基于DTN的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)拓撲分析

余 果，董振興，趙蔚宸，朱 巖

(1.中國科學院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室，北京100190；2.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049)

1 引言

為支撐日益增多的深空探測任務(wù)，美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度以及中國等航天大國相繼建設(shè)了地面測控站并組建了深空網(wǎng)(Deep Space Network，DSN)，以實現(xiàn)對航天器的跟蹤、導(dǎo)航與通信等[1-2]。同時，隨著航天科技的發(fā)展和探測成本的降低，越來越多的中小型國家開始計劃深空探索項目，但面臨著地面測控站、深空網(wǎng)等硬件支撐設(shè)施的制約。為促進深空探索的發(fā)展，向深空探測新入者提供一個平等的機會，中科院空間中心吳季等人提出了一種通用行星際通信網(wǎng)絡(luò)(Universal Interplanetary Communication Network，UNICON)，旨在為未來深空探測用戶提供一種低成本、高效率、高可靠的中繼通信服務(wù)。對于該網(wǎng)絡(luò)，判斷其拓撲設(shè)計合理性及應(yīng)用價值是開展后續(xù)研究工作的基礎(chǔ)。

由于容忍延遲/中斷網(wǎng)絡(luò)(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)[3]是美國國家航空與航天管理局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出的一種專門適用于具有大延遲、高誤碼、鏈路中斷等特性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，在深空通信網(wǎng)絡(luò)場景中應(yīng)用廣泛[4-6]，因此本文采用DTN作為UNICON網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。對于基于DTN的空間通信網(wǎng)絡(luò)，文獻[7]對DTN網(wǎng)絡(luò)在地火通信場景下的協(xié)議性能進行了分析，建立了LTP(Licklider Transmission Protocol，LTP)協(xié)議傳輸性能模型；文獻[8]對DTN協(xié)議體系在低軌道(Low-Earth orbit，LEO)衛(wèi)星通信環(huán)境中的性能進行了分析；文獻[9]考慮了DTN協(xié)議體系在地球同步軌道衛(wèi)星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)通信場景中的適應(yīng)性，得出LTP協(xié)議更適用于GEO通信場景的結(jié)論；文獻[10]在基于GEO中繼的國際空間站(International Space Station，ISS)與地球通信的場景下，分析了鏈路中斷對DTN協(xié)議體系性能的影響。以上研究主要集中在兩跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮喕W(wǎng)絡(luò)場景下的特定協(xié)議的性能研究，而忽略了多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜網(wǎng)絡(luò)場景的研究，而且由于關(guān)注的通信場景較為簡單且均已在空間中有所部署，目前還沒有對網(wǎng)絡(luò)的拓撲合理性及應(yīng)用價值進行評估的DTN研究。

針對以上問題，提出基于網(wǎng)絡(luò)拓撲性能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)評價方法，并應(yīng)用于新構(gòu)建的UNICON網(wǎng)絡(luò)，對其進行評估。

2 UNICON網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.1 UNICON深空通信網(wǎng)絡(luò)

通用行星際通信網(wǎng)絡(luò)UNICON由6顆通信衛(wèi)星組成，被均勻部署在地球軌道和火星軌道之間的日心軌道上，軌道半長軸為1.455AU，其星座軌道位置如圖1。

圖1 UNICON星座軌道位置圖

基于UNICON的深空通信網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱UNICON網(wǎng)絡(luò))由航天器和地面站兩部分組成。航天器部分包括UNICON星座和GEO星座，其中UNICON星座為金星軌道至主小行星帶范圍內(nèi)的探測任務(wù)提供通信和測控服務(wù)，GEO星座為UNICON星座和地面站之間提供中繼服務(wù)。地面站部分主要是地面控制中心，為用戶衛(wèi)星提供服務(wù)、向用戶衛(wèi)星上傳任務(wù)、對UNICON衛(wèi)星實施操控。

2.2 深空通信網(wǎng)絡(luò)場景搭建

以火星探測任務(wù)為例，使用衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit，STK)搭建地火通信仿真模型。設(shè)計地火通信場景為：火星——UNICON——GEO——地球，選擇1個火星探測器(“奧德賽”火星探測器)、6顆UNICON衛(wèi)星、2顆GEO衛(wèi)星(歐洲衛(wèi)星公司的SES-2、SES-5)和2個地面站(Kashi、Santiago)作為通信節(jié)點搭建網(wǎng)絡(luò)場景，仿真時間為1 Jan 2020 00:00:00.000 (UTCG)至1 Jan 2021 00:00:00.000(UTCG)。

3 網(wǎng)絡(luò)拓撲性能分析

網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能是網(wǎng)絡(luò)部署的基礎(chǔ)和依據(jù)，因此設(shè)計將網(wǎng)絡(luò)拓撲性能視作網(wǎng)絡(luò)評價指標之一。

深空通信場景具有鏈路中斷的特點，這使得深空通信的有效鏈路資源極為寶貴，而有效鏈路的持續(xù)時間組成了網(wǎng)絡(luò)可通信時間，因此網(wǎng)絡(luò)可通信時間可作為評價網(wǎng)絡(luò)拓撲性能的指標之一。同時，隨著探測任務(wù)的日趨復(fù)雜，任務(wù)中所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨之增大，對深空通信網(wǎng)絡(luò)的通信容量的要求也隨之升高，因此將網(wǎng)絡(luò)通信容量也作為衡量網(wǎng)絡(luò)拓撲性能的重要指標。此外，長時延是深空通信場景的另一大特點，這為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC提出了極大挑戰(zhàn)，因此對一種網(wǎng)絡(luò)拓撲的傳輸時延進行分析也尤為重要。由此，本文從網(wǎng)絡(luò)可通信時間、網(wǎng)絡(luò)通信容量和網(wǎng)絡(luò)時延三個方面，對不同網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能進行綜合評價分析。

2.2節(jié)搭建的UNICON網(wǎng)絡(luò)場景中包含四種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲：探測器——地面站、探測器——UNICON——地面站、探測器——GEO——地面站、探測器——UNICON——GEO——地面站。利用STK搭建地火通信場景，根據(jù)各個鏈路的持續(xù)時間和距離狀況，對以上四種網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能進行分析。

3.1 網(wǎng)絡(luò)可通信時間

對于一種網(wǎng)絡(luò)拓撲，只要存在一條非UNICON星座內(nèi)的通信鏈路有效，此時的該網(wǎng)絡(luò)便是可通信的，以此標準進行網(wǎng)絡(luò)可通信時間的分析。

經(jīng)STK仿真得到的鏈路持續(xù)時間及鏈路距離狀況分析，可以得到不同網(wǎng)絡(luò)拓撲在2020年內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)可通信時間，如圖2，其中可通信時間以網(wǎng)絡(luò)可通信時間在2020年一年之中所占百分比表示。

圖2 2020年不同網(wǎng)絡(luò)拓撲的網(wǎng)絡(luò)可通信時間

由圖2可知，包含GEO星座的網(wǎng)絡(luò)拓撲比不包含GEO星座的網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)絡(luò)可通信時間更長，可實現(xiàn)全年不間斷通信，即GEO星座的存在保證了地面站無論何時都有機會接收到來自探測器的數(shù)據(jù)。因此從網(wǎng)絡(luò)可通信時間方面分析，探測器——GEO——地面站以及探測器——UNICON——GEO——地面站的網(wǎng)絡(luò)拓撲比另外兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能更好。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信容量

(1)

Ck=ratek×T

(2)

一個網(wǎng)絡(luò)在時間T內(nèi)的通信容量由組成網(wǎng)絡(luò)的不同鏈路中最小的鏈路容量所決定[11]，因此整個網(wǎng)絡(luò)的通信容量計算如下

C=min(C1，C2，C3，…，Ck)

(3)

各個鏈路的鏈路距離和最遠距離時的數(shù)據(jù)速率見表1，由此可得各個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在2020年的通信容量，如圖3。

表1 各鏈路的鏈路距離及數(shù)據(jù)速率

圖3 2020年不同網(wǎng)絡(luò)拓撲的通信容量

由圖3可知，探測器——UNICON——GEO——地面站的網(wǎng)絡(luò)拓撲在2020年內(nèi)的通信容量為1816.85Gbit，在四種網(wǎng)絡(luò)拓撲中具有最大通信容量。因此從通信容量方面分析，探測器——UNICON——GEO——地面站網(wǎng)絡(luò)拓撲較其它三種網(wǎng)絡(luò)拓撲性能更優(yōu)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)時延

在深空通信場景中，由于鏈路的大時延特性，排隊時延和處理時延相對傳播時延數(shù)值較小，暫不考慮[5]，因此對網(wǎng)絡(luò)時延的分析只包含對傳輸時延和傳播時延的分析。

由STK仿真得出的距離信息和表1中的數(shù)據(jù)速率信息，可計算出不同網(wǎng)絡(luò)拓撲下從火星向地球傳輸一張512*512RGB圖像的總時延，如圖4。

由圖4可知，傳輸圖像時，探測器——GEO——地面站的網(wǎng)絡(luò)拓撲用時最長，其它三種網(wǎng)絡(luò)拓撲的最小時延相差不大。由此可知UNICON星座的加入有效地改善了探測器——GEO星座間的鏈路，而該星座的加入造成的最大時延增大主要是由于中繼鏈路數(shù)量增加。

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)拓撲傳輸512*512RGB圖像的傳輸時延

綜上所述，探測器——UNICON——GEO——地面站的網(wǎng)絡(luò)拓撲，含有GEO星座，符合依據(jù)網(wǎng)絡(luò)可通信時間分析出的優(yōu)勢網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，通信容量最大，且UNICON星座的加入縮短了探測器到GEO星座的傳輸延時。因此，針對本節(jié)提出的四種深空通信網(wǎng)絡(luò)拓撲方案，從網(wǎng)絡(luò)可通信時間、網(wǎng)絡(luò)通信容量和網(wǎng)絡(luò)時延等三個方面綜合分析，探測器——UNICON——GEO——地面站的方案為火星——地球場景深空通信網(wǎng)絡(luò)拓撲的最優(yōu)選擇。

4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力分析

復(fù)雜深空探測任務(wù)對深空通信網(wǎng)絡(luò)的通信容量提出了更高要求[12]。深空通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠在滿足深空探測任務(wù)需求的同時，保證有限的存儲器空間在最大工況下不會發(fā)生內(nèi)存溢出造成任務(wù)數(shù)據(jù)丟失[12-13]。為此，以第3節(jié)分析出的最優(yōu)構(gòu)型作為UNICON網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對UNICON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)的探測任務(wù)，分別預(yù)估所能夠提供的網(wǎng)絡(luò)通信容量和所需要的節(jié)點存儲器容量，以衡量該網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。

4.1 網(wǎng)絡(luò)通信容量

UNICON網(wǎng)絡(luò)的最小通信容量，可依據(jù)3.2節(jié)所敘述網(wǎng)絡(luò)通信容量計算方法計算得到，UNICON網(wǎng)絡(luò)各個鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送速率見表2。

表2 UNIOCN網(wǎng)絡(luò)各個鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送速率

由STK仿真場景可知UNICON網(wǎng)絡(luò)包含探測器——UNICON、UNICON——GEO、GEO——地面站三條鏈路，依據(jù)式(1)、(2)，可得三條鏈路的通信容量，將其代入式(3)可得UNICON網(wǎng)絡(luò)在時間T內(nèi)對不同深空任務(wù)所能提供的最小通信容量，其中C1_X表示X探測器——UNICON鏈路的通信容量，具體值由深空探測任務(wù)而定；tx_continue表示在總時間T內(nèi)X探測器——UNICON鏈路的持續(xù)時間，且tx_continue≤T；rateX代表X探測器——UNICON鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送速率；C2、C3分別表示UNICON——GEO、GEO——地面站鏈路的通信容量：

C(Gbit)=min(C1_x，C2，C3)

=min(ratex×tx_continune，1407.35，308812.5)

=min(ratex×tx_continune，1407.35)

(4)

將各個任務(wù)下探測器——UNICON鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送速率代入式(4)，可得對于不同服務(wù)范圍的深空探測任務(wù)，該深空通信網(wǎng)絡(luò)所能夠提供的最小通信容量，見表3。

表3 UNIOCN網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最小通信容量

4.2 中繼節(jié)點存儲器容量

中繼節(jié)點存儲器的最小容量需求可由節(jié)點內(nèi)存中可能堆積的最大數(shù)據(jù)量獲得。實際空間通信中，空間鏈路的高誤碼可能導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)丟失。由于本文的深空通信網(wǎng)絡(luò)采用的是DTN網(wǎng)絡(luò)體系，因此數(shù)據(jù)丟失所引發(fā)的只是接收節(jié)點的上一跳節(jié)點而非源節(jié)點的數(shù)據(jù)重傳。為簡便計算，將中繼節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)成功率設(shè)為α，將接收數(shù)據(jù)成功率設(shè)為β，假設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)中的每條鏈路上造成數(shù)據(jù)丟失的鏈路損傷均相同，即α=β≤1。則在時間t內(nèi)，中繼節(jié)點內(nèi)存中堆積的數(shù)據(jù)量見式(5)，其中vtransmit、vrecieve分別為本地節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送速率和接收速率，ttransmit(ttransmit≤t)、trecieve(trecieve≤t)分別為上一跳節(jié)點與本地節(jié)點、本地節(jié)點與下一跳節(jié)點的有效數(shù)據(jù)傳輸時間，Vdata_all為總數(shù)據(jù)傳輸量。

(5)

4.3 對火星探測任務(wù)的服務(wù)能力分析

以當前仍在工作的“好奇號”火星車為例，利用2.2節(jié)搭建的深空通信網(wǎng)絡(luò)場景，進行UNICON網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力分析。火星探測器選取“奧德賽”號，每當探測器從火星車上空飛過時，火星車與探測器之間最多能夠通信8分鐘，傳輸250Mbit的數(shù)據(jù)。以下分別從網(wǎng)絡(luò)通信容量和中繼節(jié)點存儲器容量進行服務(wù)能力的分析。

1)網(wǎng)絡(luò)通信容量

根據(jù)STK仿真得知，2020年內(nèi)火星車與探測器共有1800次通信，則火星車共需下傳54.93GB數(shù)據(jù)。根據(jù)式(6)，可計算出基于UNICON構(gòu)架的深空通信網(wǎng)絡(luò)在2020年內(nèi)針對以“奧德賽”為探測器的火星探測任務(wù)所能夠提供的最小通信容量，其中tMars_continue可由STK仿真得到

C=min(C1_Mars，1407.35)

=min(60×26138498.688，1407.35)

=1407.35(Gbit)=175.92(GB)

(6)

由計算結(jié)果可知，175.92GB>54.93GB，因此UNICON網(wǎng)絡(luò)為以“奧德賽”號為探測器的“好奇號”火星車提供服務(wù)時，可滿足其數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)需求。

2)中繼節(jié)點存儲器容量

本文對數(shù)據(jù)堆積量最大時所需的存儲器容量進行分析?？紤]2020年內(nèi)火星車與探測器最繁忙的一輪數(shù)據(jù)傳輸時間分布情況，如圖5。在此通信狀況下，分析式(5)可知，當β=1，即數(shù)據(jù)在理想信道上傳輸時，中繼節(jié)點內(nèi)存中所堆積的數(shù)據(jù)量最大，因此為了求得存儲器容量上限，這里僅對β=1的情況進行分析。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信最繁忙時各鏈路的數(shù)據(jù)傳輸時間分布

對于以“奧德賽”為探測器的火星探測任務(wù)，將表3中各個鏈路的最小數(shù)據(jù)速率和最大數(shù)據(jù)速率代入式(5)，可計算出UNICON網(wǎng)絡(luò)在2020年通信最繁忙時刻各個中繼節(jié)點的最大數(shù)據(jù)堆積量，以及一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后的最終數(shù)據(jù)堆積量，見表4。

表4 2020年UNICON網(wǎng)絡(luò)在最繁忙時刻各節(jié)點數(shù)據(jù)堆積量

由表4可知，當數(shù)據(jù)由“好奇號”向地面?zhèn)鬏敃r，經(jīng)過一輪網(wǎng)絡(luò)通信最繁忙時的數(shù)據(jù)傳輸，中繼節(jié)點探測器、GEO衛(wèi)星均沒有數(shù)據(jù)堆積，而只有與探測器連接的UNICON衛(wèi)星中會存在707.03Mbit的數(shù)據(jù)堆積，且只有在數(shù)據(jù)傳輸路徑為經(jīng)兩顆或三顆UNICON星轉(zhuǎn)發(fā)時，才會出現(xiàn)這樣的結(jié)果。根據(jù)STK分析可知，數(shù)據(jù)傳輸路徑為經(jīng)兩顆或三顆UNICON星轉(zhuǎn)發(fā)的最長持續(xù)時間為104天，假設(shè)這個時間段內(nèi)的每一輪數(shù)據(jù)傳輸均與網(wǎng)絡(luò)通信最繁忙時候的數(shù)據(jù)傳輸情況相同，則2020年UNICON衛(wèi)星中將會產(chǎn)生的最大數(shù)據(jù)堆積量為67.58Gbit。因此UNIOCN網(wǎng)絡(luò)為以“奧德賽”號為探測器的“好奇號”火星探測任務(wù)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)時，UNICON衛(wèi)星的星載存儲器至少需要8.5GB的容量。而當前星載存儲器容量可輕松達到Tbit級別[14-15]，完全可以滿足UNICON衛(wèi)星的存儲器容量設(shè)計需求。

5 結(jié)論

本文針對基于DTN的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)，提出了從性能及服務(wù)能力兩方面分析網(wǎng)絡(luò)拓撲的網(wǎng)絡(luò)評價方法，以此對UNICON網(wǎng)絡(luò)進行評估，主要結(jié)果如下：①在探測器——地面站、探測器——UNICON——地面站、探測器——GEO——地面站、探測器——UNICON——GEO——地面站四種網(wǎng)絡(luò)拓撲中，探測器——UNICON——GEO——地面站的網(wǎng)絡(luò)拓撲綜合性能最優(yōu)；②UNICON網(wǎng)絡(luò)的通信容量能夠滿足“好奇號”火星探測任務(wù)在2020年內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸需求；③在UNICON衛(wèi)星的星載存儲器容量大于8.5GB時即可滿足“好奇號”火星探測的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)需求，可實現(xiàn)性很高；④以上分析證實UNICON網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計合理，具有一定應(yīng)用價值，且為今后該網(wǎng)絡(luò)的部署奠定了理論基礎(chǔ)。上述結(jié)果說明提出的網(wǎng)絡(luò)評價方法能夠有效地評估未來基于DTN的復(fù)雜深空通信網(wǎng)絡(luò)的價值，一定程度上彌補了DTN研究在網(wǎng)絡(luò)拓撲評估上的不足。