CN101425834B - 一种空地数据链路控制管理方法 - Google Patents

Abstract

一种空地数据链路控制管理方法，包括飞机与地面系统链路初始化过程，飞机在公共信号频段以及具有服务优先级的频率进行搜索，地面站同样在当前服务频段以及公共信号频段发送地面广播帧；飞机与地面站初始化链路的建立；地基系统自动调谐方法；多状态链路切换过程，根据飞机与地面站切换控制权的不同，如果地面系统要求切换，且飞机端具备切换初始化功能时，将发起地基请求-飞机初始化切换过程。如果飞机端要求切换，且地面站具备切换初始化功能时，将发起飞机请求-地面初始化切换过程。通过本发明公开的方法，可保证飞机与地面站间灵活、自动控制以及无缝隙切换的链路管理。

Description

一种空地数据链路控制管理方法

技术领域

本发明涉及一种空地数据链路控制管理方法，尤其是飞机在飞行过程中的链路控制管理方法，属于航空通信技术领域。

背景技术

从国际与国内上来看，近些年，航空运输的增长已进入了新的阶段，据预测，到2010年内世界空中旅客运输的年增长率为8％。飞行流量的增加要求航空通信系统能够快速、准确、可靠地交换航空及飞行信息，并能进行自动化的处理。

航空数据通信系统具有空地数据处理以及链路控制等功能。在空地数据处理过程中，飞机与地面站采用一定的数据处理规程，完成主要的数据检错以及数据交换任务。但数据交换功能的基础是空地数据链路的控制管理，尤其是航空通信过程中，飞机频繁的从一个地面站进入另一个地面站，为了避免飞机的频繁切换带来的数据丢失问题，必须有一整套空地数据链路控制管理方法进行处理，完成飞机与地面系统以及空中交通管理中心数据的数据无损交换。

传统的航空通信链路管理方式，将链路初始化建立与切换分离为两个非常独立的过程，在发现链路质量很差的情况下才重新搜寻新的地面站进行链路连接，这对于要求安全性很高的航空通信来说都是急需改善的。同时传统链路管理方式往往忽略新旧链路切换的无缝隙保证，缺乏有效的新旧链路过渡机制，导致航空通信安全性得不到保证，另外也忽略地基系统在链路切换中作用，并没有考虑到切换时的多种状态情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服现有技术的缺陷，提出一种飞机飞行过程中链路控制管理方法，该链路控制管理方法功能完备，不仅实现了在链路建立以及管理功能，也在链路切换上使用多状态链路切换方法，保证了切换的安全性以及完备性。

飞机与地面站间灵活、自动控制以及无缝隙切换的链路管理。

本发明的技术解决方案：一种空地数据链路控制管理方法，步骤如下：

步骤1：地面站在当前服务频段以及公共信号频段发送广播帧，飞机在公共信号频段以及具有服务优先级的频段进行搜索，从而完成飞机与地面站链路初始化过程；

步骤2：飞机主动发出与地面站进行连接请求，地面站在允许连接的情况下提供给带有备选地面站信息参数的交互帧，完成飞机与地面站的链路连接，飞机与地面站进行正常的数据传输，所述的交互帧是用作空地链路建立、切换以及断开的功能数据帧；

步骤3：飞机与地面站在数据传输过程中，飞机始终监测当前地面站数据传输后的信号质量情况，尤其对于飞机端，存在着多个地面站信号质量对比问题，如果需要切换地面站，飞机或者地面站会主动发起切换或者更换切换控制权；

步骤4：飞机或地面站主动发起切换过程后，新旧链路采用交互帧握手过程并且配合定时器完成过渡。

本发明与现有技术具有以下优点在于：

(1)涵盖范围广，可以完成飞机在飞行过程中的所有链路功能，具体体现在权利要求1中，遵循该发明，不仅可以实现链路初始化、链路建立、链路切换以及断开功能，而且在链路建立时就提供备选地面站参数、自动调频功能，是一套完整的链路控制方法。

(2)灵活性强，考虑到飞机与地面站可能涉及的切换情况下灵活的处理方法，可以实现任何情况下的切换任务，同时提升了地面系统在切换过程中的地位，保证了切换的灵活性。

(3)安全性高，新旧链路交替过程不仅保证了效率，更注重了安全性。使用新链路的交互帧握手过程以及旧链路的定时器功能，不仅达到了链路利用的效率，同时不立刻断开旧链路而是维持特定时间的新旧链路同时存在的过程，也是保证链路安全性的重要措施。

附图说明

图1为本发明空地数据链路管理控制总体流程图；

图2为本发明飞机和地面站链路控制初始化流程图，其中图2a为飞机链路控制初始化流程图，图2b为地面站链路控制初始化流程图；

图3为本发明飞机和地面站链路建立流程图，其中图3a为链路建立中飞机端处理流程，图3b为链路建立中地面站处理流程；

图4为本发明中链路切换管理的总体流程图；

图5为本发明图4实施例中飞机主动发起切换命令的流程图；

图6为本发明图4实施例中地面系统主动发起切换命令的流程图。

具体实施方式

飞机在飞行过程中，始终需要保持与地面站之间的联系，进行数据交换工作。在数据传输过程中，关于数据传输控制的数据帧包括信息帧与监督帧，其负责空地数据信息交换与检错；关于链路控制的数据帧叫做交互帧，其负责空地数据链路的管理控制功能。交互帧中包含一些特定的链路参数信息，其中包括特定性参数和可操作性参数，特定性参数是飞机或者地面站进行数据链路建立必须包含的参数信息或者地面站与飞机标志性参数，例如地面站标识参数、飞机要求最低信息质量参数等；而可操作性参数是飞机与地面站在链路建立过程中可以进行协调的参数，比如两者需要协调的定时器大小参数等。而在本发明中涉及的主要数据帧都包括在交互帧范畴之内。

如图1所示，本发明实施例完成空地数据链路控制管理的总体过程，其中包括飞机与地面站的链接建立过程以及链路切换过程，工作步骤为：首先飞机和地面站进行链路初始化过程，其中包括飞机的频率搜索过程和地面站的广播信息帧过程；其次，在链路符合条件的情况下，飞机与地面系统建立首次链接过程，在该链路建立过程中，地面站不仅要提供自动调谐功能参数，而且需要提供备选地面站信息参数；然后，在符合某种切换条件下，飞机又在地面站之间进行切换，该切换过程是一个多状态多情况的切换过程，需要考虑是否需要更换切换的主动权问题；最后，在发起切换过程后，空地数据链路实现新旧链路的交替过程，而且采用了新链路的交互帧握手过程和旧链路的定时器功能实现，保证了交替的效率和安全性。

如图2所示，地面站和飞机的链路初始化过程，具体步骤如下：

对于地面站，地面站首先判断计时器TG4是否超时，TG4定义为地面广播帧的最大传输间隔，若超时，地面站会在当前服务的信号频段以及公共信号频段发送广播帧，地面站在公共信号频段同时发送广播帧的目的，就是当飞机服务频率并没有调节在地面站服务频率时，也会在公共信号频段搜寻信号。该广播帧包含当前地面站的必要性参数信息；

对于飞机，飞机端链路初始化开始，飞机会在某一具有优先搜索的频率上搜寻上行数据，除此之外，飞机端还在公共信号频段搜寻数据；飞机搜索过程中，会判断计时器TG1是否超时，TG1定义为飞机端在某一频率上的最大等待时间，如果没有超时，继续在该频率上搜寻有效上行数据(广播帧)，如果超时，飞机端将调节到另一频率上等待上行数据。

如图3所示，地面站和飞机的链路建立过程，具体步骤如下：

链路建立过程中飞机端的具体步骤为：

飞机端接收到地面站上行广播信号GSIFs，基于上行信号质量来选择合适的地面站，并向地面站发送要求建立链路命令的交互帧XID_CMD_LE(P＝1)；如果地面站拒绝连接，则接收到拒绝建立链路命令的交互帧XID_RSP_LCR(F＝1)，飞机将重新选择地面站建立连接，如果地面站接受连接，则接收到同意建立链路的回复交互帧XID_RSP_LE(F＝1)；飞机对接受连接的回复帧进行参数检测，如果不接受地面站回复帧的参数信息，则利用当前链路发送地面站链路断开帧DISC，该数据帧属于数据交换监督帧，不属于链路管理帧范畴，主要原因是飞机端接收到回复帧的时候，数据链路在理论上已经建立，所以如果不接受地面站的参数信息，需要利用当前链路发送断开监督帧。而如果飞机端接受回复帧的参数信息，此时会判断参数信息中是否包含自动调频功能，如果没有要求自动调频过程，空地数据链路初始化建立过程就完成，链路建立，如果地面站要求飞机自动调频，且飞机支持自动调频功能，则飞机端会按照要求调节到新频率，然后主动发起一个切换命令，如果飞机端不支持自动调频功能，将利用当前链路发送给地面站拒绝调频功能交互帧XID_CMD_LCR(P＝0)，使用当前频率与地面站维持链接。

链路建立过程中地面站的具体步骤为：

地面站定时发送地面广播帧，同时判断是否有飞机端尝试连接，如果没有，继续执行广播功能，如果检测到有飞机端连接，会接收到尝试连接的要求建立链路命令的交互帧XID_CMD_LE(P＝1)，地面站接着判断是否可以与当前飞机建立连接，如果拒绝连接，地面站回复拒绝建立链路命令的交互帧XID_RSP_LCR(F＝1)，不接受链路建立，如果接受连接，地面站将回复同意建立链路的回复交互帧XID_RSP_LE(F＝1)；在链路建立时刻，地面站也必须考虑到可能发生的链路切换问题，所以在回复帧中必须添加适当的参数信息。在添加参数信息时，地面站还需要判断一下是否需要加入自动调频参数来要求飞机调节频率。自动调频功能是为了在通信拥塞区域合理管理链路频率而加入的，该功能是地面站发起由飞机端在新频率上建立链路连接的过程。如果需要自动调频，地面回复帧将包含飞机使用新频率可以建立链接的备选地面站列表信息，如果不需要，则回复帧包含使用当前频率可以建立链接的备选地面站列表信息。所有参数信息的加入，都为飞机主动发起切换时提供了有足够的参数信息，保证了飞行的安全性。

如图4所示，该图表示了飞机在飞行过程发生地面站切换的整体过程。飞机端LME在飞行过程中，始终对数据链路质量进行检测，飞机端如果发现以下情况时，决定执行链路切换命令。

1、当前建立连接的链路信号质量低，而同时另一地面站信号质量明显好很多；

2、发送给当前地面站任何信息的N2计数器溢出，N2的定义为数据帧最大重传次数；

如果发生以上情况，飞机端将要求切换一个提供更好质量的地面站，除此之外，飞机还需要判断是否需要更换切站控制权，该步骤是为了兼顾不能主动发起切换的飞机端LME情况以及当前地面站以及备选地面站都是有地基系统控制的情况。如果不需要更换，则飞机会主动发起一个切换命令，如果需要更换，则会发送要求更换切站控制权的交互帧XID_CMD_HO(P＝0)，要求地基系统主动发起切换，这是一个飞机要求-地基系统发起切换的命令。

除了飞机可以要求发起切换外，地基系统也可以根据当前地面站以及本系统内的备选地面站的服务质量，要求发起切换命令。如果地基系统要求发起切换命令，他也首先判断是否需要更换切站控制权，该过程兼顾了不能主动发起切换命令的地面系统LME情况，如果不需要更换，将发起一个地面站主动切换命令，如果需要更换，则会发送要求更换切站控制权的交互帧XID_CMD_HO(P＝0)，要求飞机端主动发起切换，这是一个地面站要求-飞机发起切换的命令。

如图5所示，该图表示飞机主动发起链路切换命令过程，飞机在进行地面站切换过程开始，首先有一个地面站选站的过程，站点优先选择的一个原则是，飞机倾向于连接在链接建立时地面站发送的切换地面站列表中的备选地面站，他们与当前地面站有可达的子网络连接；除此之外，如果飞机开始接近它的目的地机场而它现时连接的是一个并不为目的地机场提供服务的地面站，它应该切换控制给一个显示在机场覆盖指引参数内并且为目的地机场提供服务的地面站。飞机在选定地面站以后，会向选定地面站主动发送要求发起切换的交互帧XID_CMD_HO(P＝1)，在收到地面站对该交互帧回复之前，飞机将拒绝接收任何备选地面站的信息帧，并且定时发送XID_CMD_HO(P＝1)帧，如果发送次数超过N1次，飞机端将重新选择备选地面站发起切换命令。如果备选地面站接受飞机端的切换命令，将发送同意切换请求的交互帧XID_RSP_HO(F＝1)作为回复，否则发送拒绝切换请求的交互帧XID_RSP_LCR(F＝1)，同时回复帧中还是需要包含在链路建立时的一些操作性参数。如果飞机端收到回复帧以后，不可以接受回复帧中的参数信息，将在新链路上发送链路断开帧DISC断开链接，同时保持现有链接不受影响；如果接收回复帧参数，飞机端将开启TG5计时器，并开始使用新链路进行数据交换，而地基系统在备选地面站发送出回复帧的同时也开启TG5计时器。如果TG5计时器超时，旧链路将无条件断开，不需要发送任何链路断开帧。该过程不仅保证了新旧链路的无缝隙切换，而且使用了计时器无条件断开命令，减少了繁冗的断开过程。

如图6所示，该图表示了地面系统发起主动切换命令的过程，该过程类似于飞机发起主动切换命令过程。首先备选地面站主动向飞机端发送要求发起切换的交互帧XID_CMD_HO(P＝1)要求切换，地面站在没有接收到飞机端对该交互帧回复的情况下，将拒绝接收任何来自飞机端的数据帧，并且定时重复发送该交互帧给飞机，当重复发送次数超过N1的情况下，地基系统将重新选择新的地面站对飞机发起切换要求。如果飞机端接受该备选地面站的切换要求，将发送同意切换请求的交互帧XID_RSP_LE(F＝1)给备选地面站，如果不接受，将发送拒绝切换请求的交互帧XID_RSP_LCR(F＝1)，保持当前链路。地面站接收到回复帧，将使用新的链路与飞机进行数据交换，同时开启TG5计数器，而飞机端在发送回复帧以后，也同时开启TG5计时器，在TG5计时器超时后，旧链路将无条件断开而不需要任何链路断开命令。

本发明未详细阐述的技术属于本领域公知的技术。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种空地数据链路控制管理方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：地面站在当前服务频段以及公共信号频段发送广播帧，飞机在公共信号频段以及具有服务优先级的频段搜索广播帧，从而完成飞机与地面站链路初始化过程；

步骤2：飞机主动发出与地面站进行连接请求，地面站在允许连接的情况下提供给带有备选地面站信息参数的交互帧，完成飞机与地面站的链路连接，飞机与地面站进行正常的数据传输，所述的交互帧是用作空地链路建立、切换以及断开的功能数据帧；

步骤3：飞机与地面站在数据传输过程中，飞机始终监测当前地面站数据传输后的信号质量情况，对于飞机端存在着多个地面站信号质量对比问题，如果需要切换地面站，飞机或者地面站会主动发起切换或者更换切换控制权；

步骤4：飞机或地面站主动发起切换过程后，新旧链路采用交互帧握手过程并且配合定时器完成过渡；

所述的步骤2中，飞机与地面站建立链接的具体处理方法包括：

(2.1)对于飞机处理方法为：

飞机接收地面站上行广播帧，并且选择有效地面站准备进行连接，该有效地面站的选择基于飞机是否可以接受地面站广播信号的质量以及广播帧的信息参数；在选定有效地面站后，飞机主动发送要求建立链路命令的交互帧给指定地面站，该交互帧包含了地面站广播帧中声明的必要信息参数以及飞机的可操作性参数；地面站在接收到要求建立链路命令的交互帧以后，如果接受链路建立，则飞机接收地面站发送的同意建立链路的回复交互帧，其中包括地面站协调修改后的可操作性参数，否则接收拒绝建立链路命令的交互帧，不能建立连接；飞机在接收到回复交互帧后判断是否可以接受该回复交互帧的参数信息，如果不接受，回复地面站链路断开帧DISC，断开此处链接；如果接受，飞机还需再次判断地面站回复帧中是否带有自动调频功能参数，如果有，且自身具备自动调频功能，则飞机自动调节到指定频率，如果不带有自动调频功能参数或者飞机不支持自动调频功能，则飞机还是用当前频率与地面站建立连接；

(2.2)对于地面站处理方法为：

地面站不断发送广播帧，并且判断当前是否有飞机尝试连接，如果有，地面站将接收飞机主动发起的要求建立链路的命令交互帧；地面站判断是否与当前飞机建立连接，如果不可以，则回复拒绝建立链路命令的交互帧；如果可以建立连接，则地面站再次判断当前是否需要自动调频，如果需要调频，则回复同意建立连接的回复交互帧，其中包含使用新频率可以建立连接的备选地面站列表参数，为地面站切换提前做好准备；如果不需要自动调频，则回复同意建立连接的回复交互帧，其中包括使用当前频率可以建立连接的备选地面站列表参数；

所述步骤3具体是根据飞机端以及地面站的不同状态情况，进行选择性的切换过程，包括：

(3.1)飞机链路管理实体始终进行信道质量检测，判断是否符合需要切换条件，如果符合，飞机会首先判断是否需要更换切换地面站的控制权，如果不需要，则飞机将主动发起切换地面站命令；如果需要，则飞机端发起切换地面站请求，更换切站控制权，切换成功后，由地面系统主动发起切换地面站命令；

(3.2)地面系统也可以根据当前情况完成系统内地面站间的切换任务，需要首先判断是否需要更换切换地面站的控制权，如果不需要，地面系统将主动发起切换地面站命令，如果需要，地面系统发起切换地面站要求，更换切站的控制权，切换成功后，由飞机主动发起切换地面站命令；

所述步骤4中飞机主动发起切换地面站命令过程，包括：

飞机按照特定要求重新选择备选地面站；飞机选定地面站后向其发送要求发起切换的交互帧，并且判断该交互帧发送次数N1是否溢出，N1定义为数据帧的最大重传次数，如果溢出，则重新选择备选地面站，否则将等待接收选定地面站的切换确认信息，如果没有收到，将重复发送交互帧给该地面站，如果收到切换确认信息，飞机端将判断切换确认信息是否是选定地面站接受切换命令的信息，如果不是，接收到是拒绝切换的回复帧，则保持原有链路；如果是，飞机还需判断是否接受回复帧的参数信息，如果不接受，则发送链路断开交互帧，仍保持现有链路；如果接受，将使用新链路进行数据交换，同时开启TG5计时器，TG5计时器定义为双链路前提下旧链路的最长等待时间，在TG5超时之前，原有旧链路不受影响，而在超时后，将无条件断开旧链路，完全使用新链路进行通信；

所述步骤4中地面系统主动发起切换命令过程，包括：

地面系统为飞机选择备选地面站并且主动发起链路切换命令；备选地面站发送要求发起切换的交互帧到飞机端，并且判断该交互帧发送次数N1是否溢出，如果溢出，则地面系统为飞机重新选择备选地面站，如果没有，则备选地面站将等待飞机端响应，如果响应为拒绝切换的交互帧，则保持现有链路不受影响，如果响应为接受切换命令的交互帧，则使用新链路进行数据交换，同时开启TG5计时器，在TG5没有超时期间，新旧链路都可以使用，一旦超时，旧链路无条件断开，完全使用新链路进行通信。

2.根据权利要求1所述的空地数据链路控制管理方法，其特征在于：所述的步骤1中，飞机与地面站链路初始化的具体处理方法包括：

对于地面站，是在规定的广播帧最大传输间隔TG4超时的情况下，在当前服务频段以及公共信号频段发送广播帧，该广播帧包含当前地面站的参数信息；

对于飞机，是在飞机端某一频率上的最大等待时间TG1超时的情况下，依次在公共信号频段和已经优先信号频段搜寻有效的上行广播帧。

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