深空信道衰落特性对空间通信协议的影响研究

发布时间：2020-03-21 22:43

【摘要】：深空探测是在人造卫星、载人航天、月球探测等领域取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳系及太阳系外的空间发展和探索的空间活动,分布式组网探测是深空探测的重要发展趋势之一。由于通信距离远、信号能量衰减严重、信噪比极低、链路环境复杂,导致深空信道中存在大尺度衰落、长时延、间歇性中断的物理特性。而现有的空间通信协议,大多源自于地面通信网络协议的衍生或改造,在深空组网信道中的应用存在数据吞吐量低、链路拥塞严重等问题。因此,在分布式组网探测任务中,空间通信协议的部署和设计必须首先研究其赖以依存的物理信道特性。本文对深空组网通信场景下,深空信道衰落特性对空间通信协议的影响进行研究,目的是从信号传输的物理环境入手,探索深空组网通信协议的部署方法,解决现有空间协议在深空通信场景中应用的吞吐量低、链路拥塞等关键技术问题,为协议的规划和设计提供借鉴。课题研究内容主要包括:(1)基于电磁波信号传输的深空通信场景,分析了深空信道固有的衰落特性、间歇性中断特性、长时延特性及其对信号传输的影响,重点对太阳闪烁、大气衰落、大尺度自由空间损耗对信号传输所造成的幅度衰落、频谱扩展、相位闪烁进行计算分析和仿真。(2)为了降低太阳闪烁对信号传输的影响,提出了一种适用于星际通信链路的参数设计方法。该方法根据通信链路与太阳的几何关系,计算太阳风中等离子体作用于无线电波的幅度统计特性、时间谱特性,将计算结果作为通信链路的频率选择、传输信号带宽设计、调制方式选择、锁相环路带宽设计的约束条件。(3)分析了现有空间协议的模型及各部分实现功能,深入剖析了TCP/IP协议、CCSDS协议、DTN协议的发展趋势及其在深空组网通信场景中应用的不足之处。(4)对深空信道特性对现有空间协议的影响进行了研究,仿真分析了误码率对协议吞吐量的影响、长延时对协议握手机制的影响、中断对协议重传机制的影响。(5)以火星通信场景为例,构建了地-火组网协议架构,建立了基于STK-ION-CORE的虚拟仿真平台,对误码率、时延、中断三种特征对TCP协议、LTP协议、SCPS-TP协议的通信性能影响情况进行了仿真分析,提出了按照地球基站-中继星、中继星-火星轨道器、火星轨道器-火星基站分段进行空间通信协议部署的方法,并对分段协议的性能进行了仿真分析。本课题的创新点包括:1)针对深空通信链路中信道衰落特性对空间通信协议的吞吐量、链路连接影响问题,提出了一种分段进行协议部署的方法,从物理层入手解决空间组网协议部署中的可靠链接问题,为上层空间协议的设计奠定了理论基础。2)在对太阳闪烁对无线电波的传输产生的幅度衰落、谱扩展、相位闪烁现象进行理论分析的基础上,基于其对S、X、Ka频段通信信号的影响程度仿真结果,提出了一种太阳闪烁影响下的星际通信链路参数设计方法,可作为深空通信链路参数设计的依据。3)针对空间组网中多种异构协议共存的问题,提出了一种空间链路协议盲识别的方法,可解决非协作目标协议特征的识别和认知问题,为空间组网中异构协议的融合应用提供了借鉴。最后,对课题进一步的研究方向进行了总结和展望。
【图文】：

喷气推进实验室,星际,概念,长延时

图 1. 1 IPN 概念年，NASA 喷气推进实验室（JPL）的 Vint Cerf 开始了关于lanetary Internet, IPN）的研究[17, 18]，概念如图 1.1 所示，目的是统咨询委员会(CCSDS)在空间通信标准化方面的工作成技术相结合，为建立空——地一体的新网络进行技术方面的探索，将空间信息网络分成两种类型：低延时网络和长延时网络。署基于 TCP/IP 协议的互联网络，同时建立能够适应较长延时干网，创建低延时与高延时环境的中继网关来连接这些分散的在这种探索中被建立起来的。所以说，DTN 网络的最初设计的组成部分，其存储转发结构是为了应对极长的时延和间歇性年，美国开始实施 OMNI 试验计划（Operating Mission as No[19, 20]，该项目拟采用地面商用 IP 协议实现空间通信，并于 20

示意图,空间通信,网络通信,办公室

图 1. 2 NASASCaN 网络通信体系2006 年，NASA 下属机构——空间通信与导航办公室 SCaN(SpaceCommunications and Navigation)[23]对其拥有的空间通信及定位的相关资产及基础设施进行统一管理和系统集成，整合近地网络(the Near Earth Network, NEN)、空间网络(the Space Network, SN)和深空网络 (the Deep Space Network, DSN)，至2026 年的发展规划如图 1.2 所示[24]，目标是实现一个高度集成的网络结构，为位于整个太阳系内的空间飞行任务提供通信与导航服务，，包括数据收发、跟踪、定位和授时。按照计划，2019 年近地网络中的用户终端通信速率将达到 200Gbps。欧洲卫星通信综合倡议组织（Integral Satcom Initiative, ISI）从 2009 年开始研究开发名为“面向全球通信的综合空间基础设施”（ISICOM）[25]，即天基综合全球通信网，通信介质采用微波和激光链路相结合的方式，其目标是建立一个基于 IP 的通信网络，实现大容量空间信息传输。该天基网系统架构示意图如图1.3。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927

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