復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 傳遞時(shí)延建模及驗(yàn)證*

余 果 董振興 朱 巖

1(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

隨著深空探測的日益興起，為執(zhí)行深空探測任務(wù)的空間飛行器提供可靠、高效的通信服務(wù)成為亟待解決的事情。延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay/Disruption Tolerant Network, DTN）由于能夠解決深空探測所面臨的路徑損失、巨大的時(shí)延、鏈路中斷等深空通信問題，成為深空通信網(wǎng)絡(luò)的主要協(xié)議體系架構(gòu)[1–3]。1998 年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）為了推進(jìn)行星際互聯(lián)網(wǎng)（InterPlaNetary Internet, IPN）的研究，提出了延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的框架。2004 年初，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）提出中斷容忍網(wǎng)絡(luò)的概念，與延遲容忍網(wǎng)絡(luò)融合，成為延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)DTN。

為了提供可靠、高效的空間通信數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，隨著DTN 的提出，一些相關(guān)的DTN 協(xié)議也相繼提出。其 中LTP（Licklider Transmission Protocol，Licklider 傳輸協(xié)議）是針對(duì)具有極長的傳播延遲且存在中斷的點(diǎn)到點(diǎn)連接而設(shè)計(jì)的，適用于深空通信。對(duì)于LTP，已有一些實(shí)驗(yàn)及理論研究成果。文獻(xiàn)[4,5]分別針對(duì)一跳、兩跳通信場景建立了LTP 的文件傳輸時(shí)間理論模型并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]對(duì)一跳通信場景中存在中斷情況下的LTP 傳輸機(jī)制進(jìn)行了理論分析，建立基于BP（Bundle Protocol）/LTP 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)排隊(duì)時(shí)間的理論模型。文獻(xiàn)[7]用馬爾可夫鏈的計(jì)算方式給出LTP block 在一跳上傳輸時(shí)間的精確和近似兩種計(jì)算模型，并驗(yàn)證了其正確性以及優(yōu)越性。以上研究大多是在一至兩跳的簡化場景下，對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 傳輸機(jī)制進(jìn)行分析，這樣的研究結(jié)論在存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜場景下可能并不適用。文獻(xiàn)[8]雖是對(duì)復(fù)雜場景下的LTP 文件傳遞時(shí)延進(jìn)行了理論模型的建立，但其基于的是bundle 保管開啟狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。Bundle Protocol Version 7[9]規(guī)定，如果下層協(xié)議具有可靠的傳輸機(jī)制，則BP 的保管機(jī)制關(guān)閉，BP 層的可靠傳輸責(zé)任交由下層協(xié)議來完成。因此，文獻(xiàn)[8]所研究的數(shù)據(jù)傳輸方式在以LTP 為傳輸協(xié)議的深空通信中并不適用。

針對(duì)以上問題，本文在基于DTN 的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中，分析LTP 在bundle 保管關(guān)閉狀態(tài)下的多跳數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，建立復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 傳遞時(shí)延模型，為未來深空通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 LTP 傳輸機(jī)制分析

LTP 的核心設(shè)計(jì)思想來源于CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）文件傳輸協(xié)議（CCSDS File Transfer Protocol, CFDP），是為具有高延遲且斷續(xù)連接特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的傳輸層協(xié)議，其既可以運(yùn)行于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）之上，也可直接運(yùn)行于CCSDS 的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之上。LTP 以聚合在LTP block 中的紅綠數(shù)據(jù)段區(qū)分，提供可靠及非可靠兩種傳輸機(jī)制，紅色數(shù)據(jù)段代表該段數(shù)據(jù)采用可靠傳輸模式，綠色數(shù)據(jù)段代表該段數(shù)據(jù)采用非可靠傳輸模式[10]。

LTP 在一跳上的數(shù)據(jù)傳輸過程可以分為發(fā)送和重傳兩個(gè)階段。在發(fā)送階段，發(fā)送端以block 為傳輸單元，被分割為多個(gè)segment，向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)。block 中可能包含紅綠兩種segment，紅色segment 全部排在綠色segment 之前。在最后一個(gè)紅色segment 上 帶 有EORP（End of Red Part）和CP（Check Point）標(biāo)識(shí)，表示紅色segment 已發(fā)送完畢并向接收端請(qǐng)求紅色segment 的確認(rèn)信息，在最后一個(gè)segment 上標(biāo)有EOP（End of Part）標(biāo)識(shí)，表示一個(gè)block 中的所有數(shù)據(jù)（包括紅綠兩種segment）發(fā)送完畢，至此發(fā)送階段結(jié)束。在重傳階段，當(dāng)接收端收到帶有CP 的segment 時(shí)，檢查當(dāng)前已經(jīng)接收到的block 中的segment，然后向發(fā)送端發(fā)送RS（Report Segment），告知發(fā)送端有哪些segment 未成功接收；當(dāng)發(fā)送端收到RS 后，向接收端發(fā)送RA（Report Acknowledgment），然后重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)并在最后一個(gè)segment 上標(biāo)識(shí)CP。重復(fù)以上重傳階段的傳輸過程，直到全部紅色segment 均傳輸成功。RS 和CP 均基于超時(shí)重傳機(jī)制，若定時(shí)器超時(shí)仍未收到對(duì)端相應(yīng)的回應(yīng)，則會(huì)發(fā)起重傳。

以上分析了一跳的簡單場景中單個(gè)block 的數(shù)據(jù)傳輸過程。然而在實(shí)際的深空通信中，由于距離較遠(yuǎn)，源端與目的端之間可能需要多個(gè)中繼，整個(gè)通信顯然不是一跳的數(shù)據(jù)傳輸可以完成，而這源端和目的端以及中間的所有中繼就構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜通信場景。LTP 在傳輸一個(gè)文件時(shí)，可能會(huì)分成多個(gè)block 進(jìn)行傳輸，且在LTP 中可以同時(shí)開啟多個(gè)session，一個(gè)session 傳輸一個(gè)block，則在多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜通信場景中，傳輸由多個(gè)block 組成的文件時(shí)，其傳輸過程更為復(fù)雜。圖1 給出了在復(fù)雜場景下的LTP 傳輸過程。

圖1 復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)LTP 詳細(xì)傳輸過程Fig. 1 Detailed transmission process of LTP in a complex deep space network

如圖1 所示，一個(gè)由5 個(gè)block 組成的文件由源端經(jīng)三跳傳遞到目的端，用紅、橙、黃、綠、藍(lán)依次表示第1～5 個(gè)block，為了表述方便，將其編號(hào)為1～5。由于RA 的發(fā)送以及因RA 的丟失而引起的重傳不會(huì)對(duì)整個(gè)文件傳遞時(shí)間產(chǎn)生影響。因此，圖1 中并未顯示出RA 的傳遞情況。如圖1 所示，數(shù)據(jù)在第一跳傳輸時(shí)，block 2, 3, 5 經(jīng)過1 次重傳，block 1, 4 經(jīng)過2 次 重 傳。其 中，block 2 因CP 丟 失 一 次，則該block 的傳輸時(shí)延還包括重傳CP 時(shí)等待定時(shí)器到期的時(shí)間，block 5 因丟失的RS 是數(shù)據(jù)傳輸完成后的確認(rèn)RS，則重傳該RS 時(shí)等待定時(shí)器到期的時(shí)間不包括在該block 的傳輸時(shí)延中，則在第一跳上，block 的到達(dá)次序依次是block 3, 5, 1, 2, 4。第二跳為整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中單程時(shí)延最長的一跳，且每個(gè)block 在該跳的發(fā)送時(shí)間也是最長的。在第三個(gè)block 到達(dá)第二跳的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，開啟整個(gè)文件在第二跳的傳輸之后，block 5, 1, 2, 4 依次發(fā)出，但因每個(gè)block 到達(dá)第二跳的時(shí)間不同，且block 3, 5 和block 2, 4 的到達(dá)時(shí)間間隔大于一個(gè)block 在第二跳的發(fā)送時(shí)間，因此5 個(gè)block 在第二跳發(fā)送時(shí)，其間存在空閑時(shí)間；又因block 在第二跳的發(fā)送時(shí)間大于部分block 到達(dá)第二跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)刻間隔，因此存在block 在第二跳的發(fā)出時(shí)刻晚于在第一跳的交付完成時(shí)刻的情況。在第三跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)上，因第三跳上單個(gè)block 的發(fā)送時(shí)間最小，則每個(gè)block 的發(fā)送時(shí)刻之間均存在空閑時(shí)間；又因第三跳的鏈路時(shí)延遠(yuǎn)小于第二跳，則該跳上block 的到達(dá)次序與發(fā)送次序相同。至此，整個(gè)文件完成了在復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中多跳場景下的LTP 文件傳輸。

2 LTP 傳遞時(shí)延建模

經(jīng)過以上分析可知，文件在復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，除了在第一跳上block 可以接連發(fā)出外，其余每一跳上的block 發(fā)送均會(huì)存在不等的空閑時(shí)間間隔，且可能出現(xiàn)在上一跳已經(jīng)完成交付的block 在當(dāng)前跳無法立刻發(fā)出的情況。另外，數(shù)據(jù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)以單個(gè)block 為單位而非以整個(gè)文件為單位，使得文件在每一跳上的總傳輸時(shí)延之間存在時(shí)間重疊。因此，對(duì)于多跳場景下的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)，其LTP 傳遞時(shí)延并不能以各跳上的LTP 傳遞時(shí)延的簡單加和來計(jì)算。

由對(duì)圖1 的LTP 文件傳輸過程分析可知，整個(gè)文件在多跳場景下的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中由源端到目的端的傳遞時(shí)延，可由下式計(jì)算得到：

由此可知，Tfile_multihop主要由三部分組成：（1）在具有最長單程時(shí)延的那一跳（假設(shè)為第q跳）上，最后完成交付的那個(gè)block（為了后續(xù)表述方便，將該block 表述為 blockfinal）在該跳上的傳遞時(shí)延為Tblock_q_final； （2）文件開始傳輸時(shí)至 blockfinal在具有最長單程時(shí)延的那一跳上開始傳輸前，所消耗的時(shí)間為Tformer； （3）b lockfinal在具有最長單程時(shí)延的那一跳上完成傳輸時(shí)，至最后整個(gè)文件在最后一跳上完成傳輸時(shí)，所消耗的時(shí)間為Tlatter。由此可列LTP 文件傳遞總時(shí)延Tfile_multihop的計(jì)算式為

首先計(jì)算Tformer， 將其按照前（q-1）跳的跳數(shù)分割 為Tformer_1，Tformer_2， ··· ，Tformer_a， ··· ，Tformer_q-1共（q-1）個(gè)部分，其中每部分均包含某一個(gè)block 的傳播時(shí)間、在該block 之前發(fā)送的所有block 的傳輸時(shí)間以及這期間由于CP 或RS 丟失導(dǎo)致定時(shí)器過時(shí)而額外增加的時(shí)間。

對(duì)Tformer_q-1的 計(jì)算進(jìn)行分析。令Nblock表示組成待發(fā)送文件的block 個(gè)數(shù)，b lockq_final可 能是第（q-1）跳 上 第nblock（ 1 ≤nblock≤Nblock） 個(gè) 完 成 傳 輸?shù)腷lock（記為b lockq-1_nb） ，則b lockq-1_nb在 第（q-1）跳上的傳播時(shí)間可能最大，也可能最小，因此對(duì)于Tformer_q-1的傳播時(shí)間，這里取單個(gè)block 傳播時(shí)間的平均值。由于傳播時(shí)間主要受到傳播回合數(shù)的影響，因此將求取單個(gè)block 傳播時(shí)間的平均值轉(zhuǎn)換為求取單個(gè)block 完成傳輸時(shí)所經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)的平均值kmean，即

其中，kmin為僅傳遞一個(gè)block 時(shí)經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)，kmax為傳遞整個(gè)文件時(shí)經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)。

對(duì)傳遞一個(gè)block 時(shí)經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)kmin的值進(jìn)行計(jì)算。由于block 被分割為多個(gè)segment 進(jìn)行傳輸，因此一個(gè)block 傳輸所經(jīng)歷的傳輸回合數(shù)由該block 中所有segment 經(jīng)歷的傳輸回合數(shù)的最大值決定，即Gblock=Gseg_max， 本文以Gblock的期望來計(jì)算kmin。假設(shè)一個(gè)block 的紅色數(shù)據(jù)占比為f，令Lseg_payload表 示segment 的 負(fù) 載 尺 寸，Lblock表示block 的 尺 寸， 則 該block 由Nseg=(Lblock×f)/Lseg_payload-1個(gè) 紅色segment 組成，由此計(jì)算kmin, 有

一個(gè)block 被拆分為多個(gè)segment 進(jìn)行傳輸，假設(shè)一個(gè)segment 在傳輸時(shí)服從幾何概率分布，則第m次傳輸成功的概率Pseg_m=psegm-1×(1-pseg)，由此可以計(jì)算出每個(gè)segment 的傳輸總次數(shù)的期望值

Ttrans表示傳輸單個(gè)block 時(shí)發(fā)送所有數(shù)據(jù)所耗時(shí)間。令Rdata表示下行數(shù)據(jù)發(fā)送速率，則對(duì)于每一個(gè)segment， 每 次 的 發(fā) 送 時(shí) 間 均 為(Lseg_frame/Rdata)Byte·s–1， 一 個(gè)block 中 包 含NR=(Lblock×f)/Lseg_payload個(gè) 紅 色segment ，NG=(Lblock×(1-f))/Lseg_payload個(gè)綠色segment，其中紅色數(shù)據(jù)采用可靠傳輸機(jī)制，綠色數(shù)據(jù)采取不可靠傳輸機(jī)制，則一個(gè)block 的總傳輸時(shí)間Ttrans可由式（8）計(jì)算得到：

對(duì) 于Tformer_q-1中 的block 傳 輸 時(shí) 間， 由 于blockq_final在 第（q-1）跳的發(fā)送次序不定，則取該傳輸時(shí)間的均值進(jìn)行計(jì)算, 即

其中，Ttrans_q-1表 示第（q-1）跳上一個(gè)block 的傳輸時(shí)間，Lseg_frame_q-1表 示第（q-1）跳上的segment 幀長度，Lseg_payload_q-1表 示第（q-1）跳上的segment 應(yīng)用數(shù)據(jù)長度，Rdata_q-1表 示第（q-1）跳上的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，pseg_q-1表 示第（q-1）跳上的segment 丟失概率。

CP 段或RS 丟失會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)定時(shí)器到期而引起CP 段或RS 的重傳，定時(shí)器到期所消耗的時(shí)間（即定時(shí)器設(shè)置的到期時(shí)間）會(huì)使整個(gè)傳輸時(shí)間額外增加。假設(shè)定時(shí)器到期時(shí)間為Tex，為了防止過早地重傳，Tex應(yīng) 大于2 倍的Tdelay， 則Tex=2Tdelay+β，其中β為定值，且至少包含RS 的發(fā)送時(shí)間。這里假設(shè)pCP、pRS分別表示CP段和RS的丟失概率，pCP=1-(1-pber)8×LCP_frame，pRS=1-(1-pber)8×LRS_frame，其中LCP_frame表示CP 段在物理信道上傳輸時(shí)的尺寸；則CP 段 或RS 丟 失 的 概 率pCP_RS=1-(1-pCP)×(1-pRS)。由此可以計(jì)算每個(gè)CP 段和RS 傳輸次數(shù)之和的期望值

接下來，計(jì)算Tblock_q_final。Tblock_q_final包含傳輸時(shí)間Ttrans_q_final、 傳播時(shí)間Tprop_q_final和額外增加時(shí)間Tex_time_q。 對(duì)于Tprop_q_final，需要求取最后完成傳輸?shù)腷lock 的傳播時(shí)間，因此該block 完成傳遞經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)取kmax。對(duì)于Ttrans_q_final， 由于 blockfinal在第q跳上的發(fā)送次序不定，因此Ttrans_q_final取發(fā)送一半文件所消耗的時(shí)間。由此可列Tblock_q_final的計(jì)算式為

對(duì)于Tlatter， 同樣可以按照后（n-q）跳的跳數(shù)，將其分割為Tlatter_q+1，Tlatter_q+2， ···，Tlatter_a， ···，Tlatter_n共（n-q）個(gè)部分，其中每部分同樣包含傳輸時(shí)間、傳播時(shí)間和額外增加時(shí)間。對(duì)于傳播時(shí)間，由于Tlatter是從blockq_final在第q跳上完成傳輸起至整個(gè)文件被目的節(jié)點(diǎn)接收完畢止所消耗的時(shí)間，且后面（n-q）跳的鏈路時(shí)延均小于第q跳的鏈路時(shí)延，則每個(gè)Tlatter_a中包含的傳播時(shí)間，均為相應(yīng)每一跳上最后發(fā)送同時(shí)也是最后完成傳輸?shù)腷lock，在該跳上傳輸時(shí)的傳播時(shí)間。又因最后發(fā)送的block 并不一定是傳遞回合數(shù)最多的那個(gè)，因此對(duì)于每個(gè)Tlatter_a的傳播時(shí)間及額外增加時(shí)間，與其相關(guān)的單個(gè)block 完成傳輸所經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)取kmean， 對(duì)于每個(gè)Tlatter_a的傳輸時(shí)間，取整個(gè)文件發(fā)送所消耗時(shí)間。則Tlatter計(jì) 算式如下：

將式（12）～（14）代入式（2），可以計(jì)算出復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中LTP 傳遞時(shí)延Tfile_multihop的值。在復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的多跳數(shù)據(jù)傳輸場景中，LTP 文件傳輸?shù)耐掏侣蕿?/p>

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)場景及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了對(duì)以上提出的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 文件傳遞時(shí)延模型進(jìn)行驗(yàn)證，需要搭建復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)場景。以當(dāng)前國際研究熱點(diǎn)火星探測任務(wù)為例，選擇中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心Wu 等[11]提出的通用行星際通信網(wǎng)絡(luò)（Universal Interplanetary Communication Network, UNICON）作為中繼星座，搭建基于UNICON 的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)（Complex Deep Space Network based on UNICON, UNICON-CDSN）的地火通信仿真場景。UNICON 星座由均勻部署在地火軌道之間的日心軌道上的6 顆通信衛(wèi)星組成，為金星軌道至主小行星帶范圍內(nèi)不同深空探測器提供平等的中繼通信和測控服務(wù)。以UNICON 為中繼星座設(shè)計(jì)地火通信場景為：火星－UNICON－GEO（Geostationary Orbit）－地球，選擇1 個(gè)火星探測器、6 顆UNICON 衛(wèi)星、1 顆GEO 衛(wèi)星和1 個(gè)地面站作為通信節(jié)點(diǎn)，依據(jù)文獻(xiàn)[11]的通用型空間通信網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)（Universal Space Communication Network Test-bed, USCNT）搭建方式，搭建基于UNICON-CDSN 的仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

為以上搭建的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)配置LTP 協(xié)議部署方案，即每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)均配置LTP 協(xié)議棧BP/LTP/UDP/IP/Ethernet。平臺(tái)將以太網(wǎng)傳輸通道配合交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)，視為對(duì)深空網(wǎng)絡(luò)物理層的模擬，BP、LTP 協(xié)議均用ion-3.7.0 實(shí)現(xiàn)，UDP 和IP 協(xié)議都是raspbiangnu/linux9 的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3.2 模型驗(yàn)證

利用3.1 節(jié)搭建的仿真場景及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)不同鏈路通信環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 文件傳遞時(shí)延模型進(jìn)行正確性驗(yàn)證。經(jīng)衛(wèi)星工具包（Satellite Tool Kit, STK）仿真得知，基于UNICON-CDSN 的地火通信場景的數(shù)據(jù)傳輸路徑只有三種情況，分別為只經(jīng)一顆UNICON 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)、經(jīng)兩顆UNICON 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)和經(jīng)三顆UNICON 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。令NU表示數(shù)據(jù)傳輸途經(jīng)的UNICON 衛(wèi)星數(shù)，將以上三種傳輸路徑情況分別用NU= 1,NU= 2,NU= 3 表示，則實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸情況選取NU= 1,NU= 2,NU= 3 三種場景。在仿真實(shí)驗(yàn)中，每條鏈路的鏈路環(huán)境如無特殊說明，均為相同設(shè)置，每條鏈路上的LTP 參數(shù)配置均為相同設(shè)置。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示，其中誤碼率中的mul 表示混合誤碼率，即在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路的誤碼率并不相同，具體設(shè)置如表1 所示，以數(shù)組形式呈現(xiàn)，從左到右依次為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)途經(jīng)鏈路的誤碼率設(shè)置。

表1 模型驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置Table 1 Experiment parameter settings for model verification

對(duì)于三種數(shù)據(jù)傳輸路徑（NU=3，NU=2，NU=1），分別在誤碼率為10–7, 10–6, 10–5, mul 以及信道速率比為1∶1, 100∶1, 500∶1 的情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖2 即為不同鏈路環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn)與模型計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，其中圖2(a)表示信道速率比為500∶1時(shí)，在三種傳輸路徑下，誤碼率分別為10–7、10–6、10–5, mul 時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)與模型計(jì)算的對(duì)比結(jié)果，圖2(b)表示在NU=2的傳輸路徑中，4 種誤碼率條件下信道速率比分別為1∶1, 100∶1, 500∶1 時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)與模型計(jì)算的對(duì)比結(jié)果。

圖2 不同鏈路環(huán)境下仿真結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of simulation results and model calculation results with different link environments

由圖2 可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，因此可以證實(shí)復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中的LTP 文件傳遞時(shí)延模型的正確性。而當(dāng)誤碼率較低時(shí)，模型的計(jì)算結(jié)果相比真實(shí)情況誤差增大，這是因?yàn)殒溌氛`碼率越低，完成數(shù)據(jù)交付經(jīng)歷的傳遞回合數(shù)越接近1，模型中以均值思想求得的傳遞回合數(shù)與實(shí)際值的偏差就越大，而傳輸回合產(chǎn)生的時(shí)延在深空通信中是LTP 文件傳遞時(shí)延最重要的組成部分，因此造成誤碼率較低時(shí)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差增大的現(xiàn)象。

3.3 模型優(yōu)勢(shì)

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]建立了較為經(jīng)典的兩種LTP數(shù)據(jù)傳輸模型，但二者均是在簡化后的一至兩跳通信網(wǎng)絡(luò)場景下建立的。以平均絕對(duì)百分誤差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，比較本文所提出的模型（以下稱為proposed）和以上兩種文獻(xiàn)中提到的模型（model 1[4]和model 2[7]）對(duì)多跳場景下LTP 數(shù)據(jù)傳輸?shù)念A(yù)測情況，說明本文所提模型的優(yōu)勢(shì)。由于model 1 和model 2 均是在簡化場景下建立的，因此將本文的多跳場景以每跳鏈路時(shí)延相加的方式進(jìn)行簡化，再代入model 1 和model 2 進(jìn)行計(jì)算。在不同鏈路通信環(huán)境下對(duì)三個(gè)模型的MAPE 進(jìn)行對(duì)比，bundle 和segment 尺寸分別設(shè)置為50 kByte, 1400 Byte，1 個(gè)block 包 含1 個(gè)bundle，鏈路參數(shù)設(shè)置和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)號(hào)列于表2。

表2 計(jì)算MAPE 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter settings of experiments for calculating MAPEs

三個(gè)模型的MAPE 比較結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，對(duì)于復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)，proposed 預(yù)測的LTP 文件傳遞時(shí)延結(jié)果比model 1 和model 2 預(yù)測得更加接近仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，proposed 的平均MAPE 是8%，而model 1 和model 2 的 分 別為21%和15%，由此說明proposed 比model 1 和model 2 預(yù)測精度更高。此外，對(duì)于多跳場景中各鏈路環(huán)境不同（例如數(shù)據(jù)傳輸途經(jīng)的各條鏈路的誤碼率不同）的情況，proposed 同樣能夠進(jìn)行LTP 數(shù)據(jù)傳輸情況的預(yù)測，而model 1 和model 2 均未給出這種場景下的LTP 文件傳遞時(shí)間預(yù)測計(jì)算方式。綜上所述，對(duì)于復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)中多跳場景下的LTP傳遞時(shí)延的預(yù)測計(jì)算，本文所提出的理論模型比model 1 和model 2 更為適用。

圖3 三種理論模型在不同鏈路環(huán)境下的MAPE 對(duì)比Fig. 3 MAPE comparison of three theoretical models with different communication environments

4 結(jié)論

針對(duì)基于DTN 的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)，分析了LTP 在多跳場景下的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，據(jù)此建立了復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 文件傳遞時(shí)延理論模型，在基于UNICON-CDSN 的深空通信網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證平臺(tái)上，仿真分析了本文提出的理論模型的正確性及其優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，在復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的不同鏈路通信環(huán)境下，該模型均能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出LTP 傳遞時(shí)延，且比簡化場景下建立的模型精確度更高，更適用于復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)LTP 傳遞時(shí)延模型的提出，無需進(jìn)行耗時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)即可分析預(yù)測復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，克服了簡化場景下建立的理論模型不能直接套用于復(fù)雜通信場景的不足，為應(yīng)用LTP 協(xié)議的未來深空通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能分析工作提供了理論依據(jù)。

未來將基于所建立的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的LTP 傳遞時(shí)延模型，針對(duì)各種深空通信環(huán)境及不同探測器的優(yōu)化目標(biāo)，研究LTP 主要參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升LTP 的傳輸性能。將其研究成果應(yīng)用于多任務(wù)依托同一復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的場景，進(jìn)一步研究各個(gè)任務(wù)的資源消耗及路徑選擇問題。