深空Ka波段的中继CCSDS文件传输协议设计

摘要

深空Ka波段数据通信,与C/X/Ku波段相比,因其可用频段较宽且码间干扰较小等优点,已成为当前深空数据通信的主流。但是,Ka波段链路存在受地球天气变化影响而可用性降低,导致数据传输过程需要频繁切换,进而造成数据传输效率下降。另外,深空通信距离极远所造成的误码率高、传播时延长、链路易中断等通信困难,使得空间数据咨询委员会所建议的文件传输协议(CFDP, CCSDS File Delivery Protocol)在深空数据传输任务中的效率急剧下降。因此,需要针对深空Ka波段下的文件传输协议做出相应的改进,以匹配未来高质量空间数据传输的业务需求。
　　本文首先将中继星节点存储-转发机制引入深空AWGN信道,将原有的单跳链路变为双跳链路,缩短点对点链路的通信距离,降低数据分组的错误概率。并设计了相应的协议改进策略,从而减少长距离条件下CFDP协议的传输时延。设计了基于“等待EOF”与“非等待重传PDU”两种机制共同作用下该协议的存储-转发策略,建立了相应的时延性能的理论分析模型。理论与仿真结果表明:在深空信道环境下,通过优选中继点位置,本文提出的中继协议改进方案较传统的直接传输方案、放大转发方案和译码转发方案在传输时延方面获得几十到几百a.u.(1a.u.=480 sec)时延的减少量。其次,基于中继协议和深空Ka波段特性,进一步提出一种新颖的基于高带宽、天气波动敏感的Ka波段深空链路的中继CFDP协议。此方案将深空链路划分为天气敏感链路段和天气不敏感链路段,以双跳传输方式代替传统的单跳链路传输。给出了所设计协议的详细传输机制,并对Ka波段信道下深空文件的平均传输时延和链路效率进行了数学建模。基于此数值模型,讨论了关于最小化的文件传输时延的中继节点位置问题。此外,我们还对一些实践价值较高的空间中继卫星位置(如:拉格朗日点等)部署本协议方案进行数值仿真。仿真结果表明:与传统的CFDP协议方案相比,特别是在信道环境恶劣情况下,此协议方案能有效地减少几a.u.以上的文件传输时延,同时还能有效地提高10％以上的链路效率。最后,对CCSDS建议的未来空间通信的发展趋势----容延迟/中断网络(DTN, Delay/Disruption Tolerant Networking)进行了初步研究。空间DTN通信节点的内存特性和能力成为决定空间DTN网络数据传输质量的关键因素之一。本文提出了一个基于多维马尔可夫链的数学模型用于评估空间DTN中间节点的动态内存特性。同时,通过建立时延性能评估模型和bundle投递成功概率评估模型来分析中间节点内存的动态特性。数值仿真结果表明：源文件被拆分成的bundle越大,造成的中间节点高内存占用(内存占用率>=90%)时间就越长；DTN中间节点内存占用时间受bundle大小的影响比受LTP segment大小影响更显著；在给定bundle生命周期的情况下,相对LTPsegment大小的影响,bundle的投递成功概率更取决与bundle大小,而不是LTPsegment的大小。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外相关研究的现状与分析

1.3 课题研究目的及意义

1.4 课题来源及学位论文的主要研究内容

第2章 面向AWGN信道的中继CCSDS文件传输协议设计

2.1 引言

2.2 面向AWGN信道的中继CFDP协议

2.3 RS-CFDP协议性能评估与分析

2.4 本章小结

第3章 面向Ka波段信道的中继CCSDS文件传输协议设计

3.1 引言

3.2 深空通信的Ka波段Gilbert-Eliot信道模型

3.3 面向Ka波段信道的中继CFDP协议传输机制设计

3.4 面向Ka波段的RS-CFDP协议性能评估与分析

3.5 本章小结

第4章 深空DTN网络中间节点内存动态特性建模与分析

4.1 引言

4.2 深空DTN网络中间节点动态内存特性分析

4.3 数值仿真结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢