统一信息网空间数据通信传输协议研究
发布时间：2019-10-04 06:34
【摘要】：近年来，随着我国航空航天的迅速发展，构建天空地一体化的测控通信网（统一信息网，UIN）的需求变得更加急迫，这是因为该网络可以①解决空间飞行器的全程测控与导航问题；②解决航天资源重复建设、利用率低、信息量少的问题；③解决空间遥感大数据量信息传输，特别是实时传输问题；④解决移动通信全球覆盖问题；⑤解决深空探测中继问题；⑥解决航空信息子网等诸多问题。由此可见，构建和发展UIN对我国而言，具有非常重要的意义。 目前，总装、总参、中国工程院、国家自然科学基金委等多家单位都在研究天空地一体化测控通信网，但是构建天空地一体化测控通信网是一个宏大的计划，需要做大量的具体技术充实。 在此大环境下，本课题以中国工程院重点咨询项目“空间信息网(SIN)的构建研究”和中国空间技术研究院西安分院项目“天空地一体化测控通信网的研究”为依托，重点研究了空间数据通信协议规范中的传输协议。 本文主要工作如下： ①指出了研究空间通信协议规范传输协议(SCPS-TP)的现实意义。它是空间数据通信特性的需要，是与国际发达国家接轨以及转化和应用SCPS的需要，也是构建我国自主统一信息网的需要。 ②提出了一种基于有线等效网络(WEN)的空间信息网构架，包括空间局域网(SLAN)、空间广域网(SWAN)和越区切换协议。WEN把空间飞行器按区域、轨道和功能来分集组网。众多飞行器之间物理上是通过无线链路连接的，但在一定时间和一定条件下，可认为WEN是一个用若干长到几万公里的光缆、电缆柔性（或弹性）连接成的有线网络。 ③完整阐述了空间通信协议规范传输协议的性能特点，与地面无线网络TCP相比，SCPS-TP在误比特率、往返时间、连接的连续性、前向和后向的链路性能、CPU和内存容量、通信目的和数据丢失原因等方面都存在较大差异，同时根据这些性能差异，在地面TCP的基础上，进行了适应性的改进，从而形成适合空间数据通信的SCPS-TP。另外，笔者还独立翻译并整理出SCPS-TP蓝皮书中译本。 ④研究了美国的MITRE公司开源的SCPS-TP源代码，介绍了该项目产生的背景、代码的组织结构、主要文件说明，分析了SCPS的关键函数并进行了注解，说明了可执行程序的操作，最后通过搭建实验室测试床对代码进行了验证。 ⑤深入研究了地面无线通信中能有效提高吞吐量的传输控制协议/网络编码(TCP/NC)技术，详细描述了其算法的理论基础和具体实施过程，并通过数学建模进行了吞吐量的推导，最后通过仿真验证了该技术的有效性。 ⑥结合空间数据通信的特点和地面无线通信的TCP/NC的优点，提出了一种改进的TCP/NC技术SCPS-TP/NC，该技术可应用于空间数据通信。给出了算法设计的详细流程，并搭建了基于NS2的仿真平台。在NS2平台中，主要实现了SCPS-TP和NC协议栈。通过仿真，验证了SCPS-TP/NC可以有效地提高端到端系统的吞吐量。 相对于地面无线网络通信来说，由于空间通信协议的验证难度较大，本课题的很多工作目前也是基于理论的推导和实验室仿真，还有很多理论到实践的工作还需要在未来的工作中进一步落实。
【图文】：
图 2.1 WEN 组网拓扑Fig. 2.1 Networking topology of WEN③ 建立空间广域网SWAN(Space Wide Area Network)。虽然空间众多飞行器在时-空域大尺度变化，但在星座设计中，还是可设置一些点是相对固定的。它们是同步卫星和地面站。把这些点经宽带星际链路ISL、星地链路SGL连接成骨干网，如图2.1中粗细所示。现在把若干SLAN经骨干网构成SWAN，即SIN。这样，把一个随时空变化网络变为相对静止的网络。SWAN由同步轨道上的3颗以上TCS和地面测控通信管理中心(GTCMC)以及众多MS（即USER）组成。骨干网的星座设计如图2.2所示。TCS东和TCS西的位置可由GTCMC精确确定。TCS中的位置可由已知的TCS东和TCS西的位置和测量的ISL1、ISL2、ISL3距离和角度确定。图2.2中标出的经纬度和单址多址天线的视场角度完全是举例，可以是其他值。SWAN覆盖出两极外的全球。这样，在GTCMC就可以对全球的网内MS进行管理与通信。
图 2.2 WEN 组网链路示意图Fig. 2.2 Networking Links of WEN④ MS的越区切换。越区切换保证绕地球飞行的USER无缝与SWAN连接。实现GTCMC能对USER进行透明的测控通信。当MS从TCS1管辖的SLAN1飞到TCS2管辖的SLAN2要进行越区切换,即在SLAN1与SLAN2的空域交集区完成下述越区切换协议。2.4 具体实施方式实施上述发明内容，在战略上是国家行为，在战术上，需采用世界公认的集成创新方法，，使1+1>>2。除集成资料[46]-[51]技术外，还有很多已有技术可借用，当然，这些单项技术不属本专利范围。WEN的主要研究内容是星座设计、越区切换，骨干网与接入网链路、多目标测控和通信、网络协议与关口转换-中继。具体如下：① 星座设计应使我境内的GTCMC 能对覆盖全球的3颗TCS，作精密TTC与通
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN915.04
本文编号：2545799
【图文】：
图 2.1 WEN 组网拓扑Fig. 2.1 Networking topology of WEN③ 建立空间广域网SWAN(Space Wide Area Network)。虽然空间众多飞行器在时-空域大尺度变化，但在星座设计中，还是可设置一些点是相对固定的。它们是同步卫星和地面站。把这些点经宽带星际链路ISL、星地链路SGL连接成骨干网，如图2.1中粗细所示。现在把若干SLAN经骨干网构成SWAN，即SIN。这样，把一个随时空变化网络变为相对静止的网络。SWAN由同步轨道上的3颗以上TCS和地面测控通信管理中心(GTCMC)以及众多MS（即USER）组成。骨干网的星座设计如图2.2所示。TCS东和TCS西的位置可由GTCMC精确确定。TCS中的位置可由已知的TCS东和TCS西的位置和测量的ISL1、ISL2、ISL3距离和角度确定。图2.2中标出的经纬度和单址多址天线的视场角度完全是举例，可以是其他值。SWAN覆盖出两极外的全球。这样，在GTCMC就可以对全球的网内MS进行管理与通信。
图 2.2 WEN 组网链路示意图Fig. 2.2 Networking Links of WEN④ MS的越区切换。越区切换保证绕地球飞行的USER无缝与SWAN连接。实现GTCMC能对USER进行透明的测控通信。当MS从TCS1管辖的SLAN1飞到TCS2管辖的SLAN2要进行越区切换,即在SLAN1与SLAN2的空域交集区完成下述越区切换协议。2.4 具体实施方式实施上述发明内容，在战略上是国家行为，在战术上，需采用世界公认的集成创新方法，，使1+1>>2。除集成资料[46]-[51]技术外，还有很多已有技术可借用，当然，这些单项技术不属本专利范围。WEN的主要研究内容是星座设计、越区切换，骨干网与接入网链路、多目标测控和通信、网络协议与关口转换-中继。具体如下：① 星座设计应使我境内的GTCMC 能对覆盖全球的3颗TCS，作精密TTC与通
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN915.04
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 刘振浩;张明智;王燕;韩志军;;基于分层结构的卫星动态接入网络建模研究[J];指挥控制与仿真;2010年06期
2 陈宇;孟新;张磊;;空间信息网络协议体系分析[J];计算机技术与发展;2012年06期
本文编号：2545799
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