基于中继协作的深空通信文件传输机理研究

针对深空环境下信息传输的大时延、大衰减与链路间歇断续特点，本课题提出以Ka波段的中继协作机制解决深空链路中文件传输问题，探索深空中继通信体制下文件协作传输的机理，重点研究何时协作、协作能力及如何协作等内容。课题首先建立受地球大气噪声温度影响的Ka波段深空文件协作传输的信道模型，模型中综合考虑了Ka波段信号的传播特性和深空文件传输过程的特点。在此基础上，从深空中继节点参与协作的时间及所使用的存储容量两个角度联合考虑，给出了基于多维Markov链模型的中继节点协作能力的评估指标，并以中继星节点的存储-转发机制为核心设计深空多链路的文件协作传输协议，以有效提高深空目标航天器的功率使用效率，降低文件传输的时延。

深空Ka波段数据通信，不仅面临Ka波段链路存在受地球天气变化影响而可用性降低，导致数据传输过程需要频繁切换，进而造成数据传输效率下降的问题。另外，深空通信距离极远所造成的误码率高、传播时延长、链路易中断等通信困难，使得空间数据咨询委员会所建议的文件传输协议(CFDP)在深空数据传输任务中的效率急剧下降。针对上述问题，本课题面向Ka波段深空信道，采用基于分段中继通信体制，引入中继节点存储转发机制进行协议改进设计。首先，根据Ka波段信道建模，本文首先提出了一种信道预测的新算法，即通过CFDP包头预留字来携带代表天气状态的信息，在CFDP反馈重传时通过两状态预测模型，推算下一时刻发送端的信道状态。然后，设计了选择等待CFDP机制来减轻由于信道状态变化而带来的文件传输时延的浪费，达到了CFDP协议优化的初衷，即提高深空通信系统的有效性。基于上述中继协议和深空Ka波段特性，提出了一种新颖的基于天气变化敏感的Ka波段链路的中继CCSDS文件传输协议设计方案。此方案将深空链路划分为天气敏感链路段和天气不敏感链路段，以双跳传输方式代替传统的单跳链路传输。给出了所设计协议的详细传输机制，同时对文件的平均传输时延和链路效率进行了数学建模。基于此数值模型，讨论了关于最小化的文件传输时延的中继节点位置问题。仿真结果表明：与传统的CFDP协议方案相比，特别是在信道环境恶劣情况下，此协议方案能有效地减少文件传输时延，提高链路效率。课题紧密跟踪国际深空通信的发展趋势，对CCSDS建议的容延迟/中断网络架构(DTN)进行了初步研究。研究了DTN中间节点内存动态特性，提出了基于多维马尔可夫链的内存分析模型，用于评估空间DTN中间节点的动态内存特性。同时，推导出了时延性能指标和数据束（bundle）投递成功概率指标，分析了中间节点内存的动态特性。项目执行期间，共计发表SCI检索文章4篇，EI检索文章2篇， 申请国家发明专利10项。培养博士后人员1人，获得中国博士后基金面上资助1项，培养博士研究生1人，硕士研究生6人。参加国际会议两次。