0 引言

    無人機測控與信息傳輸系統是無人機遙控、遙測以及信息傳輸過程中的關鍵環節，無人機將平臺上的各類偵察載荷、任務系統有機地聯系在一起，通過測控系統視距、超視距鏈路實現空間與地面的信息共享；隨著無人機在軍事、民用領域大量使用，執行任務的多樣化，空地間交互操作更加頻繁，傳統測控系統中采用點到點的傳輸方式很難滿足當前及未來使用的需要，已成為制約無人機應用效能發揮的瓶頸。

    當前空間通信的發展趨勢是與地面網融合，建立天地一體化的信息傳輸系統，實現各類航空器與地面測控、通信網的無縫連接；將航空器數據信息通過測控鏈路送達地面控制中心，再經由地面網絡轉發至用戶的傳統使用模式，轉變為航空器與地面網絡任一用戶間進行端到端的通信模式^[1]。

    目前地面測控、通信網普遍采用TCP/IP協議作為數據的傳輸標準，網絡傳輸協議的標準化是實現天/地基測控網一體化的核心，由于體系結構和通信協議的差異給天地一體化信息傳輸帶來了諸多障礙。

    為適應地面以太網的快速發展，空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)在空間數據系統高級在軌系統(Advanced Orbiting Systems，AOS)建議書的基礎上，針對地空間通信協議進行了多次修改和升級， 2012年9月CCSDS發布了702.1-B-1藍皮書及相關文本，為航空器和地面系統中實現通過CCSDS空間數據鏈路層協議攜帶IP數據建立了實踐規范。

    針對無人機測控與信息傳輸系統的特點利用CCSDS空間數據鏈路層協議規范來實現空地間端到端IP數據交換是本文研究的重點。

1 CCSDS協議體系結構

1.1 CCSDS空間通信協議體系結構

    CCSDS空間通信協議體系結構自下而上包括：物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層和應用層。其中，每一層又包括若干個可供組合的協議^[2]。

    (1)物理層

    物理層標準包括兩部分：無線射頻和調制系統、Proximity-1。

    (2)數據鏈路層

    數據鏈路層定義了數據鏈路協議子層和同步與信道編碼子層。

    數據鏈路協議子層包含以下四種協議：TM空間數據鏈路協議、TC空間數據鏈路協議、AOS空間數據鏈路協議以及Prox-1空間鏈路協議；同步與信道編碼子層規定了在空間鏈路上傳送數據幀的同步與信道編碼方法。

    (3)網絡層

    網絡層實現空間數據系統的路由功能，包括：空間分組協議SPP和SCPS-NP，對以太網IPv4、IPv6分組數據進行封裝后也可使用空間數據鏈路協議傳輸，與SPP、SCPS-NP可復用或獨用空間數據鏈路。

    (4)傳輸層

    傳輸層SCPS-TP協議，向空間通信用戶提供端到端傳輸服務；以太網TCP、UDP協議可基于網絡層SCPS-NP、IPv4 或IPv6。

    (5)應用層

    應用層協議向用戶提供端到端應用服務。

1.2 CCSDS鏈路層協議IP數據報封裝建議

    IP over CCSDS是指在CCSDS空間鏈路層協議基礎上實現IP數據的傳輸，CCSDS在已發布的版本中提出了三種封裝方式建議^[3]：

    (1)直接幀封裝方式，即將IP數據包直接放在CCSDS鏈路層AOS幀中傳輸；

    (2)CCSDS數據封裝服務，這一建議使用了CCSDS封裝（ENCAP）業務；

    (3)用戶自定義的串行流封裝。

    CCSDS鏈路層協議IP數據封裝建議如圖1所示。

    其中，直接封裝方式由于不具備可操作性，在正式版本藍皮書中已被去除。

    CCSDS數據封裝服務方式需將IP數據進行拆分、封裝，恢復和組裝；優點是處理靈活，但對處理器資源需求較大，并且由于IP數據長度的不固定性、到達時間的隨機性，CCSDS數據的成幀時延閾值設置不合理極易導致成幀時間發生抖動，帶來額外的處理時延^[4]，并且由于填充數據的加入時機不恰當容易對鏈路帶寬帶來影響。

    用戶自定義串行流封裝方式以數據流的形式來傳輸IP數據，需選擇一個具備快速定界、同步、恢復的算法對數據流中IP數據進行同步與恢復，優點是可使用可編程邏輯器件來高效地實現。

2 無人機測控與信息傳輸系統的特點

    與大型航空器測控與信息傳輸系統相比，除鏈路傳輸時延長、空間誤碼率高等類似特點外，無人機測控與信息傳輸系統還具有以下一些特點：

    (1)IP over CCSDS網關處理能力有限

    由于無人機設備艙體積有限以及設備小型化，低功耗的要求，對測控與信息傳輸系統中IP over CCSDS網關的處理能力帶來了制約；

    (2)通信鏈路傳輸帶寬的非對稱性

    無人機測控與信息傳輸系統一般采用帶寬較窄、高增益的前向鏈路進行了遙控指令的傳輸；采用帶寬較寬的返向鏈路進行了遙測、寬帶業務數據的傳輸；這種非對稱鏈路極大地影響了TCP協議的性能，低速前向鏈路導致的大量返向鏈路ACK包的丟失，TCP協議發送窗口不斷下降，隨著通信鏈路非對稱性的增加，吞吐率成指數級的下降^[5]。

    (3)時延的敏感性

    除了空間鏈路不可避免的傳輸時延，無人機要求測控與信息傳輸系統將遙測、偵察等各類任務數據已盡可能低的處理時延傳送到地面測控通信網中，以提高對各類特情的響應速度。

3 系統設計方案

3.1 系統網絡結構

    無人機測控與信息傳輸系統地面網和無人機內部均使用TCP/IP協議作為數據傳輸標準，IP over CCSDS網關配置在空間鏈路的兩端，實現IP協議與CCSDS空間數據鏈路協議的轉換，網關間通過CCSDS空間數據鏈路協議進行數據的傳輸。

    基于IP over CCSDS網關的無人機測控與信息傳輸系統網絡結構如圖2所示。

3.2 IP over CCSDS網關方案設計

    針對無人機測控與信息傳輸系統的特點，結合CCSDS鏈路層協議IP數據封裝服務以及用戶自定義數據流封裝服務的優點，提出了一種性能增強IP over CCSDS網關設計方案，該方案采用了IP數據簡單數據鏈路(Simple Data Link，SDL)協議封裝方法^[6]，對空間鏈路IP數據進行快速封裝，降低了CCSDS成幀時延、有效帶寬抖動，減少了網關通用處理器資源占用率，同時也實現了地面IP數據的快速同步；利用基于ACK快速確認的TCP協議分段欺騙技術^[7]將空間傳輸環境部分（鏈路時延長、空間誤碼率高、鏈路非對稱性）隔離開，提高了TCP協議在空間鏈路上的傳輸性能。

3.3 IP over CCSDS網關數據傳輸流程

    IP over CCSDS機載網關采用通用處理器與可編程邏輯器件相結合的方式，通用處理器主要用于維護IP數據隊列、需確認的TCP數據隊列，實現基于ACK快速確認的TCP協議分段欺騙算法的機載網關部分，避免機載IP網絡中TCP端點發送窗口受到非對稱鏈路以及鏈路誤碼率帶來的影響；可編程邏輯器件主要實現SDL封裝協議，進行IP數據的高速定界服務，對CCSDS數據鏈路層狀態進行實時監控，需要時以SDL空閑幀進行數據填充，滿足CCSDS封裝服務的數據長度要求，實現IP數據的及時推送，采用簡化版的CCSDS封裝服務，去除IPE封裝服務，去除VCDU數據封裝中的定界服務，便于實現邏輯流程。

    IP over CCSDS地面網關CCSDS數據的解析是數據封裝的逆過程，由可編程邏輯器件進行高速的AOS數據解封裝，IP數據的定界、同步；通用處理器主要用于實現基于ACK快速確認的TCP協議分段欺騙算法的地面網關部分以及前向控制、業務IP數據的發送。

    IP over CCSDS網關數據傳輸流程如圖3所示。

3.4 IP over CCSDS網關協議改進

3.4.1 IP數據SDL封裝協議高速定界服務

    簡單數據鏈路協議(SDL)由IETF(Internet Engineering Task Force)提出, 適用于對同步或異步傳送的可變長度的IP數據進行高速定界，具有定幀速率高，檢錯糾錯性能好等優點。

    SDL協議的幀結構如圖4所示。圖中PDU Length為信息域長度指示字段；PDU Length CRC為頭部循環冗余校驗域；Protocol域用于區分不同的網絡層協議，替代CCSDS封裝服務中的IPE封裝服務，信息域長度為4~64 KB；FCS為幀校驗序列域。當數據字段長度大于或等于4 B時，數據字段的實際長度與信息域長度指示字段相同；當數據長度小于4 B時，發送端將數據域填充到4 B，接收端根據幀頭中信息域長度指示字段提取有效數據。當沒有數據發送時PDU Length=0，SDL幀被稱為空閑幀，接收端丟棄該幀。

    IP over CCSDS機載網關使用SDL協議對IP數據進行封裝和定界，當機載網關監測到鏈路層流控信號為可以發送時，如SDL封裝隊列中的數據不滿足鏈路層發送數據長度時，使用SDL空閑幀進行填充后立即發送，不會帶來額外的時延抖動。

    IP over CCSDS地面網關采用基于CRC的捕獲方法來確定SDL的幀邊界，找到SDL幀的起始位置，根據PDU Length值計算出整個幀的長度，確定本幀的幀尾位置和下一幀的幀頭位置，實現幀定界。

    此算法特別適合使用可編程邏輯器件來進行IP數據封裝和定界，速度快、吞吐量高、可靠性好，大幅降低了網關通用處理器的資源占用率。

3.4.2 基于ACK快速確認的TCP協議欺騙技術

    基于ACK快速確認的TCP協議欺騙技術由三部分組成，包括：

    (1)機載CCSDS網關到機載設備TCP端；

    (2)機載CCSDS網關到地面CCSDS網關；

    (3)地面CCSDS 網關到地面設備TCP端。

    基于ACK快速確認的TCP協議欺騙技術組成如圖5所示。

    機載網關將無人機IP網絡中源端設備發送的TCP數據加入到IP數據隊列中等待進行發送，并進行分類緩存，等待地面網關的ACK確認包；受鏈路層流控反饋信號的驅動，機載網關在TCP數據送入CCSDS封裝服務接入點(SAP)后，立即生成對應TCP數據的ACK確認信息并發送到源端設備，源端設備認為當前發送的數據已經順利送達目的端主機，立即進行后續數據的發送，實現源端設備TCP數據窗口的增長與穩定，最終與反向鏈路的發送帶寬保持一致。

    地面網關對接收到的TCP數據分組序列號進行檢測，當有不連續現象出現，認定中間序號的分組因誤碼而丟棄，而不是因為失序而導致。地面網關生成NACK數據包，插入前向IP數據隊列中進行發送，機載網關可根據NACK數據包進行對應TCP數據立即重傳；當地面網關接收到不是當前期望序列號的報文段時，如序列號小于當前期望的序列號，直接丟棄處理，如序列號大于當前期望值時，表明中間有數據段丟失，地面網關生成SACK應答包插入到前向IP數據隊列中進行發送，機載網關進行重傳以及非連續序列號的數據段確認，避免不必要的重傳，提高傳輸效率。

    地面網關將接收到的目的端設備TCP數據確認包進行過濾，鏈路發送時刻到達時，只將目前連續、最新的TCP數據確認包插入到前向IP數據隊列中進行發送，減少非對稱鏈路前向鏈路的帶寬占用。

    通過上述幾種ACK快速確認算法，消除了鏈路時延長、空間誤碼率高、鏈路帶寬的非對稱性帶來的不利影響，大幅提高返向鏈路TCP數據傳輸的吞吐量。

4 測試及性能分析

    無人機測控與信息傳輸系統測試環境由多臺計算機以及IP over CCSDS機載、地面網關設備組成；機載端計算機用于模擬機載寬帶業務，地面端計算機用于模擬地面網對無人機的測控和通信業務，機載、地面端計算機通過以太網與機載、地面網關設備相連接。通過空間鏈路IP over CCSDS機載、地面網關，機載端計算機使用TCP協議將模擬機載寬帶業務發送到地面端計算機；地面端計算機使用TCP協議將模擬測控和通信業務發送到機載端計算機，實現機上設備與地面端網端到端數據傳輸。

4.1 機載網關CPU資源占用率測試

    測試中測控與信息傳輸系統返向鏈路帶寬為31.2 Mb/s，機載網關通用處理器頻率為400 MHz，機載端計算機模擬寬帶業務IP數據發往CCSDS機載網關。對比采用CCSDS封裝服務網關、改進型CCSDS封裝服務性能增強網關CPU資源占用率，測試結果如圖 6 所示。

    由測試結果可見，采用改進型CCSDS封裝服務性能增強網關CPU資源占用率在30%左右，明顯低于CCSDS封裝服務機載網關約100%的CPU資源占用率，大幅節約了網關通用處理器資源。

4.2 TCP連接傳輸性能測試

    測試中測控與信息傳輸系統返向鏈路帶寬31.2 Mb/s，前向鏈路帶寬128 kb/s，中頻連接，使用無線信道模擬器模擬空間鏈路時延，機載端計算機采用TCP協議，通過CCSDS機載、地面網關發送模擬寬帶業務數據到地面端TCP服務器，文件大小約500 MB。對比采用CCSDS封裝服務網關、改進型CCSDS封裝服務性能增強網關TCP數據傳輸速率，測試結果如圖 7所示。

    由測試結果可見，改進型CCSDS封裝服務性能增強網關TCP傳輸速率在28 Mb/s左右，明顯高于CCSDS封裝服務網關約4 Mb/s 的TCP傳輸速率。

4.3 Ping包發送時延測試

    機載端計算機通過CCSDS機載、地面網關發送Ping包到地面端計算機，每秒發送一次，測試系統中Ping包發送處理時延。對比采用CCSDS封裝服務網關（設置時延閾值3 ms）、改進型CCSDS封裝服務性能增強網關（SDL封裝）Ping包發送處理時延抖動，測試結果如圖 8所示。

    由測試結果可見，CCSDS封裝服務網關（設置時延閾值3 ms）僅傳輸Ping包時，由不合理的時延閾值帶來3 ms左右的發送時延，Ping包與輕量數據同時傳輸時帶來0~3 ms左右的發送時延，采用改進型CCSDS封裝服務性能增強網關（SDL封裝）僅傳輸Ping包時或與輕量數據同時傳輸時，Ping包發送時延在0~0.4 ms之間，網絡傳輸處理時延抖動較低。

5 結語

    本文將無人機測控與信息傳輸系統的特點與CCSDS建議中IP over CCSDS鏈路層協議實現方式相結合，提出并實現了一種改進型CCSDS封裝服務性能增強網關，將無人機機上設備與地面測控、通信網無縫連接，搭建了天地一體化信息傳輸的橋梁，實現了端到端的數據交換。測試結果表明，采用該技術能較好地降低IP over CCSDS網關通用處理器資源，降低CCSDS成幀處理時延，極大地提高TCP 協議在空間鏈路上的傳輸效率。

參考文獻

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