專利名稱：面向高頻段信道預(yù)測的cfdp協(xié)議傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法。
背景技術(shù)：
深空通信具有大時延、鏈路易中斷、上下行鏈路非對稱、信噪比極低等特點。針對以上深空通信的問題，空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(CCSDS Consultative committee for SpaceData Systems)采取存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)交互，并且在星上使用大容量存儲器來暫存這些數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)都是以文件的形式存在星上。CCSDS提出并制定CFDP協(xié)議(CCSDSFile Delivery Protocol)的目的是為了保證在復(fù)雜的深空環(huán)境中可靠地傳輸文件。對于深空傳輸我們采用Ka波段。采用高頻段是由于我國Ka波段基礎(chǔ)理論研究已經(jīng)比較深入，毫米波頻段大中型天線系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)已成熟。高波段具有可用頻帶寬、空間干擾小等特點與低頻段相比，毫米波頻段具有很強的抗閃爍能力等優(yōu)勢，因而在軍事通信等領(lǐng)域受到高度重視，也是未來寬帶衛(wèi)星通信使用頻段發(fā)展的重要方向。深空通信信道可以建模為理想的信道，其頻帶資源相對充足，而有限的星上設(shè)備總量、尺寸、長傳輸距離使得其功率資源嚴重受限。深空通信的信道與地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的信道類型不同，深空通信信道(自由空間段)是一種很理想的信道深空通信信道與無記憶的高斯信道(AWGN)非常相似。在Ka波段信道建模CFDP傳輸時延的分析中可知，Ka波段的狀態(tài)取決于大氣熱噪聲溫度，這是由溫度決定的。成功率收到壞天氣狀態(tài)的影響較大。雖然精確的天氣狀態(tài)特征并不詳細，但是一個簡單的模型還是能夠描述Ka波段的主要特性以及CFDP協(xié)議的性能，這些都是通過對于傳輸誤碼率主要來源的大氣熱噪聲的估計。在我們的模型中，我們定義了一個誤碼率門限PJ約為10_5)，這是為了區(qū)分“好”與“壞”兩種天氣狀態(tài)。如果接受數(shù)據(jù)包的誤碼率高于門限值，我們認為這時是壞的天氣狀態(tài)，通信系統(tǒng)有較大的誤碼率。當接受數(shù)據(jù)包的誤碼率低于門限值時，我們認為這時是好的天氣狀態(tài)，大部分被傳送的數(shù)據(jù)包都會成功的被接收。為了研究CFDP協(xié)議性能中的時延，我們提出2狀態(tài)的馬爾科夫鏈模型來研究天氣的狀態(tài)的相關(guān)性。在這個研究過程中，我們有一些限制和假設(shè)我們用一個可變的加性高斯白噪聲信道來模擬每一個天氣狀態(tài)下的不同比特誤碼率(BER)。這樣的信道也稱為吉爾伯特信道。這個信道有為“好”與“壞”兩個天氣狀態(tài)，是通過一個特定的門限值來區(qū)分的。在“好”狀態(tài)下，大部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都能過被成功的接收。而在“壞”狀態(tài)下，接收天線的高噪聲溫度將引起大部分數(shù)據(jù)包的傳送錯誤。而且，2種不同的誤碼率分別適用于好壞2種天氣狀態(tài)。TCP/IP協(xié)議在因特網(wǎng)(Internet)是在背景下，以帶寬無限大、低延遲、低誤碼率、連續(xù)通信等假設(shè)條件下建立的，TCP連接的建立需要發(fā)送雙方先通過握手協(xié)商，即正式開始文件數(shù)據(jù)傳輸至少需要進行一次往返傳播。特點是能無縫兼容地面因特網(wǎng)。
空間數(shù)據(jù)咨詢委員會的文件傳輸協(xié)議(CFD P, CCSDS File Delivery Protocol)主要目標是為解決空間鏈路中使用文件傳輸協(xié)議遇到的各種問題，保證該協(xié)議標準正常應(yīng)用在多跳文件傳輸環(huán)境中，使得星際航天器可以使用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與地面控制站之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CFDP協(xié)議最大的特點是運行于確認傳輸模式時，其使用的自動重傳機制與傳統(tǒng)的ARQ相比，對大多數(shù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，Protocol Data Unit)需要的是否認確定信息(NAK,Negative ACK)而不是確認信息(ACK, Acknowledgment),根據(jù)選擇的確認算法檢測接收數(shù)據(jù)的錯誤通過發(fā)送NAK否認確定信息請求重傳，只在確認發(fā)送結(jié)束(EOF PDU, End ofFile PDU)和鏈路關(guān)閉(FIN PDU, Finish PDU)時使用ACK信息。CFDP協(xié)議能夠獲取更高的吞吐量并降低鏈路開銷。 深空通信與傳統(tǒng)地面通信有巨大的差別，它所特有的動態(tài)長延時、高誤碼率、間斷可用鏈路、不對稱信道等特點，使得TCP/IP協(xié)議直接應(yīng)用到深空通信系統(tǒng)中會出現(xiàn)很多問題。首先，深空通信中傳播延時巨大，例如火星到地球的往返延遲根據(jù)星體的軌道位置不同通常在8. 5到40分鐘之間，如果往返延遲大于通信持續(xù)時間，那么應(yīng)用數(shù)據(jù)根本沒有傳輸?shù)臋C會。其次，上行與下行鏈路的信息速率不對稱對TCP的吞吐量影響非常大。其次，TCP協(xié)議分辨擁塞和數(shù)據(jù)丟失的策略決定其吞吐量隨往返傳播時延及信息丟失概率的增加而迅速惡化。TCP協(xié)議通過ARQ機制保證按順序發(fā)送文件信息，任一丟失的數(shù)據(jù)包將引起該數(shù)據(jù)包之后的所有數(shù)據(jù)重新發(fā)送。深空信道的誤碼率(BER)通常比地面信道的誤碼率大，典型的深空通信誤碼率為10_5，且由于星體軌道運行對探測器的遮擋，深空通信鏈路會產(chǎn)生周期性中斷。再次，TCP協(xié)議的差錯檢測和恢復(fù)策略不適合深空高誤碼率環(huán)境(I)TCP協(xié)議通過重傳定時器計時溢出對數(shù)據(jù)包的丟失進行判斷；(2)TCP協(xié)議無法區(qū)分數(shù)據(jù)包丟失的原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞還是信道誤碼，TCP協(xié)議主要通過降低報文發(fā)送速率以避免擁塞的策略來處理誤碼。此外，吞吐量會隨著確認信息(ACK, Acknowledge Character)的丟失進一步惡化。由于TCP協(xié)議是基于端到端重傳的協(xié)議，緩存只有在接收端向發(fā)送端確認正確接收所有信息后才會釋放用于重傳的通信資源；傳輸過程丟失的信息需要重傳，進一步延長資源占用緩存的時間，不適用于對于緩存空間和處理能力有限的深空探測器。最后，TCP/IP的路由協(xié)議對于深空通信操作環(huán)境未來的可能路由缺乏預(yù)見性。深空通信環(huán)境很難對時間間隔做出準確預(yù)測，因此對狀態(tài)信息更新時間間隔的預(yù)測準確性很敏感的分布式路由算法不適合。CCSDS文件傳輸協(xié)議(CFDP)是在TCP/IP在空間網(wǎng)絡(luò)通信中使用效率較低的背景下產(chǎn)生的。不同于TCP/IP，CFDP是一個面向傳輸?shù)膽?yīng)用層通信協(xié)議，同時集成了 OSI傳輸層協(xié)議功能，解決了其他FTP改進協(xié)議不能客服的問題。CCSDS為CFDP協(xié)議制定了四種模式立即NAK CFDP協(xié)議，異步NAK CFDP協(xié)議，觸發(fā)NAK CFDP協(xié)議和延時NAK CFDP協(xié)議。CFDP的具體工作機制是ACK和NAK混合應(yīng)答，其具體工作過程首先，發(fā)送端將要發(fā)送的文件按協(xié)議格式分成數(shù)據(jù)包(PDU)的形式，這些數(shù)據(jù)包(PDU)中包括文件名稱、文件的大小、源和目的ID等信息且無確認信息的元數(shù)據(jù)(MPDU Meta-data PDU)在內(nèi)的所有PDU ;然后，發(fā)送端發(fā)送MPDU給接收方，隨即發(fā)送數(shù)據(jù)H)U ；當最后一個PDU發(fā)送出去后，發(fā)送端立即發(fā)送一個文件結(jié)束指令(EOF)給接收端，接收端收到EOF后，返回一個結(jié)束確認指令(EOF ACK)給發(fā)送端，并統(tǒng)計那些數(shù)據(jù)包丟失；最后，接收端發(fā)送否定確認指令(NAK)給發(fā)送端，告知發(fā)送端需要重傳的數(shù)據(jù)包。發(fā)送端接到NAK后開始對丟失的數(shù)據(jù)包進行重傳，重傳重復(fù)上述過程，直到所有的數(shù)據(jù)包全部傳送成功。此時，接收端發(fā)送傳送結(jié)束指令(FIN)給發(fā)送端，發(fā)送端返回確認指令(FIN ACK)。當接收端成功收到FIN ACK，鏈路關(guān)閉，即結(jié)束整個數(shù)據(jù)包的傳輸過程。
由前面已經(jīng)分析過的深空環(huán)境的特點可知，在場景變換，例如，鏈路斷續(xù)導(dǎo)致的誤碼率高等時，延遲否定型CFDP的一個特點也是嚴重的缺點就是為了保證在壞的環(huán)境下繼續(xù)達到文件傳輸?shù)目煽啃裕瑫煌７答佒貍鳎@就會導(dǎo)致傳輸時延大，嚴重影響文件的傳輸效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，用于將文件由發(fā)送端火星發(fā)送至接收端地球，包括以下步驟步驟a，對信道狀態(tài)進行預(yù)測；步驟b，基于步驟a中的對信道狀態(tài)的預(yù)測發(fā)送文件，當信道狀態(tài)為好時，發(fā)送端 正常發(fā)送文件到接收端，當信道狀態(tài)為壞時，發(fā)送端對文件傳輸時間進行判斷，如果文件傳輸?shù)臅r間大于20分鐘,發(fā)送端將等待20分鐘,然后發(fā)送文件,如果文件傳輸時間小于20分鐘，發(fā)送端直接發(fā)送文件。本發(fā)明的進一步改進為，所述步驟a進一步包括以下步驟，步驟al，當文件開始傳輸，發(fā)送端記錄文件到達地球時的誤碼率，接收端根據(jù)這一時刻的誤碼率給出初始信道狀態(tài)；步驟a2，接收端將代表信道狀態(tài)的‘0’或‘I’碼字寫入NAK中并發(fā)送至發(fā)送端，當NAK到達發(fā)送端時，發(fā)送端通過讀取NAK中代表信道狀態(tài)的碼字獲得初始信道狀態(tài)；步驟a3，根據(jù)接收端給出初始信道狀態(tài)，推算第二信道狀態(tài)；步驟a4，通過發(fā)送端讀取的NAK檢驗第二信道狀態(tài)推算是否正確，如果第二信道狀態(tài)推算錯誤，則返回步驟al ;如果信道狀態(tài)推算正確，通過初始信道狀態(tài)及第二信道狀態(tài)預(yù)測第三信道狀態(tài)；步驟a5，根據(jù)發(fā)送端反饋的NAK修正第三信道狀態(tài)，以修正后的第三信道狀態(tài)作為下一次預(yù)測的初始信道狀態(tài)；步驟a6，重復(fù)以上步驟。本發(fā)明的進一步改進為，所述代表信道狀態(tài)的碼字‘0’或‘I’通過CCSDS白皮書規(guī)定的CFDP協(xié)議NAK數(shù)據(jù)包的預(yù)留字進行攜帶存儲。本發(fā)明的進一步改進為，所示步驟a中，初始信道狀態(tài)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩的迭代推算第二信道狀態(tài)，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
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圖I是本發(fā)明面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法的基于Ka波段信道預(yù)測原理示意圖。圖2是本發(fā)明面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法的Ka波段信道的數(shù)學(xué)模型示意3是本發(fā)明面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法的CFDP數(shù)據(jù)包包頭格式示意圖。圖4是本發(fā)明面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法的選擇等待CFDP的傳輸機制示意圖。圖5是選擇等待CFDP與延遲型CFDP的性能比較示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合

及具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。請參閱圖I至圖4，本發(fā)明提供了一種面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法。本發(fā)明的面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法針對在深空環(huán)境下文件傳輸所存在的問題，對CFDP做出了相應(yīng)的優(yōu)化和改進。首先設(shè)計了相關(guān)GE信道天氣狀態(tài)的預(yù)測方法，實現(xiàn)了較為簡單有效的信道狀態(tài)估計判斷方法，達到為數(shù)據(jù)傳輸做準備的目的。然后提出了與信道預(yù)測相匹配的選擇等待CFDP的協(xié)議優(yōu)化策略，有效的減少了文件傳輸?shù)臅r延。從而在保持CFDP原有特點的前提下，提高了文件傳輸?shù)挠行浴１景l(fā)明的面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法包括以下步驟步驟a，對信道狀態(tài)進行預(yù)測。以發(fā)送端為火星，接收端為地球為例，研究Ka波段信道狀態(tài)的預(yù)測。已知地-火數(shù)據(jù)包的單程傳輸時間為IT = 20min，火星發(fā)送數(shù)據(jù)包到地球，然后地球再發(fā)送返回控制指令到火星，這一過程所耗時間為2T。由Ka波段的性質(zhì)可知，文件傳輸過程只有在地面大氣層附近才受天氣狀態(tài)的影響，而在宇宙空間不受天氣狀態(tài)的影響，所以本發(fā)明只針對地球接收端接收(或發(fā)送)數(shù)據(jù)包時的天氣進行討論。以接收數(shù)據(jù)包誤碼率匕為門限值，當誤碼率低于于10_5時，可認為此時信道狀態(tài)為好狀態(tài)，否則為壞狀態(tài)。如下面的表達式
權(quán)利要求
1.一種面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，用于將文件由發(fā)送端火星發(fā)送至接收端地球，其特征在于包括以下步驟 步驟a，對信道狀態(tài)進行預(yù)測； 步驟b，基于步驟a中的對信道狀態(tài)的預(yù)測發(fā)送文件，當信道狀態(tài)為好時，發(fā)送端正常發(fā)送文件到接收端，當信道狀態(tài)為壞時，發(fā)送端對文件傳輸時間進行判斷，如果文件傳輸?shù)臅r間大于20分鐘，發(fā)送端將等待20分鐘，然后發(fā)送文件，如果文件傳輸時間小于20分鐘，發(fā)送端直接發(fā)送文件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，其特征在于所述步驟a進一步包括以下步驟， 步驟al，當文件開始傳輸，發(fā)送端記錄文件到達地球時的誤碼率，接收端根據(jù)這一時刻的誤碼率給出初始信道狀態(tài)； 步驟a2，接收端將代表信道狀態(tài)的‘0’或‘I’碼字寫入NAK中并發(fā)送至發(fā)送端，當NAK到達發(fā)送端時，發(fā)送端通過讀取NAK中代表信道狀態(tài)的碼字獲得初始信道狀態(tài)； 步驟a3，根據(jù)接收端給出初始信道狀態(tài)，推算第二信道狀態(tài)； 步驟a4，通過發(fā)送端讀取的NAK檢驗第二信道狀態(tài)推算是否正確，如果第二信道狀態(tài)推算錯誤，則返回步驟al ;如果信道狀態(tài)推算正確，通過初始信道狀態(tài)及第二信道狀態(tài)預(yù)測第三信道狀態(tài)； 步驟a5，根據(jù)發(fā)送端反饋的NAK修正第三信道狀態(tài)，以修正后的第三信道狀態(tài)作為下一次預(yù)測的初始信道狀態(tài)； 步驟a6，重復(fù)以上步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，其特征在于所述代表信道狀態(tài)的碼字‘0’或‘I’通過CCSDS白皮書規(guī)定的CFDP協(xié)議NAK數(shù)據(jù)包的預(yù)留字進行攜帶存儲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，其特征在于所示步驟a中，初始信道狀態(tài)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩的迭代推算第二信道狀態(tài)，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為 \P(GIG) P(BZG) ~[Ρ( / ) Ρ{Β!Β)_ I - /Ig Ag _ Ub_
全文摘要
本發(fā)明提供一種面向高頻段信道預(yù)測的CFDP協(xié)議傳輸方法，用于將地-火文件由發(fā)送端火星發(fā)送至接收端地球，包括以下步驟，步驟a，對信道狀態(tài)進行預(yù)測；步驟b，基于步驟a中的對信道狀態(tài)的預(yù)測，當信道狀態(tài)為好時，發(fā)送端正常發(fā)送文件到接收端，當信道狀態(tài)為壞時，發(fā)送端對文件傳輸時間進行判斷，如果文件傳輸?shù)臅r間大于20分鐘，發(fā)送端將等待20分鐘，然后發(fā)送文件，如果文件傳輸時間小于20分鐘，發(fā)送端直接發(fā)送文件。
文檔編號H04L1/16GK102624927SQ20121011547
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者張欽宇, 楊志華, 焦健, 鄭秋平 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院