全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)?

董飛鴻，呂晶，常江，孔博（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)?

董飛鴻，呂晶，常江，孔博
（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007）

分析了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）發(fā)展的現(xiàn)狀，指出建立GNSS星間鏈路（ISL）的需求。針對(duì)這樣的需求，提出以高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議建議書為參考來設(shè)計(jì)適用于GNSS的星間鏈路層協(xié)議。對(duì)GNSS星間可能傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信息基于AOS的建議進(jìn)行了歸類，認(rèn)為GNSS星間鏈路層協(xié)議可以使用AOS，具體給出了AOS建議下星間鏈路層協(xié)議的設(shè)計(jì)。為使協(xié)議更適合GNSS ISL鏈路層，主要從3個(gè)方面對(duì)AOS進(jìn)行改進(jìn)，即：優(yōu)化了虛擬信道數(shù)據(jù)單元的結(jié)構(gòu)，削減了3種服務(wù)，改進(jìn)了虛擬信道調(diào)度與復(fù)用方法。對(duì)協(xié)議的性能進(jìn)行了分析仿真，得出了信道誤碼率、幀長(zhǎng)、包長(zhǎng)和吞吐量的關(guān)系，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的協(xié)議可作為GNSS星間鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)的參考。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；星間鏈路；業(yè)務(wù)分類；虛擬信道數(shù)字單元；復(fù)用業(yè)務(wù)；協(xié)議設(shè)計(jì)

1 引言

美國(guó)GPS Block III設(shè)計(jì)理念是“連通到一顆衛(wèi)星即連通整個(gè)星座”。下一代GPS要求具有自主導(dǎo)航的能力，基于星間鏈路的信息傳輸成為一種必要的方式。然而，國(guó)內(nèi)研究GNSS鏈路層協(xié)議文獻(xiàn)較少。導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路的特點(diǎn)與一般通信星座星間鏈路的設(shè)計(jì)有相似之處，如軌道距離周期性變化，使得信道特性在不斷變化；星上處理存儲(chǔ)能力有限，對(duì)協(xié)議設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響等。但更有許多不同之處，如：導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)以星間測(cè)距信息為主，通信或其他額外信息為輔；星間時(shí)間同步精度要求高（納秒級(jí)，星間測(cè)距精度）；要求具有GEO與MEO的星間鏈路；業(yè)務(wù)類型以數(shù)據(jù)信息為主，沒有話音視頻業(yè)務(wù)等。導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路信息速率要求相對(duì)較低（每秒數(shù)萬比特級(jí)），時(shí)延大［1］（100 ms級(jí)），只有根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)與之相適配的鏈路層協(xié)議才能使得系統(tǒng)可靠工作。本文以國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）針對(duì)空間信息傳輸提出的AOS標(biāo)準(zhǔn)和建議為參考設(shè)計(jì)了GNSS ISL的鏈路層協(xié)議，對(duì)我國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)具有一定參考價(jià)值，有利于與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接軌。

2 GNSS的協(xié)議參考模型

完備的協(xié)議棧類型是OSI參考模型，它是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連模型。然而，OSI參考模型由于其復(fù)雜性，至今仍然沒有一個(gè)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用它。因特網(wǎng)采用TCP／IP作為其協(xié)議模型，TCP／IP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)不言而喻，其簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)使得它在互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。在衛(wèi)星信道環(huán)境中，TCP／IP受到了巨大挑戰(zhàn)。因此，CCSDS提出了一種新的協(xié)議參考模型，該協(xié)議是專門針對(duì)空間活動(dòng)提出的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議參考模型，其共有5層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層），每層都提供了若干參考協(xié)議［2］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。GNSS協(xié)議模型的設(shè)計(jì)可以參考CCSDS協(xié)議參考模型來設(shè)計(jì)合適的協(xié)議棧。

3 AOS協(xié)議簡(jiǎn)介［3］

AOS協(xié)議是CCSDS協(xié)議族的數(shù)據(jù)鏈路層［4］參考協(xié)議之一，該協(xié)議的主要目的是把網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星-衛(wèi)星或衛(wèi)星-地面的單段節(jié)點(diǎn)傳送。

3.1 AOS協(xié)議的特點(diǎn)

與OSI中的數(shù)據(jù)鏈路層有所區(qū)別，CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議包括兩個(gè)子層：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層（DLPS）和同步與信道編碼子層（SCCS）。DLPS用傳輸幀（TF）實(shí)現(xiàn)不同速率數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸幀是一種固定長(zhǎng)度的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。而SCCS主要負(fù)責(zé)幀同步、幀定界及糾錯(cuò)編譯碼等。AOS協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類型共用一條物理信道進(jìn)行傳輸，為了使得實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠且易于同步，AOS使用了固定長(zhǎng)度的TF。AOS最大的特點(diǎn)就是采用了虛擬信道（VC）的技術(shù)，一條物理信道被分為若干的邏輯信道，允許上層的不同服務(wù)要求的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，這樣有利于信道資源的充分利用和傳輸信息的統(tǒng)一化。AOS信道是用全球虛擬信道標(biāo)示符（GVCID）區(qū)分的，具體由TF版本號(hào)（TFVN）、衛(wèi)星標(biāo)示符（SID）和虛擬信道標(biāo)示符（VCID）三部分組成。

3.2 AOS的服務(wù)業(yè)務(wù)

AOS提供了8種服務(wù)業(yè)務(wù)：路徑業(yè)務(wù)、網(wǎng)間業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、虛擬信道接入業(yè)務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)、插入業(yè)務(wù)和封裝業(yè)務(wù)。

AOS的數(shù)據(jù)鏈路層包括兩個(gè)子層：虛擬信道控制鏈路子層（VCLC）和虛擬信道訪問子層（VCA）。VCLC子層主要有兩個(gè)功能：一是已經(jīng)打包好的數(shù)據(jù)利用封裝業(yè)務(wù)和多路復(fù)用業(yè)務(wù)傳輸，數(shù)據(jù)單元封裝在一個(gè)復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（M-PDU）；二是位流數(shù)據(jù)利用位流業(yè)務(wù)，把數(shù)據(jù)封裝到位流協(xié)議數(shù)據(jù)單元（B -PDU）進(jìn)行傳輸。VCLC子層利用VCA子層所提供的VCA業(yè)務(wù)來傳輸M-PDU和B-PDU。

AOS根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的不同，采用3種不同的業(yè)務(wù)等級(jí)，這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置管理，又滿足了不同質(zhì)量要求的用戶需求。業(yè)務(wù)等級(jí)一要求有請(qǐng)求重傳控制機(jī)制［5］，需要雙工信道，數(shù)據(jù)傳輸采用編碼虛擬數(shù)據(jù)單元（CVCDU），數(shù)據(jù)單元編碼為RS碼，對(duì)可靠性極高的數(shù)據(jù)可以歸為此類；等級(jí)二數(shù)據(jù)單元進(jìn)行RS編碼，數(shù)據(jù)傳輸采用CVCDU，當(dāng)誤碼率為10-5時(shí)，經(jīng)過編碼糾錯(cuò)后可達(dá)到10-12，滿足一般數(shù)據(jù)傳輸要求［6］；等級(jí)三業(yè)務(wù)依賴于物理信道特性可以沒有差錯(cuò)控制，數(shù)據(jù)傳輸采用虛擬信道單元（VCDU），頭部有RS（10，6）糾錯(cuò)碼控制，數(shù)據(jù)段循環(huán)冗余（CRC）檢錯(cuò)，要求VCDU丟失率小于10-7。

3.3 數(shù)據(jù)的封裝

數(shù)據(jù)的封裝是指對(duì)于不同速率的信息進(jìn)行封裝，形成格式統(tǒng)一的VCDU格式，經(jīng)過星上處理，把各個(gè)VCDU復(fù)接為連續(xù)的數(shù)據(jù)流。VCDU由主導(dǎo)頭、插入?yún)^(qū)、數(shù)據(jù)單元區(qū)、尾序列區(qū)（可選）組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于AOS定義的服務(wù)等級(jí)一和等級(jí)二都需要進(jìn)行差錯(cuò)控制，VCDU的尾部應(yīng)該再加上一個(gè)RS校驗(yàn)碼塊，形成編碼虛擬信道單元（CVCDU），如圖3所示。AOS協(xié)議用等長(zhǎng)的數(shù)據(jù)單元，因此相同情況下CVCDU的效率較VCDU低。

3.4 AOS在GNSS星間鏈路中適用性分析

CCSDS-AOS協(xié)議建議的業(yè)務(wù)類型比較全面（8種），對(duì)于每種業(yè)務(wù)的應(yīng)用是可選的，完整的AOS建議可以應(yīng)用于諸多航天任務(wù)。降低AOS實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度以適應(yīng)工程實(shí)際是一貫做法?；趯?dǎo)航系統(tǒng)星間信息傳輸需求的理解，認(rèn)為封裝業(yè)務(wù)、復(fù)用業(yè)務(wù)、虛擬信道訪問（VCA）業(yè)務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)和位流業(yè)務(wù)（可選）是星間鏈路層設(shè)計(jì)需要的業(yè)務(wù)。第4節(jié)進(jìn)一步對(duì)5種服務(wù)進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)GNSS星間鏈路業(yè)務(wù)傳輸需求。

4 GNSS的業(yè)務(wù)信息分類與協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1 星間鏈路業(yè)務(wù)信息的傳輸需求及分類

星間鏈路業(yè)務(wù)信息主要包括星間自主運(yùn)行信息、上行注入分發(fā)信息和星間觀測(cè)量下傳信息。由于不同的業(yè)務(wù)信息對(duì)時(shí)延、誤碼率的要求不同，不同信息對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的影響也不同，因此對(duì)于業(yè)務(wù)的分析尤其重要。這里分類的思想是基于AOS業(yè)務(wù)等級(jí)和所需服務(wù)的概念，即把所有的業(yè)務(wù)歸為若干等級(jí)，分別定義到相應(yīng)的服務(wù)，在傳送時(shí)進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，使其占用不同的信道資源。

基于AOS業(yè)務(wù)等級(jí)的建議，GNSS星間業(yè)務(wù)信息根據(jù)其傳輸時(shí)延要求的不同，信息的優(yōu)先級(jí)定義為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)共3個(gè)級(jí)別。對(duì)于信息的服務(wù)質(zhì)量，則根據(jù)對(duì)誤碼率要求的不同，定義為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。對(duì)于信息速率的分類，分為低速率信息和高速率信息。對(duì)于以上信息的分類標(biāo)準(zhǔn)沒有特別嚴(yán)格的界限，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需求更新星上配置來改變分類策略。

4.2 GNSS星間鏈路層協(xié)議模型

本文設(shè)計(jì)的協(xié)議模型采納了AOS數(shù)據(jù)鏈路層的5種業(yè)務(wù)，它們與網(wǎng)絡(luò)層、虛擬信道層及物理層的關(guān)系模型如圖4所示。

封裝業(yè)務(wù)：為非CCSDS-AOS標(biāo)準(zhǔn)的用戶的信息傳輸提供了條件，通過封裝后，現(xiàn)有的一些協(xié)議和應(yīng)用可以保持不變，由星間鏈路協(xié)議直接承載。

復(fù)用業(yè)務(wù)：為不同信息提供了在同一條虛擬信道內(nèi)傳輸?shù)目赡?，通過復(fù)用，把封裝的數(shù)據(jù)包和CCSDS包串聯(lián)、組織復(fù)用到同一虛擬信道中去，使得導(dǎo)航鏈路支持多任務(wù)和消息類型。

虛擬信道訪問（VCA）業(yè)務(wù)：使用虛擬信道訪問協(xié)議數(shù)據(jù)單元（VC-PDU）傳輸。VCA業(yè)務(wù)允許多個(gè)VC并發(fā)的使用同一物理信道。

虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)：需要傳送的數(shù)據(jù)被封裝為VCDU或CVCDU，然后被分配到虛擬信道中進(jìn)行傳輸。

位流業(yè)務(wù)：將上層的比特流切成若干短塊，這些數(shù)據(jù)塊稱為B-PDU，其長(zhǎng)度剛好容納一個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)單元的固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)域。該業(yè)務(wù)用來傳送高速率固定時(shí)延的數(shù)據(jù)，每個(gè)位流數(shù)據(jù)源需要專門地占有一個(gè)虛擬信道。利用這種業(yè)務(wù)可傳送用戶定義的未經(jīng)構(gòu)造的、面向碼位的、無固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

4.3 信息處理過程

對(duì)協(xié)議模型進(jìn)行分析，可以把鏈路層的工作過程描述如下：對(duì)于高速數(shù)據(jù)單獨(dú)占用一個(gè)虛擬信道，可以用位流業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，通過B-PDU成幀模塊把連續(xù)的比特流封裝為固定長(zhǎng)度的B-PDU。對(duì)于低速業(yè)務(wù)，則用復(fù)用業(yè)務(wù)，使多個(gè)低速數(shù)據(jù)包共用一條虛擬信道。對(duì)于誤碼要求高的數(shù)據(jù)用CVCDU格式傳輸，一般數(shù)據(jù)用VCDU格式。

（1）VCDU成幀

虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)所有上述數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，添加VCDU主導(dǎo)頭，封裝幀主導(dǎo)頭需要包含的信息有虛擬信道數(shù)據(jù)單元的GVCID、信息的優(yōu)先級(jí)等。依據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求的不同，還有可能封裝成CVCDU。VCDU幀格式的設(shè)計(jì)在4.4節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（2）虛擬信道調(diào)度與復(fù)用

如圖5所示，對(duì)于優(yōu)先級(jí)為1的VCDU給以最高優(yōu)先級(jí)，直接進(jìn)行傳輸。對(duì)于優(yōu)先級(jí)為2和3的VCDU，當(dāng)有1級(jí)VCDU傳輸時(shí)，其他VCDU都是放在緩存中的（包括中優(yōu)先級(jí)緩存和低優(yōu)先級(jí)緩存）。當(dāng)1級(jí)VCDU傳輸完了之后，從中優(yōu)先級(jí)緩存中取出VCDU進(jìn)行傳輸，當(dāng)中優(yōu)先級(jí)的VCDU傳輸完后再傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)緩存中的VCDU。當(dāng)所有VCDU傳送完了則傳輸填充VCDU以保證數(shù)據(jù)鏈路的連續(xù)性。

4.4 幀格式設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的幀由同步碼（24 bit）、主導(dǎo)頭（64 bit）、目的地址（8 bit）、類型標(biāo)識(shí)符（2 bit）、數(shù)據(jù)和尾序列（可選）組成，如圖6所示。

同步碼：同步碼的接收實(shí)際上是隨機(jī)序列中獨(dú)特碼檢測(cè)問題，文獻(xiàn)［7］介紹了同步碼的選取，本文采用Baker碼型。Baker碼是一個(gè)八位的比特序列，如：10110111000。

主導(dǎo)頭：目的是對(duì)信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)和進(jìn)行優(yōu)先級(jí)時(shí)延的區(qū)分［8］，是對(duì)AOS協(xié)議的VCDU主導(dǎo)頭進(jìn)行改進(jìn)后得到的。包括主導(dǎo)頭版本號(hào)（2 bit）、虛擬信道標(biāo)識(shí)（6 bit）、衛(wèi)星MAC標(biāo)識(shí)符（8 bit）、計(jì)數(shù)器（24 bit）、實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)（2 bit）、保留域（6 bit）和差錯(cuò)控制域（16 bit）組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。版本號(hào)用來定義傳送幀的結(jié)構(gòu)（01表示該幀為VCDU幀結(jié)構(gòu)，10表示該幀為CVCDU結(jié)構(gòu)）。主導(dǎo)頭標(biāo)識(shí)符由虛擬信道標(biāo)識(shí)和衛(wèi)星MAC標(biāo)識(shí)符組成，用于分辨該幀屬于哪顆衛(wèi)星的哪個(gè)虛擬信道。主導(dǎo)頭計(jì)數(shù)器對(duì)每個(gè)需要傳輸?shù)膸M(jìn)行計(jì)數(shù)。實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)為01表示1級(jí)數(shù)據(jù)，10表示2級(jí)數(shù)據(jù)，11表示3級(jí)數(shù)據(jù)。

目的地址：這個(gè)字段是目的節(jié)點(diǎn)的地址，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)的幀后，分析MAC地址，如果是自己的地址或者是MAC廣播地址，則將該幀數(shù)據(jù)的內(nèi)容傳給網(wǎng)絡(luò)層。

類型：說明了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的類型，如SCPS-NP、IP等。因?yàn)楦鶕?jù)傳輸業(yè)務(wù)的不同，導(dǎo)航信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層可能采取多種不同的協(xié)議，當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)后，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)類型字段把數(shù)據(jù)字段傳送到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行處理（即多路分解）。對(duì)于不同類型網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的區(qū)別，可以根據(jù)CCSDS網(wǎng)絡(luò)層中4種協(xié)議（SCPS-NP、IP V4、IP V6及Space Packet Protocol）的合理選擇來最終決定。

數(shù)據(jù)：是指從上層傳給鏈路層的數(shù)據(jù)包，是鏈路層傳遞數(shù)據(jù)的基本內(nèi)容。

尾系列（可選）：一般對(duì)于CVCDU選擇RS編碼，該字段允許接收節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的幀進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)和糾正。

4.5 差錯(cuò)檢測(cè)和糾錯(cuò)

以GPS為例，同軌道面MEO衛(wèi)星星間距離為20 358 km左右，信號(hào)傳波時(shí)延67 ms以上，如果采用確認(rèn)重傳機(jī)制則等待時(shí)間消耗太大，因此一般情況下考慮采用前向差錯(cuò)糾正（FEC）。

FEC的優(yōu)點(diǎn)在于它可以減少發(fā)送方重傳的次數(shù)，在接收方進(jìn)行糾錯(cuò)，從而避免了等待。一般用RS（255，223）進(jìn)行信道編碼對(duì)整個(gè)VCDU加以保護(hù)。如業(yè)務(wù)等級(jí)一，可靠性要求高，則在RS保護(hù)的基礎(chǔ)上需要引入自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的差錯(cuò)控制。

5 協(xié)議性能分析

衡量鏈路層協(xié)議性能的指標(biāo)主要有有效數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)包平均時(shí)延、數(shù)據(jù)質(zhì)量及信道利用率。影響AOS協(xié)議的業(yè)務(wù)吞吐量性能的主要因素有鏈路速率、編碼效率、包效率、幀效率、信道誤比特率等。

對(duì)于隨機(jī)的通信業(yè)務(wù)源，用指數(shù)分布的ON／OFF過程能夠較好地模擬數(shù)據(jù)隨機(jī)突發(fā)到達(dá)的過程。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，其業(yè)務(wù)又有自己的特殊性，主要表現(xiàn)在多數(shù)信息是周期的、可預(yù)測(cè)的，如星間雙向測(cè)距數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息數(shù)據(jù)等，有一些信息的傳遞要求嚴(yán)格的時(shí)間戳，如遙控指令信息。

本文假設(shè)業(yè)務(wù)的到達(dá)過程是周期平穩(wěn)過程。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)與幀長(zhǎng)一般為整數(shù)關(guān)系，這樣可以減少為補(bǔ)滿固定幀長(zhǎng)時(shí)的額外開銷，提高信道的利用效率［9］。

推導(dǎo)得到信道吞吐量R的計(jì)算公式如下：

式中，C代表信道容量，rs代表信道RS編碼的效率，η（Flen）為幀效率，η（Plen）為包效率，F(xiàn)len為傳輸幀的長(zhǎng)度，sF為幀開銷，Plen為業(yè)務(wù)信息的包長(zhǎng)度，sP為包開銷，γ為包的相關(guān)系數(shù)，Pe為信道誤比特率。為簡(jiǎn)化分析，不考慮編碼效率對(duì)業(yè)務(wù)吞吐量的影響，吞吐量R計(jì)算公式如下：

假設(shè)GNSS星間鏈路的C為50 kbit／s，包長(zhǎng)固定為500 bit，得出信道誤碼率、幀長(zhǎng)和吞吐量的關(guān)系如圖8所示；若幀長(zhǎng)固定為1 000 bit，得出信道誤碼率、包長(zhǎng)和吞吐量的關(guān)系如圖9所示。

從圖8可以看出，當(dāng)誤碼率一定、幀長(zhǎng)較小時(shí)，信道的吞吐量較低，隨著幀長(zhǎng)的增加，信道的吞吐量明顯增加，隨后趨勢(shì)減緩并逐漸下降；當(dāng)幀長(zhǎng)一定、誤碼率Pe較小時(shí)，吞吐量較大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)也來得較遲。

從圖9可以看出，當(dāng)誤碼率一定、包長(zhǎng)較小時(shí)，信道的吞吐量較低，隨著包長(zhǎng)的增加，信道的吞吐量明顯增加，隨后趨勢(shì)減緩并逐漸下降；當(dāng)包長(zhǎng)一定、誤碼率Pe較小時(shí)，吞吐量較大。

綜合圖8和圖9可以得出結(jié)論：當(dāng)空間鏈路信道條件較差時(shí)，短幀長(zhǎng)、短包長(zhǎng)可以提高數(shù)據(jù)的吞吐量；當(dāng)包長(zhǎng)和幀長(zhǎng)長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，包開銷sP最小，吞吐量變大，但包長(zhǎng)超過幀長(zhǎng)時(shí)吞吐量明顯下降。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航星間鏈路層協(xié)議的方法，詳細(xì)分析了基于AOS的數(shù)據(jù)鏈路層幀格式設(shè)計(jì)和控制策略，指出了評(píng)價(jià)協(xié)議性能的指標(biāo)，分析了影響信息吞吐量的因素，得出了不同信道誤碼率（BER）條件下幀長(zhǎng)、包長(zhǎng)和鏈路吞吐量曲線，為最佳幀長(zhǎng)包長(zhǎng)的選取提供了依據(jù)。從本文協(xié)議性能分析部分可看出，合理選擇協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)、幀長(zhǎng)和調(diào)度算法可以提高信息吞吐量。在下一步考慮衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的工作中，本文鏈路層協(xié)議可考慮在與其他協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)與優(yōu)化上作進(jìn)一步研究。

［1］楊寧虎，陳力.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2007（2）：20-22. YANG Ning-hu，CHEN Li.ISL analysis of navigation satellite system［J］.GNSS World of China，2007（2）：20-22.（in Chinese）

［2］CCSDS 130.0-G-2，Overview of space communications protocols［S］.

［3］CCSDS 732.0-B-2，AOS space data link protocol［S］.

［4］CCSDS 211.0-B-4，Proximity-1 data link layer［S］.

［5］魏凌.CCSDS-AOS建議的研究［J］.無線電通信技術(shù)，2004（5）：34-36. WEI Ling.Study on CCSDS-AOS recommendation［J］.Wireless Communication Technology，2004（5）：34-36.（in Chinese）

［6］王迎.AOS空間實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2003. WANG Ying.Design and realization for AOS space lab satellite communication simulation system［D］.Xi′an：Northwestern Polytechnical University，2003.（in Chinese）

［7］Sklar B.Digital communication-fundamentals and application［M］.2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002：486-489.

［8］李芳，付前程.利用高級(jí)在軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)／非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)混合傳輸［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2009（4）：69-70. LIFang，F(xiàn)U Qian-cheng.Real-time and non-real-time data transfer using advanced orbiting system［J］.Network Security Technology＆Application，2009（4）：69-70.（in Chinese）

［9］李樹峰，鄭林華.CCSDS高級(jí)在軌系統(tǒng)協(xié)議吞吐量性能分析［J］.航空電子技術(shù)，2005（4）：15-19. LI Shu-feng，ZHENG Lin-hua.Throughput performance analysis of CCSDS advanced orbiting system protocol［J］. Avionics Technology，2005（4）：15-19.（in Chinese）

DONG Fei-hong was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1987. He received the B.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

Email：feihong070＠qq.com

呂晶（1965—），男，天津人，1988年獲國(guó)防科技大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為解放軍理工大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信；

常江（1972—），男，河北秦皇島人，1996年獲解放軍理工大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為解放軍理工大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信；

CHANG Jiang was born in Qinhuangdao，Hebei Province，in 1972.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 1996.He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

孔博（1987—），男，陜西澄城人，2010年獲西安電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信和空時(shí)協(xié)同通信。

KONG Bo was born in Chengcheng，Shaanxi Province，in 1987.He received the B.S.degree from Xidian University in 2010.He is now a graduate student.His research interests include satellite communication and space time cooperative communication.

Link Layer Protocol Design of Global Navigation Satellite System

DONG Fei-hong，LV Jing，CHANG Jiang，KONG Bo
（Institute of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China）

This paper analyses the actualstate developmentof Global Navigation Satellite System（GNSS），points out the need of the Inter-satellite Link（ISL）for GNSS.To achieve this requirement，it advises the Advance Orbit System（AOS）Space Data Link Protocol Recommendation can be used as a reference.The possible traffic which may be senton ISL is classified based on AOS recommendation.Itindicates the AOS can be appropriate. To let the protocol appropriate for GNSS ISL，three main improvements are made，including optimizing virtual channel data unit frame structural components，reducing three services and improving on scheduling and multiplexing scheme.A link layer protocol is designed and its performance is simulated.The relationship among Bit Error Rate（BER），frame length，packetlength and throughputis analysed.The simulation results show thatthe protocol designed can be a reference for GNSS.

GNSS；inter-satellite link；class of traffic；VCDU；multiplexing service；protocol design

as born in Tianjin，in 1965.He

the M.S.degree from NationalUniversity of Defense Technology in 1988.He is now a professor and also the instructor ofgraduate students.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

The National Natural Science Foundation of China（No.60972062）

TN96；TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.002

董飛鴻（1987—），男，陜西西安人，2010年獲解放軍理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信；

1001-893X（2012）02-0130-06

2011-11-11；

2012-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60972062）