2.1　空间信息网络

20世纪70年代，我国成功发射“东方红一号”人造地球卫星，开创了中国航天史的新纪元，标志着中国从此开启了卫星通信和空天信息传输技术发展的新征程。近年来，伴随着航天科技和空间科学的急剧发展，单个卫星独立完成的工作越来越多，要求的技术也越来越复杂。各卫星自成一脉、互不兼容、缺乏有效的协调和管制的短板，随着军用、民用等数据通信的需求不断增多而日益突出，基于多平台结构组网的空间信息网络应运而生。

空间信息网络是以空间平台（如地球同步卫星，中、低轨道卫星，平流层飞艇或者气球，有人或无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统 [1] 。数以万计各个轨道层面的卫星和有人或无人驾驶飞机通过组网互联，从环境中实时获取海量数据，并进行传输、处理，实现空间遥感、空间导航和空间通信的一体化集成应用与协同服务。空间信息网络主要分为两段三层结构，其体系结构具体模型如图2-1所示。空间段包括天基和空基在内的所有航天飞行器 [2] 。天基主要包括3个部分：不同运行轨道的通信卫星（LEO、MEO、GEO等 [3][4] ）；对地观测、实时气象传输的遥感卫星；基于GPS定位的导航卫星。空基位于距离地球表面10～30 公里（kilometer，km）的平流层 [5] ，平流层的大气多进行水平横向运动 [6] ，运行在这个区域的飞行器（无人飞机、飞艇、热气球等）可以减少重力的影响。地面段（地基）按网络体系可分为3个部分：①用于监测、调控卫星、飞行器运行情况的网络站点，如工程测控网、同步卫星和中低轨道卫星运控网络站点；②用于数据上传下载的大型军用或民用业务网络站点，如移动通信网 [7] 、多媒体通信网、陆地基站、海洋通信网等；③用于小型网络信息发射和接收的数据网络节点，如手机终端、多媒体终端、互联网终端、海洋发射站等。三层网络之间均采用微波链路 [8] 进行数据传输和交换。空间信息网络的功能如下：①遥感与导航数据快速获取与处理服务。通过多平台协同观测、星地协同处理和星地快速传输，实现全天时、全天候、近实时地获取和处理遥感、导航等多种数据，将信息及时推送给用户；②地面移动宽带通信服务。空间信息网络能够克服地面网络覆盖范围不足的局限，可为全球任意位置的用户提供安全、可靠、高速的通信和数据传输服务；③航天器测控、通信与导航服务。利用空间信息网络能够为各类航天器实时传输数据、图像和语音信息，部分取代地面测控设施转发航天器测控数据，并为深空探测航天器提供导航、数据中继等服务 [9] 。

早在18世纪70年代，美国和欧洲各国已经开始了对于空天多平台系统的研究，也取得了不错的成绩，其中最具代表性的就是由美国国防部主导、NASA等航天部门高度配合的项目——转型卫星通信系统（Transformational Satellite Communications System，TSAT） [10][11] 。1996年，NASA把多个经过长时间建设的广域测控网进行合并，形成了综合业务网（Nasa Integrated Service Network，NISN） [12] ，这一举措为现代空天通信的多网融合打下了坚实的基础。1998年，NASA开启了另一个研究项目——星际互联网（Inter Planetary Network，IPN） [13] ，旨在为深空通信（地球之外的太空与地球的数据传输）提供方向，其中涉及通过地球空天系统的网络互联进行数据的传输，为之后的空天通信奠定基础。2004年，NASA公布了一项关于空间信息网络的规模组成、具体的网络模型节点、计划要完成的任务等详细规划，并以地月通信为例进行了简单说明 [14] ，在之后的10年进行了实际验证 [15] 。2006年TSAT在空基组网基础上的卫星协同数据传输、2007年的NGPR-2项目验证了利用空间网络体系进行实时资源分配的可行性，进一步验证了多平台结构组网 [16] 通信功能的强大。相比于国外对于空间信息网络项目的研究，国内空天网络体系的发展相对缓慢。2013年10月，工业和信息化部启动了“天地一体化网络”的项目研究计划。2014年1月，国家自然科学基金委员会启动了“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研究计划。虽然我国在这一领域的研究时间相对滞后，但这并不妨碍我国在空间信息网络领域的井喷式发展。目前我国已成功发射铱星、北斗、神舟等系列卫星，并且成为全球第三个掌握返回式卫星技术的国家，为空天信息通信打下了良好的基础。近年来，以哈尔滨工业大学为首的各大高校也开始了对多平台结构组网通信的相关研究，已经发表了大量的高水平论文。2017年4月18日，由哈尔滨工业大学自主研发的第二颗卫星“紫丁香一号”被成功发射进入太空，这是我国高校在空天通信领域的一大进步。

空间信息网络是我国具有战略性意义的数字信息化基础设施。未来，我国向高质量发展转型必须依托于信息网络为其提供数字化信息服务。与传统地面网络不同的是，空间信息网络覆盖范围更广，可以为偏远的山区和海洋区域甚至遥远的太空提供紧急通信服务。但是，由于卫星本身运动速度较快，以及高动态性和异构性的网络环境、频谱资源和功率资源等方面的约束，给空间信息网络的研究和发展增加了挑战。

2.1.1　卫星通信网络

卫星通信网络是由多个地球站通过一个或多个卫星组成的通信网络。利用卫星通信，人们可以打电话、上网、收看电视、收听广播；利用气象卫星，人们可以进行天气预报查询；利用卫星定位导航系统，人们可以进行导航和定位并规划路径；利用侦察卫星，人们可以进行军事侦察和情报搜集；利用月球探测卫星，人们可以探测月球附近的资源等等。目前，人们的生活与卫星通信已经紧密相关。

下面简单回顾一下卫星通信的历史。1945年10月，Arthur C. Clarke在 Wireless World 上发表的一篇文章中提出了卫星通信的设想，Clarke认为在赤道上空一定高度的轨道上设置3颗卫星（如30°E、150°E、90°W），可以覆盖全球。1957年10月4日，苏联发射了全球第一颗人造卫星——Sputnik，拉开了人类向太空进军的序幕。世界各国纷纷开始研制人造卫星，美国、法国、日本、中国和英国紧接着发射了代表综合国力的本国首颗人造地球卫星。人造卫星起步早期，运载火箭的推力有限，只能将卫星发射到近地轨道，直到20世纪60年代末，运载火箭的快速发展使得人类可以将卫星送至地球同步轨道。从此，卫星通信进入快速发展的进程。

卫星网络是由在轨运行的多颗卫星构成的能够覆盖全球的通信网络，它不仅可以为各种生产及科学活动提供通信服务，还可以为空间信息网络中远距离、长时延的信息传输提供中继 [17] 。为了建设发展我国的卫星网络，实现在任何时刻、任何地点的连续通信，越来越多的卫星被送入太空，如东方红通信广播卫星系列、天链系列等。由此可见，我国的空间通信应用范围越来越广，涉入的层次越来越深。

但是，对于卫星网络来说，复杂的空天环境所带来的链路资源紧缺、高动态性、高误码率，使其在传输信息的过程中面临巨大的挑战，主要体现在以下几方面。

（1）卫星网络拓扑随时间演变。由于网络中节点的高速移动，节点间的距离也随着时间不断变化，导致数据传输链路频繁中断，很难保证稳定的端到端传输路径。

（2）链路速率的高度不对称。由于卫星网络节点的数据传输与存储性能不同，星载带宽资源严重受限，使得上下行数据链路带宽差异较大，导致数据传输速率差异明显，甚至产生网络拥塞及丢包。

（3）链路具有较高的误码率。由于空天环境的恶劣，网络中各节点高速运动，造成信道衰落因而链路误码率较大。例如，卫星与地面站的数据链路（Ground-Satellite Link，GSL）及卫星与卫星之间的数据链路（Inter-Satellite Link，ISL）的误码率都比地面网络高，通常为10 −6 ～10 −4[18] 。

随着空间通信的飞速发展，人类对于信息的需求也日益增加，这就需要利用卫星网络来对应用数据进行大容量的传输。人类使用卫星网络传输数据的种类和行为规律不同，这些都会导致卫星网络中产生突发性数据业务 [19] 。图2-2所示为对地观测卫星系统结构，在如此复杂的空天环境中，端到端的传输链路很难存在，链路的带宽资源受到限制。此外，卫星节点的能量主要来源于太阳能充电，但是节点的高速轨道运动和姿态变化使得充电时间受限，因而卫星节点的能量是非常宝贵的。面对这样的传输资源条件，如何保障突发性的观测任务数据以最小能量开销及时传输到地面站是一个非常有挑战性的课题。

近年来，物联网（Internet of Things，IoT）技术快速发展，在环境监测、智能家居、智慧城市等方面发挥着重要作用。然而，现有的物联网都是基于基站构建的，基站部署成本较高且抗毁性较差，因而地面物联网有许多局限性，这些因素导致人们开始寻求其他类型的网络与物联网进行结合，卫星物联网的概念应运而生。卫星物联网是将地面物联网和低轨卫星星座结合进行数据采集和传输的网络。下面介绍常见的卫星网络系统模型。

1．低轨卫星星座

相比地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星，近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星提供的通信服务具有较低的时延，但是通常以覆盖范围和数据速率的减小为代价 [20] 。关于数据速率的问题，通常的解决方案是使用在毫米波频段内工作的收发器以增加可以达到的速率 [21] 。覆盖范围的减小导致LEO卫星只有在固定的时间范围内才能被地面定期观测，为了增加卫星与地面用户通信的机会，从而增加数据交换量，可以通过部署更多LEO卫星组成低轨卫星星座，并为其配备适用于卫星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）的天线。目前，这种卫星星座很受研究者和商用开发者的青睐，因为新一代LEO卫星的质量可以减少至几千克，相对于GEO卫星，其运营支出和资本支出都减少了，这些特性使它们成为部署广域物联网服务 [22] 的首选卫星。

根据覆盖范围和轨道进行划分，可将低轨卫星星座分为两类：倾斜圆轨道卫星星座和极轨卫星星座。其中，极轨卫星星座的优点是对高纬度地区尤其是极地地区的覆盖能力较强，但是对于中低纬度等人口密集区域的覆盖能力不如倾斜圆轨道卫星星座，而这些区域又是物联网用户主要分布的地区，所以，目前低轨卫星星座设计还是以倾斜圆轨道卫星星座为主。这种星座中有一种特殊且常用的星座设计方式——Walker星座。

一般来说，Walker星座分为两种：Walker- δ 和Walker star。两种星座均可以用一组四元参数( S , p , q , i ) [23] 进行描述，其中： S 为卫星总数； p 为轨道面个数； q 为无量纲整数， q =0,1,2,⋯, p −1； i 是每个轨道面的倾角，每条轨道上的卫星数量为 N L = S / p 。图2-3所示为两种星座的构型，从图中可以看出，在Walker- δ 星座中，轨道倾角 i 一般为40 ∘ ～60 ∘ ，在Walker star星座中，则一般为80 ∘ ～90 ∘ ；Δ ϕ 表示位于赤道面的邻接轨道角距离，Δ ϕ =Π/ S ，其中，Π 表示赤道上一个轨道周期的总角度。

当卫星总数 S 确定时，不同的 p 和 q 可以搭配组成不同形状的Walker- δ 星座。当 p = S 时，Walker- δ 星座又称玫瑰星座。

图2-4所示为当其他参数相同时，不同轨道倾角的Walker星座对地覆盖情况。

由图2-4可以看出，当轨道倾角为85°时，轨道接近于极地轨道，卫星在两极处的覆盖性能最好，而在中低纬度虽然也能做到无缝覆盖，但大部分地区在某一时刻仅能被一颗卫星覆盖；当轨道倾角为45°时，虽然不能覆盖两极区域，但是在75°以下的区域，大部分地区都能做到多星覆盖，具体可连接的卫星颗数与卫星覆盖半张角和每条轨道的在轨卫星数量有关。

2．卫星物联网系统架构

由于卫星物联网还是一个新兴概念，并没有形成规范，许多学者都提出过卫星物联网的架构。一般来说，可将系统架构分为两类：直接接入型卫星物联网和间接接入型卫星物联网 [24] 。图2-5所示为直接接入型卫星物联网系统架构，这是没有汇聚节点的场景。

由图2-5可以看出，直接接入型卫星物联网中各种终端节点都具有直接与卫星通信的功能，包括基站、汽车、飞机等交通工具，以及各种普通传感器节点等。这些终端节点所产生的数据都会直接上传至低轨卫星，经卫星网络传输后再下发到某个地面节点进行接收。

图2-6所示为间接接入型卫星物联网系统结构。与图2-5不同的是，间接接入型卫星物联网的地面网络中有一类特殊节点——汇聚节点。汇聚节点的作用是收集某个区域内节点产生的数据，并将这些数据发送给卫星，即汇聚节点相当于一个转发器。只有汇聚节点具有直接与卫星通信的能力，普通的节点不配备卫星通信装置。

通过比较两种卫星物联网架构可知，间接接入型网络对汇聚节点的依赖较大，如果汇聚节点损毁，可能导致某个区域内所有的节点都无法接入网络。直接接入型网络不仅没有这个问题，而且增强了系统抗毁性，但是带来了其他问题，主要包括以下几点。

（1）物联网中存在大量传感器节点，单个传感器的体积通常不大，发射功率和能量都比较受限，功率不够，卫星接收到的信号强度也会很小，可能影响通信质量。

（2）不使用汇聚节点，意味着能同时接入卫星的节点数量将大大增加，且物联网突发性较强，大量的突发用户同时接入一颗卫星，将会产生冲突和碰撞，这对碰撞检测和避让机制要求较高，相应的算法复杂度较高，但是对物联网终端的低能耗需求恰恰限制了它们通常不可以使用复杂度较高的算法。

（3）物联网中存在大量的短突发数据包，如果采用相同的通信流程，节点和卫星通信所需的开销将会大大增加。

可以看出，以上3个问题最终会导致节点能耗大大增加，节点寿命缩短，整个网络通信开销极大。经过比较，认为间接接入型卫星物联网是一种更适于实际应用的方案。

2.1.2　深空通信网络

深空通信是指地球上的通信实体与离开地球卫星轨道进入太阳系空间的飞行器之间的通信，距离可达几百万、几千万、以至亿万千米以上。由进行深空探测的卫星、探测器和地面站等组成的网络就是深空通信网络。一般的深空通信网络主要用于航天器测量、航天器控制、高速空间探测数据的传输、天文研究等。

近年来，世界上各个航天大国都积极推动和发展深空探测，制订了各类发展规划和探测计划。月球是深空探测的起点和基础，也是人类探索外层生存空间、开发利用空间资源、扩展对地球和宇宙认知的理想基地和前哨站。20世纪60年代，美国成功实施了“阿波罗计划”，使得人类对月球的认识更加全面和深入，取得了人类载人航天历史上辉煌的成就，带动了大批科技创新成果的快速增长 [25] 。

美国是目前唯一载人登陆月球成功的国家，在载人航天领域占据关键地位。1961年至1972年的“阿波罗计划”，NASA先后进行了11次载人飞行任务，6次成功登陆月球，将12名宇航员送上月球并安全返航，搜集了许多月球岩石、土壤标本，并带回了大量月球影像和科学数据 [26] 。进入21世纪，美国发射了“月球轨道勘测器”、“月球重力场探测卫星”和“月球大气与尘埃探测卫星”等多颗月球探测器，并提出了21世纪太空探索新战略，计划于2025年实现人类首次访问近地小行星，最终实现载人登陆火星的目标 [27][28] 。此外，美国基于“星座计划”的运输系统和航天飞机，正在研制多用途乘员飞行器和航天发射系统，目标是具备到达包括月球、小行星、火星及附近区域的载人飞行能力 [29] 。

苏联是率先进行月球探测的国家，先后进行了18次月球探测和飞行任务，首次实现了绕月飞行、硬着陆、软着陆、月球背面照片采集、月表采样返回和自动月球车勘察。2012年4月，俄罗斯政府公布了《2030年前及未来俄罗斯航天活动发展战略》 [30] ，将月球探测列入重点发展方向，计划在2025年开发月球机器人，进而发展载人登月运输系统，2030年前后实现绕月飞行，并陆续开始建设持续运营的月球空间站和研究实验室。

欧盟、日本和印度等国家的太空研究机构，先后成功发射了“SMART-1”“月亮女神”和“月船1号”等月球探测卫星，对月球表面进行环绕探测和着陆实验 [31] 。2004年2月，欧洲航天局正式宣布了“曙光空间探索计划”，为欧洲国家参与月球和火星载人探测规划了长远目标 [32] 。2010年11月，日本宇宙航空研究开发机构公布了月球探索路线图，提出于2020年建立机器人月球基地、2030年参与国际合作的载人月球探索活动 [33] 。

我国的“嫦娥探月工程”已经圆满完成了“绕”“落”“回”三步走计划，并取得了成功。其中，“嫦娥一号”“嫦娥二号”和“嫦娥三号”月球探测卫星成功实现了月面三维影像采集、硬着陆、软着陆、玉兔月球车巡视勘察等任务。2018年发射的“嫦娥四号”探测卫星，首次实现月球背面软着陆，登陆月球南极附近的“艾特肯”盆地，“嫦娥五号”探测卫星圆满完成了自动采样返回任务。探月工程三步走任务完成后，我国将掌握地月飞行、地月遥测遥控、月球轨道交会对接和月面采样返回等关键技术，为我国开展载人登月计划奠定技术基础。以美国为代表的国外学者提出了多个环月中继轨道，如椭圆极月轨道、极地圆轨道。图2-7所示为我国“嫦娥四号”探测器进行月背探测的中继卫星模型，中继卫星“鹊桥”处于特殊的地月L2点Halo轨道上。

除月球探测外，国内外还积极进行行星际探测，如探测火星、木星等。行星际探测是在太阳系内行星际空间进行科学活动，是研究太阳系起源和演化的手段。2022年1月，我国发布第五部航天白皮书——《2021中国的航天》，未来5年中国将实施探月四期、行星探测等新的重大工程，培育木星系和太阳系边际探测等重点项目，体系化推进空间天文、空间物理、月球与行星科学、空间地球科学等重点领域发展。其中，深空探测工程将实现如下3个任务：2024年前后进行一次小行星探测；2028年前后实施第二次火星探测任务，进行火星表面采样返回，开展火星构造物质成分和火星环境等科学研究；2036年前后开展木星系及行星际穿越探测。

2022年1月6日，著名科普杂志《科学美国人》网站刊出文章《中美科学家建议大胆的太阳系外任务》，介绍了计划中的美国“星际探测器”和中国“星际快车”日球层探测任务。探测器将进入星际空间，对180亿千米（120AU）外的太阳日球层边界进行探测，最终寿命可飞行到达离开地球450亿千米（300 AU）的地方，成为有史以来飞得最远的人类探测器。美国近些年来积极开展太阳系探测任务，寻找太阳系内其他有可能存在生命的星球，其计划的两个代表性项目已经正式立项，一个是“欧罗巴快帆”木星轨道器，将多次近距离飞掠木卫二（欧罗巴），重点探测其冰下海洋的生命迹象；另一个是计划于2027年发射的“蜻蜓”土卫六（泰坦）着陆器/直升机，计划在两年半中飞行20次，航程达180千米。2021年，欧盟提出了“欧盟太空计划”，全方位规划了未来的行星际探测任务。欧洲第一个独立的外太阳系任务——木星冰月探测器计划于2023年发射，飞往木卫三这个太阳系中最大的卫星，寻找其冰盖下海洋中的生命。上述重大计划和探测任务的实施将为行星际的科学活动提供良好的机会和平台，同时也给行星际空间的通信技术提出了很高的挑战。

下面介绍国内外深空行星际探测的现状。

美国的行星际探测一直领跑全球，最早实施的探测计划是“先驱者计划”。1965—1968年，先驱者6、7、8号探测器先后发射成功，用于在行星际空间探测太阳风、磁场和宇宙射线。此外，“水手计划”从1962年到1973年共进行了10次发射，成功获取了火星的第一组图片，“水手9号”也成为人类第一个火星轨道器。“旅行者计划”是美国行星际探测的丰碑，利用行星排列机会同时探测了木星、土星、天王星和海王星4颗行星，采集了宝贵的数据和图像。进入21世纪，美国的“新疆界”计划致力于对太阳系的一系列天体进行探测。2006年的“新视野”号冥王星探测器、2011年的“朱诺”号木星探测器、2016年的“奥西里斯”贝努小行星探测器都属于该计划。2020年，美国制定“发现计划”（Discovery Program）及“行星探测小行星创新任务”（SIMPLEx）计划，开始探测金星、火卫一和海卫一，还计划于2023年探测木卫二 [34] 。俄罗斯计划于2023年前后发射Laplas-P木星探测器，对木卫三进行着陆探测，并在2030年后实施登陆水星表面的“水星-P”计划。在金星探测方面，俄罗斯先后寻求与欧洲和美国的合作，发射金星−D探测器，进行金星遥感观测，计划推迟到2025年以后。

欧洲通过与美、俄等国的广泛外部合作，成为行星际探测的后起之秀。欧洲航天局于2005年成功发射了“金星快车”飞船，其发射的“罗塞塔”彗星探测器圆满完成了探索使命。日本的行星际探测与欧洲航天局几乎同时在20世纪80年代起步，重点在于太阳和彗星、小行星。2003年，日本成功发射“隼鸟”小行星探测器，2006年成功发射“日之出”太阳探测器。

中国是近年来行星际探测领域的“新星”。2020年，我国成功发射了火星探测器“天问一号”，“祝融号”火星车成功着陆火星乌托邦平原预定着陆区 [35] ，我国成为继美国后第一个成功实现火星探测车着陆的国家，为更远距离的行星际探测奠定了坚实的基础。我国计划于2030年发射的海王星探测器，途中探测主带小行星和半人马小行星各一颗（将释放两颗纳卫星就近探测），2040年进入海王星轨道并释放两颗微卫星，探测海王星和海卫一大气层。它将持续工作15年，成为有史以来最远的地外行星轨道器。中国将开展日球层探测的“星际快车”计划，其由3个探测器组成，计划于2024年发射。这些探测器将借助地球、木星、海王星和柯伊伯带天体进行多次引力加速，将在2049年到达距地球约150亿千米（100AU）的日球层顶附近。为了拍摄日球层的形状，探测器将配备“高能中性原子成像仪”。中国的木星探测任务预计在2029年前后开始。探测器有两个可选方案：第一个方案是木卫四环绕器，将进入木卫四轨道并投放着陆器；第二个方案是木星系观测器，将先靠近木卫一，观察其火山和地质活动，最终将停留在日木系拉格朗日点长期观测木星系统。

深空通信网络为整个太阳系内的用户提供无处不在的端到端连接，其网络结构不断吸纳地面网络的技术，并将深空通信的特点考虑进来，设计适合深空通信网络的协议和传输技术。在进行深空探测时，由于超远距离，通常源节点不能直接将信号发送到地面终端，需要借助中继卫星的力量进行传输。图2-8所示为深空通信网络通过多跳中继连接各终端用户，各跳将相邻单元连接起来，包括地面链路连接和空间链路连接，其中地面链路连接包括用户与控制中心、用户和地面站、控制中心和地面站等；空间链路连接包括地面站和远方航天器、中继站和远方航天器等。

深空通信网络的链路存在比地面上更高的误码率、更长的传输时延，并且上下行链路速率非对称，这些特性会导致深空探测器与地面的通信链路频繁随机中断。那么，深空探测器获得的图像、视频、遥测等数据，将如何可靠地传输回地面呢？针对空间通信存在的问题，不能直接采用地面上成熟的通信协议，直接采用地面协议会使传输性能大幅度下降。目前存在一些针对空间网络特性而设计的传输协议，它们都有各自的适用范围。目前深空通信中广泛采用的协议为延迟/中断容忍网络（DTN）协议，它能提高深空通信长时延传输场景的通信性能。

2.1.3　空间协议技术

通信协议是指双方为了完成通信，需要在传输过程中约定的必须遵循的规则。地面标准协议体系主要包括5层，从底层到顶层分别是物理层、链路层、网络层、传输层、应用层，每一层又有其各自独立的规定，层与层之间的联合就构成了一个完整的协议。目前，TCP/IP是地面网络通信的工业标准，TCP/IP体系以网络层技术为核心来实现数据端到端的传输。但是研究人员和学者发现对于上文提到的空间信息网络，受限于网络环境，传统的TCP/IP无法适用。针对这个问题，有学者提出进行相应的协议改进或者重新设计协议。

面对空间通信的各种业务需求和空间通信环境的复杂性，有的科学家提出可以通过把各种通信节点联合组网，以提高各节点的传输能力和资源利用率。在这种背景下，出现了星际互联网 [36] （Inter Planetary Internet，IPN）。现有3类常见的星际互联网协议，它们是改进的TCP/IP、CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）协议、DTN协议，下面对这3类协议体系的研究进展进行介绍。

1．TCP/IP

虽然TCP/IP在地面网络广泛应用，但是TCP/IP的握手、重传、超时等机制在具有挑战性的空间复杂网络环境中并不适用。为克服不适用的问题，有研究提出了对TCP进行改进后的算法机制，也有基于广泛应用的传输结构模型提出的空间通信协议。

国内外的研究人员提出对地面通信协议TCP/IP进行改进，主要针对TCP/IP本身进行参数或端到端传输过程优化，使其能够适应空间通信网络环境。其中，TCP-Westwood就是对传统TCP拥塞控制算法进行改进的算法协议，虽然改进后的算法协议可以处理空间环境高误码率的情况，但并没有考虑链路长时延情况，在链路长时延状态下其性能依然较低 [37] 。TCP-Peach也是一种对TCP拥塞控制算法改进的算法协议。TCP-Peach既有传统的拥塞控制算法，也包含基于传统算法改进的算法：突然启动和快速恢复算法。与其他应用于卫星网络的TCP方案相比较，TCP-Peach具有较大的有效吞吐量，而且可提供网络资源的公平共享 [38] 。除对算法的改进研究外，还有对性能的研究和分析。文献[39]通过对TCP在卫星网络中传输性能的研究和分析，指出了TCP应用于卫星网络中存在的问题，并针对这些问题，介绍和分析了一些解决方法。

有些研究在发端节点或者收端节点对数据传输过程中出现的链路拥塞进行改进，常见的协议有TP-Planet [40] 等。研究人员开展了实验，发现改进的协议尽管能够实现通信，且组网灵活，但仍然没有从根本上解决空间网络环境对TCP/IP性能的影响。

此外，国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）针对空间网络环境的特征，于1999年制订了空间通信协议规范（Space Communication Protocol Specification，SCPS）。SCPS旨在为空间网络提供可靠的数据传输，以满足多空间节点任务下对于空间选路的需求，以及空间网络与地面网络进行通信的任务需求。SCPS结构模型是基于地面网络广泛应用的TCP/IP四层结构模型，图2-9显示了SCPS的结构模型，以及SCPS、TCP/IP与OSI协议栈的关系。SCPS提供了应用于不同层的多种协议，包含应用于网络层的网络协议（SCPS-NP）、传输层的安全协议（SCPS-SP）和传输协议（SCPS-TP），以及应用层的文件协议（SCPS-FP） [41][42] 。SCPS为了能与地面设备进行通信，在局部对地面网络进行兼容，且为适用于空间网络特定环境而对地面网络协议进行了适当的裁剪与扩充。2006年，CCSDS为解决SCPS暴露出来的问题，对SCPS部分协议进行了修改。

2．CCSDS 协议

为适应网络的发展，自1982年起，国际空间数据系统咨询委员会制定了一整套CCSDS空间通信协议规范 [43][44] 和准则。CCSDS体系包含多个层，其中每层又包含若干可供组合的协议，这一系列的技术标准与建议范围很广。CCSDS空间通信协议参考模型如图2-10所示。为了区别于基于TCP结构模型提出的SCPS，CCSDS协议体系提出了保证空间通信可靠性的文件传输协议（CCSDS File Delivery Protocol，CFDP） [45] 。

为了能在深空环境中实现通信，CFDP以保管传输的机制实现数据从源节点到目的节点的可靠传输，并在协议中使用反馈否定应答（Negative AcKnowledgment，NAK）机制和错误数据段自动重传（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）机制。当协议数据单元因为误码率而出现传输错误或者丢失的情况时，接收端反馈否定应答信号，而发送端通过反馈的应答信号对出现的传输错误数据进行重传，实现数据的可靠传输 [46] 。CFDP验证了在处理卫星通信信道及其他通信条件下某些问题的能力，并验证了其数据传输的高效性 [47] 。

CFDP根据不同的业务需求提供可靠的和不可靠的数据传输模式。可靠的传输模式分为4种否定应答信号模式：立即NAK（Immediate NAK）模式 [48] 、快速NAK（Prompt NAK）模式 [49] 、异步NAK（Asynchronous NAK）模式 [50] 和延迟NAK（Deferred NAK）模式 [51] 。根据不同模式下的数据单元传输过程，建立数据单元的传输时延模型，得到数据传输时延与信道条件和数据本身长度的关系。不同的模式下各种反馈NAK机制所带来的数据传输性能也不相同 [52] 。CFDP虽然可实现数据的可靠传输，却无法在空间通信中构建一个异构互联的网络。于是，一种新的网络结构被提出——DTN，以满足组建空间信息网络的需求。

3．DTN 协议

图2-11所示为DTN协议族。DTN的概念于2003年首先由Fall提出 [53] ，随后延迟/中断容忍网络研究组对DTN进行相应的研究扩展。有研究提出的DTN体系结构包含覆盖层协议BP [54] ，覆盖层下的汇聚层包含TCPCLP、Saratoga [55] 和LTP（Licklider Transmission Protocol） [56][57] 等协议。DTN现有的RFC协议文档包含DTN体系结构文档（RFC4838）、BP文档（RFC5050）、LTP文档（RFC5326）及LTP动机文档（RFC5325）等。

许多高校和学者都开展了DTN课题的研究，并取得了相应的研究成果。

（1）LTP-T（LTP Transport） [58] 。LTP-T是根据LTP进行改进的协议。在原本LTP的基础上，接收端需要接收到一个完整的数据块才进行该数据块的传输，而LTP-T在正确接收到数据块的某一部分时就往下发送并反馈确认信号，不需要等待接收一个完整的数据块。特别是在多跳通信过程中，LTP-T减少了接收完整数据产生的等待时延，减少了多跳过程中的传输时延，提高了数据在多个节点上的传输速率。

（2）DTTP（Delay Tolerant Transport Protocol） [59] 。DTTP是DTN结合喷泉编码实现的，通过增加一定的信息冗余，提高数据传输的成功率。DTN除结合喷泉编码外，还有结合其他一些编码算法的，如结合无速率编码的RCLTP [60] ，结合LDPC的DTN编码算法。通过和编码的结合，DTN可以提高数据传输的成功率，减少传输所需要的时间。

（3）DTN参数优化。在文献[61]中，作者分析了Segment大小和Bundle大小对传输时延的影响，分析建立多跳的传输模型，并通过Segment大小和Bundle大小之间的相互关系提出相应的Segment大小和Bundle大小的优化算法，实现数据在多跳时的传输优化。 huAc6YqYb+ni8WDQXNSAuJ6xCFqS/FAiWhdQpYyTC1BtWV3ZTN3hV2VqdB92VSlv