[发明专利]一种基于中继选择的深空文件传输方法

说明书

技术领域

本发明属于深空通信技术领域，更进一步涉及深空网络中基于中继选择的深空文件传输策略。

背景技术

深空通信是深空探测的基础，承载着深空探测中大量数据的可靠传输。随着各国对太空探索的不断深入，人们对卫星与地面、卫星与卫星之间的文件传输的需求也越来越大。深空通信环境具有完全不同于地球通信环境的特点，存在着传播距离远、链路间歇性中断、信道误码率高以及上下行链路不对称等问题，传统的数据传输策略不再适用于深空通信。

现有的深空通信文件传输协议根据重传机制的不同，主要分为两类：(1)TCP/IP协议及其改进；(2)空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)的文件传输协议(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)。

TCP/IP协议是在因特网的背景下，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。现有的TCP/IP协议体系在深空通信的传播时延长、误码率高、非对称链路以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽较积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，不能满足深空文件高效传输的任务要求。

目前实际应用较多的空间文件传输协议是CCSDS所建议的CFDP协议，该协议发送过程包括：首先发送元数据包MPDU(Meta-data PDU,包含需要传输的文件的相关信息，如文件名、文件大小、源地址和目的地址等)；然后发送包含文件内容的协议数据单元PDU(File Data PDU)；文件内容发送完成后发送文件结束标识EOF_PDU(End of File PDU)；接收端收到EOF_PDU后向发送端发送ACK(EOF)PDU，并判断是否需要发送否定确认应答，其中包含未正确收到的数据的相关信息；发送端根据否定确认信息NAK PDU内容进行重传，该过程持续到接收端正确接收到该文件的所有数据并发送传输完成标识FIN PDU(Finish PDU)。发送端接收到FINPDU，发送ACK(FIN)PDU，关闭链路。接收端收到传输完成ACK(FIN)PDU标识，整个文件传输结束。CFDP协议针对空间应用专门进行了优化，其不依赖反馈的发送机制、确认反馈(ACK:Acknowledgment)和非确认反馈(NAK:Nagative ACK)机制结合的反馈重传机制一方面为深空文件传输提供了可靠服务，另一方面提高了链路利用率，缩短了文件传输时间。

尽管相比于TCP/IP协议，CFDP的反馈机制效率有明显的提高，但为了确保可靠传输，CFDP仍需要反馈多次NAK和少量ACK信息，而传输距离的不断增大，增大了这种交互的往返时延，降低了CFDP的传输效率。特别是当信道误码率条件恶劣时，数据包丢失数量增多，增加了文件反馈重传的次数，深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中总的传输时延很大，从而增大了文件可靠传输所需的时间。因此，减少丢包是降低重传次数、提高深空传输可靠性的关键。

专利文献CN102624506A“基于双重传策略的深空文件传输方法”将文件传输分为初始发送阶段和重传阶段，初始阶段所有数据包发送一次，重传阶段将需要重传的数据包发送两次，从而提高一次重传成功的概率。该方法虽然提高了丢失包的重传成功率，但在发送阶段丢包率并没有降低，而且在重传阶段冗余较大，链路利用率不高。

专利文献CN102497649A“基于可靠性保证的卫星网络路由构建方法”中对分组传输的主路径建立备份路径，同时在主路径和备用路径上发送同样的分组以提高分组成功接收的概率。该方法提高了数据包到达目的端的可靠性，但占用备份路径发送与主路径上完全相同的副本，使得系统链路利用率低，不符合深空通信资源受限的特点。

随着深空探测任务不断地向更远的太空发展，传统的基于端到端的数据传输方法已不能满足未来深空通信的发展要求，研究表明使用跳到跳重传方式能够比端到端重传方式获得更短的传输延迟和更高的带宽利用率，因此基于中继的深空通信传输协议成为研究的热点。