文档介绍：随着卫星通信和地面互联网技术的不断发展,卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多,这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。
随着卫星通信和地面互联网技术的不断发展,卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多,这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。
但是,目前天基和地基网络的通信协议并没有统一的设计和建设,这在星地和星间通信中尤其明显。各地面通信系统在互联网的迅速发展下,已基本全部采用TCP/IP,以支持各种各样的应用要求,实现了地面通信协议的大统一。而各卫星系统在任务多样复杂、缺乏统一标准的情况下,往往采用各自独立开发的通信协议,消耗大量的资金与研究力量,而且不能很好地与地面应用网络相结合,天地各网络间的通信也必须通过网间的协议翻译转换来实现。

自1982年以来,由美国航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)SDS)一直致力于研究天地各通信网络协议的统一与推广,SDS建议)有很多已成为国际标准化组织(ISO)的正式标准,被广泛应用于国际空间项目中。
本文将围绕地面与空间通信的特点和所采用的通信协议展开讨论,SDS基于TCP/IP提出的空间通信协议规范(SCPS)和CCSDS文件分发协议(CFDP),分析各自的特点。并与TCP/IP系列协议进行比较。

一、地面TCP/IP在空间通信中的应用

目前,SDS在内的各国际空间组织努力推行的空间通信协议一般都是基于地面TCP/IP开发的,主要的原因有以下几点:
>以TCP/IP为基础的空间通信协议可以使卫星通信网络与地面通信网络更好地兼容互通。目前。无论是卫星测控网还是卫星通信网,其协议标准都具有很大的独立性,各网络间及与地面通信网间的通信需要通过协议翻译实现。增加了不必要的设备及载荷,降低了网间通信的效率,这些问题可以由统一的通信协议解决。
>互联网的迅速发展要求卫星通信网络成为其有机的组成部分。在互联网为主导的地面通信网络环境中,卫星通信技术以其独特的技术和应用优势,凭借已有的和即将入轨的日益庞大的空间通信系统,可以很好地解决诸如终端用户随时随处高速接人和多媒体传输等问题。因此。卫星通信网络有必要、也有能力成为地面互联网的一部分。
>基于TCP/IP开发空间通信协议可以节省协议研发时间与资金投入。将已有成熟的地面通信协议技术,针对空间通信特点进行改进,可以大大缩短协议开发时间,减少工程量,并更好地确保新协议的可实行性和稳定性。

空间通信与地面通信相比具有很明显的特征,主要有:
>信号延迟大。信号延迟与通信距离成正比,和信号传输速度成反比。地面通信的延迟为几十毫秒,,而星际卫星系统则可以达到几十秒。
>误码率高。误码率由信道干扰决定。地面通信误码率一般低于10-12,而星地射频通信的误码率在10-6左右很常见。合理运用纠错码可以降低误码率,但不能完全消除。过于复杂的纠错码将过多地占用宝贵的信道资源和星载计算机资源。
>突发错误多。突发错误源于网外其他射频装置的干扰,主要在天线指向失准或通信不同步时产生。虽然发生较偶然且持续很短,但基本上不可预测。目前主要的对抗方式是提高天线自动指向能力和运用级联抗干扰码。
此外,空间通信还有信号强度弱、相对位移造成明显的多普勒效应、卫星与地面站通信窗口受限、多星通信系统的地面跟跞设备复杂、造价昂贵、星上系统在体积、重量、功耗和造价上受到很大限制等特点。

对于以上这些在噪声、延迟和连接上的问题,面向连接的TCP/IP互联网协议是无法高效工作的,主要表现在以下几个方面:
>信号传输延迟会造成过长的数据传输往返周期(RTT),严重影响了TCP流量和差错控制。首先,由于等待应答机制(ACK)。确认数据包是否正确接收的时间被大大延长,误导了TCP拥塞控制算法,降低了数据传输速率;其次,超时重传机制可能被错误地触发,导致窗口大小出错,降低总的带宽利用率。这些问题在交互式通信()中最为明显。
>误码降低信道利用率。由于空间通信的误码率远远高于地面通信,而为低误码率地面通信设计的TCP/IP会把所有误码都按拥塞处理,并减小窗口尺寸来缓解其实并不存在的信道拥塞(每一次拥塞发生都使传输速率减半,再通过慢启动逐渐恢复),不必要地降低了传输效率。

>信道不对称影响应答控制。卫星通信的一个显著特征是前向链路和反向链路不对称,反向链路受限造成应答延迟或丢失,进而造成前向发送阻塞,慢启动缓慢,避免超时重传的“快速重传”机制有效性下降。
>不具备动态路由能