深空通信中基于中繼選擇的文件傳輸協(xié)議

2016-06-29 09:35彭海英王恩普

重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2016年1期

關(guān)鍵詞：時(shí)延

趙　輝，王　琴，彭海英，王恩普

(重慶郵電大學(xué) 光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

深空通信中基于中繼選擇的文件傳輸協(xié)議

趙輝，王琴，彭海英，王恩普

(重慶郵電大學(xué) 光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

摘要：針對(duì)深空通信傳播時(shí)延大、誤碼率高以及鏈路間歇性中斷的問題，提出一種基于中繼選擇的深空文件傳輸協(xié)議。該協(xié)議將文件傳輸過程分為跳到跳發(fā)送和端到端重傳2個(gè)階段。在發(fā)送階段，提出一種中繼選擇算法，通過分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合深空鏈路信道特點(diǎn)，分析鏈路丟包率和信道增益的關(guān)系，選擇最優(yōu)中繼鏈路逐跳進(jìn)行傳輸，降低丟包率進(jìn)而減少重傳次數(shù)；在重傳階段，目的端對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)和檢查，丟失的數(shù)據(jù)包通過端到端鏈路進(jìn)行重傳，保證文件的可靠傳輸。仿真結(jié)果表明，當(dāng)端到端誤碼率大于10-5時(shí)，所提協(xié)議能有效減少重傳次數(shù)，進(jìn)而降低傳輸時(shí)延。在誤碼率為10-3時(shí)，與空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(consultative committee for space data systems，CCSDS)提出的文件傳輸協(xié)議(CCSDS file delivery protocol，CFDP)相比，該協(xié)議的傳輸時(shí)間縮短了40%，能較好地適應(yīng)深空通信環(huán)境。

關(guān)鍵詞：深空通信；中繼選擇；文件傳輸協(xié)議；時(shí)延

0前言

深空通信具有時(shí)延大、誤碼率高、鏈路間歇中斷以及信道非對(duì)稱等完全不同于地球通信環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)深空文件的可靠傳輸提出了巨大挑戰(zhàn)[1-3]。目前應(yīng)用較多的是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(consultative committee for space data systems，CCSDS)提出的文件傳輸協(xié)議[4](CCSDS file delivery protocol，CFDP)，其主要目標(biāo)是解決空間鏈路中文件傳輸遇到的各種問題，特定情況下能較好地適應(yīng)深空通信環(huán)境。隨著深空探測(cè)目標(biāo)由月球轉(zhuǎn)向火星以及太陽(yáng)系其他行星，深空通信的距離趨于極限，由此導(dǎo)致的長(zhǎng)傳播時(shí)延和能量衰減使得基于單跳的CFDP傳輸機(jī)制無法滿足未來深空探測(cè)的要求[5]。

近年來，研究學(xué)者提出了多種中繼傳輸方式，如HbH-STP(hop-by-hop satellite transport protocol)[6], HTPIN(hop-by-hop transport protocol for interplanetary backbone networks)[7]等，采用跳到跳傳輸和逐跳確認(rèn)機(jī)制來保證深空文件傳輸?shù)目煽啃?。由于深空誤碼率較高[8]，一般為10-7—10-3，經(jīng)過多跳后錯(cuò)誤呈指數(shù)累積。逐跳確認(rèn)機(jī)制中，中繼節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)包后才轉(zhuǎn)發(fā)，如果有錯(cuò)誤則立即向上一跳請(qǐng)求重傳，錯(cuò)誤被提前恢復(fù)，避免了跳到跳錯(cuò)誤累積，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但如果?shù)據(jù)包在前幾跳甚至第一跳中就傳輸失敗，重傳成功后在后面的轉(zhuǎn)發(fā)過程中仍然可能再次失敗，造成鏈路資源浪費(fèi)和傳輸時(shí)延增加；另外，逐跳確認(rèn)機(jī)制需要大量的交互信息，深空通信上下行鏈路數(shù)據(jù)速率不對(duì)稱并且鏈路間歇性中斷，接收方的反饋信息很難及時(shí)準(zhǔn)確地到達(dá)發(fā)送方，極大地增加了文件傳輸時(shí)延。

基于上述分析，本文以CFDP為基礎(chǔ)提出一種中繼文件傳輸協(xié)議(relay file delivery protocol，RFDP)，能有效降低文件傳輸時(shí)延，同時(shí)實(shí)現(xiàn)文件的可靠傳輸。首先根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及受力情況，選擇出合適的中繼節(jié)點(diǎn)；再根據(jù)深空信道特點(diǎn)，分析鏈路丟包率和信道增益的關(guān)系，并逐跳選擇丟包率最小的鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)包；最后在目的端檢查是否有丟包，并通過端到端路徑進(jìn)行重傳。

1中繼選擇算法

1.1中繼節(jié)點(diǎn)位置選擇

為保證深空探測(cè)任務(wù)順利進(jìn)行，在深空通信中，常使用中繼衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。中繼衛(wèi)星旨在為行星周圍子網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，同時(shí)為其他航天任務(wù)提供通訊和導(dǎo)航服務(wù)，而中繼衛(wèi)星的位置直接決定了它能否實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)。

太陽(yáng)系內(nèi)任何物體都會(huì)受到太陽(yáng)的引力作用，因此中繼衛(wèi)星不可能靜止于某一點(diǎn)，而是以某一角度繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。要使中繼衛(wèi)星保持在理想的軌道位置，需要對(duì)其進(jìn)行軌道保持。行星軌道附近的一些特殊點(diǎn)，由于受到行星和太陽(yáng)共同的引力作用而呈現(xiàn)出特殊的力學(xué)特性，這些點(diǎn)就是行星和太陽(yáng)的拉格朗日點(diǎn)[9]。利用拉格朗日點(diǎn)的特殊力學(xué)性質(zhì)，衛(wèi)星可以穩(wěn)定或亞穩(wěn)定地保持在這些點(diǎn)附近，從而減少衛(wèi)星進(jìn)行軌道保持所消耗的能量，增加衛(wèi)星的壽命，降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。圖1為太陽(yáng)-行星系統(tǒng)的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)分布情況。

拉格朗日點(diǎn)的力學(xué)特性使得在其位置上布置中繼衛(wèi)星具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但并不是每一個(gè)拉格朗日點(diǎn)上都適合放置中繼衛(wèi)星。以圖1為例，分析適合布置中繼衛(wèi)星的拉格朗日點(diǎn)。由拉格朗日點(diǎn)的性質(zhì)可知，L1與L22點(diǎn)可以隨行星一起繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而保持與行星和太陽(yáng)的幾何關(guān)系不變，但是2點(diǎn)距離行星太近，因此沒有必要在L1,L2點(diǎn)上布置中繼衛(wèi)星。L3點(diǎn)上中繼衛(wèi)星只在滿足一定初始條件時(shí)才能穩(wěn)定運(yùn)行，但這種情況下軌道保持的次數(shù)和消耗的燃料要比布置在非拉格朗日點(diǎn)上少得多，因此可以在L3點(diǎn)布置中繼衛(wèi)星。L4和L5點(diǎn)上的中繼衛(wèi)星理論上是穩(wěn)定的，但由于引力攝動(dòng)，只需要較少的軌道保持就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，因此也適合在該點(diǎn)布置中繼衛(wèi)星。

圖1　太陽(yáng)-行星系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)分布情況Fig.1　Distribution of the Lagrange pointsof sun-planet system

除了拉格朗日點(diǎn)，行星表面以及行星軌道上的通信衛(wèi)星也可以用來完成文件的中繼傳輸。因此，L3,L4和L5點(diǎn)上的中繼衛(wèi)星以及通信衛(wèi)星都可以為深空文件傳輸提供中繼服務(wù)。

1.2最優(yōu)路徑選擇

深空通信中，電磁波經(jīng)過多條路徑傳播至接收端。深空信道具有萊斯分布特性，信號(hào)除了經(jīng)反射、折射、散射等多跳傳輸路徑外，還能從發(fā)送端直接到達(dá)接收端(如從衛(wèi)星直接到達(dá)地面接收機(jī))。

圖2　中繼鏈路系統(tǒng)模型Fig.2　System model of relay link

對(duì)于M=2k的QAM信號(hào)(k為偶數(shù))，矩形QAM等效于2個(gè)正交載波上的PAM(pulseamplitudemodulation)的疊加[11]，通過PAM的誤碼率能計(jì)算出QAM的誤碼率。

二進(jìn)制PAM系統(tǒng)誤碼率為

(1)

則4QAM系統(tǒng)的誤碼率為

(2)

(1)—(2)式中：Q(x)為高斯Q函數(shù)，定義為

(3)

(4)

(5)

由(3)式

(6)

則

(7)

由此可得Q(x)關(guān)于x單調(diào)遞減，故x>0時(shí)，有

(8)

又由(5)式，有

(9)

可見，信道增益λ值越大，數(shù)據(jù)包成功到達(dá)接收端的概率越大，即丟包率和鏈路信道增益成反比。故本文提出的RFDP協(xié)議中繼選擇算法可以描述為：發(fā)送方逐跳選擇信道增益最大的鏈路作為傳輸路徑，確保每一跳傳輸中丟包率最低，進(jìn)而降低錯(cuò)誤累積的影響，使數(shù)據(jù)包以較大的概率正確到達(dá)目的端，提高整個(gè)文件傳輸?shù)某晒β省?/p>

2基于中繼選擇的深空文件傳輸協(xié)議

2.1RFDP文件發(fā)送過程

深空通信中的傳輸損耗主要由傳輸距離和地球大氣衰減造成，采用多跳中繼傳輸可以用來對(duì)抗這種衰減，提高鏈路性能[12]。但在深空通信中，系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本隨著鏈路數(shù)目的增多而增加，系統(tǒng)可靠性也隨之降低。

根據(jù)深空通信中損耗的分類以及未來深空網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，構(gòu)建3跳中繼下行鏈路。圖3為火星-地球相距較遠(yuǎn)時(shí)的情況，此時(shí)太陽(yáng)-火星拉格朗日點(diǎn)都在火星軌道外側(cè)，放置中繼衛(wèi)星會(huì)極大地增加通信距離，故不選擇。圖中L3,L4和L5為適合放置中繼衛(wèi)星的太陽(yáng)-地球拉格朗日點(diǎn)，R1, R2, R3為火星和地球的軌道衛(wèi)星。圖3中列出了幾種可能的傳輸路徑，再根據(jù)1.2節(jié)的最優(yōu)路徑選擇方法，選出丟包率最小的鏈路，完成文件傳輸。

圖3　火星-地球中繼通信模型Fig.3　Relay model of mars-earth communication

RFDP文件傳輸協(xié)議分為發(fā)送和重傳2個(gè)階段。發(fā)送階段是根據(jù)上述中繼節(jié)點(diǎn)以及最優(yōu)路徑選擇方法逐跳選擇中繼節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。為了與端到端傳輸方式區(qū)分，稱產(chǎn)生業(yè)務(wù)流的端節(jié)點(diǎn)為源端，最終接收的節(jié)點(diǎn)為目的端，中間轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)叫發(fā)送方，下一跳叫接收方。

RFDP協(xié)議的發(fā)送階段可以描述為：發(fā)送方逐跳選擇信道增益最大的鏈路對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳并發(fā)送數(shù)據(jù)，最終形成一條最優(yōu)路徑，使數(shù)據(jù)包以較大的概率正確到達(dá)接收方。RFDP文件發(fā)送階段根據(jù)路徑選擇過程分為以下3階段進(jìn)行。

1)火星探測(cè)器-中繼衛(wèi)星:選擇火星軌道上或拉格朗日點(diǎn)上的中繼衛(wèi)星，比較探測(cè)器到各中繼衛(wèi)星的丟包率，選擇丟包率最小的鏈路對(duì)應(yīng)的中繼衛(wèi)星。接收方選定后，探測(cè)器開始發(fā)送文件，中繼衛(wèi)星收到數(shù)據(jù)包后立即尋找下一跳中繼衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而不管是否有丟包;

2)中繼衛(wèi)星-中繼衛(wèi)星:由第1跳的接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方是地球-太陽(yáng)拉格朗日點(diǎn)或地球軌道衛(wèi)星。發(fā)送方選取丟包率最小的鏈路對(duì)應(yīng)的中繼衛(wèi)星作為第2跳接收方；

3)中繼衛(wèi)星-地面站:由上一跳的接收方直接將接收到的數(shù)據(jù)傳給地球，數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

至此，文件發(fā)送階段結(jié)束。

2.2RFDP文件重傳過程

在發(fā)送階段，接收方收到數(shù)據(jù)包后直接轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行校驗(yàn)和檢查，直到將所有的數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的端。深空中誤碼率高，鏈路間歇性中斷，雖然RFDP的中繼選擇算法降低了每一跳的丟包率，同時(shí)削弱了中斷的影響，但是仍可能會(huì)有極少數(shù)的數(shù)據(jù)包不能正確到達(dá)目的端。因此，重傳對(duì)文件的可靠傳輸是必不可少的。深空信道具有萊斯分布特性，同時(shí)存在端到端和點(diǎn)到點(diǎn)通信路徑。由于重傳的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)比較少，為減少中繼節(jié)點(diǎn)資源浪費(fèi)，選用端到端路徑進(jìn)行重傳。

所有的數(shù)據(jù)包發(fā)送完之后，目的端會(huì)收到一個(gè)文件結(jié)束標(biāo)識(shí)，表示文件發(fā)送結(jié)束，進(jìn)入重傳階段。目的端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢查出有數(shù)據(jù)包缺失或出錯(cuò)時(shí)，通過端到端路徑向源端發(fā)送反饋信息請(qǐng)求重傳。

綜上所述，RFDP文件傳輸過程如圖4所示，具體步驟如下。

1)源端通過端到端路徑向目的端發(fā)送元協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU(meta-data PDU)，內(nèi)含文件信息和發(fā)送端標(biāo)識(shí)等信息，通知目的端文件傳輸開始。

2)源端選擇合適的下一跳節(jié)點(diǎn)，發(fā)送文件PDU以及文件結(jié)束標(biāo)識(shí)EOF_PDU(end of file PDU)；中繼節(jié)點(diǎn)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包，直到轉(zhuǎn)發(fā)至目的端，此為中繼傳輸階段。

3)目的端接收到EOF_PDU后，對(duì)它接收到的PDU信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢查是否有丟失。如果有，進(jìn)行下一步；否則，跳到步驟5)。

4)目的端利用端到端路徑向源端發(fā)送否定確認(rèn)信息NAK(negative acknowledgment)請(qǐng)求重傳；源端接收到NAK信息，重傳丟失的PDU，直到包括MPDU在內(nèi)的所有PDU都被成功接收為止。

5)目的端正確接收到全部數(shù)據(jù)包后，向源端發(fā)送傳輸完成標(biāo)識(shí)FIN_PDU(finish PDU)，表明文件傳輸成功。源端接收到FIN_PDU后返回一個(gè)ACK FIN給目的端，同時(shí)關(guān)閉鏈路，釋放緩存數(shù)據(jù)，目的端收到ACK FIN后關(guān)閉鏈路，文件傳輸結(jié)束。

步驟4)為端到端重傳過程。當(dāng)有PDU丟失時(shí)，目的端向源端返回一個(gè)NAK信息，同時(shí)啟動(dòng)NAK計(jì)時(shí)器；源端接收到NAK信息后釋放已經(jīng)確認(rèn)的PDU所占的緩存，同時(shí)發(fā)送它所要求重傳的PDU。在目的端，NAK計(jì)時(shí)器到達(dá)規(guī)定時(shí)間后，將再次對(duì)接收到的全部PDU信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果仍有丟失，則再次觸發(fā)新的NAK，并啟動(dòng)NAK計(jì)時(shí)器。如此反復(fù)，直到包括MPDU在內(nèi)的全部PDU都被成功接收為止。

圖4　基于中繼選擇的深空文件傳輸過程Fig.4　Deep space file delivery procedure based on relay selection

3理論分析及仿真驗(yàn)證

3.1文件傳輸時(shí)間理論性能分析

下面參照文獻(xiàn)[13]的文件傳輸時(shí)間計(jì)算方法，討論RFDP的傳輸時(shí)間。

不失一般性，將源端和目的端之間的距離等分成3段，構(gòu)成3跳中繼鏈路。中間節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)包后立即轉(zhuǎn)發(fā)，不必等待其他數(shù)據(jù)包到達(dá)。忽略中繼衛(wèi)星從接收到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間，記總的傳輸時(shí)間為Ttrans。則Ttrans由以下幾部分構(gòu)成：第1輪發(fā)送是將MPDU和所有文件PDU全部發(fā)送，這個(gè)時(shí)間記為T1；然后發(fā)送一個(gè)EOF_PDU告知目的端所有數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，目的端正確接收到EOF后發(fā)送ACK確認(rèn)信息。由于EOF和ACK也有可能出錯(cuò)而引發(fā)重傳，因此將源端發(fā)送第1個(gè)EOF到正確接收ACK為止的時(shí)間記為TEOF；收到ACK后等待第1個(gè)NAK到達(dá)的時(shí)間記為TNAK1；之后源端重傳上一輪丟失的數(shù)據(jù)包，然后等待接收方反饋，時(shí)間構(gòu)成記為Ti+TNAKi，直到所有分組全部正確接收。因此RFDP總的傳輸時(shí)間為

(10)

(10)式中，M為重傳次數(shù)。

當(dāng)通信距離較短或者端到端誤碼率較低的時(shí)候，CFDP能夠很好地適應(yīng)深空環(huán)境，以較低的重傳次數(shù)完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。但是，在誤碼率較高的情況下，CFDP需要多次重傳。圖5、圖6分別為傳輸數(shù)據(jù)大小為1 Mbyte、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為1 000 bit的文件時(shí)RFDP與CFDP在傳輸階段丟包個(gè)數(shù)以及所需的重傳次數(shù)。

圖5　傳輸階段丟包個(gè)數(shù)Fig.5　Number of lost packets in transmission phase

圖5中，當(dāng)誤碼率小于10-5時(shí)，相同的端到端誤碼率下，CFDP和RFDP丟包個(gè)數(shù)相差不大。這是因?yàn)檎`碼率較小時(shí)，端到端丟包率很小，因此CFDP丟包數(shù)少，此時(shí)相較于CFDP，RFDP的優(yōu)勢(shì)不明顯。當(dāng)誤碼率大于10-5時(shí)，RFDP的丟包個(gè)數(shù)明顯少于CFDP，且隨著誤碼率的增加，RFDP的丟包個(gè)數(shù)上升趨勢(shì)也比CFDP緩慢。這是因?yàn)橄啾菴FDP，RFDP是中繼傳輸方式，把通信距離分成數(shù)段，降低了中斷的影響，同時(shí)采用中繼選擇算法，每一跳傳輸都選擇誤碼率最低的鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使得丟包數(shù)減少。

圖6　重傳次數(shù)Fig.6　Number of retransmission

圖6為文件傳輸結(jié)束所需的重傳次數(shù)。由于RFDP和CFDP的重傳機(jī)制相同，影響重傳次數(shù)的是傳輸階段的丟包數(shù)，因此在誤碼率為10-7—10-5時(shí)，CFDP和RFDP重傳次數(shù)相差不大；誤碼率大于10-5時(shí)，RFDP的重傳次數(shù)明顯少于CFDP。

3.2時(shí)延性能仿真分析

為了驗(yàn)證RFDP的優(yōu)越性，用Matlab軟件進(jìn)行仿真，并與CFDP進(jìn)行性能比較。

圖7和圖8分別為地球—月球和地球—火星通信中，傳輸相同大小、相同包長(zhǎng)的文件時(shí)，平均傳輸時(shí)間與誤碼率的關(guān)系。從圖7和圖8中可以看出，在誤碼率為10-7—10-5時(shí)，RFDP和CFDP傳輸時(shí)間相差不大，當(dāng)誤碼率大于10-5時(shí)，RFDP傳輸時(shí)間明顯小于CFDP，且增長(zhǎng)趨勢(shì)比CFDP緩慢。這是因?yàn)镽FDP在發(fā)送階段采用了中繼選擇機(jī)制，使得丟失數(shù)據(jù)包減少，進(jìn)而重傳次數(shù)少，縮短了文件傳輸時(shí)間，這說明在誤碼率較高的情況下，相較于CFDP，RFDP能有效降低文件傳輸時(shí)間。

圖7　1.35 s單向傳輸延時(shí)下的平均傳輸時(shí)間Fig.7　Delivery time with 1.35 s propagation delay

表1　系統(tǒng)仿真參數(shù)

如圖7所示，在月球-地球通信中，當(dāng)誤碼率大于10-5，傳輸同樣大小、同等包長(zhǎng)的文件時(shí)，RFDP的文件傳輸時(shí)間比CFDP短，最大相差約98 s，降低了40%；圖7a中，RFDP在傳輸1 MByte、包長(zhǎng)分別為1 000 bit和4 000 bit的文件時(shí)，包長(zhǎng)越小，傳輸時(shí)間越短，最大差值可達(dá)130 s，這表明了包長(zhǎng)選取對(duì)傳輸時(shí)間的重要性。

圖8　240 s單向傳輸延時(shí)下的平均傳輸時(shí)間Fig.8　Delivery time with 240 s propagation delay

如圖8所示，在火星-地球通信中，當(dāng)誤碼率大于10-5，傳輸同樣大小、同等包長(zhǎng)的文件時(shí)，RFDP的文件傳輸時(shí)間比CFDP短。在誤碼率為5×10-4時(shí)，傳輸時(shí)間縮短了約1 200 s。

圖7b中RFDP在傳輸包長(zhǎng)為1 000 bit、文件大小分別為1 MByte和0.5 MByte的文件時(shí)，數(shù)據(jù)包大小為0.5 MByte的文件傳輸時(shí)間要明顯小于1 MByte的。相同情況下，在圖8b火星-地球通信中，RFDP傳輸0.5 MByte文件的時(shí)間只是略小于傳輸1 MByte文件的。仿真中我們?nèi)∥募笮? MByte，信道速率為1 Mbit/s，則數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)延約為8 s。由此可以看出，地球-月球之間單向傳播時(shí)延和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此傳輸時(shí)間受文件大小和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的影響較大；而地球-火星之間單向傳播時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)延，此時(shí)，RFDP文件傳輸時(shí)間主要由單向傳播延時(shí)(即距離)決定，其他因素影響較小。

4結(jié)論

為有效解決深空通信傳輸距離遠(yuǎn)、誤碼率高以及鏈路間歇性中斷等問題，本文提出了一種基于中繼選擇的文件傳輸協(xié)議。首先根據(jù)深空信道特征，將數(shù)據(jù)傳輸過程分為跳到跳發(fā)送和端到端重傳2個(gè)階段。發(fā)送階段采用中繼選擇算法選取丟包率最小的最優(yōu)中繼路徑，有效減少數(shù)據(jù)包的丟失。然后重傳階段利用端到端路徑，節(jié)約鏈路資源的同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，本文提出的RFDP文件傳輸協(xié)議能夠減少丟包，有效降低時(shí)延。在誤碼率為10-3，傳輸同樣大小、同等包長(zhǎng)的文件時(shí)，相比CFDP，RFDP的傳輸時(shí)間可縮短40%。當(dāng)端到端誤碼率較大時(shí)，RFDP在降低時(shí)延方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

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File delivery protocol based on relay selection for deep space communication

ZHAO Hui，WANG Qin，PENG Haiying，WANG Enpu

(Key Laboratory of Optical Communication and Networks, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, 400065, P.R.China)

Abstract:In view of the problem of long delay, large BER and intermittent interruption in deep space communication, a deep space file delivery protocol based on relay selection is proposed. The presented protocol divides the file delivery into two stages: hop-by-hop transmission and end-to-end retransmission. In transmission stage, a relay selection algorithm is put forward, which selects the appropriate relay nodes based on the law of celestial motion, and builds the optimal path according to the relation between loss rate and channel characteristics to decrease packet dropout and the retransmission times. In retransmission stage, the receiver checks the received packets and requires the source to retransmit the lost ones through end-to-end link, which can guarantee the reliability of data delivery. Simulation results indicate that when the end-to-end BER is greater than 10-5, the proposed file delivery protocol can effectively decrease retransmission times and lower transmission delay. When BER is 10-3, compared with CFDP, the transmission delay can be reduced by 40% indicating that the proposed file delivery protocol can well adapt to deep space communication environment.

Keywords：deep space communication; relay selection; file delivery protocol; delay

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.01.008

收稿日期：2014-12-07

修訂日期：2015-04-10通訊作者：趙輝zhaohui@cqupt.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61271261)；重慶市科委自然科學(xué)基金(CSTC 2012jjA40048)

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China (61271261); The Natural Science Foundation Project of CQ CSTC(CSTC 2012jjA40048)

中圖分類號(hào)：TN927；TN915.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)01-0053-07

作者簡(jiǎn)介：