0 引言

    无人机测控与信息传输系统是无人机遥控、遥测以及信息传输过程中的关键环节，无人机将平台上的各类侦察载荷、任务系统有机地联系在一起，通过测控系统视距、超视距链路实现空间与地面的信息共享；随着无人机在军事、民用领域大量使用，执行任务的多样化，空地间交互操作更加频繁，传统测控系统中采用点到点的传输方式很难满足当前及未来使用的需要，已成为制约无人机应用效能发挥的瓶颈。

    当前空间通信的发展趋势是与地面网融合，建立天地一体化的信息传输系统，实现各类航空器与地面测控、通信网的无缝连接；将航空器数据信息通过测控链路送达地面控制中心，再经由地面网络转发至用户的传统使用模式，转变为航空器与地面网络任一用户间进行端到端的通信模式^[1]。

    目前地面测控、通信网普遍采用TCP/IP协议作为数据的传输标准，网络传输协议的标准化是实现天/地基测控网一体化的核心，由于体系结构和通信协议的差异给天地一体化信息传输带来了诸多障碍。

    为适应地面以太网的快速发展，空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)在空间数据系统高级在轨系统(Advanced Orbiting Systems，AOS)建议书的基础上，针对地空间通信协议进行了多次修改和升级， 2012年9月CCSDS发布了702.1-B-1蓝皮书及相关文本，为航空器和地面系统中实现通过CCSDS空间数据链路层协议携带IP数据建立了实践规范。

    针对无人机测控与信息传输系统的特点利用CCSDS空间数据链路层协议规范来实现空地间端到端IP数据交换是本文研究的重点。

1 CCSDS协议体系结构

1.1 CCSDS空间通信协议体系结构

    CCSDS空间通信协议体系结构自下而上包括：物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。其中，每一层又包括若干个可供组合的协议^[2]。

    (1)物理层

    物理层标准包括两部分：无线射频和调制系统、Proximity-1。

    (2)数据链路层

    数据链路层定义了数据链路协议子层和同步与信道编码子层。

    数据链路协议子层包含以下四种协议：TM空间数据链路协议、TC空间数据链路协议、AOS空间数据链路协议以及Prox-1空间链路协议；同步与信道编码子层规定了在空间链路上传送数据帧的同步与信道编码方法。

    (3)网络层

    网络层实现空间数据系统的路由功能，包括：空间分组协议SPP和SCPS-NP，对以太网IPv4、IPv6分组数据进行封装后也可使用空间数据链路协议传输，与SPP、SCPS-NP可复用或独用空间数据链路。

    (4)传输层

    传输层SCPS-TP协议，向空间通信用户提供端到端传输服务；以太网TCP、UDP协议可基于网络层SCPS-NP、IPv4 或IPv6。

    (5)应用层

    应用层协议向用户提供端到端应用服务。

1.2 CCSDS链路层协议IP数据报封装建议

    IP over CCSDS是指在CCSDS空间链路层协议基础上实现IP数据的传输，CCSDS在已发布的版本中提出了三种封装方式建议^[3]：

    (1)直接帧封装方式，即将IP数据包直接放在CCSDS链路层AOS帧中传输；

    (2)CCSDS数据封装服务，这一建议使用了CCSDS封装（ENCAP）业务；

    (3)用户自定义的串行流封装。

    CCSDS链路层协议IP数据封装建议如图1所示。

    其中，直接封装方式由于不具备可操作性，在正式版本蓝皮书中已被去除。

    CCSDS数据封装服务方式需将IP数据进行拆分、封装，恢复和组装；优点是处理灵活，但对处理器资源需求较大，并且由于IP数据长度的不固定性、到达时间的随机性，CCSDS数据的成帧时延阈值设置不合理极易导致成帧时间发生抖动，带来额外的处理时延^[4]，并且由于填充数据的加入时机不恰当容易对链路带宽带来影响。

    用户自定义串行流封装方式以数据流的形式来传输IP数据，需选择一个具备快速定界、同步、恢复的算法对数据流中IP数据进行同步与恢复，优点是可使用可编程逻辑器件来高效地实现。

2 无人机测控与信息传输系统的特点

    与大型航空器测控与信息传输系统相比，除链路传输时延长、空间误码率高等类似特点外，无人机测控与信息传输系统还具有以下一些特点：

    (1)IP over CCSDS网关处理能力有限

    由于无人机设备舱体积有限以及设备小型化，低功耗的要求，对测控与信息传输系统中IP over CCSDS网关的处理能力带来了制约；

    (2)通信链路传输带宽的非对称性

    无人机测控与信息传输系统一般采用带宽较窄、高增益的前向链路进行了遥控指令的传输；采用带宽较宽的返向链路进行了遥测、宽带业务数据的传输；这种非对称链路极大地影响了TCP协议的性能，低速前向链路导致的大量返向链路ACK包的丢失，TCP协议发送窗口不断下降，随着通信链路非对称性的增加，吞吐率成指数级的下降^[5]。

    (3)时延的敏感性

    除了空间链路不可避免的传输时延，无人机要求测控与信息传输系统将遥测、侦察等各类任务数据已尽可能低的处理时延传送到地面测控通信网中，以提高对各类特情的响应速度。

3 系统设计方案

3.1 系统网络结构

    无人机测控与信息传输系统地面网和无人机内部均使用TCP/IP协议作为数据传输标准，IP over CCSDS网关配置在空间链路的两端，实现IP协议与CCSDS空间数据链路协议的转换，网关间通过CCSDS空间数据链路协议进行数据的传输。

    基于IP over CCSDS网关的无人机测控与信息传输系统网络结构如图2所示。

3.2 IP over CCSDS网关方案设计

    针对无人机测控与信息传输系统的特点，结合CCSDS链路层协议IP数据封装服务以及用户自定义数据流封装服务的优点，提出了一种性能增强IP over CCSDS网关设计方案，该方案采用了IP数据简单数据链路(Simple Data Link，SDL)协议封装方法^[6]，对空间链路IP数据进行快速封装，降低了CCSDS成帧时延、有效带宽抖动，减少了网关通用处理器资源占用率，同时也实现了地面IP数据的快速同步；利用基于ACK快速确认的TCP协议分段欺骗技术^[7]将空间传输环境部分（链路时延长、空间误码率高、链路非对称性）隔离开，提高了TCP协议在空间链路上的传输性能。

3.3 IP over CCSDS网关数据传输流程

    IP over CCSDS机载网关采用通用处理器与可编程逻辑器件相结合的方式，通用处理器主要用于维护IP数据队列、需确认的TCP数据队列，实现基于ACK快速确认的TCP协议分段欺骗算法的机载网关部分，避免机载IP网络中TCP端点发送窗口受到非对称链路以及链路误码率带来的影响；可编程逻辑器件主要实现SDL封装协议，进行IP数据的高速定界服务，对CCSDS数据链路层状态进行实时监控，需要时以SDL空闲帧进行数据填充，满足CCSDS封装服务的数据长度要求，实现IP数据的及时推送，采用简化版的CCSDS封装服务，去除IPE封装服务，去除VCDU数据封装中的定界服务，便于实现逻辑流程。

    IP over CCSDS地面网关CCSDS数据的解析是数据封装的逆过程，由可编程逻辑器件进行高速的AOS数据解封装，IP数据的定界、同步；通用处理器主要用于实现基于ACK快速确认的TCP协议分段欺骗算法的地面网关部分以及前向控制、业务IP数据的发送。

    IP over CCSDS网关数据传输流程如图3所示。

3.4 IP over CCSDS网关协议改进

3.4.1 IP数据SDL封装协议高速定界服务

    简单数据链路协议(SDL)由IETF(Internet Engineering Task Force)提出, 适用于对同步或异步传送的可变长度的IP数据进行高速定界，具有定帧速率高，检错纠错性能好等优点。

    SDL协议的帧结构如图4所示。图中PDU Length为信息域长度指示字段；PDU Length CRC为头部循环冗余校验域；Protocol域用于区分不同的网络层协议，替代CCSDS封装服务中的IPE封装服务，信息域长度为4~64 KB；FCS为帧校验序列域。当数据字段长度大于或等于4 B时，数据字段的实际长度与信息域长度指示字段相同；当数据长度小于4 B时，发送端将数据域填充到4 B，接收端根据帧头中信息域长度指示字段提取有效数据。当没有数据发送时PDU Length=0，SDL帧被称为空闲帧，接收端丢弃该帧。

    IP over CCSDS机载网关使用SDL协议对IP数据进行封装和定界，当机载网关监测到链路层流控信号为可以发送时，如SDL封装队列中的数据不满足链路层发送数据长度时，使用SDL空闲帧进行填充后立即发送，不会带来额外的时延抖动。

    IP over CCSDS地面网关采用基于CRC的捕获方法来确定SDL的帧边界，找到SDL帧的起始位置，根据PDU Length值计算出整个帧的长度，确定本帧的帧尾位置和下一帧的帧头位置，实现帧定界。

    此算法特别适合使用可编程逻辑器件来进行IP数据封装和定界，速度快、吞吐量高、可靠性好，大幅降低了网关通用处理器的资源占用率。

3.4.2 基于ACK快速确认的TCP协议欺骗技术

    基于ACK快速确认的TCP协议欺骗技术由三部分组成，包括：

    (1)机载CCSDS网关到机载设备TCP端；

    (2)机载CCSDS网关到地面CCSDS网关；

    (3)地面CCSDS 网关到地面设备TCP端。

    基于ACK快速确认的TCP协议欺骗技术组成如图5所示。

    机载网关将无人机IP网络中源端设备发送的TCP数据加入到IP数据队列中等待进行发送，并进行分类缓存，等待地面网关的ACK确认包；受链路层流控反馈信号的驱动，机载网关在TCP数据送入CCSDS封装服务接入点(SAP)后，立即生成对应TCP数据的ACK确认信息并发送到源端设备，源端设备认为当前发送的数据已经顺利送达目的端主机，立即进行后续数据的发送，实现源端设备TCP数据窗口的增长与稳定，最终与反向链路的发送带宽保持一致。

    地面网关对接收到的TCP数据分组序列号进行检测，当有不连续现象出现，认定中间序号的分组因误码而丢弃，而不是因为失序而导致。地面网关生成NACK数据包，插入前向IP数据队列中进行发送，机载网关可根据NACK数据包进行对应TCP数据立即重传；当地面网关接收到不是当前期望序列号的报文段时，如序列号小于当前期望的序列号，直接丢弃处理，如序列号大于当前期望值时，表明中间有数据段丢失，地面网关生成SACK应答包插入到前向IP数据队列中进行发送，机载网关进行重传以及非连续序列号的数据段确认，避免不必要的重传，提高传输效率。

    地面网关将接收到的目的端设备TCP数据确认包进行过滤，链路发送时刻到达时，只将目前连续、最新的TCP数据确认包插入到前向IP数据队列中进行发送，减少非对称链路前向链路的带宽占用。

    通过上述几种ACK快速确认算法，消除了链路时延长、空间误码率高、链路带宽的非对称性带来的不利影响，大幅提高返向链路TCP数据传输的吞吐量。

4 测试及性能分析

    无人机测控与信息传输系统测试环境由多台计算机以及IP over CCSDS机载、地面网关设备组成；机载端计算机用于模拟机载宽带业务，地面端计算机用于模拟地面网对无人机的测控和通信业务，机载、地面端计算机通过以太网与机载、地面网关设备相连接。通过空间链路IP over CCSDS机载、地面网关，机载端计算机使用TCP协议将模拟机载宽带业务发送到地面端计算机；地面端计算机使用TCP协议将模拟测控和通信业务发送到机载端计算机，实现机上设备与地面端网端到端数据传输。

4.1 机载网关CPU资源占用率测试

    测试中测控与信息传输系统返向链路带宽为31.2 Mb/s，机载网关通用处理器频率为400 MHz，机载端计算机模拟宽带业务IP数据发往CCSDS机载网关。对比采用CCSDS封装服务网关、改进型CCSDS封装服务性能增强网关CPU资源占用率，测试结果如图 6 所示。

    由测试结果可见，采用改进型CCSDS封装服务性能增强网关CPU资源占用率在30%左右，明显低于CCSDS封装服务机载网关约100%的CPU资源占用率，大幅节约了网关通用处理器资源。

4.2 TCP连接传输性能测试

    测试中测控与信息传输系统返向链路带宽31.2 Mb/s，前向链路带宽128 kb/s，中频连接，使用无线信道模拟器模拟空间链路时延，机载端计算机采用TCP协议，通过CCSDS机载、地面网关发送模拟宽带业务数据到地面端TCP服务器，文件大小约500 MB。对比采用CCSDS封装服务网关、改进型CCSDS封装服务性能增强网关TCP数据传输速率，测试结果如图 7所示。

    由测试结果可见，改进型CCSDS封装服务性能增强网关TCP传输速率在28 Mb/s左右，明显高于CCSDS封装服务网关约4 Mb/s 的TCP传输速率。

4.3 Ping包发送时延测试

    机载端计算机通过CCSDS机载、地面网关发送Ping包到地面端计算机，每秒发送一次，测试系统中Ping包发送处理时延。对比采用CCSDS封装服务网关（设置时延阈值3 ms）、改进型CCSDS封装服务性能增强网关（SDL封装）Ping包发送处理时延抖动，测试结果如图 8所示。

    由测试结果可见，CCSDS封装服务网关（设置时延阈值3 ms）仅传输Ping包时，由不合理的时延阈值带来3 ms左右的发送时延，Ping包与轻量数据同时传输时带来0~3 ms左右的发送时延，采用改进型CCSDS封装服务性能增强网关（SDL封装）仅传输Ping包时或与轻量数据同时传输时，Ping包发送时延在0~0.4 ms之间，网络传输处理时延抖动较低。

5 结语

    本文将无人机测控与信息传输系统的特点与CCSDS建议中IP over CCSDS链路层协议实现方式相结合，提出并实现了一种改进型CCSDS封装服务性能增强网关，将无人机机上设备与地面测控、通信网无缝连接，搭建了天地一体化信息传输的桥梁，实现了端到端的数据交换。测试结果表明，采用该技术能较好地降低IP over CCSDS网关通用处理器资源，降低CCSDS成帧处理时延，极大地提高TCP 协议在空间链路上的传输效率。

参考文献

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