0 引言

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)是無人機遙控、遙測以及信息傳輸過程中的關鍵環(huán)節(jié)，無人機將平臺上的各類偵察載荷、任務系統(tǒng)有機地聯(lián)系在一起，通過測控系統(tǒng)視距、超視距鏈路實現(xiàn)空間與地面的信息共享；隨著無人機在軍事、民用領域大量使用，執(zhí)行任務的多樣化，空地間交互操作更加頻繁，傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中采用點到點的傳輸方式很難滿足當前及未來使用的需要，已成為制約無人機應用效能發(fā)揮的瓶頸。

    當前空間通信的發(fā)展趨勢是與地面網(wǎng)融合，建立天地一體化的信息傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)各類航空器與地面測控、通信網(wǎng)的無縫連接；將航空器數(shù)據(jù)信息通過測控鏈路送達地面控制中心，再經(jīng)由地面網(wǎng)絡轉發(fā)至用戶的傳統(tǒng)使用模式，轉變?yōu)楹娇掌髋c地面網(wǎng)絡任一用戶間進行端到端的通信模式^[1]。

    目前地面測控、通信網(wǎng)普遍采用TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)的傳輸標準，網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的標準化是實現(xiàn)天/地基測控網(wǎng)一體化的核心，由于體系結構和通信協(xié)議的差異給天地一體化信息傳輸帶來了諸多障礙。

    為適應地面以太網(wǎng)的快速發(fā)展，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)在空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting Systems，AOS)建議書的基礎上，針對地空間通信協(xié)議進行了多次修改和升級， 2012年9月CCSDS發(fā)布了702.1-B-1藍皮書及相關文本，為航空器和地面系統(tǒng)中實現(xiàn)通過CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議攜帶IP數(shù)據(jù)建立了實踐規(guī)范。

    針對無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點利用CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范來實現(xiàn)空地間端到端IP數(shù)據(jù)交換是本文研究的重點。

1 CCSDS協(xié)議體系結構

1.1 CCSDS空間通信協(xié)議體系結構

    CCSDS空間通信協(xié)議體系結構自下而上包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層和應用層。其中，每一層又包括若干個可供組合的協(xié)議^[2]。

    (1)物理層

    物理層標準包括兩部分：無線射頻和調制系統(tǒng)、Proximity-1。

    (2)數(shù)據(jù)鏈路層

    數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層和同步與信道編碼子層。

    數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層包含以下四種協(xié)議：TM空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議以及Prox-1空間鏈路協(xié)議；同步與信道編碼子層規(guī)定了在空間鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀的同步與信道編碼方法。

    (3)網(wǎng)絡層

    網(wǎng)絡層實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的路由功能，包括：空間分組協(xié)議SPP和SCPS-NP，對以太網(wǎng)IPv4、IPv6分組數(shù)據(jù)進行封裝后也可使用空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議傳輸，與SPP、SCPS-NP可復用或獨用空間數(shù)據(jù)鏈路。

    (4)傳輸層

    傳輸層SCPS-TP協(xié)議，向空間通信用戶提供端到端傳輸服務；以太網(wǎng)TCP、UDP協(xié)議可基于網(wǎng)絡層SCPS-NP、IPv4 或IPv6。

    (5)應用層

    應用層協(xié)議向用戶提供端到端應用服務。

1.2 CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)報封裝建議

    IP over CCSDS是指在CCSDS空間鏈路層協(xié)議基礎上實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的傳輸，CCSDS在已發(fā)布的版本中提出了三種封裝方式建議^[3]：

    (1)直接幀封裝方式，即將IP數(shù)據(jù)包直接放在CCSDS鏈路層AOS幀中傳輸；

    (2)CCSDS數(shù)據(jù)封裝服務，這一建議使用了CCSDS封裝（ENCAP）業(yè)務；

    (3)用戶自定義的串行流封裝。

    CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)封裝建議如圖1所示。

    其中，直接封裝方式由于不具備可操作性，在正式版本藍皮書中已被去除。

    CCSDS數(shù)據(jù)封裝服務方式需將IP數(shù)據(jù)進行拆分、封裝，恢復和組裝；優(yōu)點是處理靈活，但對處理器資源需求較大，并且由于IP數(shù)據(jù)長度的不固定性、到達時間的隨機性，CCSDS數(shù)據(jù)的成幀時延閾值設置不合理極易導致成幀時間發(fā)生抖動，帶來額外的處理時延^[4]，并且由于填充數(shù)據(jù)的加入時機不恰當容易對鏈路帶寬帶來影響。

    用戶自定義串行流封裝方式以數(shù)據(jù)流的形式來傳輸IP數(shù)據(jù)，需選擇一個具備快速定界、同步、恢復的算法對數(shù)據(jù)流中IP數(shù)據(jù)進行同步與恢復，優(yōu)點是可使用可編程邏輯器件來高效地實現(xiàn)。

2 無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點

    與大型航空器測控與信息傳輸系統(tǒng)相比，除鏈路傳輸時延長、空間誤碼率高等類似特點外，無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)還具有以下一些特點：

    (1)IP over CCSDS網(wǎng)關處理能力有限

    由于無人機設備艙體積有限以及設備小型化，低功耗的要求，對測控與信息傳輸系統(tǒng)中IP over CCSDS網(wǎng)關的處理能力帶來了制約；

    (2)通信鏈路傳輸帶寬的非對稱性

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)一般采用帶寬較窄、高增益的前向鏈路進行了遙控指令的傳輸；采用帶寬較寬的返向鏈路進行了遙測、寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸；這種非對稱鏈路極大地影響了TCP協(xié)議的性能，低速前向鏈路導致的大量返向鏈路ACK包的丟失，TCP協(xié)議發(fā)送窗口不斷下降，隨著通信鏈路非對稱性的增加，吞吐率成指數(shù)級的下降^[5]。

    (3)時延的敏感性

    除了空間鏈路不可避免的傳輸時延，無人機要求測控與信息傳輸系統(tǒng)將遙測、偵察等各類任務數(shù)據(jù)已盡可能低的處理時延傳送到地面測控通信網(wǎng)中，以提高對各類特情的響應速度。

3 系統(tǒng)設計方案

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)地面網(wǎng)和無人機內部均使用TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸標準，IP over CCSDS網(wǎng)關配置在空間鏈路的兩端，實現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的轉換，網(wǎng)關間通過CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸。

    基于IP over CCSDS網(wǎng)關的無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖2所示。

3.2 IP over CCSDS網(wǎng)關方案設計

    針對無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點，結合CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)封裝服務以及用戶自定義數(shù)據(jù)流封裝服務的優(yōu)點，提出了一種性能增強IP over CCSDS網(wǎng)關設計方案，該方案采用了IP數(shù)據(jù)簡單數(shù)據(jù)鏈路(Simple Data Link，SDL)協(xié)議封裝方法^[6]，對空間鏈路IP數(shù)據(jù)進行快速封裝，降低了CCSDS成幀時延、有效帶寬抖動，減少了網(wǎng)關通用處理器資源占用率，同時也實現(xiàn)了地面IP數(shù)據(jù)的快速同步；利用基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙技術^[7]將空間傳輸環(huán)境部分（鏈路時延長、空間誤碼率高、鏈路非對稱性）隔離開，提高了TCP協(xié)議在空間鏈路上的傳輸性能。

3.3 IP over CCSDS網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸流程

    IP over CCSDS機載網(wǎng)關采用通用處理器與可編程邏輯器件相結合的方式，通用處理器主要用于維護IP數(shù)據(jù)隊列、需確認的TCP數(shù)據(jù)隊列，實現(xiàn)基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙算法的機載網(wǎng)關部分，避免機載IP網(wǎng)絡中TCP端點發(fā)送窗口受到非對稱鏈路以及鏈路誤碼率帶來的影響；可編程邏輯器件主要實現(xiàn)SDL封裝協(xié)議，進行IP數(shù)據(jù)的高速定界服務，對CCSDS數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)進行實時監(jiān)控，需要時以SDL空閑幀進行數(shù)據(jù)填充，滿足CCSDS封裝服務的數(shù)據(jù)長度要求，實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的及時推送，采用簡化版的CCSDS封裝服務，去除IPE封裝服務，去除VCDU數(shù)據(jù)封裝中的定界服務，便于實現(xiàn)邏輯流程。

    IP over CCSDS地面網(wǎng)關CCSDS數(shù)據(jù)的解析是數(shù)據(jù)封裝的逆過程，由可編程邏輯器件進行高速的AOS數(shù)據(jù)解封裝，IP數(shù)據(jù)的定界、同步；通用處理器主要用于實現(xiàn)基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙算法的地面網(wǎng)關部分以及前向控制、業(yè)務IP數(shù)據(jù)的發(fā)送。

    IP over CCSDS網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

3.4 IP over CCSDS網(wǎng)關協(xié)議改進

3.4.1 IP數(shù)據(jù)SDL封裝協(xié)議高速定界服務

    簡單數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(SDL)由IETF(Internet Engineering Task Force)提出, 適用于對同步或異步傳送的可變長度的IP數(shù)據(jù)進行高速定界，具有定幀速率高，檢錯糾錯性能好等優(yōu)點。

    SDL協(xié)議的幀結構如圖4所示。圖中PDU Length為信息域長度指示字段；PDU Length CRC為頭部循環(huán)冗余校驗域；Protocol域用于區(qū)分不同的網(wǎng)絡層協(xié)議，替代CCSDS封裝服務中的IPE封裝服務，信息域長度為4~64 KB；FCS為幀校驗序列域。當數(shù)據(jù)字段長度大于或等于4 B時，數(shù)據(jù)字段的實際長度與信息域長度指示字段相同；當數(shù)據(jù)長度小于4 B時，發(fā)送端將數(shù)據(jù)域填充到4 B，接收端根據(jù)幀頭中信息域長度指示字段提取有效數(shù)據(jù)。當沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時PDU Length=0，SDL幀被稱為空閑幀，接收端丟棄該幀。

    IP over CCSDS機載網(wǎng)關使用SDL協(xié)議對IP數(shù)據(jù)進行封裝和定界，當機載網(wǎng)關監(jiān)測到鏈路層流控信號為可以發(fā)送時，如SDL封裝隊列中的數(shù)據(jù)不滿足鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)長度時，使用SDL空閑幀進行填充后立即發(fā)送，不會帶來額外的時延抖動。

    IP over CCSDS地面網(wǎng)關采用基于CRC的捕獲方法來確定SDL的幀邊界，找到SDL幀的起始位置，根據(jù)PDU Length值計算出整個幀的長度，確定本幀的幀尾位置和下一幀的幀頭位置，實現(xiàn)幀定界。

    此算法特別適合使用可編程邏輯器件來進行IP數(shù)據(jù)封裝和定界，速度快、吞吐量高、可靠性好，大幅降低了網(wǎng)關通用處理器的資源占用率。

3.4.2 基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術

    基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術由三部分組成，包括：

    (1)機載CCSDS網(wǎng)關到機載設備TCP端；

    (2)機載CCSDS網(wǎng)關到地面CCSDS網(wǎng)關；

    (3)地面CCSDS 網(wǎng)關到地面設備TCP端。

    基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術組成如圖5所示。

    機載網(wǎng)關將無人機IP網(wǎng)絡中源端設備發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)加入到IP數(shù)據(jù)隊列中等待進行發(fā)送，并進行分類緩存，等待地面網(wǎng)關的ACK確認包；受鏈路層流控反饋信號的驅動，機載網(wǎng)關在TCP數(shù)據(jù)送入CCSDS封裝服務接入點(SAP)后，立即生成對應TCP數(shù)據(jù)的ACK確認信息并發(fā)送到源端設備，源端設備認為當前發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)順利送達目的端主機，立即進行后續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送，實現(xiàn)源端設備TCP數(shù)據(jù)窗口的增長與穩(wěn)定，最終與反向鏈路的發(fā)送帶寬保持一致。

    地面網(wǎng)關對接收到的TCP數(shù)據(jù)分組序列號進行檢測，當有不連續(xù)現(xiàn)象出現(xiàn)，認定中間序號的分組因誤碼而丟棄，而不是因為失序而導致。地面網(wǎng)關生成NACK數(shù)據(jù)包，插入前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送，機載網(wǎng)關可根據(jù)NACK數(shù)據(jù)包進行對應TCP數(shù)據(jù)立即重傳；當?shù)孛婢W(wǎng)關接收到不是當前期望序列號的報文段時，如序列號小于當前期望的序列號，直接丟棄處理，如序列號大于當前期望值時，表明中間有數(shù)據(jù)段丟失，地面網(wǎng)關生成SACK應答包插入到前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送，機載網(wǎng)關進行重傳以及非連續(xù)序列號的數(shù)據(jù)段確認，避免不必要的重傳，提高傳輸效率。

    地面網(wǎng)關將接收到的目的端設備TCP數(shù)據(jù)確認包進行過濾，鏈路發(fā)送時刻到達時，只將目前連續(xù)、最新的TCP數(shù)據(jù)確認包插入到前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送，減少非對稱鏈路前向鏈路的帶寬占用。

    通過上述幾種ACK快速確認算法，消除了鏈路時延長、空間誤碼率高、鏈路帶寬的非對稱性帶來的不利影響，大幅提高返向鏈路TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

4 測試及性能分析

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)測試環(huán)境由多臺計算機以及IP over CCSDS機載、地面網(wǎng)關設備組成；機載端計算機用于模擬機載寬帶業(yè)務，地面端計算機用于模擬地面網(wǎng)對無人機的測控和通信業(yè)務，機載、地面端計算機通過以太網(wǎng)與機載、地面網(wǎng)關設備相連接。通過空間鏈路IP over CCSDS機載、地面網(wǎng)關，機載端計算機使用TCP協(xié)議將模擬機載寬帶業(yè)務發(fā)送到地面端計算機；地面端計算機使用TCP協(xié)議將模擬測控和通信業(yè)務發(fā)送到機載端計算機，實現(xiàn)機上設備與地面端網(wǎng)端到端數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 機載網(wǎng)關CPU資源占用率測試

    測試中測控與信息傳輸系統(tǒng)返向鏈路帶寬為31.2 Mb/s，機載網(wǎng)關通用處理器頻率為400 MHz，機載端計算機模擬寬帶業(yè)務IP數(shù)據(jù)發(fā)往CCSDS機載網(wǎng)關。對比采用CCSDS封裝服務網(wǎng)關、改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關CPU資源占用率，測試結果如圖 6 所示。

    由測試結果可見，采用改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關CPU資源占用率在30%左右，明顯低于CCSDS封裝服務機載網(wǎng)關約100%的CPU資源占用率，大幅節(jié)約了網(wǎng)關通用處理器資源。

4.2 TCP連接傳輸性能測試

    測試中測控與信息傳輸系統(tǒng)返向鏈路帶寬31.2 Mb/s，前向鏈路帶寬128 kb/s，中頻連接，使用無線信道模擬器模擬空間鏈路時延，機載端計算機采用TCP協(xié)議，通過CCSDS機載、地面網(wǎng)關發(fā)送模擬寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)到地面端TCP服務器，文件大小約500 MB。對比采用CCSDS封裝服務網(wǎng)關、改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關TCP數(shù)據(jù)傳輸速率，測試結果如圖 7所示。

    由測試結果可見，改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關TCP傳輸速率在28 Mb/s左右，明顯高于CCSDS封裝服務網(wǎng)關約4 Mb/s 的TCP傳輸速率。

4.3 Ping包發(fā)送時延測試

    機載端計算機通過CCSDS機載、地面網(wǎng)關發(fā)送Ping包到地面端計算機，每秒發(fā)送一次，測試系統(tǒng)中Ping包發(fā)送處理時延。對比采用CCSDS封裝服務網(wǎng)關（設置時延閾值3 ms）、改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關（SDL封裝）Ping包發(fā)送處理時延抖動，測試結果如圖 8所示。

    由測試結果可見，CCSDS封裝服務網(wǎng)關（設置時延閾值3 ms）僅傳輸Ping包時，由不合理的時延閾值帶來3 ms左右的發(fā)送時延，Ping包與輕量數(shù)據(jù)同時傳輸時帶來0~3 ms左右的發(fā)送時延，采用改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關（SDL封裝）僅傳輸Ping包時或與輕量數(shù)據(jù)同時傳輸時，Ping包發(fā)送時延在0~0.4 ms之間，網(wǎng)絡傳輸處理時延抖動較低。

5 結語

    本文將無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點與CCSDS建議中IP over CCSDS鏈路層協(xié)議實現(xiàn)方式相結合，提出并實現(xiàn)了一種改進型CCSDS封裝服務性能增強網(wǎng)關，將無人機機上設備與地面測控、通信網(wǎng)無縫連接，搭建了天地一體化信息傳輸?shù)臉蛄?，實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)交換。測試結果表明，采用該技術能較好地降低IP over CCSDS網(wǎng)關通用處理器資源，降低CCSDS成幀處理時延，極大地提高TCP 協(xié)議在空間鏈路上的傳輸效率。

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