CN110012475A - 一种ad-hoc自组织网络的切片化架构及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ad‑hoc自组织网络的切片化架构及其构建方法,包括指挥节点和多个普通节点；所述指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；所述指挥节点，用于根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；并动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定。本发明保证了大量的数据处理不影响管控和路由处理，复杂的路由处理不影响管控，高度保证了系统安全稳定性。

Description

一种ad-hoc自组织网络的切片化架构及其构建方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络，特别是涉及一种ad-hoc自组织网络的切片化架构及其构建方法。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，对无线通信网络提出了一系列新的需求，包括无需依托固定的基础网络设施、抗毁性强，支持语音、数据、图像等多种业务需求，实现战术与战略通信的无缝链接；这就要求通信网络具有极强的动态自组织性和较高的抗毁性能，最大限度地保证能够在任何条件、任何时间、任何地点维持通信链路的连通性。

针对上述需求，目前的主流解决方案是搭建无线自组织网络，采用无中心结构，无需事先建设基础设施，可以随时快速布网组网，各节点可随时入网和退网，网络中的各节点既是终端又是路由器，当某些节点发生故障时，网络对通信路径重新规划，不影响其它节点之间的连通，具有无中心、组网快、抗毁性强等优点。

但是自组织网络中节点同时要负责业务数据、路由信息以及网络管理信息传输，当网络中业务数据量较大时会严重影响路由信息和网络管理信息的传输时延和传输质量，当路由处理传输量较大时也会影响业务通信的实时连通性。同时，当应用环境出现突发危险或有紧急情况时，节点间即使重新规划路径，也会因未考虑环境因素而不再是人们所需要的最优路径，此时需要指挥控制中心对网络进行控制。但是由于无线自组网的自动组网特性，指挥控制中心无法修改节点间多跳连接路径，因此会导致指令无法及时下达等情况。

另一方面，在由大量不同类型单元组成的通信网络中，各单元需要分别执行不同任务，协同完成任务目标。其中，不同任务具有不同的传输速率、传输时延等性能需求，对于节点完全对等的自组织网络，会以提高所有节点能力为目标，不能针对不同任务提供差异化服务，造成资源利用效率低，网络传输性能难以满足多任务性能需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ad-hoc自组织网络的切片化架构及其构建方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种ad-hoc自组织网络的切片化架构，包括指挥节点和多个普通节点；所述指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

所述指挥节点，用于根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；并动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定。

所述管控平面，以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点；所述任务平面，根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，动态建立和删除任务子网，基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，包括以下步骤：

S1.指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

S2.指挥节点根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；构建的管控平面以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点；

S3.指挥节点动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定；

S4.任务平面根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，以切片形式动态建立和删除任务子网，并基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

所述任务平面内，通过将同一节点分配在多个不同的任务子网内，实现不同任务之间的协同合作。

所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，还包括无线资源配置步骤，包括：

第一，平面无线资源配置：为任务平面、覆盖平面和管控平面分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个平面内部的通信；

第二，子网无线资源配置：对任务平面中的各个任务子网，分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个子网内部的通信。

本发明的有益效果是：1、本发明利用切片化思想，将网络划分为覆盖平面、管控平面和任务平面，实现了三平面分离，相互独立；一方面，可根据传输数据的重要性，从资源分配等角度保证各平面可靠性，另一方面，避免某一平面出现故障或者消耗资源过大时，影响其它平面正常工作；该网络架构保证了大量的数据处理不影响管控和路由处理，复杂的路由处理不影响管控，高度保证了系统安全稳定性。

2、本发明任务平面内，以切片的形式动态构建或删除任务子网，不同子网可独立可协同，体现了网络的动态重构能力及强扩展能力，使网络能够满足不同应用场景下的突发任务需求；网络在构建任务子网时根据不同任务需求进行无线资源分配，在删除任务子网时及时释放资源，在满足任务性能需求的前提下保证了资源利用效率。

3、本发明为任务平面、覆盖平面和管控平面分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个平面内部的通信，同时对任务平面中的各个任务子网，分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个子网内部的通信；并能够根据平面/子网业务进行动态软件加载，基于软件定义无线电设计，将硬件平台和软件波形解耦，提升网络架构的通用化能力。

附图说明

图1为本发明的切片化架构示意图；

图2为本发明的架构构建流程图；

图3为本发明的架构无线资源分配示意图；

图4为本发明的架构在配置有相控阵天线的情况下的示例网络。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种ad-hoc自组织网络的切片化架构，包括指挥节点和多个普通节点；所述指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

所述指挥节点，用于根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；并动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定。

所述管控平面，以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点；所述任务平面，根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，动态建立和删除任务子网，基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

如图2所示，一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，包括以下步骤：

S1.指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

S2.指挥节点根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；构建的管控平面以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点；

S3.指挥节点动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定；

S4.任务平面根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，以切片形式动态建立和删除任务子网，并基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

所述任务平面内，通过将同一节点分配在多个不同的任务子网内，实现不同任务之间的协同合作。

所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，还包括无线资源配置步骤，包括：

第一，平面无线资源配置：为任务平面、覆盖平面和管控平面分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个平面内部的通信；

第二，子网无线资源配置：对任务平面中的各个任务子网，分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个子网内部的通信。

在本申请的实施例中，各节点采用基于FPGA+ARM的可重构软件无线电平台，集成各种软件波形模块，包括各种路由模块、多址接入模块、调制编码模块、均衡模块、同步模块及抗干扰算法模块等，在进行某平面/子网通信时，动态加载相应的模块，生成对应的波形。

在本申请的实施例中，以图1所示的架构为例，包括1个指控节点和若干个普通节点，首先按照本发明的方案，构建本发明的覆盖平面、任务平面和管控平面，然后根据当前时刻任务/功能需求，进一步将任务平面划分为任务/功能子网1和任务/功能子网2。

覆盖平面通过自组织方式，由区域所有节点共同组成，确保所有节点之间可连通，按照一定周期进行拓扑信息交换，负责网络管理、拓扑感知与随遇接入，并对全网的时空基准进行维护。网络规模较小时可采用完全分布式结构，每个网络节点执行邻居发现和时空基准维护，生成邻居表，采用基于按需路由协议的分布式路由机制和基于预留的时分复用方式。网络规模较大时可采用分布式多中心结构，根据各节点属性按照预设算法，将各节点划分为若干个簇，每个簇中选取一个节点作为簇首，所有簇首构成一级自组织网络，一个簇内各节点组成二级自组织网络，簇内节点仅通过簇首转发实现与簇外节点的拓扑信息交互和时空基准维护，两级网络分别采用频分复用和时分复用方式。覆盖平面传输速率需求较低，可采用低阶调制编码方式，针对复杂多径环境可选择单载波频域均衡等抗多径传输体制，保证传输可靠性。

管控平面采用以指控节点为中心的集中控制式结构，基于覆盖平面共享的网络拓扑等信息，进行时延敏感指令分发及大容量回传。在网络规模较大，部分节点超出指控节点一跳覆盖范围的情况下，管控平面为树形拓扑结构。为了满足时敏指令分发及大容量回传需求，一方面，管控平面按照无线帧周期独立占用一部分无线资源，基于预留接入方式，满足基本的传输速率及传输时延需求；另一方面，指控节点具备空闲资源感知功能，找出网络资源空闲的时频资源，实现灵巧接入，增加传输速率，减小传输时延。

任务平面根据管控平面分发的任务信息或者网络节点根据预设规则启动某一预设任务，由任务/功能驱动进行动态建立和删除任务/功能子网，基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建子网的网络拓扑和链路能力，满足不同任务的差异化性能要求，实现任务相关节点间的ad hoc高效数据传输。任务平面内，多个任务/功能子网同时存在，同一节点可归属于多个不同的任务/功能子网，实现不同任务之间的协同合作。

任务/功能子网1由2个节点组成，实现节点间距离保持功能。任务/功能子网2由3个节点组成，采用分布式结构，执行协同监测任务。

如图3所示，切片化架构为不同平面/子网分配独立的无线资源，基于无线传输帧的动态编排，设置不同长度的时隙，满足不同平面/子网的传输需求，为覆盖平面分配频段2的时隙1、时隙3、时隙4和时隙10，支持覆盖平面基于时分复用，进行节点间的网络拓扑及时空基准的维护；为任务/功能子网1分配频段1和频段2的三个短时隙：时隙2、时隙6和时隙9，支持任务/功能子网1基于频分复用方式，按照固定周期进行短帧交互，实现节点间距离保持功能；为任务/功能子网2分配连续的多个时隙：时隙3~时隙5及时隙6~时隙7，支持任务/功能子网2采用长帧结构，满足协同监测任务的大量数据共享需求，减小开销；为管控平面分配时隙5、时隙7和时隙8，支持管控平面实现多个节点的指令分发及任务/功能子网2监测数据的大容量回传，同时，针对突发的指令分发需求，管控平面基于空闲资源感知功能，灵巧接入空闲的时隙1和时隙10，减小突发指令分发时延。

各平面/子网在分配的独立无线资源内采用独立的路由机制、接入方式、传输协议和物理空/时/频波形，基于软件无线电设计，采用可重构的软件波形技术模块，包括各种路由模块、多址接入模块、调制编码模块、均衡模块、同步模块及抗干扰算法模块等，并根据平面/子网业务进行动态软件加载，满足差异化的性能需求。

如图4所示，当指控节点配置一套相控阵天线时，指控节点可以同时产生指向全方位的多个波束，同时与多个节点通信；指控节点利用相控阵天线定向波束的收发增益，使一跳覆盖范围覆盖区域内所有节点，管控平面由树形拓扑结构变为星形拓扑结构，减小指令分发时延；同时，指控节点利用相控阵天线可对空时频三维无线资源进行感知，找出可灵巧接入的空闲资源，提高资源利用率。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种ad-hoc自组织网络的切片化架构，其特征在于：包括指挥节点和多个普通节点；所述指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

所述指挥节点，用于根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；并动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定。

2.根据权利要求1所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构，其特征在于：所述管控平面，以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点。

3.根据权利要求1所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构，其特征在于：所述任务平面，根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，动态建立和删除任务子网，基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.指挥节点和各个普通节点通过自组网方式进行连接，并采用完全分布式或者分布式多中心结构，确保区域节点的连通，实现网络拓扑，形成自组织网络的覆盖平面；

S2.指挥节点根据控制指令分发需求和数据回传需求，动态选择部分普通节点构建管控平面；构建的管控平面以指挥节点为中心，基于覆盖平面共享的网络拓扑信息，向其他普通节点进行指令分发，并接收其他普通节点回传的信息传输给指挥节点；

S3.指挥节点动态选择部分普通节点构建任务平面；并通过管控平面向任务平面中的各个节点传输控制指令，进行任务分发或者预设任务启动规则设定；

S4.任务平面根据管控平面分发的任务信息或者预设任务启动规则，以切片形式动态建立和删除任务子网，并基于任务需求和任务相关节点可用资源，构建任务子网的网络拓扑和通信链路，满足不同任务差异化的性能要求，实现任务相关节点间的ad-hoc高效数据传输。

5.根据权利要求4所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，其特征在于：所述任务平面内，通过将同一节点分配在多个不同的任务子网内，实现不同任务之间的协同合作。

6.根据权利要求4所述的一种ad-hoc自组织网络的切片化架构的构建方法，其特征在于：还包括无线资源配置步骤，包括：

第一，平面无线资源配置：为任务平面、覆盖平面和管控平面分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个平面内部的通信；

第二，子网无线资源配置：对任务平面中的各个任务子网，分别配置独立的路由机制、接入方式、传输协议和信号波形，实现各个子网内部的通信。