基于喷泉编码的深空通信文件传输协议

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深空探测是人类进行的航天活动中最重要的部分之一,是一个国家科学技术水平和综合国力的集中体现。在深空任务中,通信系统承担着传输遥测遥控指令、返回探测数据等关键工作。由于深空通信环境与地面通信环境的差异极大,使得传统的文件传输协议在深空环境下受到了极大的挑战。针对深空通信的特点,本文介绍了国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)提出的CCSDS文件传输协议(CCSDS File Delivery Protocol, CFDP)的系统结构以及通信流程,阐述了CFDP的五种传输控制模式,总结了CFDP文件传输协议的特点。并分析了CFDP协议的文件传输时延,同时根据仿真结果分析了CFDP相对传统FTP协议的性能优势并且分析了CFDP协议在深空环境中的局限性。当深空信道误码率上升,导致CFDP协议需要多次重发方能完成文件传输,交互次数的增加使得文件传输时延大大增加。近年来兴起的喷泉编码,作为一种前向纠错技术,因其具有的能够以任意概率逼近山农极限,无固定码率,且无需反馈的特性,被引入到深空通信中来。本文提出了基于喷泉编码的喷泉文件传输协议(Fountain File DeliveryProtocol, FFDP),给出了FFDP协议的系统结构与协议帧结构,描述了FFDP协议的工作流程,包括FFDP协议无确认模式以及确认模式。同时,分析了FFDP文件传输协议的开销与文件传输时延。FFDP协议通过在发送端引入额外的发送开销,来降低传输过程中的交互次数。经仿真验证分析,当单向传输时延较小时,CFDP协议的性能要优于FFDP协议。当单向传输时延增大时,FFDP协议的性能要优于CFDP协议。当单向传输时延较小时,数据发送总量决定了文件传输时延,当单向传输时延较大时,整个传输过程中的交互次数决定了文件传输时延。FFDP协议通过在发送端发送了额外的包开销,来减小整个传输过程中的协议交互次数,单向传输时延较大时,获得了较好的性能表现,适合于深空通信环境中。
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