CN104038318A - 一种基于中继选择的深空文件传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于中继选择的深空文件传输方法，属于深空通信技术领域。本发明充分利用深空信道端到端路径和跳到跳路径同时存在的情况，将数据传输分为传输和重传两个阶段，传输阶段是基于中继的，发送方每次选择丢包率最小的那一跳完成数据的转发；重传阶段是端到端的，避免了中继转发阶段的交互过程；同时，根据天体运动规律合理地在拉格朗日点和行星运动轨道上布置中继卫星，减少卫星轨道保持所消耗的能量，增加卫星的寿命，减小网络的运营成本，并能适应未来深空探测的发展；另外，每一跳转发选择中继节点时，遵循丢包率最小原则，有效地减弱了逐跳传输时丢包引起的错误累积，同时也降低了整个数据传输过程的丢包率，提高了深空数据传输可靠性。

Description

一种基于中继选择的深空文件传输方法

技术领域

本发明属于深空通信技术领域，更进一步涉及深空网络中基于中继选择的深空文件传输策略。

背景技术

深空通信是深空探测的基础，承载着深空探测中大量数据的可靠传输。随着各国对太空探索的不断深入，人们对卫星与地面、卫星与卫星之间的文件传输的需求也越来越大。深空通信环境具有完全不同于地球通信环境的特点，存在着传播距离远、链路间歇性中断、信道误码率高以及上下行链路不对称等问题，传统的数据传输策略不再适用于深空通信。

现有的深空通信文件传输协议根据重传机制的不同，主要分为两类：(1)TCP/IP协议及其改进；(2)空间数据系统咨询委员会(Consultative Committeefor Space Data Systems，CCSDS)的文件传输协议(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)。

TCP/IP协议是在因特网的背景下，以带宽无限大、低延迟、低误码率、连续通信等假设条件下建立的，TCP连接的建立需要发送双方先通过握手协商，即正式开始文件数据传输至少需要进行一次往返传播。现有的TCP/IP协议体系在深空通信的传播时延长、误码率高、非对称链路以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽较积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，不能满足深空文件高效传输的任务要求。

目前实际应用较多的空间文件传输协议是CCSDS所建议的CFDP协议，该协议发送过程包括：首先发送元数据包MPDU(Meta-data PDU,包含需要传输的文件的相关信息，如文件名、文件大小、源地址和目的地址等)；然后发送包含文件内容的协议数据单元PDU(File Data PDU)；文件内容发送完成后发送文件结束标识EOF_PDU(End of File PDU)；接收端收到EOF_PDU后向发送端发送ACK(EOF)PDU，并判断是否需要发送否定确认应答，其中包含未正确收到的数据的相关信息；发送端根据否定确认信息NAK PDU内容进行重传，该过程持续到接收端正确接收到该文件的所有数据并发送传输完成标识FIN PDU(Finish PDU)。发送端接收到FINPDU，发送ACK(FIN)PDU，关闭链路。接收端收到传输完成ACK(FIN)PDU标识，整个文件传输结束。CFDP协议针对空间应用专门进行了优化，其不依赖反馈的发送机制、确认反馈(ACK:Acknowledgment)和非确认反馈(NAK:Nagative ACK)机制结合的反馈重传机制一方面为深空文件传输提供了可靠服务，另一方面提高了链路利用率，缩短了文件传输时间。

尽管相比于TCP/IP协议，CFDP的反馈机制效率有明显的提高，但为了确保可靠传输，CFDP仍需要反馈多次NAK和少量ACK信息，而传输距离的不断增大，增大了这种交互的往返时延，降低了CFDP的传输效率。特别是当信道误码率条件恶劣时，数据包丢失数量增多，增加了文件反馈重传的次数，深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中总的传输时延很大，从而增大了文件可靠传输所需的时间。因此，减少丢包是降低重传次数、提高深空传输可靠性的关键。

专利文献CN102624506A“基于双重传策略的深空文件传输方法”将文件传输分为初始发送阶段和重传阶段，初始阶段所有数据包发送一次，重传阶段将需要重传的数据包发送两次，从而提高一次重传成功的概率。该方法虽然提高了丢失包的重传成功率，但在发送阶段丢包率并没有降低，而且在重传阶段冗余较大，链路利用率不高。

专利文献CN102497649A“基于可靠性保证的卫星网络路由构建方法”中对分组传输的主路径建立备份路径，同时在主路径和备用路径上发送同样的分组以提高分组成功接收的概率。该方法提高了数据包到达目的端的可靠性，但占用备份路径发送与主路径上完全相同的副本，使得系统链路利用率低，不符合深空通信资源受限的特点。

随着深空探测任务不断地向更远的太空发展，传统的基于端到端的数据传输方法已不能满足未来深空通信的发展要求，研究表明使用跳到跳重传方式能够比端到端重传方式获得更短的传输延迟和更高的带宽利用率，因此基于中继的深空通信传输协议成为研究的热点。

专利CN201210184667.2“基于中继存储-转发的深空文件传输方法”中通过缩短点到点通信距离的方法，利用中继节点存储转发机制对传统的延时否定确认型CFDP协议传输机制进行了改进，将数据传输分为发送端至中继星阶段及中继星至接收端阶段，减小数据的差错概率，降低反馈重传的时延，进而提高文件传输效率。但中继星在两次传输阶段中都参与了重传，增加了中继星和接收端以及发送端之间的信息交互，在深空通信链路间歇性中断、网络拓扑时变的情况下，重传数据包的可靠性大大降低，时延增加。

文献“一种适用于卫星网络的跳到跳的传输协议”(2010年4月，宇航学报，第31卷第11期)报道，采用跳到跳确认、逐跳恢复的思想，中间节点也对错误检测和恢复有责任。这种方式将多跳转发操作分割为一系列单跳传输处理，前面转发中的错误已经被提前恢复，不会影响到后面跳数转发数据的错误率，避免了错误累积。该协议虽然有效地提高了传输的可靠性，但是每一跳传输接收方和发送方都需要大量的交互信息并重传，不符合深空通信特殊的网络环境。由于深空通信上下行链路的数据速率严重不对称，有时甚至只有单向信道，这使得接收方的反馈信息很难及时到达发送方。另外，由于受天体运动的影响，链路的连接间歇性中断，跳到跳可靠传输时如果要重传，反馈信息不一定能沿原路径的反向链路到达发送方。

可见，目前的深空文件传输策略中存在端到端传输成功率低、时延大，而跳到跳传输未能根据信道特点灵活选择中继节点的问题，难以保证深空文件的可靠传输。并且，随着未来深空探测任务向更远距离的空间发展，现有的深空文件传输策略已不能满足未来深空通信的发展需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于中继选择的深空文件传输方法，针对深空通信传输距离远、链路间歇性中断的特点，利用中继卫星转发数据，通过提高每一跳数据传输成功率来提高整个系统的文件传输成功率，极大地提高系统可靠性。同时，针对深空通信上下行链路速率不对称、网络拓扑时变的特点，在目的端才向发送端发送NAK信息要求重传，而不是逐跳重传恢复数据，避免了跳到跳重传时由于链路间歇性连接中断造成的重传失败。

深空的长距离传输带来了巨大的衰减，采用多跳中继传输可以用来对抗这种衰减，提高链路的性能。但在深空通信中，随着链路数目增多，系统的复杂度和成本增加，从而降低了系统的可靠性。因此根据深空通信中损耗的分类，以及未来深空网络发展的趋势，构建三跳中继下行链路，即深空探测器-中继卫星(第一跳)、中继卫星-中继卫星(第二跳)、中继卫星-地面站(第三跳)。

为了与端到端传输方式进行区分，称产生业务流的端节点为发送端/源端，最终接收的目的地为接收端/目的端，中间转发的节点叫发送方，下一跳叫接收方。本专利基于跳到跳传输但不反馈确认的主要思想是将数据传输分为传输和重传两个阶段，传输阶段是基于中继的，重传阶段是端到端的。在数据传输阶段，接收方收到一个数据包后，不进行校验和检查，直接转发该数据包，直到将数据包传到目的端；在重传阶段，接收端对接收到的数据进行统计，检查出有数据包丢失时才向发送方要求重传。整个数据传输过程中，中继不需要对接收到的数据进行存储，发送端在收到接收端反馈的FIN确认信息后释放缓存数据并关闭链路。

本发明提出的基于中继传输的深空文件传输方法是将数据传输分为传输和重传两个阶段，整个方法步骤如下：

步骤1),在发送端，将要发送的文件进行分割，分成k个协议数据单元PDU，每个PDU大小为L字节。

步骤2)，发送端直接向接收端发送元数据包MPDU信息，内含文件名称、文件大小、源地址和目的地址等信息，通知接收端文件传输开始。

步骤3)，发送端逐跳选择中继卫星发送PDU，中继卫星将PDU转发到下一跳中继卫星，直至转发到接收端，此为中继传输阶段。

步骤4)，接收端收到文件结束标识EOF后对它接收到的PDU信息进行统计，检查是否有丢失。如果没有丢包，跳到步骤6；否则，进行下一步。

步骤5)，接收端利用端到端路径向发送端发送否定确认信息NAK请求重传，发送端接收到NAK信息后发送它所要求重传的PDU，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。

步骤6)，接收端正确接收到所有数据包后，向发送端发送传输完成信息FIN，证明文件传输成功，发送端接收到FIN后返回一个确认信息ACK FIN给接收端，同时关闭链路，释放缓存数据，接收方收到ACK FIN后关闭链路，文件传输结束。

在文件传输过程中，步骤1)的文件分割主要包括以下步骤：

步骤1.1)，首先确定数据分组的最大长度L_max和最小长度L_min；

步骤1.2)，根据公式求得数据包个数的取值范围，S_file表示待传输文件的字节数。

步骤1.3)，优先选择k为满足条件的最大整数，则数据包的长度当S_file＜k*L时，在最后一个数据分组中添加冗余数据，使S_file＝k*L。

步骤1.4)，从第一个数据起将k个数据包编号为1,2,3、、、k。

从步骤1.3可以看出，k取最大整数，即数据包长度为符合条件的最小长度。4QAM系统下一个数据包正确接收的概率为由指数函数的相关知识我们知道当时，N越小，P_c越大，即数据包传输成功率越高，也就是说数据包长度越短，一次传输中每个数据包成功发送到接收端的概率越大。

步骤3、4中下一跳节点的选择方法如下：

考虑深空特殊环境，简单起见，只考虑少数节点的情况。假设节点间的信道为高斯信道，在一次文件传输过程中信道功率增益保持不变；分别为源节点到中继、中继到下一跳中继以及中继到目的节点的信道功率增益，服从指数分布，均值分别为和假设源节点到中继的信号发送功率为S,发送一个数据包的时间归一化为1s，则发送一个数据包的平均能量消耗也为sJ；信道噪声为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；深空通信大都采用QAM调制,为简单起见，此处选4QAM调制。

M进制QAM的误码率为

$P_M=1-{(1-P_{\sqrt{M}})}^2---\left(1\right)$

其中， $P_{\sqrt{M}}=2(1-\frac{1}{\sqrt{M}})Q\left(\sqrt{\frac{3}{M-1}\frac{E_{\mathrm{av}}}{N_0}}\right)$ 是 $\sqrt{M}$ 进制PAM系统的误码率， $\frac{E_{\mathrm{av}}}{N_0}$ 是每个符号的平均信噪比。Q(x)为高斯Q函数，定义为

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}---\left(2\right)$

当M＝4时，2进制PAM系统误码率为则4QAM系统的误码率为

$\begin{array}{c}{P}_4=1-{(1-P_2)}^2=P_2(2-P_2)\\ =Q\left(\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)[2-Q\left(\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)]\end{array}---\left(3\right)$

式中，为接收端的信噪比，λ为信道功率增益，γ的概率密度函数为

$f\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{s\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}\exp (-\frac{{\mathrm{\σ}}^2\mathrm{\γ}}{s\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}})---\left(4\right)$

为信道功率增益的平均。

假设一个数据包由N个比特组成，则一个数据包正确接收的概率P_c为

$P_c={(1-P_M)}^N={[Q\left(\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)-1]}^{2N}---\left(5\right)$

下面我们讨论P_c和信道增益λ的关系。由于

$\begin{array}{c}Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}({\∫}_x^0{e}^{{-t}^2/2}\mathrm{dt}+{\∫}_0^{\∞}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt})\\ =\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}({\text{\∫}}_x^0{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}+\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2})\end{array}---\left(6\right)$

则由此可以得出Q(x)是关于x的单调递减函数。则当x＞0时，有 $Q\left(x\right)<Q\left(0\right)=\frac{1}{2\sqrt{2}}<1.P_c^{\&prime;}=2N{[Q\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)-1]}^{2N-1}\&times;Q^{\&prime;}\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)>0,\mathrm{\&gamma;}>0,$ 即证明P_c在γ＞0时是递增的。

接收端的信噪比是关于λ递增的。因此我们得出丢包率1-P_c(λ)是关于λ的单调递减函数，也就是说当信道增益λ值越大，数据包成功到达接收端的概率越大，故我们应选择信道增益最大的链路对应的节点作为下一跳，使得数据包能以较大的概率到达接收方，通过增加每一次传输的成功率，从而提高整个文件传输的成功率。

步骤3中继卫星的布置方法如下：

布置中继卫星的目的是为行星周围子网络提供数据中继服务，使深空探测信息网成为一个有机的整体，直接或间接连通每个行星周围的子网络，同时使深空探测信息网为其他航天任务提供通讯和导航服务，而中继卫星的位置是否合适直接决定了它能否实现上述任务。

太阳系内的任何物质都要受到太阳的引力，所以中继卫星不可能静止于某一点，只能以某一角度绕太阳作圆周运动，而这种运动的速度是与其轨道半径有关的。为了保持中继卫星与行星及其周围网络构型不变，把中继卫星布置在各行星的轨道上，并与行星成一定的相位角，这样中继卫星才能在与行星一起绕太阳公转的同时保持与行星的几何关系基本不变。

为使中继卫星保持在理想的轨道位置，我们需要对其进行轨道保持。轨道保持需要消耗卫星上的燃料，这样就会缩短卫星的寿命，增加网络的运营成本。而在行星轨道附近的一些特殊点因为受到行星和太阳共同的引力作用而呈现出特殊的力学特性，这些点就是行星和恒星的拉格朗日点(又叫动平衡点)。利用拉格朗日点的特殊力学性质，可使卫星稳定或亚稳定的保持在这些点附近。这样就可以减少卫星轨道保持所消耗的能量，增加卫星的寿命，减小网络的运营成本。

在上述分析的基础上，结合步骤2中的中继选择算法，初步设想在拉格朗日点上布置中继卫星作为地火探测IPN骨干节点，建立深空中继通信模型。但是并不是每一个拉格朗日点处都能放置中继卫星，在深空中继传输中，应该根据实际情况选择合适的拉格朗日点处放置中继卫星完成数据的高效转发。

由拉格朗日点的性质可知，L₁点与L₂点两点虽不在行星的轨道上，但这两点也可以随行星一起绕太阳公转而保持与行星和太阳的几何关系不变。只考虑到这一点中继卫星是可以布置在这两点上的，但实际情况并不是这样。查九大行星L₁点和L₂点到主要天体的距离可以看出，各行星的L₁点与L₂点距该行星的距离远小于L₁点与L₂点到其他行星的距离。例如在地球和火星的通讯中，若在地球L₂点和火星的L₁点各放置一颗中继卫星，可将最小通讯距离从0.738*10⁸km缩短到0.7575*10⁸km,可以使最小通讯距离减少3.3％，减小幅度很小，而在其他相邻行星间的通讯中在L₁点与L₂点布置通讯卫星所能缩短的通讯距离比地球-火星之间还要小得多。因此实际中没有必要在L₁点与L₂点上布置中继卫星。

对于L₃点，由于大行星的L₃点是条件稳定的，所以要想使卫星稳定的保持在该点附近就必须进行入轨控制。只有满足一定初始条件才能使中继卫星稳定运行，而且由于有来自大行星的引力摄动，定点于L₃点的卫星还必须进行轨道保持，但这种情况的轨道保持的次数和消耗的燃料要比布置在非拉格朗日点上的少得多。因此，在L₃点放置中继卫星是合理的，但是对于地球以外的行星和地球间的通信，由于行星的L₃点位于行星轨道上远离行星的对端位置，因此不考虑选择该行星拉格朗日点放置中继卫星。

对于L₄点和L₅点，布置在这两个点上的中继卫星理论上是稳定的，但由于存在大行星的引力摄动，使得这些点的稳定情况发生了变化，对于金星、地球、火星来说，其他行星的引力摄动使其稳定区域变得较小。在这些点上，中继卫星需要较少的轨道保持就可以长期稳定存在。

综上所述，在深空中继通信模型中，一般选取在L₃、L₄点和L₅处布置中继卫星完成数据的高效转发。

步骤5中的数据重传过程如下：

接收端收到文件结束信息EOF后对它接收到的PDU进行统计，检查出有数据包丢失时，接收端利用端到端路径向发送端发送NAK信息请求重传，同时启动NAK计时器。发送端接收到NAK信息后发送它所要求重传的PDU。在接收端，当NAK计时器满后再次对它所接收到的PDU信息进行统计，如果仍有丢失的PDU，再次触发新的NAK，并启动NAK计时器。如此反复，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。

本发明的积极效果为：

本发明提出的深空文件传输策略针对深空通信传输距离远、链路间歇性中断的特点，结合深空端到端传输和跳到跳传输的优势，将数据传输分为传输和重传两个阶段，利用天体轨道力学知识合理地布置中继卫星节点完成数据的接力传输，同时针对上下行链路速率不对称、网络拓扑时变的特点，用端到端链路完成数据重传。同时，本发明利用深空通信信道增益和丢包率之间的关系，数据传输阶段每次选取下一跳时选取的都是丢包率最小的那条链路，有效提高了数据传输的可靠性。

附图说明：

图1为本发明中深空中继文件传输方法示意图；

图2为本发明中中继系统模型示意图；

图3为本发明中火星探测通信模型的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作具体描述。

参照图1，本发明在传统文件传输协议的基础上，提出了一种基于中继选择的深空文件传输方法，主要包括以下步骤：

步骤1),在发送端，将要发送的文件进行分割，分成k个PDU，每个PDU大小为L字节；

步骤2)，发送端直接向接收端发送元数据包MPDU信息，内含文件名称、文件大小、源地址和目的地址等信息，通知接收端文件传输开始；

步骤3)，发送端逐跳选择中继卫星发送PDU，中继卫星将PDU转发到下一跳中继卫星，直至转发到接收端；

步骤4)，接收端收到文件结束标识EOF后对它接收到的PDU信息进行统计，检查是否有丢失。如果没有丢包，跳到步骤6；否则，进行下一步。

步骤5)，接收端利用端到端路径向发送端发送否定确认信息NAK请求重传，发送端接收到NAK信息后发送它所要求重传的PDU，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。

步骤6)，接收端正确接收到所有数据包后，向发送端发送传输完成标识FINPDU信息，证明文件传输成功，发送端接收到FIN后返回一个ACK FIN给接收端，同时关闭链路，释放缓存数据，接收方收到ACK FIN后关闭链路，文件传输结束。

在数据传输过程中，步骤1的文件分割主要包括以下步骤：

步骤1.1)，首先确定数据分组的最大长度L_max和最小长度L_min；

步骤1.2)，根据公式求得数据包个数的取值范围，S_file表示待传输文件的字节数；

步骤1.3)，优先选择k为满足条件的最大整数，则数据包的长度当S_file＜k*L时，在最后一个数据分组中添加冗余数据，使S_file＝k*L；

步骤1.4)，从第一个数据起将k个数据包编号为1,2,3、、、k。

从步骤1.3可以看出，k取最大整数，即数据包长度为符合条件的最小长度。4QAM系统下一个数据包正确接收的概率为由指数函数的相关知识我们知道当时，N越小，P_c越大，即数据包传输成功率越高，也就是说数据包长度越短，一次传输中每个数据包成功发送到接收端的概率越大。

步骤3中下一跳节点的选择方法如下：

如图2所示，假设节点间的信道为高斯信道，在一次文件传输过程中信道功率增益保持不变；分别为源节点到中继、中继到下一跳中继以及中继到目的节点的信道功率增益，服从指数分布，均值分别为和假设源节点到中继的信号发送功率为Sw,发送一个数据包的时间归一化为1s，则发送一个数据包的平均能量消耗也为sJ；信道噪声为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；深空通信大都采用QAM调制,为简单起见，此处选4QAM调制。

考虑深空特殊环境，简单起见，本文只考虑少数节点的情况，系统模型如图2所示。分析中假设节点间的信道为高斯信道，在一个数据包的传输过程中信道功率增益保持不变；分别为源节点到中继、中继到下一跳中继以及中继到目的节点的信道功率增益，服从指数分布，均值分别为和假设源节点到中继的信号发送功率为Sw,发送一个数据包的时间归一化为1s，则发送一个数据包的平均能量消耗也为sJ；信道噪声为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；深空通信大都采用QAM调制,为简单起见，此处选4QAM调制。

M进制QAM的误码率为

$P_M=1-{(1-P_{\sqrt{M}})}^2---\left(7\right)$

其中， $P_{\sqrt{M}}=2(1-\frac{1}{\sqrt{M}})Q\left(\sqrt{\frac{3}{M-1}\frac{E_{\mathrm{av}}}{N_0}}\right)$ 是 $\sqrt{M}$ 进制PAM系统的误码率， $\frac{E_{\mathrm{av}}}{N_0}$ 是每个符号的平均信噪比。Q(x)为高斯Q函数，定义为

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_x^{\&infin;}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

当M＝4时，2进制PAM系统误码率为则4QAM系统的误码率为

$\begin{array}{c}{P}_4=1-{(1-P_2)}^2=P_2(2-P_2)\\ =Q\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)[2-Q\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)]\end{array}---\left(9\right)$

式中，为接收端的信噪比，λ为信道功率增益，γ的概率密度函数为

$f\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{s\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}}}\exp (-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&gamma;}}{s\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}}})---\left(10\right)$

为信道功率增益的平均。

假设一个数据包由N个比特组成，则一个数据包正确接收的概率P_c为

$P_c={(1-P_M)}^N={[Q\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)-1]}^{2N}---\left(11\right)$

下面我们讨论P_c和信道增益λ的关系。

$\begin{array}{c}Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_x^{\&infin;}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}({\&Integral;}_x^0{e}^{{-t}^2/2}\mathrm{dt}+{\&Integral;}_0^{\&infin;}{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt})\\ =\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}({\text{\&Integral;}}_x^0{e}^{-t^2/2}\mathrm{dt}+\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{2})\end{array}---\left(12\right)$

则由此可以得出Q(x)是关于x的单调递减函数。则当x＞0时，有 $Q\left(x\right)<Q\left(0\right)=\frac{1}{2\sqrt{2}}<1.P_c^{\&prime;}=2N{[Q\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)-1]}^{2N-1}\&times;Q^{\&prime;}\left(\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\right)>0,\mathrm{\&gamma;}>0,$ 即证明P_c在γ＞0时是递增的。

接收端的信噪比是关于λ递增的。因此我们得出丢包率1-P_c(λ)是关于λ的单调递减函数，也就是说当信道增益λ值越大，数据包成功到达接收端的概率越大，故我们选择中继节点的时候要选择信道增益最大的链路对应的节点作为下一跳，使得数据包能以较大的概率到达接收方，通过增加每一次传输的成功率，从而提高整个文件传输的成功率。

步骤3中继卫星的布置方法如下：

布置中继卫星的目的是为行星周围子网络提供数据中继服务、使深空探测信息网成为一个有机的整体、直接或间接连通每个行星周围的子网络，同时使深空探测信息网为其他航天任务提供通讯和导航服务，而中继卫星的位置是否合适直接决定了它能否实现上述任务。

太阳系内的任何物质都要受到太阳的引力，所以中继卫星不可能静止于某一点，只能以某一角度绕太阳作圆周运动，而这种运动的速度是与其轨道半径有关的。为了保持中继卫星与行星及其周围网络构型不变，把中继卫星布置在各行星的轨道上，并与行星成一定的相位角，这样中继卫星才能在与行星一起绕太阳公转的同时保持与行星的几何关系基本不变。

为使中继卫星保持在理想的轨道位置，需要对其进行轨道保持。轨道保持需要消耗卫星上的燃料，这样就会缩短卫星的寿命，增加网络的运营成本。而在行星轨道附近的一些特殊点因为受到行星和太阳共同的引力作用而呈现出特殊的力学特性，这些点就是行星和恒星的拉格朗日点。利用拉格朗日点的特殊力学性质，可使卫星稳定或亚稳定的保持在这些点附近。这样就可以减少卫星轨道保持所消耗的能量，增加卫星的寿命，减小网络的运营成本。

在上述分析的基础上，结合步骤2中的中继选择算法，初步设想在拉格朗日点上布置中继卫星作为地火探测IPN骨干节点，建立深空中继通信模型。但是并不是每一个拉格朗日点处都能放置中继卫星，在深空中继传输中，应该根据实际情况选择合适的拉格朗日点处放置中继卫星完成数据的高效转发。

由拉格朗日点的性质可知，L₁点与L₂点两点虽不在行星的轨道上，但这两点也可以随行星一起绕太阳公转而保持与行星和太阳的几何关系不变。只考虑到这一点中继卫星是可以布置在这两点上的，但实际情况并不是这样。查九大行星L₁点和L₂点到主要天体的距离可以看出，各行星的L₁点与L₂点距该行星的距离远小于L₁点与L₂点到其他行星的距离。例如在地球和火星的通讯中，若在地球L₂点和火星的L₁点各放置一颗中继卫星，可将最小通讯距离从0.738*10⁸km缩短到0.7575*10⁸km,可以使最小通讯距离减少3.3％，减小幅度很小，而在其他相邻行星间的通讯中在L₁点与L₂点布置通讯卫星所能缩短的通讯距离比地球-火星之间还要小得多。因此实际中没有必要在L₁点与L₂点上布置中继卫星。

对于L₃点，由于大行星的L₃点是条件稳定的，所以要想使卫星稳定的保持在该点附近就必须进行入轨控制。只有满足一定初始条件才能使中继卫星稳定运行，而且由于有来自大行星的引力摄动，定点于L₃点的卫星还必须进行轨道保持，但这种情况的轨道保持的次数和消耗的燃料要比布置在非拉格朗日点上的少得多。因此，在L₃点放置中继卫星是合理的，但是对于地球以外的行星和地球间的通信，由于行星的L₃点位于行星轨道上远离行星的对端位置，因此不考虑选择该行星拉格朗日点放置中继卫星。

对于L₄点和L₅点，布置在这两个点上的中继卫星理论上是稳定的，但由于存在大行星的引力摄动，使得这些点的稳定情况发生了变化，对于金星、地球、火星来说，其他行星的引力摄动使其稳定区域变得较小。在这些点上，中继卫星需要较少的轨道保持就可以长期稳定存在。

综上所述，在深空中继通信模型中，一般选取在L₃、L₄点和L₅处布置中继卫星完成数据的高效转发。

下面举例说明步骤3中中继卫星的选取问题。如图3所示为地球和火星相距较远(即太阳位于地球和月球之间)时候的情况,由前面的分析可知，L₁点和L₂点不用放置中继卫星，由于火星距离太阳比地球远，则火星-太阳的L₃点在地球轨道外侧，故不用放置中继卫星。图中所示L₃、L₄和L₅为地球-太阳拉格朗日点，均为可供选择的中继节点。为了在选择丢包率最小的链路时有更多的选择，我们分别在火星和地球轨道上放置数颗中继卫星作为可用中继，如图3中R₁、R₂和R₃所示。按跳数可以把传输过程分为如下三段：

火星探测器-中继卫星阶段：选择火星轨道上或者轨道内(地球轨道外)的中继卫星，比较探测器到各中继卫星的丢包率，选择丢包率最小的链路作为下一跳。选定下一跳中继卫星之后，探测器开始文件传输，中继卫星收到数据包后立即寻找下一跳中继卫星进行转发，而不管是否有丢包。

中继卫星到中继卫星阶段：由第一跳的接收方发送数据，接收方是地球-太阳拉格朗日点或者地球轨道卫星。第二跳发送方选取丢包率最小的链路对应的中继卫星作为下一跳并发送数据。接收方收到数据包后立即转发给目的端。

中继卫星-地面站阶段段：由上一跳的接收方直接将接收到的数据传给地球，至此，数据传输阶段完成，进入重传阶段。

Claims (7)

1.一种基于中继选择的深空文件传输方法，在数据传输过程中，将数据传输分为传输和重传两个阶段，传输阶段是基于中继的，在数据传输阶段，发送端逐跳选择中继卫星发送PDU，当接收方收到一个数据包后，不进行校验和检查，而是直接转发该数据包，直到将数据包传到接收端；重传阶段是端到端的，在重传阶段，接收端对它接收到的数据进行统计，检查出有数据包丢失时才向发送端要求重传；整个数据过程中，中间节点不需要对接收到的数据进行存储，发送端在收到接收端返回的FIN确认信息后将这段数据从缓冲区中删除,并关闭链路，文件传输结束。

2.根据权利要求1所述的基于中继的深空文件传输方法，其具体步骤为：

步骤1),在发送端，将要发送的文件进行分割，分成k个协议数据单元PDU，每个协议数据单元PDU大小为L字节；

步骤2)，发送端直接向接收端发送元数据包MPDU信息，内含文件名称、文件大小、源地址和目的地址信息，通知接收端文件传输开始；

步骤3)，发送端逐跳选择中继卫星发送协议数据单元PDU，中继卫星将协议数据单元PDU转发到下一跳中继卫星，直至转发到接收端；

步骤4)，接收端收到文件结束标识EOF后对它接收到的协议数据单元PDU信息进行统计，检查是否有丢失,如果没有丢包，跳到步骤6)；否则，进行下一步。

步骤5)，接收端利用端到端路径向发送端发送否定确认信息NAK请求重传，发送端接收到NAK信息后发送它所要求重传的协议数据单元PDU，直到包括MPDU在内的全部协议数据单元PDU都被成功接收为止。

步骤6)，接收端正确接收到所有数据包后，向发送端发送传输完成标识FINPDU，证明文件传输成功，发送端接收到FIN后返回一个传输完成确认信息ACK FIN给接收端，同时关闭链路，释放缓存数据，接收方收到ACK FIN后关闭链路，文件传输结束。

3.根据权利要求2所述的基于中继选择的深空文件传输方法，其特征在于：在数据传输过程中，步骤1)的文件分割主要包括以下步骤：

步骤1.1)，首先确定数据分组的最大长度L_max和最小长度L_min；

步骤1.2)，根据公式求得数据包个数的取值范围，S_file表示待传输文件的字节数；

步骤1.3)，优先选择k为满足条件的最大整数，则数据包的长度当S_file＜k*L时，在最后一个数据分组中添加冗余数据，使S_file＝k*L；

步骤1.4)，从第一个数据起将k个数据包编号为1,2,3、、、k。

4.根据权利要求2所述基于中继的深空文件传输方法，其特征在于：步骤3)所述中继传输的跳数问题处理如下：构建三跳中继下行链路，即第一跳为深空探测器-中继卫星，第二跳为中继卫星-中继卫星，第三跳为中继卫星-地面站。

5.根据权利要求4所述的基于中继选择的深空文件传输方法，其特征在于：所述三跳中继下行链路的中继卫星稳定或亚稳定地保持在拉格朗日点附近。

6.根据权利要求4所述的基于中继选择的深空文件传输方法，其特征在于：所述步骤3)中下一跳节点的选取规则是选择信道增益最大的链路对应的节点作为下一跳。

7.根据权利要求2所述的基于中继选择的深空文件传输方法，其特征在于：步骤5)所述重传过程如下：接收端收到EOF信息后对它接收到的协议数据单元PDU信息进行统计，检查出有数据包丢失时，接收端利用端到端路径向发送端发送否定确认信息NAK请求重传，同时启动NAK计时器。发送端接收到NAK信息后发送它所要求重传的PDU；在接收端，当NAK计时器满后再次对它所接收到的协议数据单元PDU信息进行统计，如果仍有丢失的协议数据单元PDU，再次触发新的NAK，并启动NAK计时器。如此反复，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。