播時(shí)延為1到2 s，不能忽略排隊(duì)處理時(shí)間的影響。排隊(duì)處理時(shí)間的估計(jì)問題，需要一種完全不同的預(yù)測(cè)和分析方法，是未來研究的一個(gè)重點(diǎn)，這里僅定性地進(jìn)行分析。與圖7進(jìn)行對(duì)比分析，可以看到當(dāng)誤碼率較低時(shí)，排除掉LTP segment大小等于100 Bytes的情況，LTP segment大小的改變對(duì)于有效吞吐量幾乎沒有任何影響；而當(dāng)誤碼率較高時(shí)(10-5)，排除掉LTP segment大小等于100 Bytes的情況，LTP segment大小越大，文件傳遞時(shí)延越大，有效吞吐量越低，這都與上述的理論推導(dǎo)一致。而當(dāng)LTP segment大小為100 Bytes，各種信道誤碼率下有效吞吐量都很低的原因在于LTP segment的長(zhǎng)度太小了，導(dǎo)致整個(gè)文件所需分割的LTP segment個(gè)數(shù)很多。可以計(jì)算出當(dāng)LTP segment為100 Bytes、400 Bytes、800 Bytes和1 400 Bytes時(shí)，所需首次傳輸?shù)腖TP segments個(gè)數(shù)分別為92 467、21 333、10 533和 6 000，所以LTP segment大小為100 Bytes導(dǎo)致了過多的數(shù)據(jù)排隊(duì)和處理時(shí)間，相比于LTP segment為400 Bytes、800 Bytes和1 400 Bytes，大大增加了文件的傳遞時(shí)延，降低了有效吞吐量。

6 結(jié)束語

載人登月網(wǎng)絡(luò)具有高誤碼率、長(zhǎng)傳播時(shí)延、鏈路連接易中斷、上下行鏈路速率非對(duì)稱等“挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡(luò)”特點(diǎn)，這都使得在地面上運(yùn)行良好的TCP/IP協(xié)議族不能應(yīng)用于該網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)了基于DTN的載人登月通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，并搭建了地月仿真平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)仿真。仿真結(jié)果表明：DTN可以很好地應(yīng)用于載人登月通信場(chǎng)景，且當(dāng)信道誤碼率較低時(shí)(如10-6)，宜采用長(zhǎng)度較大的LTP segment，而當(dāng)信道誤碼率較高時(shí)(如10-5)，宜采用長(zhǎng)度較小的LTP segment，但是LTP segment太小會(huì)導(dǎo)致額外的處理時(shí)間，采用LTP segment為400 Bytes，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的有效吞吐量，相比于LTP segment大小為1400 Bytes、800 Bytes和100 Bytes有效吞吐量分別提高了17 540 Bytes/s、4 160 Bytes/s和47 000 Bytes/s。同時(shí)，也從理論上對(duì)LTP segment參數(shù)優(yōu)化選取進(jìn)行了分析驗(yàn)證。DTN是一種通用的體系結(jié)構(gòu)，尤其適合于深空通信環(huán)境，未來還需針對(duì)其應(yīng)用于更遠(yuǎn)距離的載人深空探測(cè)，比如載人火星探測(cè)時(shí)的性能進(jìn)行研究和分析。