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[摘 要]针对天地一体化空间信息网络概念，结合CCSDS协议标准，给出了基于AOS数据链路协议的卫星网络终端原型样机设计，本文重点介绍是原型样机所采用的AOS链路协议处理模块原理设计及实现。
[关键词]卫星网络；AOS链路协议；原型样机
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0394-02
1 引言
天地一体化空间信息传输网是空间链路子网与地面传输网络有机结合，实现地面用户与目标航天器之间的逻辑连接[1]。空间链路子网主要完成地面站与航天器之间、地面站与中继卫星之间、中继卫星与航天器之间的连接，是CCSDS数据链路协议[2]所要解决的问题。这些协议包括用于传输多种类型、大数据量的AOS协议。地面站可能直接与用户航天器建立物理连接，也可能通过中继节点与航天器建立连接。其中中继节点即可以是中继卫星，也可以是星座、编队子网或近距离无线网络中负责与地面通信的成员。
地面链路主要完成用户与地面站之间的连接。地面用户可以通过卫星与地面站之间的连接，也可以在控制中心的管理下与地面站直接建立物理连接。文章重点介紹原型样机所使用的CCSDS协议中的AOS空间链路协议模块设计和实现。
2 卫星网络终端原型样机的设计与实现
2.1原型样机组成与工作原理
原型样机主要包括以下功能单元：卫星天线、信道、数字射频/基带板、协议转换网卡、平板电脑。为了终端准确对星，卫星天线上还嵌入了北斗天线，并在卫星天线上固结电子罗盘用于测量天线的方位、俯仰。数字射频/基带板上采用先进的射频收发芯片，可以直接处理70 MHz至6 GHz的射频信号。数字射频/基带板上的FPGA芯片负责信号处理和信息处理，包括卫星链路基带信号处理，电子罗盘、北斗导航、电池电量等数据的读取上报，空间网络与地面网络链路层数据处理。终端原型样机的详细功能组成如图1所示。
其中，平板电脑是用来运行系统监控及对星软件，空间网络软件以及一些常用的其他应用软件。协议转换网卡主要功能是完成TCP协议到SCPS-TP协议的相互转换，由于在空间链路中，相对于地面网络，卫星网络具有更大的延迟，误码率等特性，使得传统TCP传输协议在卫星网络的效率不是很高，不在适应信道特性，参考CCSDS建议，协议转换网卡使用SCPS-TP协议作为链路测传输层协议，使之更适合卫星网络的传输特性，实现用户侧TCP连接到链路侧TP连接的转换。地面段继续使用TCP，这样在对最终用户保持完全透明的同时，提供了更好的性能。客户机或服务器不需作任何修改，所有的应用也无需改变而继续有效。TCP避免拥塞控制机制在地面连接中仍然有效，以保护Internet的稳定性。
2.2原型样机的基带数据处理
卫星网络终端典型应用模式是终端利用射频接口与中继卫星链路建立连接，而后与地面站的服务器端进行数据交互，卫星网络终端数据接口如图2所示。
从图中可以看出卫星网络中，终端的基带数据处理主要是根据AOS数据链路协议的组帧和解帧。数字射频/基带板基带数据过程如图3所示。
数字射频/基带板与协议转换网卡通过以太网口互传数据，发送时，AOS接口模块以太网帧中提取IP包，并按AOS包复用业务组装AOS传输帧，发给基带射频模块。接收时，数字射频/基带模块提取AOS传输帧，送AOS接口模块，接口模块提取其中的IP包，组装成以太网帧，通过以太网口发给协议转换网卡。
2.3 AOS链路数据处理模块设计
CCSDS 高级在轨系统（AOS）[3]协议，是目前航天任务中下行链路广泛采用的一种协议。在一体化端到端应用中，不可避免地要涉及到不同的上层协议数据单元利用空间链路进行传输的共性问题，而CCSDS给出的解决方案就是空间包和封装包协议，并且建议IP数据报装入到封装包中传输。
AOS与传统空间链路协议（如TM）相比，主要区别在于AOS所能提供的业务种类更加丰富，其难点在于数据的实时性和不同速率数据之间的时分复用。技术的进步已经使空间网络逐渐成为地面网络的一部分，传统的遥控与遥测的界限变得模糊，而前向、返向链路只是传输不同类型数字信息的通道。因此AOS链路协议被设计成在两个方向上既能传输音、视频数据、高速遥测数据，也能传输低速的交互数据。为了处理各种类型的数据，AOS提供了不同的传输模式（同步的、异步的和周期的），不同的数据格式（位流、包、字节块），不同的差错控制（有编码保护、无编码保护）以供选择。本文卫通网络终端原型样机采用业务为包复用业务M_PDU。
M_PDU用于空间网络中端到端服务，是将多个CCSDS授权的包复用一个虚拟信道，如空间包和封装包， 第一整包指针指明M_PDU包区中第一个完整包的首字节所在位置，当整个包区不存在首字节（如包区中只有包的中间部分）时，指针为全1，当整个包区只存在空闲数据时，指针为全1减1。当没有足够的CCSDS包（包括空闲包）添满M_PDU包区时，包区将只装载空闲数据。（空闲帧、M_PDU的空闲数据、空闲包）。
M_PDU控制模块控制数据源的数据送入FIFO中，并读取包头中长度信息，配合计数器对FIFO中字节的计数，送入M_PDU头产生模块来产生头包指针，当FIFO中的包（包括空闲包）已经填满M_PDU中的包区时，接口控制模块向链路控制模块发出请求发送信号，在得到允许后通过多路选择先传送M_PDU头而后传送M_PDU中的包部分。若为周期业务，当发送时隙包区未满，则在M_PDU头之后传送空闲数据。M_PDU接口控制模块原理如图4所示。
3无线网络通信性能实验验证
3.1测试原理
用一台终端模拟卫星转发数据，通过终端天线在室内建立无线链路，以双机互联方式建立最简单的网络连接。利用每个终端上安装的布谷鸟网络通讯软件进行文件传输。通过与实际对星链路计算比对确定实验所需衰减值，并在天线端安装功率衰减器。
3.2测试框图及方法
终端无线网络通信测试连接如图5所示。
（1）调增模拟卫星端基带射频输出频率和射频输入频率（2）如上图所示将模拟卫星基带射频端口连接衰减器1和2，并将接收电缆连接天线右旋端子，发射电缆连接天线左旋端子（3）设置好前返向信道传输速率（4）由高到低调节 衰减器直到监控软件功率电平指示足以满足通信要求（5）设置两终端的IP地址（6）两终端进行互PING操作（7）两终端启动布谷鸟网络通讯软件，将终端样机设置为客户端，终端样机（模拟卫星）设置为服务器端，进行文字、语音、视频传输测试。在文件传输的测试中前向网络速率28KB/S，返向网络速率4.8KB/S。
参考文献：
[1] 张乃通、赵康健、刘公亮 对建设“我国天地一体化网络”的思考[N].中国电子科学研究院学报， 2015-06-25（3）.
[2] 白云飞，陈晓敏，安军社，等.CCSDS高级在轨系统协议及其应用介绍[J].飞行器测控学报，2011，30（12）：16-21.
[3] AOS Space Data Link Protocol[S].Washington，D.C.，CCSDS 732.0-B-2.Blue Book.Issue 2.July 2006.
[关键词]卫星网络；AOS链路协议；原型样机
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0394-02
1 引言
天地一体化空间信息传输网是空间链路子网与地面传输网络有机结合，实现地面用户与目标航天器之间的逻辑连接[1]。空间链路子网主要完成地面站与航天器之间、地面站与中继卫星之间、中继卫星与航天器之间的连接，是CCSDS数据链路协议[2]所要解决的问题。这些协议包括用于传输多种类型、大数据量的AOS协议。地面站可能直接与用户航天器建立物理连接，也可能通过中继节点与航天器建立连接。其中中继节点即可以是中继卫星，也可以是星座、编队子网或近距离无线网络中负责与地面通信的成员。
地面链路主要完成用户与地面站之间的连接。地面用户可以通过卫星与地面站之间的连接，也可以在控制中心的管理下与地面站直接建立物理连接。文章重点介紹原型样机所使用的CCSDS协议中的AOS空间链路协议模块设计和实现。
2 卫星网络终端原型样机的设计与实现
2.1原型样机组成与工作原理
原型样机主要包括以下功能单元：卫星天线、信道、数字射频/基带板、协议转换网卡、平板电脑。为了终端准确对星，卫星天线上还嵌入了北斗天线，并在卫星天线上固结电子罗盘用于测量天线的方位、俯仰。数字射频/基带板上采用先进的射频收发芯片，可以直接处理70 MHz至6 GHz的射频信号。数字射频/基带板上的FPGA芯片负责信号处理和信息处理，包括卫星链路基带信号处理，电子罗盘、北斗导航、电池电量等数据的读取上报，空间网络与地面网络链路层数据处理。终端原型样机的详细功能组成如图1所示。
其中，平板电脑是用来运行系统监控及对星软件，空间网络软件以及一些常用的其他应用软件。协议转换网卡主要功能是完成TCP协议到SCPS-TP协议的相互转换，由于在空间链路中，相对于地面网络，卫星网络具有更大的延迟，误码率等特性，使得传统TCP传输协议在卫星网络的效率不是很高，不在适应信道特性，参考CCSDS建议，协议转换网卡使用SCPS-TP协议作为链路测传输层协议，使之更适合卫星网络的传输特性，实现用户侧TCP连接到链路侧TP连接的转换。地面段继续使用TCP，这样在对最终用户保持完全透明的同时，提供了更好的性能。客户机或服务器不需作任何修改，所有的应用也无需改变而继续有效。TCP避免拥塞控制机制在地面连接中仍然有效，以保护Internet的稳定性。
2.2原型样机的基带数据处理
卫星网络终端典型应用模式是终端利用射频接口与中继卫星链路建立连接，而后与地面站的服务器端进行数据交互，卫星网络终端数据接口如图2所示。
从图中可以看出卫星网络中，终端的基带数据处理主要是根据AOS数据链路协议的组帧和解帧。数字射频/基带板基带数据过程如图3所示。
数字射频/基带板与协议转换网卡通过以太网口互传数据，发送时，AOS接口模块以太网帧中提取IP包，并按AOS包复用业务组装AOS传输帧，发给基带射频模块。接收时，数字射频/基带模块提取AOS传输帧，送AOS接口模块，接口模块提取其中的IP包，组装成以太网帧，通过以太网口发给协议转换网卡。
2.3 AOS链路数据处理模块设计
CCSDS 高级在轨系统（AOS）[3]协议，是目前航天任务中下行链路广泛采用的一种协议。在一体化端到端应用中，不可避免地要涉及到不同的上层协议数据单元利用空间链路进行传输的共性问题，而CCSDS给出的解决方案就是空间包和封装包协议，并且建议IP数据报装入到封装包中传输。
AOS与传统空间链路协议（如TM）相比，主要区别在于AOS所能提供的业务种类更加丰富，其难点在于数据的实时性和不同速率数据之间的时分复用。技术的进步已经使空间网络逐渐成为地面网络的一部分，传统的遥控与遥测的界限变得模糊，而前向、返向链路只是传输不同类型数字信息的通道。因此AOS链路协议被设计成在两个方向上既能传输音、视频数据、高速遥测数据，也能传输低速的交互数据。为了处理各种类型的数据，AOS提供了不同的传输模式（同步的、异步的和周期的），不同的数据格式（位流、包、字节块），不同的差错控制（有编码保护、无编码保护）以供选择。本文卫通网络终端原型样机采用业务为包复用业务M_PDU。
M_PDU用于空间网络中端到端服务，是将多个CCSDS授权的包复用一个虚拟信道，如空间包和封装包， 第一整包指针指明M_PDU包区中第一个完整包的首字节所在位置，当整个包区不存在首字节（如包区中只有包的中间部分）时，指针为全1，当整个包区只存在空闲数据时，指针为全1减1。当没有足够的CCSDS包（包括空闲包）添满M_PDU包区时，包区将只装载空闲数据。（空闲帧、M_PDU的空闲数据、空闲包）。
M_PDU控制模块控制数据源的数据送入FIFO中，并读取包头中长度信息，配合计数器对FIFO中字节的计数，送入M_PDU头产生模块来产生头包指针，当FIFO中的包（包括空闲包）已经填满M_PDU中的包区时，接口控制模块向链路控制模块发出请求发送信号，在得到允许后通过多路选择先传送M_PDU头而后传送M_PDU中的包部分。若为周期业务，当发送时隙包区未满，则在M_PDU头之后传送空闲数据。M_PDU接口控制模块原理如图4所示。
3无线网络通信性能实验验证
3.1测试原理
用一台终端模拟卫星转发数据，通过终端天线在室内建立无线链路，以双机互联方式建立最简单的网络连接。利用每个终端上安装的布谷鸟网络通讯软件进行文件传输。通过与实际对星链路计算比对确定实验所需衰减值，并在天线端安装功率衰减器。
3.2测试框图及方法
终端无线网络通信测试连接如图5所示。
（1）调增模拟卫星端基带射频输出频率和射频输入频率（2）如上图所示将模拟卫星基带射频端口连接衰减器1和2，并将接收电缆连接天线右旋端子，发射电缆连接天线左旋端子（3）设置好前返向信道传输速率（4）由高到低调节 衰减器直到监控软件功率电平指示足以满足通信要求（5）设置两终端的IP地址（6）两终端进行互PING操作（7）两终端启动布谷鸟网络通讯软件，将终端样机设置为客户端，终端样机（模拟卫星）设置为服务器端，进行文字、语音、视频传输测试。在文件传输的测试中前向网络速率28KB/S，返向网络速率4.8KB/S。
参考文献：
[1] 张乃通、赵康健、刘公亮 对建设“我国天地一体化网络”的思考[N].中国电子科学研究院学报， 2015-06-25（3）.
[2] 白云飞，陈晓敏，安军社，等.CCSDS高级在轨系统协议及其应用介绍[J].飞行器测控学报，2011，30（12）：16-21.
[3] AOS Space Data Link Protocol[S].Washington，D.C.，CCSDS 732.0-B-2.Blue Book.Issue 2.July 2006.