深空通信概述

1.介绍

空间技术的发展使火星探测等深空科学任务成为了现实。未来的空间探测任务会需要在行星，月球，卫星，小行星，宇宙飞行器，和登陆车等之间进行通信。这些任务会产生大量的需要被传送到地球上的科学数据。同时，这些任务需要保证空间数据高速的传输，空间设施间互相配合，安全的运行和在各个空间区域中的无缝互操作。

为了实现科学考察数据的有效传输和可靠的导航通信，NASA提出了发展下一代空间互联网体系结构的几个显著的挑战。下阶段设计和实现的深空网络应该是深空星际网络的互联网，定义为星际互联网IPN(InterPlaNetary)。

星际互联网预想为可以提供科学考察数据的传输服务和未来深空探测任务的航天器与人造卫星的导航服务。很多未来的星际探测任务已经由国际空间组织如NASA和欧空局为未来10年进行了规划。这些任务的时间和和目的在表1中列出。像表1中描述的，所有这些未来空间任务都有一个共同的目标就是科学考察数据的获取和传输，也是如下描述的星际互联网的主要应用：

●时间不敏感的科考数据传输。星际互联网的主要目标就是实现空从地外行星和月

球收集大量科考数据空间中的实体间实现互相通信。

●时间敏感的科考数据传输。这种类型的应用适用于将本地的大量的视频和音频数

据传输给地球，在轨机器人，甚至是在轨的宇航员。

●任务状态遥测。任务，飞行器或登录器的状态和健康报告应该被传输到指挥中心

或其它结点上。这个应用需要一种周期性或事件驱动的不可靠的传输服务。

●命令和控制。另一种星际互联网的重要应用是对在轨单元的命令和控制。闭环命

令和控制可以包括无线结点的直接或多跳通信，比如，地球基站控制在行星表面

漫游的探测器，或者接近的结点，比如在行星轨道上控制登录器。

很明显的是，人们期望星际互联网可以将目前的空间通信能力扩展到可以在陆地和空间之间通信。从空间任务中可以理解深空通信环境的独特的挑战。例如，目前NASA的深空网络（Deep Space Netwoek）的通信设施提供了重大的研究和实施经验，同时也建立了发展下一深空通信网也就是星际互联网的技术标准。从之前的空间任务得到经验加上未来空间任务通信的需求，NASA的火星探测通信设施目标是一个三段的实施策略。近期（2001-2010），中期（2010-2020）和远期（2020之后）。一些空间任务在实现火星探测通信设施的架设上担当关键角色。伴随NASA的火星探测任务，IPNSIG（InterPlanetary Internet Special Interest Group）希望在2005-2007年把火星作为第一个陆地互联网的真实的扩展。然而，深空通信网络还是存在重大挑战和独特的特性的，如下所述：

●极端长和可变的延时；

●非对称的前向和反向链路带宽；

●无线通信信道的高链路误码率；

●链路不持续连接；

●缺少固定的通信设施；

●行星际距离对信号强度和协议设计的影响；

●通信硬件的能量，重量，体积和造价以及协议设计的造价；

●由于发射和部署的高代价，而必须向前兼容。

这些特性导致了不同的研究的挑战，因此星际互联网的各个层次的设计都是不同的。尽管一些挑战在陆地无线网络领域中也会遇到，大部分的挑战还是在深空环境中独一无二的而且他们在将来还会访谈其它类似因素的影响。很多研究人员和国际研究组织目前整在致力与解决这些挑战并开发实现星际互联网的技术。这篇文章我们描述深空通信网络和星际互联网的结构和和通信协议和算法。我们的目标是提供在这个领域目前研究情况的更好的理解。

2.星际互联网体系结构

将来科学研究和可能的商业应用需要的星际互联网和分布式通信的通用设施。既然internet已经很普遍而且还有多样的开发的可互操作的标准，在internet技术的基础上构建空间互联网可以既节省开支又有高质量服务的将任何空间任务”插入”到internet中。因此，大多数深空探测用的网络结构都是基于internet技术的。

【10】中面熟的NASA的空间互联网通用结构（类似的结构分解在火星通信网络中使用）包括以下的结构单元：

●骨干网络。包括NASA的地面网络和空间网络，NASA的以太网和虚拟私有网络，

因特网和商用或者国外的通信系统。

●接入网络。宇宙飞船和登陆车及其内部网络与骨干网的通信接口。

●宇宙飞船之间的网络。宇宙飞船的一个飞行编队或集群之间的网络。

●临近网络。在无线多跳自组织网络adhoc中分布的空间飞行器，登陆车，传感器等。

空间因特网在【13】中被定义成因特网的网络，它用一个专用的长距离无线链路的深空骨干网络与因特网连接。因特网或者因特网相关的协议可以用来组成低延时，环绕地球的相对低噪音环境的，飞行器内部，环绕其它星球的网络等本地网络。在不同的环境中应该设计特殊的协议以适应特殊环境的限制。一个新的覆盖协议的概念称为“打包传递”，它将一些异构的因特网联系成一起，完成本地协议不能完成的功能。

未来建立一个包括不同挑战部分的通用的空间互联网的架构，我们心目中的星际互联网在图1中表示，包括星际骨干网络，星际内部网络和行星网络。

●星际骨干网络。它提供地球，外部空间行星，月球，卫星和处于行星间引力稳定点上的

中继站之间的一个通用通信设施。它包括长距离基本单元之间的数据链路（直接链路或多跳路径）。

●行星际外部网络。他包括在行星见的深空飞行的宇宙飞船，传感器结点群，空间站群等。

一些行星际外部网络的结点还拥有远距离通信的能力。

●行星网络。包括行星卫星网络和行星表面网络。如图2中所描述。这种体系结构可以在

所有外部空间行星上实现，提供了行星的卫星和地面之间的互连接和互操作。

行星卫星网络。环绕行星飞行的卫星可以在地球和外部空间行星之间的中继服务，同样也为行星表面的单元进行通信和导航服务【55】。一些行星表面单位有跟卫星

通信的能力，报告本地地形结构，从卫星接收指令和数据。行星卫星网络包括环行

卫星之间的链路，卫星和地面单元之间的链路。它包括图2中所述的多个层次，提

供如下服务：地球和行星之间的存储和中继服务，执行任务的单元之间的中继服务

和行星表面网络的位置管理。

行星表面网络。它提供了漫游者和登陆车等行星表面单元之间的通信服务，他们可以与卫星进行连接。他们还提供了行星表面的能力稳定的无线骨干网络。此外，行