分離載荷近距協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層仿真研究

陳 俊 ， 熊蔚明

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

在空間探測任務(wù)中，從主控星釋放出多個從星，形成一主多從的分布式航天器。主星作為主要的處理單元，接收、處理從星返回的探測數(shù)據(jù)，并完成與地面接收站之間的通信任務(wù)，接收地面控制數(shù)據(jù)和指令[2]。地面和主星之間是常規(guī)的空間鏈路，遵循空間數(shù)據(jù)咨詢委員會（CCSDS）建議的常規(guī)在軌協(xié)議（COS）和高級在軌協(xié)議（AOS）進(jìn)行通信，而主星與從星之間的鏈路存在著新的特點(diǎn)和要求，需要建立附加鏈路，探索新的鏈路協(xié)議[3]。

1 Proximity-1協(xié)議應(yīng)用背景

近距鏈路協(xié)議 （proximity-1）最初是JPL為火星（Mars）探測試驗(yàn)制定的，包括物理層及鏈路層協(xié)議，是CCSDS的COS和AOS協(xié)議在近距鏈路上的延伸，更能適應(yīng)中等信號強(qiáng)度、短時延、通信過程短和獨(dú)立等近距星間鏈路的特點(diǎn)。

采用這種協(xié)議，可設(shè)計出如下方案：地面站只與星體結(jié)構(gòu)中的一個主航天器之間建立常規(guī)的空間鏈路，而在主星與從星之間建立附加的空間鏈路，稱為近距空間鏈路，采用proximity-1協(xié)議。上行鏈路的途徑是：地面站-主星-近距空間鏈路-從星。主星產(chǎn)生的控制命令直接通過近距空間鏈路傳送給從星。下行鏈路發(fā)送的信息按照相反的方向傳送，從星可以利用主星AOS系統(tǒng)的路徑業(yè)務(wù)，把測量信息送回地球[4]。本文著重從數(shù)據(jù)鏈路層對proximity-1協(xié)議進(jìn)行拆分，最后提出一種模擬該協(xié)議的方案和實(shí)現(xiàn)平臺。

2 協(xié)議模型簡介

2.1 協(xié)議的分層模型

Proximity-1協(xié)議是應(yīng)用于空間“會話”的雙向數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層中有5個子層：編碼與同步（C&S）子層、幀（Frame）子層、介質(zhì)訪問控制（MAC）子層 、數(shù)據(jù)服務(wù)（Data Service）子層、輸入輸出（I/O）子層[5]。

采用Proximity-1協(xié)議通信的數(shù)據(jù)鏈路層整體方案基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議傳輸單元格式

Proximity-1規(guī)定其協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU為Version-3傳輸幀[5]，傳輸幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示，必須包含以下字段：

1）24 位（3 字節(jié)）粘貼同步標(biāo)志（ASM），為 FAF320（十六進(jìn)制）；

2）變長V-3傳輸幀（最大2048字節(jié)）；

3）32 位（4 字節(jié)）的循環(huán)冗余編碼（CRC-32）。

圖1 數(shù)據(jù)鏈路層基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the data link layer

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議操作流程簡介

以用戶數(shù)據(jù)的操作流程為例作簡要介紹：發(fā)送過程中，用戶數(shù)據(jù)單元（SDU）經(jīng)過I/O子層的接口，在I/O子層內(nèi)按照協(xié)議規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，組成傳輸幀進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)子層，在數(shù)據(jù)服務(wù)子層遵循Proximity-1協(xié)議的幀發(fā)送操作步驟（FOP-P）將幀發(fā)送至幀子層，幀子層根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的優(yōu)先級排序方法將幀排序輸出到C&S子層，C&S子層在幀前端加上附加同步標(biāo)記（ASM），尾部加32位CRC校驗(yàn)碼組成近距鏈路傳輸單元PLTU，最后傳輸給物理層。

接收過程中，C&S子層從物理層傳送的碼流中劃分找出PLTU，然后從PLTU中提取出幀傳送給幀子層，幀子層根據(jù)幀的類型將收到的幀發(fā)給不同的地方，其中，用戶數(shù)據(jù)幀傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)子層，并在數(shù)據(jù)服務(wù)子層中按照近距鏈路的幀接受和報告機(jī)制（FARM-P）發(fā)送到I/O子層，最后，I/O子層提取和重建出用戶數(shù)據(jù)。

圖2 proximity-1傳輸幀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the proximity-1

整個過程中，MAC子層控制各子層的操作狀態(tài)，接收和處理監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDUs），存儲分配MIB參數(shù)和狀態(tài)變量，提供多種支配操作狀態(tài)的控制信號等[6]。

2.4 協(xié)議各子層之間的接口及關(guān)聯(lián)操作

Proximity-1協(xié)議各層之間的接口關(guān)系如圖3所示[7]。

3 實(shí)施方案

3.1 整體方案設(shè)計

分離載荷的編隊(duì)組網(wǎng)示意圖如圖4所示，組網(wǎng)由一個主星和多個從星構(gòu)成，主星到從星的前向通道為廣播式發(fā)送，主星發(fā)射機(jī)向從星廣播發(fā)送碼流，通過不同的航天器標(biāo)識符區(qū)分不同的從星地址，從星檢測出與自身相一致的標(biāo)識符地址時，接收信息。返向通道上，不同的從星發(fā)射回主星的不同數(shù)據(jù)鏈路以時分或者頻分的方式來劃分。地面站與主星之間采取常規(guī)空間鏈路協(xié)議，本文不作涉及。

圖4 分離載荷組網(wǎng)圖Fig.4 The network diagram of the Fractionated Payload

3.2 協(xié)議流程模擬平臺

對Proximity-1協(xié)議在分離載荷組網(wǎng)中的通信流程模擬中，本文使用moxa多串口卡作為硬件模擬平臺。分離載荷組網(wǎng)中的不同航天器載荷采用moxa平臺上不同的串口來代表，分離載荷在空間中的無線鏈路鏈接這里用直接的物理鏈路鏈接代替，在代表主星的串口和代表從星的所有串口之間用串口線連接起來。

軟件開發(fā)平臺選用了visual studio環(huán)境，使用C#語言的串口函數(shù)對moxa卡的各個串口進(jìn)行調(diào)用，在此基礎(chǔ)之上根據(jù)proximity-1協(xié)議的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的各項(xiàng)操作流程。

3.3 軟件關(guān)鍵算法

1）通信鏈接建立

圖5 proximity-1通信鏈路建立流程Fig.5 The communication process established in proximity-1 protocol

鏈路建立部分通過握手過程實(shí)現(xiàn)，通信雙方由主機(jī)發(fā)起連接，通過發(fā)送載波空閑同步序列的方法，使雙方通信達(dá)到同步的目的，即建立通信鏈路，鏈路成功建立之后開始雙向的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。proximity-1通信鏈路建立流程如圖5所示[7]。

2）幀發(fā)送優(yōu)先級排序

通信會話中，當(dāng)有多個幀需要發(fā)送時，為了保證能有序、可靠、高效地發(fā)送數(shù)據(jù)，不同的幀類別應(yīng)規(guī)定不同的發(fā)送優(yōu)先級，幀優(yōu)先級的排序工作在幀子層中完成，幀子層必須以有效的策略選擇要發(fā)送的幀類別[8]。

不同的幀類別包括：來自MAC子層和數(shù)據(jù)服務(wù)子層提供的幀，由接收端數(shù)據(jù)服務(wù)子層返回的PLCW或狀態(tài)報告，來自I/O子層的迅速幀和序列控制幀。Proximity-1中規(guī)定了兩種服務(wù)質(zhì)量（QOS）：迅速幀服務(wù)和序列控制幀服務(wù)。

幀子層采用基于以下優(yōu)先級的策略來選擇要發(fā)送的幀：

1）第一優(yōu)先級必須給在MAC子層來自MAC隊(duì)列來的幀；

2）如果U_frame_last_sent參數(shù)值為真，第二優(yōu)先級必須給PLCW或者狀態(tài)報告；

3）第三優(yōu)先級必須給在輸入/輸出子層來自迅速幀隊(duì)列的迅速幀；

4）第四優(yōu)先級必須給順序控制幀，如果有需要，先給來自于發(fā)送隊(duì)列的，然后是來自于輸入/輸出子層的順序控制幀隊(duì)列中的；

5）如果U_frame_last_sent參數(shù)值為假，第五優(yōu)先級必須給PLCW或者狀態(tài)報告。

以上策略保證了發(fā)送完每一個迅速幀或序列控制幀之后可以盡快地發(fā)送來自接收端的PLCW或狀態(tài)報告，及時了解接收端是否對所發(fā)出的幀作出了響應(yīng)。

3.4 軟件模擬

主機(jī)發(fā)送軟件模擬結(jié)果如圖6所示，基于proximity-1協(xié)議流程，主機(jī)讀取用戶數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的結(jié)構(gòu)封裝成幀，按照go-back-n的機(jī)制連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀到從機(jī)。從機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀后，立刻返回一個近距鏈路控制字（PLCW），PLCW包含重傳標(biāo)志位，主機(jī)根據(jù)該標(biāo)志位判斷從機(jī)接收到的數(shù)據(jù)幀是否出錯，標(biāo)志位為1時檢查該P(yáng)LCW的報告值，依據(jù)該報告值退回到出錯幀重新發(fā)送。

圖6 proximity-1通信主機(jī)發(fā)送Fig.6 Send test for master machine of proximity-1 protocol

從機(jī)接收軟件模擬結(jié)果如圖7所示，從機(jī)接收主機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，檢查幀序號以及幀尾校驗(yàn)值，將檢查結(jié)果寫入PLCW返回給主機(jī)處理，并把接收到的無差錯數(shù)據(jù)幀存入接收文件。

圖7 proximity-1通信從機(jī)接收Fig.7 Receive test for slave machine of proximity-1 protocol

4 結(jié)束語

在未來的空間探測任務(wù)中，proximity-1近距鏈路協(xié)議的使用無疑具有明顯優(yōu)勢，因?yàn)榭煽康牡讓訁f(xié)議是實(shí)現(xiàn)星間信息交互的關(guān)鍵，隨著我國探月的深入及將來探測火星和其他行星任務(wù)的開始，近距空間鏈路協(xié)議肯定會越來越受關(guān)注，對于近距鏈路協(xié)議進(jìn)行深入地探索和全面研究是非常有必要的，本文對近距協(xié)議作出了一定的探討，對近距鏈路協(xié)議的功能層次模型作出了描述，分析研究了實(shí)現(xiàn)過程的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，有利于今后對近距鏈路協(xié)議的進(jìn)一步應(yīng)用[9]。

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[3]韓曉亞，劉麗華，曹江.一種小衛(wèi)星編隊(duì)通信中proximity-1協(xié)議的接入控制機(jī)制 [C]//CCSDS建議在我國航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用專題研討會論文集，2013年.

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