深空通信网络体系结构及相关研究问题

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1、一，深空通信网络结构IPN结构及各个部分的特点空间技术的发展使火星探测等深空科学任务成为了现实。未来的空间探测任务会需要在行星，月球，卫星，小行星，宇宙飞行器，和登陆车等之间进行通信。这些任务会产生大量的科学数据，这些数据需要高速可靠的在航天器之间传递并传送给地球。为了实现科学考察数据的有效传输和可靠的导航通信，NASA提出了发展下一代空间互联网体系结构，下一代的深空网络应该是深空星际网络的互联网，定义为星际互联网IPN(InterPlaNetaryNetwork)。星际互联网可以提供科学考察数据的传输服务和未来深空探测任务的航天器与人造卫星的导航服务。星际互联网的可以提供的主要应用包括：l

2、时间不敏感的科考数据传输。实现从地外行星和月球收集到的大量科考数据在空间中的实体间互相通信。l时间敏感的科考数据传输。将大量的本地视频和音频数据传输给地球，在轨机器人，甚至是在轨的宇航员。l任务状态遥测数据传递。将任务，飞行器或登录器的状态和健康报告传输到指挥中心或其它结点上。这个应用需要一种周期性或事件驱动的不可靠的传输服务。l指令和控制。另一种星际互联网的重要应用是对在轨单元的命令和控制。闭环命令和控制可以包括无线结点的直接或多跳通信，比如，地球基站控制在行星表面漫游的探测器，或者接近的结点，比如在行星轨道上控制登录器。目前的internet应用已经非常广泛，在internet技术的基础

3、上构建空间互联网既可以节省开支又有高质量服务。因此，大多数深空探测用的网络结构都是基于internet技术的。NASA的空间互联网通用结构包括以下的结构单元：l骨干网络。包括NASA的地面网络和空间网络，NASA的以太网和虚拟私有网络，因特网和商用或者国外的通信系统。l接入网络。宇宙飞船和登陆车及其内部网络与骨干网的通信接口。l宇宙飞船之间的网络。宇宙飞船的一个飞行编队或集群之间的网络。l临近网络。在无线多跳自组织网络adhoc中分布的空间飞行器，登陆车，传感器等。空间因特网在被定义成因特网的网络，它用一个专用的长距离无线链路的深空骨干网络与因特网连接。因特网或者因特网相关的协议可以用来组成

4、低延时，环绕地球的相对低噪音环境的，飞行器内部，环绕其它星球的网络等本地网络。在不同的环境中应该设计特殊的协议以适应特殊环境的限制。一个新的覆盖协议的概念称为“打包传递”，它将一些异构的因特网联系成一起，完成本地协议不能完成的功能。星际互联网结构如图1中表示，包括星际骨干网络，星际内部网络和行星网络。l星际骨干网络。它提供地球，外部空间行星，月球，卫星和处于行星间引力稳定点上的中继站之间的一个通用通信设施。它包括长距离基本单元之间的数据链路（直接链路或多跳路径）。行星际骨干网络链路的最重要的特点如下述：Ø极长的传播延时。深空通信链路具有极端长的传播延时。长时延。例如:多数情况下低轨系统往返时

5、延是40到50毫秒，中轨系统是120到260毫秒，地球同步卫星轨道大约550毫秒，并且还受到星间路由选择、星上处理以及缓存等因素的影响。而在星际骨干网中往返时延更高。例如:从地球到火星的距离在6000万公里以上，传输的往返时延从8到40分钟之间，其它如木星和冥王星到地球的RTT范围分别是81.6到133.3分钟和593.3到1044.4分钟之间。Ø高链路误码率。现有的卫星信道误码率(BitErrorRatios,BER)大约是10-6,最坏情况为10-4。在骨干网误码率更高，例如月球距地球约38万公里,而其它行星距地球都在几千万公里以上。由于距离远，使信号衰减造成信噪比降低，另外，某些行星存

6、在的电磁辐射引起的干扰，使信噪比进一步下降，导致BER一般只能达到10-1数量级。Ø链路暂时中断。因为行星的运动，小行星或者宇宙飞船的干涉造成的光线的不可见，周期性的链路中断很可能发生。Ø不对称带宽。在一般情况下，前向和反向信道带宽容量之比约为1000:1。在某些情况下，甚至是单向通信.l行星际外部网络。他包括在行星见的深空飞行的宇宙飞船，传感器结点群，空间站群等。一些行星际外部网络的结点还拥有远距离通信的能力。l行星网络。包括行星卫星网络和行星表面网络。如图2中所描述。这种体系结构可以在所有外部空间行星上实现，提供了行星的卫星和地面之间的互连接和互操作。Ø行星卫星网络。环绕行星飞行的卫星可

7、以在地球和外部空间行星之间的中继服务，同样也为行星表面的单元进行通信和导航服务【55】。一些行星表面单位有跟卫星通信的能力，报告本地地形结构，从卫星接收指令和数据。行星卫星网络包括环行卫星之间的链路，卫星和地面单元之间的链路。它包括图2中所述的多个层次，提供如下服务：地球和行星之间的存储和中继服务，执行任务的单元之间的中继服务和行星表面网络的位置管理。Ø行星表面网络。它提供了漫游者和登陆车等行星表面单元之间的