鄰近空間鏈路探測器器間通信測試方法

陳剛 吳佳麗 高芫赫 楊東

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京 100094)

21世紀(jì)以來,為滿足對復(fù)雜任務(wù)中多個航天器進(jìn)行聯(lián)合控制的需求,空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)咨詢委員會(CCSDS)制定了Proximity-1鄰近空間鏈路(簡稱Proximity-1協(xié)議)[1]。Proximity-1協(xié)議適用于距離在100 000 km以內(nèi)火星探測器的器間通信,并于2004年首次應(yīng)用于奧德賽號和勇氣號的器間通信。我國首顆火星探測器包括環(huán)繞器、著陸器、巡視器(火星車)三器,以實(shí)現(xiàn)火星全球環(huán)繞探測、火星表面巡視探測的綜合目標(biāo)。受質(zhì)量、能源約束以及對地通信弧段等方面的因素影響,著陸器、巡視器直接對地球通信能力較弱,這就需要借助環(huán)繞器的中繼通信,著陸器、巡視器先通過與環(huán)繞器進(jìn)行器間通信傳輸器務(wù)/業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),再借助環(huán)繞器更強(qiáng)的對地通信能力進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。目前,我國火星探測器規(guī)劃的環(huán)繞器與巡視器間的通信距離為300～15 000 km。

由于成本高、技術(shù)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)等因素,深空探測任務(wù)遠(yuǎn)不如近地任務(wù)那么多,并且近地、深空探測所關(guān)注的通信指標(biāo)和應(yīng)用需求不同:近地衛(wèi)星對通信速率、傳輸時延等性能指標(biāo)要求高;深空探測器則對通信自主性、可靠性要求高,對速率、時延不太關(guān)注。這也導(dǎo)致兩者在測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面差異較大。

現(xiàn)有的測控通信測試方案,一是關(guān)注物理層指標(biāo),如頻率、速率、糾錯等;二是關(guān)注網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo),如拓?fù)鋬?yōu)化模型,網(wǎng)絡(luò)時延等。而Proximity-1協(xié)議的技術(shù)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層,且國內(nèi)外公開資料極少,除了少量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究工作,系統(tǒng)級鏈路測試方面的工作幾乎沒有借鑒資料。我國首次火星探測任務(wù)的器間通信采用了X頻段、特高頻(UHF)頻段器間通信兩種方式,其中在UHF頻段應(yīng)用了Proximity-1協(xié)議,且為國內(nèi)首次應(yīng)用,現(xiàn)有測試方法無法滿足這種新技術(shù)的驗(yàn)證需求,為驗(yàn)證全雙工通信、鏈路自適應(yīng)等鏈路高效自主操控的技術(shù)關(guān)鍵,本文設(shè)計(jì)了針對性的系統(tǒng)級測試和實(shí)施方法,并完成了系統(tǒng)級驗(yàn)證。

1 器間通信測試需求

Proximity-1協(xié)議由物理層(Physical Layer,PL)[2]和數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer,DLL)[3-4]構(gòu)成,DLL負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)組幀,服務(wù)質(zhì)量控制,幀同步與糾錯檢錯等功能,是Proximity-1協(xié)議的核心層。

Proximity-1協(xié)議定義了鄰近鏈路傳輸單元[3],可傳輸兩種數(shù)據(jù)幀:用戶幀,即業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(Service Data Units,SDU)[5],用于傳輸基本業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);協(xié)議幀,即監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Supervisory Protocol Data Units,SPDU),可傳輸鄰近鏈路控制字(Proximity Link Control Word,PLCW)、狀態(tài)報告、控制指令等。

1.1 全雙工通信模式

Proximity-1協(xié)議有兩種服務(wù)質(zhì)量(QoS):①加急方式(Expedited),在單工模式下采用,無自動重傳隊(duì)列(Automatic Repeat Queuing,ARQ)機(jī)制;②順序控制(Sequence Controlled,SC),在全雙工模式下采用,通過ARQ機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)PLCW報告方式來保證SDU幀的可靠傳輸。全雙工與ARQ機(jī)制[6-7]的結(jié)合使器間通信成為面向連接的可靠通信。ARQ協(xié)議在DLL實(shí)現(xiàn)后向糾錯(Backward Error Correction),具體功能如下。

(1)差錯檢測,接收方對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)檢錯。

(2)反饋應(yīng)答,接收方提供反饋信息,肯定確認(rèn)(ACK)或否定確認(rèn)(NAK),以幫助發(fā)送方判斷數(shù)據(jù)幀是否被正確接收。

(3)重傳,接收方接收錯誤/丟失數(shù)據(jù)幀時,請求發(fā)送方重傳該幀。

(4)傳輸超時控制,為解決數(shù)據(jù)幀在傳輸時出現(xiàn)丟包或ACK丟失的問題,在發(fā)送端設(shè)置超時計(jì)時器,設(shè)定超時(Timeout)時間,超過該時間沒有收到ACK,則重傳該數(shù)據(jù)幀。

1.2 通信鏈路自適應(yīng)機(jī)制

Proximity-1支持通信鏈路自適應(yīng)機(jī)制:信道、編碼、速率可根據(jù)信號質(zhì)量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

(1)信道頻率,鄰近空間鏈路UHF頻段范圍為390～450 MHz,其中前向435～450 MHz,返向390～405 MHz,共劃分出8組頻率對[2]。

(2)信道編碼,不同于ARQ,信道編碼[7]是在PL實(shí)現(xiàn)前向糾錯。Proximity-1協(xié)議包含3種編碼方式,即非編碼、卷積碼(CC)和低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)。

(3)通信速率,自適應(yīng)機(jī)制在PL實(shí)現(xiàn),器間通信支持8個前向速率,1 kbit/s(編碼前)和1～64 kbit/s(編碼后);12個返向速率,1～2048 kbit/s(編碼后)。

1.3 器間鏈路測試新需求

在我國探月工程中的“探測器-地球”、“探測器-中繼星-地球”兩種方案和普通的近地測控通信技術(shù)方案類似,特點(diǎn)是通信距離更遠(yuǎn)或無法視距傳輸需要中繼通信,未涉及鏈路協(xié)議。全雙工、鏈路自適應(yīng)等協(xié)議技術(shù)的應(yīng)用也提出了綜合測試新需求,而現(xiàn)有測控測試方案僅關(guān)注物理層指標(biāo),無法滿足Proximity-1協(xié)議的鏈路層指標(biāo)測試需求。

(1)全雙工通信是在遙遠(yuǎn)的火星(地火距離最遠(yuǎn)4億千米,地火通信單向時延22.2 min)進(jìn)行器間自主通信的重要保證;而全雙工模式下的通信雙方具備實(shí)時雙向確認(rèn)機(jī)制,且狀態(tài)遷移復(fù)雜頻繁,目前星間鏈路多關(guān)注于傳統(tǒng)的速率、時延等指標(biāo),對通信建立中間狀態(tài)并不關(guān)注,本文完成了相應(yīng)的測試方法設(shè)計(jì),以及對通信建立效率、中間狀態(tài)、狀態(tài)遷移等關(guān)鍵過程的驗(yàn)證工作。

(2)近火點(diǎn)器間通信是火星任務(wù)的主要通信弧段,火星車壽命初期的返向數(shù)據(jù)量/弧段時長約為80 Mbits/8 min。默認(rèn)全雙工通信建立時由于信道不穩(wěn)定,初始速率定為前向32 kbit/s、返向8 kbit/s,固定速率下返向能力遠(yuǎn)達(dá)不到任務(wù)需求。而壽命初期近火點(diǎn)通信距離為300～1500 km,鏈路預(yù)算速率為2048～128 kbit/s,采用速率自適應(yīng)技術(shù)的情況下才能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。傳統(tǒng)測試方案多為1檔或少量幾檔固定速率,且均是人工判讀指令切換;針對新需求,本文設(shè)計(jì)了一種速率自適應(yīng)測試方法,并在信噪比(SNR)不斷變化、雙方通信不中斷的情況下完成了速率自適應(yīng)切換功能驗(yàn)證。

2 器間通信測試方法

2.1 全雙工通信測試

器間通信的雙方分別記為發(fā)起方(Caller)、響應(yīng)方(Responder),且在狀態(tài)建立之前,火星車無法傳輸返向遙測。因此所獲取的遙測數(shù)據(jù)僅能記錄雙方的始態(tài)/終態(tài),而不能實(shí)時跟蹤過程狀態(tài)(信道、速率等),并且由于全雙工建立過程狀態(tài)切換頻繁,傳統(tǒng)基于遙測判讀的方法有效性較低。因此本文設(shè)計(jì)一種全雙工通信測試方法,通過分解協(xié)議狀態(tài)遷移過程(見圖1),并實(shí)時監(jiān)視地面設(shè)備狀態(tài),對比推演單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、有效性。

(1)先由地面設(shè)備自環(huán)測試實(shí)時記錄收發(fā)雙方的工作狀態(tài)。

(2)在星地鏈路測試時記錄設(shè)備狀態(tài)、通過頻譜儀監(jiān)視星上狀態(tài)。

(3)比對1～2測試過程狀態(tài)遷移是否一致,記錄建立時長和傳輸時延。

圖1 通信狀態(tài)遷移過程Fig.1 State transfer in full-duplex establishment

全雙工通信測試方法如圖2所示,在全雙工通信中,收發(fā)雙方的通信參數(shù)由Caller(記為C)制定,Responder(記為R)僅需要設(shè)置處于全雙工響應(yīng)狀態(tài)即可,通信參數(shù)如下:①握手信道(Hailing),前向fh1、返向fh2;②業(yè)務(wù)信道(Working),前向fw1、返向fw2。

圖2 全雙工通信測試方法Fig.2 Test method of full-duplex communication

基于上述方法,本文完成了主備份UHF收發(fā)信機(jī)的全雙工通信測試,測試結(jié)果見表1。主備份設(shè)備均滿足10 s建立時間的設(shè)計(jì)指標(biāo),但傳輸時延的測試結(jié)果不同,原因在于主備份的緩沖機(jī)制不同:主份緩沖10幀數(shù)據(jù),優(yōu)點(diǎn)是接收方確認(rèn)PLCW幀延遲不影響傳輸效率;備份緩沖2幀數(shù)據(jù),缺點(diǎn)是PLCW幀延遲將造成ARQ重傳,傳輸效率降低。以信道0為例,圖3(a)～(f)給出了握手程序[1]Ⅰ～Ⅵ對應(yīng)的通信雙方發(fā)射信號實(shí)測頻譜。

表1 短幀模式全雙工通信測試結(jié)果Table 1 Test results of full-duplex communication in short-frame mode

圖3 全雙工通信建立過程Fig.3 Process of the establishment of full-duplex link

2.2 信道編碼性能測試

在深空探測器中,由于信號功率低,天線增益不足,糾錯碼性能便顯得尤為重要?；鹦翘綔y器在不同鏈路中采用了多種編碼方式:CC(7,1/2),RS(255,223)＋CC(7,1/2)級聯(lián)碼[4,8],LDPC(4088,1784)。各編碼方案的糾錯性能對比見表2,編碼方案性能對比見圖4。

經(jīng)過分析,BER＝1.0×10－6高于誤碼平層[7],所以使用隨機(jī)碼/固定碼測試的性能數(shù)據(jù)基本一致。星地鏈路性能測試采用圖5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)源使用固定碼,誤碼儀可據(jù)此設(shè)置比對源。利用頻譜儀可測試信號功率P和噪聲功率N0·W(或功率計(jì))。

圖5的系統(tǒng)測試實(shí)際考核的是全鏈路性能,由于調(diào)制/解調(diào)器會帶來一定性能損失,為了能夠合理地標(biāo)定編碼增益,通常會給定一個系統(tǒng)誤差Δ(一般取0.5～2 dB)。設(shè)非編碼的信噪比為Eb/N0unc,考慮到信道編碼的碼率Rc變換,編碼增益G計(jì)算如下:

其中,Eb/N0unc為未編碼信噪比門限,Eb/N0cod為編碼后信噪比門限,基于上述測試方法,以LDPC碼為例,表3給出了硬件測試數(shù)據(jù),分析結(jié)果與圖4中的仿真性能相符合,考慮解調(diào)損失的情況下,各速率下仍能達(dá)到＞8 dB的編碼增益,編碼性能滿足要求。

表2 火星探測器不同編碼方案性能分析Table 2 Performance analysis of different coding schemes

圖4 火星探測器編碼方案性能對比Fig.4 Comparison of different coding schemes

圖5 編碼性能測試系統(tǒng)Fig.5 Structure of the test system for coding scheme

表3 LDPC碼性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Performance of LDPC codes

2.3 速率自適應(yīng)測試

器間通信是火星探測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕侄?且受通信距離變化、天線指向影響較大。為了更好地發(fā)揮Proximity-1協(xié)議全雙工性能,利用有限的信道容量完成圖像/載荷數(shù)據(jù)傳輸,根據(jù)當(dāng)前信噪比自適應(yīng)調(diào)整至最高速度顯得非常重要。

目前,常見的自適應(yīng)機(jī)制有兩種:一種是根據(jù)誤碼率變化來調(diào)節(jié);另一種是根據(jù)接收端信噪比估計(jì)來調(diào)節(jié)[9]。兩種方法從不同角度反映了信道好壞。本文采用第二種方法,信噪比估計(jì)一方面反映了信道的實(shí)時狀態(tài),另一方面通過及時切換通信模式,來改善誤碼性能、ARQ重傳效率,或提升系統(tǒng)容量。此外,為盡可能地模擬在軌工況,本測試方法覆蓋10檔速率的循環(huán)自適應(yīng)切換,以充分驗(yàn)證Proximity-1協(xié)議的速率自適應(yīng)性能。器間通信速率自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)如圖6所示,精度指標(biāo)優(yōu)于1 d B,器間通信速率檔自適應(yīng)切換門限為3 dB。速率切換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是調(diào)節(jié)信號功率或噪聲功率來模擬信噪比變化,從而觸發(fā)速率自適應(yīng)切換。

圖6 基于信噪比估計(jì)的速率自適應(yīng)機(jī)制測試系統(tǒng)Fig.6 Test system structure of rate-adaptive scheme based on SNR estimation

本文設(shè)計(jì)的基于功率調(diào)節(jié)的速率自適應(yīng)切換測試方法如圖7所示,記返向發(fā)射功率為P0,電纜接插件固定損耗為PL,可調(diào)衰減器為ΔP。設(shè)測試最大速率Rmax、最小速率Rmin,Rb為當(dāng)前返向速率,在相鄰2檔速率切換時,先進(jìn)行一次3 dB粗調(diào),然后再根據(jù)信噪比估計(jì)情況進(jìn)行±1 d B微調(diào),直至速率成功切至Rb/2或2·Rb。

圖7 基于功率調(diào)節(jié)的速率自適應(yīng)切換測試方法Fig.7 Test method of rate adaption based on power adjustment

在測試中,結(jié)合3個工作信道完成了速率自適應(yīng)切換驗(yàn)證工作,測試數(shù)據(jù)及結(jié)果見表4、5。高低速率間可雙向切換,且各速率檔切換門限均為3 dB左右,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。此外,由于測試設(shè)備靈敏度不足,低速率檔測試時功率較小且數(shù)據(jù)量變小,導(dǎo)致信噪比估計(jì)誤差變大、測試穩(wěn)定時間較長。

表4 速率自適應(yīng)切換測試Table 4 Test schemes of rate adaption

表5 測試結(jié)果Table 5 Test results

3 結(jié)束語

我國首顆火星探測器設(shè)計(jì)應(yīng)用了CCSDS的Proximity-1鄰近空間鏈路協(xié)議,其中全雙工、高性能糾錯編碼、鏈路速率自適應(yīng)等技術(shù)是在遙遠(yuǎn)的火星進(jìn)行鏈路高效自主操控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對新的復(fù)雜鄰近空間鏈路的驗(yàn)證工作,本文首先進(jìn)行了測試需求分析;然后完成了“全雙工通信測試方法”設(shè)計(jì)、“編碼性能測試方案”設(shè)計(jì)以及“基于功率調(diào)節(jié)的速率自適應(yīng)測試方法”設(shè)計(jì)等工作,減少測試用例,提升測試效率;最后基于專用配套測試設(shè)備,完成了系統(tǒng)級鏈路驗(yàn)證工作。經(jīng)過驗(yàn)證,各測試項(xiàng)目均正確完成,同時也發(fā)現(xiàn)了許多協(xié)議相關(guān)的技術(shù)問題。未來將繼續(xù)開展多航天器器間通信方面的全雙工效能驗(yàn)證工作,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)在軌工作提供參考。