地月空間通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究

張大鵬，許子涵，王愛華，王 悅

(1. 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094； 2. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京市100081)

1 引言

服務(wù)于載人月球探測(cè)任務(wù)的地月空間信息系統(tǒng)涉及航天器數(shù)量多、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，且有月地通信鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、月球背面無法通過地面深空站直接通信、通信鏈路中斷頻繁等情況。因此，地月空間組網(wǎng)通信具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)變復(fù)雜性、間斷性的鏈路連接、網(wǎng)絡(luò)高度異構(gòu)與協(xié)議多樣、非對(duì)稱的通信帶寬、遠(yuǎn)距離通信傳播時(shí)延等特點(diǎn)[1-2]。 傳統(tǒng)地面局域網(wǎng)技術(shù)和近地星-地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)無法滿足地月空間組網(wǎng)需求，因此需要建立適用于地月空間架構(gòu)的組網(wǎng)方案來滿足地月空間日益多元化的信息傳輸需求。 將地面互聯(lián)網(wǎng)概念引申到空間，構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)，使之具有與地面互聯(lián)網(wǎng)類似的能力和靈活性[3]，同時(shí)為日益復(fù)雜的航天任務(wù)對(duì)空間通信技術(shù)提出的挑戰(zhàn)性難題提供有效解決途徑[4]。 因此，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)大數(shù)據(jù)量的高帶寬組網(wǎng)互連互通以及地月空間信息系統(tǒng)如何能夠保證高可靠性組網(wǎng)通信傳輸是需要重點(diǎn)解決的問題。

空間網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的構(gòu)建主要由空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)、機(jī)構(gòu)間操作指導(dǎo)組/機(jī)構(gòu)間互操作大會(huì)(Interagency Operations Advisory Group/Interoperability Plenary，IOAG/IOP)和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組/互聯(lián)網(wǎng)研究任務(wù)組(Internet Engineering Task Force/Internet Research Task Force，IETF/IRTF)等組織來實(shí)施[5-6]。 在空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程中，這些組織主要形成了4 個(gè)協(xié)議體系發(fā)展方向:基于CCSDS 的協(xié)議體系(或Space Communication Protocol Specification， SCPS 體 系)、基于TCP/IP 的協(xié)議體系、將CCSDS 與TCP/IP結(jié)合的協(xié)議體系、基于容忍延遲/中斷網(wǎng)絡(luò)(Delay/Disruption Tolerant Networking，DTN) 的 協(xié) 議 體系[5-6]，4 個(gè)協(xié)議體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，而基于DTN 的協(xié)議體系針對(duì)深空環(huán)境設(shè)計(jì)，為更遠(yuǎn)期的發(fā)展設(shè)計(jì)，涵蓋了上述3 種協(xié)議體系，是更高一級(jí)的協(xié)議體系[6]。 空間網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)或協(xié)議體系的構(gòu)建主要體現(xiàn)在其相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作中，這些空間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而制定、修訂或廢止。以CCSDS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為例，SCPS 協(xié)議體系中只有空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議[7](SCPS -Security Protocol，SCPS-TP)繼續(xù)使用，相應(yīng)地又制定了在CCSDS 空間鏈路之上承載IP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[8](IP over CCSDS space links，IPoC)，針對(duì)DTN 協(xié)議體系發(fā)布了對(duì)空間DTN 體系結(jié)構(gòu)完整闡述的綠皮書[9]，并對(duì)LTP(Licklider Transmission Protocol)空間可靠性傳輸協(xié)議以及BP(Bundle Protocol)覆蓋層協(xié)議相關(guān)服務(wù)與機(jī)制進(jìn)行說明， 形成了藍(lán)皮書[10-11]。

DTN 的協(xié)議體系針對(duì)深空環(huán)境提出[6]，為適應(yīng)星際間長時(shí)延通信在傳統(tǒng)協(xié)議中進(jìn)行改造[12]。首先，DTN 使用“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)(store-carry-forward)”模式[12]，這種數(shù)據(jù)中繼服務(wù)機(jī)制較好地解決星球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和星球中繼網(wǎng)絡(luò)長時(shí)延和日常性網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致的問題，適用于地球到月球乃至更遠(yuǎn)距離的深空通信。 其次，構(gòu)建由多個(gè)子網(wǎng)組成的行星際互聯(lián)網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)子網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)機(jī)制，DTN 通過Bundle 協(xié)議層將不同類型的網(wǎng)絡(luò)下層協(xié)議(如地面段的TCP/IP，星地鏈路的CCSDS 包協(xié)議和AOS 協(xié)議)整合，在不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，具有良好的兼容性和擴(kuò)展性，是一種面向未來的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。 與無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中斷的IP 協(xié)議僅能提供文件傳輸?shù)腃FDP 相比，基于DTN 協(xié)議體系更適合形成一個(gè)統(tǒng)一、完整的星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，DTN 目前可能是未來深空互聯(lián)網(wǎng)最具說服力的架構(gòu)[13]，各國的航天機(jī)構(gòu)已經(jīng)部署了DTN 協(xié)議項(xiàng)目，并進(jìn)行了DTN 協(xié)議空間試驗(yàn)[14]。

本文根據(jù)未來載人月球探測(cè)任務(wù)需求及地月空間組網(wǎng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在地月空間信息系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究適用于地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的DTN 協(xié)議，并形成組網(wǎng)方案，進(jìn)行地月空間通信網(wǎng)絡(luò)仿真分析。

2 地月空間通信鏈路

2.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于地球與月球相對(duì)運(yùn)行形成遮蔽以及月球本地(比如南北極)觀測(cè)仰角過低等，造成在行星表面與地球間建立直接通信鏈路困難，月球背面無法直接與地球通信。 載人月球探測(cè)任務(wù)中會(huì)涉及到多個(gè)航天器，如果要求所有月球區(qū)域的航天器都與地球直接通信，在整體效能方面無法達(dá)到最優(yōu)，因此需要考慮采用月球中繼衛(wèi)星完成地月空間的中繼通信。

對(duì)于月基通信單元，早期可利用月面著陸器或居住艙作為小型的月面通信基站，后續(xù)可發(fā)展為月球基地的通信基站。

在現(xiàn)有地球中繼衛(wèi)星功能基礎(chǔ)上，可考慮補(bǔ)充對(duì)月中繼通信能力，形成地球?qū)υ轮欣^衛(wèi)星。相對(duì)于地面對(duì)空間激光鏈路傳輸，激光鏈路在空間傳輸不會(huì)受到云層遮擋等因素影響，可以采用激光鏈路作為地月空間的主干通信鏈路。

選擇地面深空站、地球中繼星(具備對(duì)月通信功能)、月球中繼星、月面通信基站作為地月空間主干鏈路的主通信與路由節(jié)點(diǎn)，建立高可靠、高速的2×2 地月空間骨干網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸通道，完成載人月球探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)或其他高速任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。 對(duì)于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸通道，通信鏈路選擇Ka 頻段射頻鏈路，可傳輸上百兆bps 高速率數(shù)據(jù)，以及激光通信鏈路可傳輸幾百兆bps 以上高速率數(shù)據(jù)，Ka 頻段射頻鏈路與激光通信鏈路形成備份。 在地球空間內(nèi)仍然以相關(guān)頻段微波通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在月球空間內(nèi)通信鏈路與地球空間相類似。

圖1 地月空間骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the backbone network structure in cislunar space

2.2 鏈路可見性

在地月空間中，需要將繞月衛(wèi)星的坐標(biāo)參數(shù)換算到以地球?yàn)橹行牡淖鴺?biāo)系統(tǒng)[15]。 如圖2 所示，月球中繼衛(wèi)星的坐標(biāo)需要根據(jù)月球相對(duì)于地球坐標(biāo)變換得到，月球中繼衛(wèi)星相對(duì)于地心坐標(biāo)系的矢量公式見式(1):

圖2 地月坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Schematic diagram of earth-moon coordinate transformation

由于月面通信基站直接對(duì)地面深空站通信鏈路可見性在50%左右，要達(dá)到月球空間的全覆蓋仍需要月球中繼衛(wèi)星的配合；且月面通信基站的建立受到月面地形環(huán)境等因素的影響，因此在地月空間中，地球通信終端到月球通信終端需要經(jīng)過月球中繼衛(wèi)星通信作為主要通信鏈路。

月球中繼衛(wèi)星與地球可見性的鏈路幾何關(guān)系如圖3 所示。 圖中Dc為地月間距離，Ds為月球中繼衛(wèi)星對(duì)地球的距離，Rm為月球半徑，am為月球中繼衛(wèi)星半長軸。 以月球中繼衛(wèi)星高度線和對(duì)月球切線的夾角λ 為最小夾角，當(dāng)月球中繼星對(duì)應(yīng)的λ 角大于λmin，表示月球中繼衛(wèi)星對(duì)地鏈路可見。

當(dāng)?shù)厍蛑欣^衛(wèi)星具備對(duì)月通信功能時(shí)，與月球空間的月軌飛行器或月面用戶建立第二類地月空間通信鏈路。 與圖3 的原理相同，當(dāng)?shù)厍蛑欣^星對(duì)應(yīng)的φ 角大于地球中繼衛(wèi)星高度線和對(duì)地球切線的最小夾角φmin時(shí)，表示地球中繼衛(wèi)星對(duì)月鏈路可見，其幾何關(guān)系如圖4 所示。

圖3 月球中繼衛(wèi)星對(duì)地可見性Fig.3 Visibility of lunar relay satellite to earth

圖4 地球中繼衛(wèi)星對(duì)月可見性Fig.4 Visibility of earth relay satellite to moon

由上述2 類鏈路可構(gòu)成月球中繼衛(wèi)星與地球中繼衛(wèi)星之間通信鏈路，幾何關(guān)系如圖5 所示。地月中繼衛(wèi)星間可見性以它們之間最大可見鏈路距離Dmax進(jìn)行判斷，當(dāng)?shù)卦轮欣^衛(wèi)星間距離D 大于可見鏈路距離Dmax時(shí)，星間鏈路不可見。 最大可見鏈路長度Dmax見式(2):

由α 約為7.9E05°， Dmax可簡(jiǎn)化為式(3):

式中，Dc為地月間距離，Re為地球半徑，Rm為月球半徑，ae和am分別為地球中繼衛(wèi)星半長軸和月球中繼衛(wèi)星半長軸(以圓軌道為例)，如圖5 所示。

圖5 地月鏈路可見性Fig.5 Visibility of earth-moon link

3 地月空間組網(wǎng)方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

基于上節(jié)通信鏈路互聯(lián)互通形成地月空間通信網(wǎng)絡(luò)，主要組成部分為星球(地球、月球)空間網(wǎng)絡(luò)及星際空間網(wǎng)絡(luò)。 地球空間網(wǎng)絡(luò)的組成單元包括地基單元和地球中繼單元，各個(gè)地基單元可以聯(lián)網(wǎng)形成地基空間子網(wǎng)，地球中繼單元可以組網(wǎng)形成地球中繼子網(wǎng)，2 個(gè)子網(wǎng)間互聯(lián)通信形成地球空間區(qū)域網(wǎng)。 同樣，月球空間網(wǎng)絡(luò)的組成單元包括月基單元和月球中繼單元，各個(gè)月基單元可以互聯(lián)通信形成月基空間子網(wǎng)，月球中繼單元可以組網(wǎng)形成月球中繼子網(wǎng)，2 個(gè)子網(wǎng)間互聯(lián)通信形成月球空間區(qū)域。 通過微波通信或激光通信方式將地球空間網(wǎng)絡(luò)與月球空間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)互通，形成整個(gè)地月空間主干網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意見圖6。月球中繼子網(wǎng)中的月球中繼衛(wèi)星可以將月基空間子網(wǎng)用戶接入地月空間主干網(wǎng)中，因此月球中繼子網(wǎng)也可稱為月球空間接入網(wǎng)，同理地球中繼子網(wǎng)也可稱為地球空間接入網(wǎng)。

圖6 地月空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of cislunar space network structure

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

基于DTN 協(xié)議體系的星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)的適用性、可行性以及先進(jìn)性均符合地月空間組網(wǎng)需求，可作為地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的主要協(xié)議架構(gòu)。 同時(shí)，由于DTN 具有良好的兼容性，因此仍以采用CCSDS 協(xié)議棧及TCP/IP 協(xié)議棧中具有較好通信性能及適用性的下層協(xié)議，如AOS 協(xié)議、IP 協(xié)議等，為地月空間網(wǎng)絡(luò)的上層應(yīng)用提供鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層支持。

在地月空間信息系統(tǒng)高速通信鏈路中，將地面指控中心(或地面站)、地球?qū)υ轮欣^衛(wèi)星、月球中繼衛(wèi)星(或具備中繼功能的月軌空間站)、月球基地(或居住艙)等配置支持DTN 協(xié)議的網(wǎng)關(guān)路由設(shè)備，利用BP 束協(xié)議將地基空間/月基空間子網(wǎng)、地球中繼/月球中繼子網(wǎng)、地月空間主干網(wǎng)等不同的鏈路層和傳輸層協(xié)議整合起來。

考慮地面已經(jīng)廣泛應(yīng)用和未來月表可能廣泛應(yīng)用的TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系，在地球空間和月球空間采用IP over AOS 協(xié)議體系，能夠最大程度兼容現(xiàn)有地面測(cè)控體系和航天器測(cè)控體制，利用IP 報(bào)文支持單播、組播、廣播通信模式，也為未來月球基地建設(shè)保留最大的兼容性，這也符合未來地月空間網(wǎng)絡(luò)漸進(jìn)演化建設(shè)的設(shè)計(jì)思想。

因此，在地月空間傳輸采用DTN 協(xié)議體系，通過BP 協(xié)議統(tǒng)一應(yīng)用層協(xié)議，通過AOS 協(xié)議統(tǒng)一鏈路層協(xié)議，地月間通過DTN 協(xié)議組成深空通信網(wǎng)絡(luò)將地球及月球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)有機(jī)互聯(lián)。

為了地月空間可靠組網(wǎng)，在地月通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用多網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即在地球空間區(qū)域網(wǎng)中以深空地面站和地球?qū)υ轮欣^衛(wèi)星作為DTN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在月球空間區(qū)域網(wǎng)中以月球中繼衛(wèi)星和月球基地作為DTN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，地月網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交叉互連構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了組網(wǎng)的可靠性。在該拓?fù)浼軜?gòu)下，既有效避免了單網(wǎng)關(guān)的單點(diǎn)故障失效，又增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨航天器軌道運(yùn)行變化的適應(yīng)能力，提高了網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋性和可靠性。地月空間通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7 所示，三角符號(hào)表示DTN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

圖7 地月空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology structure of Cislunar space network

3.3 基于DTN 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸

基于DTN 協(xié)議由地面用戶應(yīng)用端至月球或月面用戶應(yīng)用端網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖如圖8 所示。 由圖8 可見，BP 作為覆蓋層協(xié)議將基于TCP 網(wǎng)絡(luò)、基于UDP 網(wǎng)絡(luò)、基于LTP 網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)[16]，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的路由管理保證了這種動(dòng)態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下跨越不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)逐跳傳遞的可靠傳輸。

圖8 基于DTN 協(xié)議的地月空間數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.8 Schematic diagram of cislunar space data transmission based on DTN protocol

4 仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果

4.1 傳輸需求與系統(tǒng)組成

以載人月球探測(cè)任務(wù)為例，地月空間信息系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要是遙控?cái)?shù)據(jù)、遙測(cè)數(shù)據(jù)、話音、圖像視頻多媒體數(shù)據(jù)等。 根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)月球探測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其屬性設(shè)計(jì)如表1 所示。 其中，對(duì)于有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)包，若5 s 內(nèi)無法完成端到端的遞交，則視為傳輸失敗。

表1 信息傳輸需求Table 1 Information transmission requirements

地月空間信息系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是基于月球中繼衛(wèi)星星座方案而構(gòu)建，按照載人月球探測(cè)任務(wù)最終全月覆蓋的目標(biāo)，本文選擇六星雙圓極軌道的星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)仿真，并對(duì)相應(yīng)的雙星單圓極軌道、三星單圓極軌道、四星雙圓極軌道等星座結(jié)構(gòu)同樣進(jìn)行組網(wǎng)仿真與比較。 不同星座方案如表2 所示。

表2 月球中繼星座方案Table 2 Scheme of Lunar relay constellation

地基單元選擇佳木斯、喀什、南美3 個(gè)深空站，地球中繼單元選擇一顆GEO 高軌衛(wèi)星。 月球空間用戶節(jié)點(diǎn)分別位于月球赤道300 km 軌道、月球赤道表面、月球南極表面、月球背面表面，分別代表月軌飛行器、航天員或月面探測(cè)器等。

假設(shè)中繼衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)包的最大可用存儲(chǔ)空間為200 M，通信鏈路為Ka 頻段，最大帶寬為155 Mbps，且一個(gè)中繼月球衛(wèi)星在同一波束內(nèi)最多與4 個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信。

4.2 仿真指標(biāo)設(shè)計(jì)

4.2.1 連通性

選取端到端最大不可見時(shí)間這一指標(biāo)衡量中繼星座架構(gòu)連通性。 單個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)某一時(shí)刻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，在不考慮鏈路帶寬、節(jié)點(diǎn)最大連接數(shù)量、存儲(chǔ)能力等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，僅考慮鏈路通斷性的前提下，最快可完成遞交的時(shí)間即該節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)在這一時(shí)刻的端到端最大不可見時(shí)間。 某一月球空間用戶節(jié)點(diǎn)在一個(gè)月球公轉(zhuǎn)周期中的所有時(shí)刻，與所有有潛在通信需求的地球空間用戶節(jié)點(diǎn)的端到端最大不可見時(shí)間，即該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)仿真周期中的端到端最大不可見時(shí)間。 月球空間用戶各節(jié)點(diǎn)在整個(gè)仿真周期中的端到端最大不可見時(shí)間如圖9 所示。

圖9 端到端最大不可見時(shí)間Fig.9 End to end connectivity

由仿真結(jié)果可知，兩星極圓軌道與三星極圓軌道對(duì)月球赤道節(jié)點(diǎn)的覆蓋性差，存在一個(gè)約兩天半的連續(xù)不可見時(shí)間段。 除此之外，各星座構(gòu)型下各節(jié)點(diǎn)的端到端最大不可見時(shí)間均小于2 h。在另外兩種中繼星座構(gòu)型下，月球赤道節(jié)點(diǎn)的端到端最大不可見時(shí)間也明顯高于其他節(jié)點(diǎn)。 故本文仿真在處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)時(shí)，將月球赤道節(jié)點(diǎn)與其他月球空間用戶節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能分開分析。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)性能

選取遞交率、平均延遲、最大緩存占用量3 個(gè)指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)性能。 遞交率指在數(shù)據(jù)包生存期內(nèi)成功送達(dá)至目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)量與計(jì)劃發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比。 平均延遲指成功送達(dá)至目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與該數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時(shí)間的延遲。 最大緩存占用量指某類節(jié)點(diǎn)在1 個(gè)月球周期中緩存量使用最多的時(shí)刻下的緩存使用量。 若最大緩存占用量小于預(yù)設(shè)的緩存容量，則說明在該場(chǎng)景下可優(yōu)化節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力，減少成本。

通常延遲包含節(jié)點(diǎn)處理延遲、排隊(duì)延遲、存儲(chǔ)攜帶延遲、傳輸延遲、傳播延遲5 部分。 節(jié)點(diǎn)處理延遲指路由器對(duì)到達(dá)的分組進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)等處理的時(shí)間，通常在毫秒量級(jí)，故可忽略不計(jì)。 排隊(duì)延遲、存儲(chǔ)攜帶延遲、傳輸延遲根據(jù)仿真中實(shí)際等待情況進(jìn)行計(jì)算。 傳播延遲指分組從某一節(jié)點(diǎn)發(fā)出后，到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。 假設(shè)地月平均距 離 約 為3.84 × 105km， 光 的 傳 播 速 度 為3.0×105km，故地月節(jié)點(diǎn)間的傳播延遲約為1.28 s，月球節(jié)點(diǎn)與繞月衛(wèi)星的傳播延遲約為0.02 s。

4.3 仿真結(jié)果分析

4.3.1 遞交率

數(shù)據(jù)包的遞交率如圖10 所示。 同一中繼星座構(gòu)型下非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包因節(jié)點(diǎn)可攜帶的時(shí)間較長，遞交率高于實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包，體現(xiàn)了DTN 存儲(chǔ)-攜帶機(jī)制的優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)-攜帶增加了節(jié)點(diǎn)緩存中實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率隨非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包生存期時(shí)長的增加而略微下降。

圖10 數(shù)據(jù)包遞交率Fig.10 Delivery rate of packets

隨著非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包生存期的增加，非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的遞交率有較為明顯的上升。 四星雙圓極軌道星座構(gòu)型下，當(dāng)非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包生存期為60 min 時(shí)，月球赤道節(jié)點(diǎn)的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率與六星雙圓極軌道星座構(gòu)型相差約2.4%，其他節(jié)點(diǎn)相差約1%，實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率分別相差約11.1%、7.6%。 考慮到六星雙圓極軌道構(gòu)型的實(shí)現(xiàn)成本較高，從遞交率角度來說，若允許適當(dāng)降低對(duì)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的通信需求，四星雙圓極軌道構(gòu)型在遞交率性能上可替代六星雙圓極軌道星座構(gòu)型。 同理，若不考慮對(duì)月球赤道節(jié)點(diǎn)的支持，在非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包生存期為60 min 時(shí)，三星單圓極軌道星座構(gòu)型的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率僅比四星雙圓極軌道星座構(gòu)型低約3.4%，非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率低約1.9%，故該中繼星座構(gòu)型可在不考慮支持月球赤道節(jié)點(diǎn)通信需求時(shí)，作為四星雙圓極軌道星座構(gòu)型的一個(gè)最小系統(tǒng)替代方案。

4.3.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

數(shù)據(jù)包的平均延遲如圖11 所示。 由于中繼節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包超時(shí)情況下，會(huì)將實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包丟棄，故延遲較大的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包無法到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，因此4 種架構(gòu)下的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包平均延遲均在1.33～1.38 s 之間，相差不大。 對(duì)于非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包，其平均延遲隨著中繼星座的覆蓋性與允許攜帶數(shù)據(jù)包時(shí)長的增加而增加。 由于各中繼星座構(gòu)型對(duì)月球赤道節(jié)點(diǎn)的覆蓋率相對(duì)其他節(jié)點(diǎn)均較差，故月球赤道節(jié)點(diǎn)的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包平均延遲均高于同一場(chǎng)景下的其他節(jié)點(diǎn)，但總體上均小于10 min。 由實(shí)際通信需求對(duì)比可知，實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包平均約1.35 s 左右的延遲與非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包平均不到10 min 的延遲，在實(shí)際通信中均屬于可接受的延遲范圍。

圖11 數(shù)據(jù)包平均延遲Fig.11 Average delay of packets

4.3.3 最大緩存占用量

節(jié)點(diǎn)最大緩存占用量如圖12 所示。 當(dāng)月球空間用戶節(jié)點(diǎn)無可用鏈路，且所采集的數(shù)據(jù)包未超出其生存期時(shí)，需將這些數(shù)據(jù)包暫時(shí)存儲(chǔ)于緩存中。 在非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的生存期小于等于60 min時(shí)，月球節(jié)點(diǎn)所需的緩存能力實(shí)際不足10 G。 即可根據(jù)仿真所得結(jié)果對(duì)月球空間用戶的緩存設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以使用更低成本的硬件設(shè)備達(dá)到同樣的網(wǎng)絡(luò)通信性能。 在六星雙圓極軌道星座構(gòu)型場(chǎng)景中，由于衛(wèi)星對(duì)月球的覆蓋率足夠高，通信資源足夠多，故對(duì)月球空間用戶節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力需求較低。 在考慮中繼星座構(gòu)型優(yōu)化、替換方案時(shí)，需對(duì)應(yīng)地提升月球空間用戶節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力。 對(duì)于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)月球周期內(nèi)的各類場(chǎng)景下，其最大緩存能力均達(dá)到200 Mb。

圖12 節(jié)點(diǎn)平均緩存占用量Fig.12 Average buffer usage of nodes

5 結(jié)論

本文分析了地月空間組網(wǎng)通信的特點(diǎn)，基于地月空間通信鏈路，形成了地月空間組網(wǎng)方案，以基于DTN 協(xié)議體系作為地月空間信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信的主要協(xié)議架構(gòu)，同時(shí)兼顧C(jī)CSDS 協(xié)議棧及TCP/IP 協(xié)議棧的AOS 協(xié)議、IP 協(xié)議。 根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，對(duì)于不同的月球中繼衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了投遞率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、用戶節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力等性能指標(biāo)仿真分析，結(jié)論如下:

1) 六星雙圓極軌道星座構(gòu)型可同時(shí)為月背、月球南極、月球赤道、環(huán)月飛行器等用戶節(jié)點(diǎn)從通信網(wǎng)絡(luò)性能上提供較好的支持，各類數(shù)據(jù)包的遞交率、延遲及對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力要求等性能指標(biāo)均較好。 但該中繼星座構(gòu)型所需發(fā)射的衛(wèi)星較多，成本高。

2) 四星雙圓極軌道星座構(gòu)型可作為六星雙圓極軌道星座構(gòu)型從成本上優(yōu)化替代方案。 其實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包遞交率比后者略有降低，同時(shí)非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包的延遲與對(duì)月球用戶節(jié)點(diǎn)的緩存能力要求有所提高，但均在可接受范圍內(nèi)。 該中繼星座軌道構(gòu)型少使用了兩顆衛(wèi)星，降低了成本。

3) 在月球赤道表面節(jié)點(diǎn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能需求不高時(shí)，三星單圓極軌道星座構(gòu)型可作為四星雙圓極軌道星座構(gòu)型在成本上優(yōu)化的替代方案。同時(shí)，該構(gòu)型比后者少使用了一顆衛(wèi)星，同樣降低了成本。