专利名称：面向高频段信道预测的cfdp协议传输方法
技术领域：
本发明涉及一种面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法。
背景技术：
深空通信具有大时延、链路易中断、上下行链路非对称、信噪比极低等特点。针对以上深空通信的问题，空间数据咨询委员会(CCSDS Consultative committee for SpaceData Systems)采取存储转发的方式进行数据交互，并且在星上使用大容量存储器来暂存这些数据，通常这些数据都是以文件的形式存在星上。CCSDS提出并制定CFDP协议(CCSDSFile Delivery Protocol)的目的是为了保证在复杂的深空环境中可靠地传输文件。对于深空传输我们采用Ka波段。采用高频段是由于我国Ka波段基础理论研究已经比较深入，毫米波频段大中型天线系统的设计技术已成熟。高波段具有可用频带宽、空间干扰小等特点与低频段相比，毫米波频段具有很强的抗闪烁能力等优势，因而在军事通信等领域受到高度重视，也是未来宽带卫星通信使用频段发展的重要方向。深空通信信道可以建模为理想的信道，其频带资源相对充足，而有限的星上设备总量、尺寸、长传输距离使得其功率资源严重受限。深空通信的信道与地面网络和卫星网络中的信道类型不同，深空通信信道(自由空间段)是一种很理想的信道深空通信信道与无记忆的高斯信道(AWGN)非常相似。在Ka波段信道建模CFDP传输时延的分析中可知，Ka波段的状态取决于大气热噪声温度，这是由温度决定的。成功率收到坏天气状态的影响较大。虽然精确的天气状态特征并不详细，但是一个简单的模型还是能够描述Ka波段的主要特性以及CFDP协议的性能，这些都是通过对于传输误码率主要来源的大气热噪声的估计。在我们的模型中，我们定义了一个误码率门限PJ约为10_5)，这是为了区分“好”与“坏”两种天气状态。如果接受数据包的误码率高于门限值，我们认为这时是坏的天气状态，通信系统有较大的误码率。当接受数据包的误码率低于门限值时，我们认为这时是好的天气状态，大部分被传送的数据包都会成功的被接收。为了研究CFDP协议性能中的时延，我们提出2状态的马尔科夫链模型来研究天气的状态的相关性。在这个研究过程中，我们有一些限制和假设我们用一个可变的加性高斯白噪声信道来模拟每一个天气状态下的不同比特误码率(BER)。这样的信道也称为吉尔伯特信道。这个信道有为“好”与“坏”两个天气状态，是通过一个特定的门限值来区分的。在“好”状态下，大部分传输的数据包都能过被成功的接收。而在“坏”状态下，接收天线的高噪声温度将引起大部分数据包的传送错误。而且，2种不同的误码率分别适用于好坏2种天气状态。TCP/IP协议在因特网(Internet)是在背景下，以带宽无限大、低延迟、低误码率、连续通信等假设条件下建立的，TCP连接的建立需要发送双方先通过握手协商，即正式开始文件数据传输至少需要进行一次往返传播。特点是能无缝兼容地面因特网。
空间数据咨询委员会的文件传输协议(CFD P, CCSDS File Delivery Protocol)主要目标是为解决空间链路中使用文件传输协议遇到的各种问题，保证该协议标准正常应用在多跳文件传输环境中，使得星际航天器可以使用数据中继卫星与地面控制站之间发送和接收数据。CFDP协议最大的特点是运行于确认传输模式时，其使用的自动重传机制与传统的ARQ相比，对大多数协议数据单元(PDU，Protocol Data Unit)需要的是否认确定信息(NAK,Negative ACK)而不是确认信息(ACK, Acknowledgment),根据选择的确认算法检测接收数据的错误通过发送NAK否认确定信息请求重传，只在确认发送结束(EOF PDU, End ofFile PDU)和链路关闭(FIN PDU, Finish PDU)时使用ACK信息。CFDP协议能够获取更高的吞吐量并降低链路开销。 深空通信与传统地面通信有巨大的差别，它所特有的动态长延时、高误码率、间断可用链路、不对称信道等特点，使得TCP/IP协议直接应用到深空通信系统中会出现很多问题。首先，深空通信中传播延时巨大，例如火星到地球的往返延迟根据星体的轨道位置不同通常在8. 5到40分钟之间，如果往返延迟大于通信持续时间，那么应用数据根本没有传输的机会。其次，上行与下行链路的信息速率不对称对TCP的吞吐量影响非常大。其次，TCP协议分辨拥塞和数据丢失的策略决定其吞吐量随往返传播时延及信息丢失概率的增加而迅速恶化。TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息，任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送。深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大，典型的深空通信误码率为10_5，且由于星体轨道运行对探测器的遮挡，深空通信链路会产生周期性中断。再次，TCP协议的差错检测和恢复策略不适合深空高误码率环境(I)TCP协议通过重传定时器计时溢出对数据包的丢失进行判断；(2)TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码，TCP协议主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。此外，吞吐量会随着确认信息(ACK, Acknowledge Character)的丢失进一步恶化。由于TCP协议是基于端到端重传的协议，缓存只有在接收端向发送端确认正确接收所有信息后才会释放用于重传的通信资源；传输过程丢失的信息需要重传，进一步延长资源占用缓存的时间，不适用于对于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。最后，TCP/IP的路由协议对于深空通信操作环境未来的可能路由缺乏预见性。深空通信环境很难对时间间隔做出准确预测，因此对状态信息更新时间间隔的预测准确性很敏感的分布式路由算法不适合。CCSDS文件传输协议(CFDP)是在TCP/IP在空间网络通信中使用效率较低的背景下产生的。不同于TCP/IP，CFDP是一个面向传输的应用层通信协议，同时集成了 OSI传输层协议功能，解决了其他FTP改进协议不能客服的问题。CCSDS为CFDP协议制定了四种模式立即NAK CFDP协议，异步NAK CFDP协议，触发NAK CFDP协议和延时NAK CFDP协议。CFDP的具体工作机制是ACK和NAK混合应答，其具体工作过程首先，发送端将要发送的文件按协议格式分成数据包(PDU)的形式，这些数据包(PDU)中包括文件名称、文件的大小、源和目的ID等信息且无确认信息的元数据(MPDU Meta-data PDU)在内的所有PDU ;然后，发送端发送MPDU给接收方，随即发送数据H)U ；当最后一个PDU发送出去后，发送端立即发送一个文件结束指令(EOF)给接收端，接收端收到EOF后，返回一个结束确认指令(EOF ACK)给发送端，并统计那些数据包丢失；最后，接收端发送否定确认指令(NAK)给发送端，告知发送端需要重传的数据包。发送端接到NAK后开始对丢失的数据包进行重传，重传重复上述过程，直到所有的数据包全部传送成功。此时，接收端发送传送结束指令(FIN)给发送端，发送端返回确认指令(FIN ACK)。当接收端成功收到FIN ACK，链路关闭，即结束整个数据包的传输过程。
由前面已经分析过的深空环境的特点可知，在场景变换，例如，链路断续导致的误码率高等时，延迟否定型CFDP的一个特点也是严重的缺点就是为了保证在坏的环境下继续达到文件传输的可靠性，会不停反馈重传，这就会导致传输时延大，严重影响文件的传输效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，用于将文件由发送端火星发送至接收端地球，包括以下步骤步骤a，对信道状态进行预测；步骤b，基于步骤a中的对信道状态的预测发送文件，当信道状态为好时，发送端 正常发送文件到接收端，当信道状态为坏时，发送端对文件传输时间进行判断，如果文件传输的时间大于20分钟,发送端将等待20分钟,然后发送文件,如果文件传输时间小于20分钟，发送端直接发送文件。本发明的进一步改进为，所述步骤a进一步包括以下步骤，步骤al，当文件开始传输，发送端记录文件到达地球时的误码率，接收端根据这一时刻的误码率给出初始信道状态；步骤a2，接收端将代表信道状态的‘0’或‘I’码字写入NAK中并发送至发送端，当NAK到达发送端时，发送端通过读取NAK中代表信道状态的码字获得初始信道状态；步骤a3，根据接收端给出初始信道状态，推算第二信道状态；步骤a4，通过发送端读取的NAK检验第二信道状态推算是否正确，如果第二信道状态推算错误，则返回步骤al ;如果信道状态推算正确，通过初始信道状态及第二信道状态预测第三信道状态；步骤a5，根据发送端反馈的NAK修正第三信道状态，以修正后的第三信道状态作为下一次预测的初始信道状态；步骤a6，重复以上步骤。本发明的进一步改进为，所述代表信道状态的码字‘0’或‘I’通过CCSDS白皮书规定的CFDP协议NAK数据包的预留字进行携带存储。本发明的进一步改进为，所示步骤a中，初始信道状态通过状态转移矩的迭代推算第二信道状态，所述状态转移矩阵为
「尸(G/G)P =
P(GZB) P(BZB)
I — Xc Ar= J C
_ Λβ相较于现有技术，本发明的面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法通过对信道状态的预测设定传输策略，实现了较为简单有效的信道状态估计判断方法，达到为数据传输做准备的目的。然后提出了与信道预测相匹配的选择等待CFDP的协议优化策略，有效的减少了文件传输的时延。从而在保持CFDP原有特点的前提下，提高了文件传输的有效性。
图I是本发明面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法的基于Ka波段信道预测原理示意图。图2是本发明面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法的Ka波段信道的数学模型示意3是本发明面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法的CFDP数据包包头格式示意图。图4是本发明面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法的选择等待CFDP的传输机制示意图。图5是选择等待CFDP与延迟型CFDP的性能比较示意图。
具体实施例方式下面结合
及具体实施方式
对本发明进一步说明。请参阅图I至图4，本发明提供了一种面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法。本发明的面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法针对在深空环境下文件传输所存在的问题，对CFDP做出了相应的优化和改进。首先设计了相关GE信道天气状态的预测方法，实现了较为简单有效的信道状态估计判断方法，达到为数据传输做准备的目的。然后提出了与信道预测相匹配的选择等待CFDP的协议优化策略，有效的减少了文件传输的时延。从而在保持CFDP原有特点的前提下，提高了文件传输的有效性。本发明的面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法包括以下步骤步骤a，对信道状态进行预测。以发送端为火星，接收端为地球为例，研究Ka波段信道状态的预测。已知地-火数据包的单程传输时间为IT = 20min，火星发送数据包到地球，然后地球再发送返回控制指令到火星，这一过程所耗时间为2T。由Ka波段的性质可知，文件传输过程只有在地面大气层附近才受天气状态的影响，而在宇宙空间不受天气状态的影响，所以本发明只针对地球接收端接收(或发送)数据包时的天气进行讨论。以接收数据包误码率匕为门限值，当误码率低于于10_5时，可认为此时信道状态为好状态，否则为坏状态。如下面的表达式
权利要求
1.一种面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，用于将文件由发送端火星发送至接收端地球，其特征在于包括以下步骤 步骤a，对信道状态进行预测； 步骤b，基于步骤a中的对信道状态的预测发送文件，当信道状态为好时，发送端正常发送文件到接收端，当信道状态为坏时，发送端对文件传输时间进行判断，如果文件传输的时间大于20分钟，发送端将等待20分钟，然后发送文件，如果文件传输时间小于20分钟，发送端直接发送文件。
2.根据权利要求I所述面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，其特征在于所述步骤a进一步包括以下步骤， 步骤al，当文件开始传输，发送端记录文件到达地球时的误码率，接收端根据这一时刻的误码率给出初始信道状态； 步骤a2，接收端将代表信道状态的‘0’或‘I’码字写入NAK中并发送至发送端，当NAK到达发送端时，发送端通过读取NAK中代表信道状态的码字获得初始信道状态； 步骤a3，根据接收端给出初始信道状态，推算第二信道状态； 步骤a4，通过发送端读取的NAK检验第二信道状态推算是否正确，如果第二信道状态推算错误，则返回步骤al ;如果信道状态推算正确，通过初始信道状态及第二信道状态预测第三信道状态； 步骤a5，根据发送端反馈的NAK修正第三信道状态，以修正后的第三信道状态作为下一次预测的初始信道状态； 步骤a6，重复以上步骤。
3.根据权利要求I所述面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，其特征在于所述代表信道状态的码字‘0’或‘I’通过CCSDS白皮书规定的CFDP协议NAK数据包的预留字进行携带存储。
4.根据权利要求2所述面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，其特征在于所示步骤a中，初始信道状态通过状态转移矩的迭代推算第二信道状态，所述状态转移矩阵为 \P(GIG) P(BZG) ~[Ρ( / ) Ρ{Β!Β)_ I - /Ig Ag _ Ub_
全文摘要
本发明提供一种面向高频段信道预测的CFDP协议传输方法，用于将地-火文件由发送端火星发送至接收端地球，包括以下步骤，步骤a，对信道状态进行预测；步骤b，基于步骤a中的对信道状态的预测，当信道状态为好时，发送端正常发送文件到接收端，当信道状态为坏时，发送端对文件传输时间进行判断，如果文件传输的时间大于20分钟，发送端将等待20分钟，然后发送文件，如果文件传输时间小于20分钟，发送端直接发送文件。
文档编号H04L1/16GK102624927SQ20121011547
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者张钦宇, 杨志华, 焦健, 郑秋平 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院