CN102882643A - 一种面向深空通信的数据传输速率控制方法 - Google Patents

一种面向深空通信的数据传输速率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种面向深空通信的数据传输速率控制方法，包括以下步骤：探测星联邦成员发出动态图像数据至速率控制联邦成员，速率控制联邦成员将图像数据送给地面站联邦成员接收，所述图像数据以所设定的最快速率进行传输，所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的链路断开信号后，速率控制联邦成员进行链路暂停等待；所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的通信信道环境变差的信号后，速率控制联邦成员降低传输速率；当链路恢复连通或信道环境变好时，速率控制联邦成员继续数据传输并恢复至传输速率至最大水平。

Description

一种面向深空通信的数据传输速率控制方法
技术领域
本发明涉及一种面向深空通信的数据传输速率控制方法。
背景技术
深空通信特有的长传播时延、大链路衰减、非对称信息传输、链路间歇性中断等特点使得其不同于一般的空间通信，如何模拟其信道环境和数据传输方式并进行数据流仿真一直是深空通信的一项重要研究内容。当前在模拟深空通信的链路仿真中，对数据流的控制主要有以下三种方式：串口通信中的流量控制、Socket的传输速率控制、TCP的滑动窗口协议。
尽管传统的数据流控制方式各有优点，但将其应用于深空环境时也存在一定的问题和缺陷：
串口通信的速度较慢，同时其通信距离受波特率的影响，对于RS232波特率为9600时，通讯距离只有十几米。同时采用流量控制时，接收端数据处理不过来时，需要发出“不再接收”的信号命令发送端停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号后才继续发送。但深空通信自身的特点决定在传输中要尽量减少反馈和数据重传，所以采用这种方式将带来效率低，影响吞吐量的弊端。
Socket的传输速率控制中，真实的深空信道环境是在不断变化的，需要根据信道环境动态调整数据流的传输，而仅靠通过发送端定时或者延时发送数据这一方式不足以控制实时数据流同步变化，这一弊端在需要多中继进行场景仿真时尤其明显。同时传输过程中也存在需要反馈重传或丢包可能。
深空通信环境决定了其链路将会产生间歇性中断，一旦链路中断，数据将无法进行传输，为了保证信道利用率最大化，在有限的连通时间内数据传输的过程将会一直进行，而将TCP的滑动窗口协议用来仿真深空链路数据流时，数据传输效率将会降低，同时也会带来同方式一相同的弊端，即需要命令反馈。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种面向深空通信的数据传输速率控制方法。
一种面向深空通信的数据传输速率控制方法，包括以下步骤：
探测星联邦成员发出图像数据至速率控制联邦成员，速率控制联邦成员将图像数据送给地面站联邦成员接收，所述图像数据以所设定的最快速率进行传输，所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的链路断开信号后，速率控制联邦成员进行链路暂停等待；所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的通信信道环境变差的信号后，速率控制联邦成员降低所述图像数据的传输速率；当链路恢复连通或信道环境变好时，在速率控制联邦成员控制下继续图像数据的传输并恢复传输速率至最大水平。
 本发明的进一步改进为，所述图像数据在传输过程中被拆分成固定大小的数据包，每单位时间内传输一个数据包，速率控制联邦成员通过LabVIEW构建的生产者消费者模式来调整前向链路和后向链路的传输速率，并通过共享内存将数据写入文本或保存为TDMS文件。
本发明的进一步改进为，所述速率控制联邦成员的前向链路和后向链路处理速度不一致，多余数据使用先入先出队列进行数据缓存。
相较于现有技术，本发明所提出的基于LabVIEW的图像数据速率控制方式不存在现有的其它方案在实际实现上存在的困难：1、在传输过程中不需要信息反馈，即前向链路和后向链路彼此独立，均可实现自由调整；2、允许仿真实时的图像数据而不是模拟数据，同时提供数据存储功能，允许大文件传输和多级速率配置，可在前向和后向数据链路上配置与卫星链路一致的传输速度，模拟真实传输过程，有利于后期的数据回放与分析；3、允许用户手动配置信道环境参数或动态接收参数，并能提取参数转化为合适的传输速率。本系统一方面能定量测试和分析某一参数(链路状态，误码率等)对整个信道器在传输过程中的影响，另一方面通过接收尽可能真实的深空环境参数来控制数据传输过程；4、本系统允许模拟在卫星链路断开时进入暂停等待状态，待恢复连接后继续传输数据；5、本系统接口采用dll设计，有助于解决多平台连接(如RTI，STK，LabVIEW等)中数据格式不匹配，接口不规范的问题；同时采取模块化设计，提供良好的移植性和可扩展性，在此基础上可快速配置多节点多中继模拟场景。
附图说明
图1是本发明中的深空通信仿真系统的构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
请参阅图1，本发明提供了一种面向深空通信的数据传输速率控制方法。用于对深空通信仿真系统的数据传输传输速率进行控制。本发明中的深空通信仿真系统10包括探测星联邦成员11、速率控制联邦成员13、地面站联邦成员15、深空环境联邦成员17。在本实施例中，各个联邦成员基于LabVIEW软件实现，在此不再赘述。各联邦成员功能如下：
探测星联邦成员11：探测星联邦成员11模拟空间探测卫星，实现数据收集，并按照需要仿真的协议或者编码方案对数据进行处理。本发明中，探测星联邦成员11将图像数据拆分并按相应协议打包，然后通过下行链路发送，其后向目标是速率控制联邦成员13。在本实施例中，探测星联邦成员11将需要传输的图像数据分拆成固定大小并按空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)建议的CFDP协议(CCSDS File Delivery Protocol)进行打包，每单位时间内发送一个数据包至速率控制联邦成员13。可以理解的是，探测星联邦成员11通过LabVIEW软件进行仿真模拟实现，其实现方式在此不再赘述。
速率控制联邦成员13：速率控制联邦成员13是图像数据速率控制的核心，其作用是能够根据深空环境联邦成员17提供的信道参数和链路状态变化，对整个仿真系统中其前向和后向链路的数据速率进行调整，以达到最大传输效率。同时为了定量分析和仿真极端环境的需要，也允许用户手动配置以上参数。速率控制联邦成员13与深空环境联邦成员17具有数据交互接口，将接收到的具体参数转化为相应的控制指令(如提高/降低速率，暂停等待等)。其后向目标是地面站联邦成员15。速率控制联邦成员13接收图像数据并进行速率调整后发送给地面站联邦成员15接收，在整个点对点通信仿真系统中体现接收中继站和信道模拟器的功能，保证数据的完整接收和速率变换。速率控制联邦成员13的速率调整过程分为前端控制和中端控制两部分。前端控制用来调整探测星联邦成员11的发包速率，中端控制则采用基于LabVIEW软件的生产者/消费者模型设计，实现不同速率的多个循环间数据共享。通过添加延时单元，使用先入先出队列(First Input First Output，FIFO)进行数据缓存, 避免竞争、重复分析或数据丢失现象。在本实施例中，仿真系统在整个数据传输过程中图像数据默认以最快速率50kb/s进行传输，探测星联邦成员收到链路断开或者通信信道环境变差的信号后，分别采取链路暂停等待和降低传输速率到20kb/s两种方式，当链路恢复连通或信道环境变好时，再继续数据传输过程或恢复传输速率至50kb/s，传输过程中的速率变化可通过用户界面的数据显示和地面站联邦成员15图像恢复过程的快慢得到显示。可以理解的是，图像数据的最快速率及降低后的传输速率可根据需要自行设置。为避免速率不匹配时地面站联邦成员15重复接收数据，速率控制联邦成员13在存储数据的同时比较当前发送包是否与前一个包相同，相同则舍弃，不同则往后向链路发送。在数据传输过程中，数据被保存为二进制文件，用于离线分析和数据回放。
地面站联邦成员15：地面站联邦成员15用于模拟地面接收系统，实现整个仿真系统中探测数据接收的功能。地面站联邦成员15实现了同探测星联邦成员11配合，对数据进行恢复，具体表现在对图像数据的恢复上。地面站联邦成员15接收数据并进行图像实时恢复，数据传输快慢通过图像恢复快慢得以表征。
深空环境联邦成员17：深空环境联邦成员17在整个仿真系统运行中实时给出当前信道参数和链路状态，如误码率大小、当前链路是否可用、当前传播时延等。深空环境联邦成员17保证整个仿真过程在尽可能接近真实的深空通信环境中进行。深空环境联邦成员17在传输过程中会动态给出当前信道参数和链路状态变化，经速率控制联邦成员13转化为相应的控制指令来动态调整数据传输速率。 
速率控制联邦成员13与探测星联邦成员11，深空环境联邦成员17和地面站联邦成员15进行数据交互，其具体实现过程如下：
探测星联邦成员11发出动态图像数据至速率控制联邦成员13，速率控制联邦成员13对图像数据的传送速率进行调整后将图像数据送给地面站联邦成员15接收。速率控制联邦成员13在整个点对点通信仿真系统中体现接收中继站和信道模拟器的功能，实现数据的完整接收。在传输过程中由当前深空环境联邦成员17动态给出表征当前链路通断和信道质量好坏的参数，模拟深空通信环境来动态调整速率控制联邦成员13的前向数据链路发送速率，同时可以手动调整其后向数据链路的发送速率。在整个数据传输过程中，将遵循以下原则：
1、在默认状态下，图像数据的图像数据以所设定的最快速率进行传输，所述图像数据的最快传输速率可根据需要调整。速率控制联邦成员13收到深空环境联邦成员17所发送的链路断开或者通信信道环境变差的信号后，分别采取链路暂停等待和降低传输速率的方式，当链路恢复连通或信道环境变好时，再继续数据传输过程或恢复传输速率至最大水平，在保证数据吞吐量的同时尽量提高通信性能。
2、图像数据被拆分成固定大小的数据包，每单位时间内传输一个数据包，通过LabVIEW构建的生产者消费者模式来调整前向链路和后向链路的传输速率，并通过共享内存将数据写入文本或保存为TDMS (Technical Data Management Streaming)文件。
3、前向和后向链路处理速度不一致(主要是前向数据快于后向处理)时，多余数据将被存入队列fifo，保证数据完整性。
针对上述各方案在深空环境下进行点对点通信传输时图像数据控制所存在的问题，本发明首先在基于HLA分布式仿真技术建立的深空通信文件传输仿真平台上设计了以LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)和C的软件实现为基础，采用生产者/消费者模式的图像数据控制方案，实现了无需反馈指令和数据重传的目的；其次将前向和返向数据链路彼此独立设计，实现实时控制；最后增加了多接口设计和数据存储、回放功能，从而在保持已有方案优点的前提下，与多个深空通信联邦成员进行数据交互和链路仿真，达到对深空通信图像数据传输进行控制的目的。
本发明所提出的基于LabVIEW的图像数据速率控制方式不存在现有的其它方案在实际实现上存在的困难：1、在传输过程中不需要信息反馈，即前向链路和后向链路彼此独立，均可实现自由调整；2、允许仿真实时的图像数据而不是模拟数据，同时提供数据存储功能，允许大文件传输和多级速率配置，可在前向和后向数据链路上配置与卫星链路一致的传输速度，模拟真实传输过程，有利于后期的数据回放与分析；3、允许用户手动配置信道环境参数或动态接收参数，并能提取参数转化为合适的传输速率。本系统一方面能定量测试和分析某一参数(链路状态，误码率等)对整个信道器在传输过程中的影响，另一方面通过接收尽可能真实的深空环境参数来控制数据传输过程；4、本系统允许模拟在卫星链路断开时进入暂停等待状态，待恢复连接后继续传输数据；5、本系统接口采用dll设计，有助于解决多平台连接(如RTI，STK，LabVIEW等)中数据格式不匹配，接口不规范的问题；同时采取模块化设计，提供良好的移植性和可扩展性，在此基础上可快速配置多节点多中继模拟场景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向深空通信的数据传输速率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
探测星联邦成员发出图像数据至速率控制联邦成员，速率控制联邦成员将图像数据送给地面站联邦成员接收，所述图像数据以所设定的最快速率进行传输，所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的链路断开信号后，速率控制联邦成员进行链路暂停等待；所述速率控制联邦成员收到深空环境联邦成员所发送的通信信道环境变差的信号后，速率控制联邦成员降低所述图像数据的传输速率；当链路恢复连通或信道环境变好时，在速率控制联邦成员控制下继续图像数据的传输并恢复传输速率至最大水平。
2.根据权利要求1所述面向深空通信的数据传输速率控制方法，其特征在于：所述图像数据在传输过程中被拆分成固定大小的数据包，每单位时间内传输一个数据包，速率控制联邦成员通过LabVIEW构建的生产者消费者模式来调整前向链路和后向链路的传输速率，并通过共享内存将数据写入文本或保存为TDMS文件。
3.根据权利要求1所述面向深空通信的数据传输速率控制方法，其特征在于：所述速率控制联邦成员的前向链路和后向链路处理速度不一致，多余数据使用先入先出队列进行数据缓存。
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