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1、华中科技大学 硕士学位论文 AOS中调度和空间链路ARQ算法的研究 姓名：邓娟 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘应状 20070608 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 高级在轨系统 AOS 在我国载人航天等空间任务中得到了应用，并将继续在将来 的载人航天、探月工程及我国的跟踪与数据中继卫星等航天计划中得到广泛应用。迄 今为止，我国所实现的大部分高级在轨系统在兆级的数传速率下，仅利用了其空间链 路层中差错控制等级为 2 或 3 的数据传输业务。但若将高级在轨系统应用于未来的高 速空间通信，其空间链路层性能就需要依环境要求做进一步的提升。 本文
2、基于高级在轨系统应用于高速空间通信环境的背景，根据高速空间通信对高 级在轨系统中空间链路层性能的需求，深入研究了影响其链路层性能的因素，推导出 了使其性能优化的条件，提出或改进了优化性能的关键算法：虚拟信道调度算法和空 间链路 ARQ 算法。 在虚拟信道调度算法中，本文经过理论推导得出使目标源数据在虚拟信道复用过 程中达到最优时延性能的条件。在深入分析了周期轮询策略、队长异步调度策略和优 先级异步调度策略在应用于目标源这种大容量、高速度、实时性和突发性数据时存在 的不足的基础上，提出了一种较优的组合调度策略。 在空间链路 ARQ 算法中，本文详细设计了链路 ARQ 控制字段 LACW 的格式，
3、 从理论上证明了单一确认选择重传 ARQ 在反向误帧率存在时会重传大量正确到达 帧的严重问题，并定性说明了采用累积确认选择重传 ARQ 虽然有所改善，但因无 法确认乱序到达的正确帧，也会引起大量不必要的重传。由此，本文在选择重传 ARQ 的思想下，设计了一种将两种确认模式结合起来的组合确认模式。 论文最后用 OPNET 软件对 AOS 协议进行了建模， 并通过设计两个仿真用例对单 一确认选择重传 ARQ、累积确认选择重传 ARQ 和组合确认选择重传 ARQ 三 种 SLAP 算法进行了仿真，验证了组合确认选择重传 ARQ 的优越性。 关键词：关键词： 高级在轨系统; 空间链路; 虚拟信道; S
4、LAP; 选择重传; OPNET 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The Advanced Orbiting System(AOS) has been adopted and realized in many aero- space missions in our country such as manned spacecraft projects etc., and it will be used more extensively in future aerospace plans like moon exploration projects, tra
5、cking and data relay satellites. Most advanced orbiting systems used in our country, so far, have only chosen to transfer their data in a mega data rate by grade 2 or 3 service in space link layer. However, spotted in highspeed aerospace communication environment for the future, their space link lay
6、er performance must be further improved according to the newly imposed demands. In this dissertation, the requirements on space link layer performance of AOS from the target highspeed aerospace communication instance are first fully explored, and then after the factors that affect the throughput and
7、 delay performance are systematically discussed, a number of optimization conditions for these two metrics are brought out by theoretical analysis and formula induction. Especially, two key algorithms which will be elaborated on are outlined: virtual channel scheduling algorithm and space link ARQ a
8、lgorithm (SLAA). For virtual channel scheduling, a condition is brought out which would optimize the delay performance of the target source during its virtual channel scheduling process, and a combined scheduling algorithm is proposed accordingly on the basis of analyzing the drawbacks of three comm
9、only-used scheduling algorithms: periodical polling scheduling, queue-length based asynchronous scheduling and priority based asynchronous scheduling. For SLAA, the LACW field used for ACK report is carefully designed as a prerequi- site, and then that the improved combined acknowledgement-SR ARQ ou
10、tperforms single acknowledgement-SR ARQ and accumulated acknowledgement-SR ARQ is theoretically proved. In the last part, an OPNET model for AOS protocol is built, and the advantages of the improved SR-ARQ algorithm are proved again by two simulation scenarios. Keywords: AOS; space link; virtual cha
11、nnel; SLAP; SR-ARQ; OPNET 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我 所知， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本
12、人授权华中科技大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密?，在 年解密后适用本授权书。 不保密?。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的提出课题的提出 星载数据系统1的产生和分包处理模式23的出现使得对空间数据系统的标准化 工作迫在眉睫。空间数据系统咨询委员会45（Consultative Committee for Space Data Syste
13、m）即 CCSDS 承担了这一任务。CCSDS 成立与 1982 年，至今已有 25 年的历史 了。它是一个各空间局国际合作组织，致力于建立有助于空间信息交换的数据系统标 准。它的宗旨是建立一个全球范围的、开放的、与 CCSDS 标准兼容的虚拟空间数据 系统，用于国际交互支持、合作和空间信息交换服务。在该宗旨的指导下，CCSDS 对未来空间数据系统中的数据链路、星载数据系统都提出了自己的规划和设想，并基 于分包数据处理模式建立了一系列符合开放系统互连参考模型（OSIRM）的规范和 建议书。CCSDS 所规划的空间数据系统数据链路1可以用图 1.1 示意。 地面网络 空空链路 空地链路 外国站
14、飞控中心 本国站 用户实验室 中继星/导航星 图 1.1 CCSDS 数据链路示意图1 该空间数据系统主要包括三个部分：星载子网（星载数据系统） 、空间链路子网以 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 及地面子网。这三个部分再加上抽象于其上的数据通信协议构成了天地一体化的数据 通信网络。 在空间链路子网方面，航天器之间的空空链路、航天器与地面站之间的空地链 路是组成空间链路子网的主要元素。航天器与航天器之间的数据通过空空链路传 输，空间数据传回地面可以有三种传输方式： 1) 通过空地链路直接传回本国地面站； 2) 先利用空空链路传给中继卫星，然后再通过空地链路传回本国地面站； 3
15、) 通过空地链路传给国外地面站，然后再利用地面网络传回本国地面站。 地面飞控中心和数据终端用户可以通过地面网络与本国站和国外站相连，完成数 据接收和发送以及对航天器的控制任务。 在数据通信协议方面，CCSDS 基于分包数据的处理模式，按照分层模型制定了 航天器上的一系列数据传输规范。图 1.2 所示为一些主要的 CCSDS 建议书6。 无损数据压缩 空间分包协议 时间码格式 SCPS 文件协议 文件传输 协议 SCPS 传输协议 SCPS 安全协议 SCPS 网络协议 空间分包协议 传输控制协议 用户数据报协议 因特网安全协议 互联网协议IP 遥控链路协议 命令操作协议 近距通信协议 操作步骤
16、 空间数据 链路安全 AOS 协议 遥测链路 协议 封装服务 CCSDS 文件传递 协议 CFDP CLTU与物理 层操作 BC H码 卷积码 RS 码 Turbo码 遥测帧同 步 无线电频率与调制 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 SCPS 空间通信协议规范 CLTU 命令链路传输单元 AOS 高级在轨数据系统 （非同步链路）（同步链路） 图 1.2 CCSDS 建议书分层结构1 CCSDS 建议书的制定是一个不断演进的过程。CCSDS 成立的初期制定了一系列 针对“常规”任务的建议书，包括射频与调制、分包遥测、遥测信道编码、遥控等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1986 年由于开发国际空间站，针对常规任务制定的标准难以满足空间站的需求， CCSDS 决定进一步提高和扩展其常规建议书，开发高级在轨系统 AOS7，以便能够 提供更为方便灵活的数据处理服务。AOS 包括载人空间站、无人空间平台、自由飞行 的空
