基于中继协作的深空通信文件传输机理研究

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。