CN103415083B - 一种适用于小卫星集群的星间组网通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于小卫星集群的星间组网通信方法，步骤为：（1）设定中心节点和普通节点；（2）将物理信道划分为组网信道和数据信道，各卫星节点之间通过IEEE802.11协议的CSMA/CA模式共享物理信道；（3）由中心节点利用组网信道发出组网信标帧，普通节点进行监听，当接收到后，如果决定加入网络则发送请求关联帧给中心节点；（4）中心节点接收到请求关联帧后，根据身份校验和网络容量信息判决是否允许某普通节点加入的网络，并发送相应的关联申请反馈信息至普通节点；组网完成后，各普通节点在中心节点的调控下采用轮询的方式进行测控数据通信，测控数据通信完成后各普通节点之间采用IEEE802.11的CSMA/CA协议进行数据通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于由小卫星构成的星簇、编队飞行等应用场景进行组网通信的方法。
背景技术
由小卫星组成编队或者星簇之类的小卫星集群进行协同工作，是未来小卫星发展的趋势之一。构成编队或者星簇的各卫星节点为协同完成任务，需要有相互通信的能力。
以往的星间通信主要是点对点的单一星间链路通信，随着星簇和编队的规模增大（节点数目大于3个时），单一的点对点通信已经不满足其通信需求。为了实现编队和星簇中任意卫星节点之间的通信，需要建立高效的网络通信机制，使得各卫星节点可以通过星间网络进行数据通信，从而满足编队和星簇应用场景中各小卫星节点日益增长的信息交互和信息融合需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于小卫星集群应用的星间组网通信方法，可以实现编队和星簇中任意卫星节点之间的通信。
本发明的技术解决方案是：一种适用于小卫星集群的星间组网通信方法，步骤如下：
（1）在小卫星集群中，选取其中一颗卫星作为中心节点，其余的卫星作为普通节点；
（2）将星间的物理信道划分为两类，一类是用于组网时数据交互的组网信道，另一类是用于组网后的测控和数据通信的数据信道；各卫星节点之间的通信通过IEEE802.11协议的CSMA/CA模式共享物理信道，其中中心节点以PIFS访问信道，普通节点以DIFS访问信道；
（3）由中心节点利用组网信道发出组网信标帧，普通节点在组网信道中始终处于监听组网信标帧的状态，各普通节点对组网信道的抢占方式采用CSMA/CA协议；当接收到中心节点广播的组网信标帧后，如果普通节点决定加入网络则发送请求关联帧给中心节点，如果普通节点不准备加入网络则不做任何响应；
（4）中心节点接收到普通节点发来的请求关联帧后，根据身份校验和网络容量信息，判决是否允许某普通节点加入由该中心节点组建的网络，并发送相应的关联申请反馈信息至普通节点；中心节点将允许加入网络的普通节点进行编号；
（5）中心节点和允许加入网络的普通节点共同组网，组网完成后，各普通节点在中心节点的调控下进行测控数据通信，由中心节点按照普通节点的编号顺序采用轮询的方式对通过身份验证的普通节点进行测控数据通信，获取相应普通节点的测控信息；其中中心节点与普通节点的测控数据通信时间为固定值，超过固定值则进行中心节点与下一编号的普通节点的通信，中心节点与最后一个编号的普通节点的测控数据通信完成后，整个测控数据通信过程结束，进入下一步；
（6）各普通节点之间采用IEEE802.11的CSMA/CA协议进行数据通信。
本发明与现有技术相比的优点在于：现有的星间通信技术都主要是面向点对点通信，不支持多点之间的组网通信。在点对点通信情形下，不利于整个卫星集群的管理与控制。本方面提出了一种面向小卫星集群的组网通信方法，该方法使得位于小卫星集群中的每一个节点都可以通过组网控制信道加入地面站指定的中心节点发起的通信网络，使得各节点之间的通信有序化，便于小卫星集群的管理与控制。同时，通过划分中心节点协调下的数据通信信道为测控段和数据通信段；整个小卫星集群处于中心节点的管控下，而无需地面站介入，为小卫星集群的自主运行控制提供了通信基础；在数据通信段，各组网卫星节点可以相互交互数据，为星间协作完成任务提供了通信基础。
附图说明
图1为CSMA/CA协议原理图；
图2为CSMA/CA中的帧间隔定义示意图；
图3为本发明方法的流程框图，其中图3a为组网流程，而图3b为数据交互流程；
图4为本发明数据信道工作时序图。
具体实施方式
小卫星集群内的通信需求主要是用于集群中各卫星节点之间的短距离数据交互：包括测控数据和载荷数据，而前者有较强的实时性要求。在小卫星集群内，由这些卫星节点构成的网络拓扑可能随着任务需求而不断变化（如编队和星簇的总体构型改变，卫星节点因故障或者运动加入或者退出某个网络，或者改变编队或者星簇的空间构型），这就需要网络能够适应这些需求，自适应地组建网络、更新网络，从而保证各卫星节点的数据在网络中有效流动。
考虑到小卫星集群的星间组网通信模式与地面MANET（MobileAdhocNetwork）的相似性，本发明拟采用类似方法来构建小卫星集群网络的数据链路层和网络层，从而屏蔽各种动态因素，为各节点的数据交互提供稳定的数据通路。在考虑MAC（MediaAccessControl）层机制时，参考了IEEE802.11的DCF模式和PCF模式，并针对空间应用进行了相应修改。
IEEE802.11支持两个MAC协议：
基本型的分布式协调功能（DCF，DistributedCoordinationFunction）：其核心机制是带冲突避免的载波检测多址接入（CSMA/CA，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）协议。该协议如图1所示，发送节点在监听媒体，当超过DIFS间隔没有发现媒体被占用时，发送节点准备访问信道，开始回退随机回退计时器，到随机回退结束，开始发起RTS帧，向其它节点表面起要通信的对象和占用信道时间；接收节点收到RTS帧后作为应答发出CTS帧，该帧中同样包含了随后通信要占用信道的时间；这样在这两个节点通信范围内的其它节点就获取了信道将被占用的时间，即NAV；而后发送节点发送数据DATA，接收节点收到之后回馈ACK。通过这种方式一定程度上避免了无线通信中的隐藏站和暴露站问题，从而达到了对通信媒体的共享。CSMA/CA协议通过握手机制、载波侦听机制、帧间间隔和随机回退机制，控制共享单信道模式下数据报文的冲突。比如：采用RTS-CTS-DATA-ACK四次握手机制完成分布式数据业务的接入，可基本解决隐藏终端和暴露终端的问题。
可选的点协调功能（PCF，PointedCoordinationFunction）：必须依托DCF功能，才能支持实时业务传输。
此外，IEEE802.11支持虚拟载波侦听功能，主要是通过网络分配向量NAV（NetworkAllocationVector）来实现。首先，NAV可用于记录一个当前正在进行的数据传输将占用信道的时间。节点在接收到其他节点之间交换的报文时，根据报文头中的Duration字段值设置各自的NAV。然后，NAV作为一个倒数定时器工作。当NAV不为零时，表明信道正在被他人占用。若NAV为零，则信道空闲，节点可以竞争信道。
在CSMA/CA中SIFS/PIFS/DIFS的定义如图2所示，IEEE802.11中定义了CSMA/CA的时隙，其中SIFS是最短帧间隔，PIFS是接入点的接入等待时延，DIFS是普通站的接入等待时延。
在编队或者星簇中，每个卫星节点都有一个编号（地址），该编号（地址）唯一标识该节点。
从通信功能上看，可以将编队或者集群内的卫星节点分为两类，其中一类节点在小卫星集群组成的空间子网中作为中心节点来协调调度整个网络的运行；而另一类节点作为普通节点，其通信受制于中心节点。中心节点可以通过地面站指定，考虑到小卫星集群是适应于不同航天任务的；如果小卫星集群中的节点是同构的，即每颗卫星都是一样的，可以通过地面站任意指定；如果是异构的，即不一样，地面站可以指定那颗具有最强对地通信能力的卫星节点为中心节点。
物理信道可以分为两类：一是组网信道，另一类是数据信道。组网信道主要用于指定中心节点之后的各节点构成一个通信网络，是网络控制信道；数据信道主要用于集群中各节点组成网络之后的测控通信和数据通信。这两者通过不同频率来区分，即组网信道和数据信道工作在不同频点上。数据信道上可以运载两类信息，一是实时性要求较高的测控数据，另一类是各节点之间交互的载荷数据。
本发明方法中，卫星节点之间的通信通过IEEE802.11协议的CSMA/CA模式共享物理信道，其中中心节点以PIFS访问信道，普通节点以DIFS访问信道，从而能保证中心节点优先使用信道。
本发明方法的流程如图3所示，主要包括组网、通信两个主要过程。
一、组网过程
组网信道由中心节点控制，由中心节点发出组网信标帧开始触发一个周期；其它普通节点等待组网信标帧，收到后，如果加入则给予应答，否则不做回应；各普通节点对组网信道的抢占方式采用CSMA/CA协议；
a)工作于组网信道的中心节点
组网信道中心节点的工作时序一个周期如表1所示，
表1中心节点的组网信道工作时序
| 发送组网信标帧 | 监听。。 | 收到请求关联帧 | 关联申请反馈 | 监听。。 |
组网信标帧的内容如表2所示，
表2组网信标帧信息内容
| 网络名称 | 信标传输间隔 | 剩余容量 | 物理层参数 | 轨道及姿态参数 |
其中网络名称采用中心节点的编号（该编号唯一）；信标传输间隔是指中心节点的周期性信标广播的相隔周期；剩余容量是指本中心节点仍可接收几个普通节点加入该网络，该参数限制了网络规模，该参数主要受制于低速信道中测控通信段时长，可以由地面站计算指定而后通过星地链路上传；物理层参数规范了该中心节点的信道参数（如通信速率范围）等；轨道和姿态参数是该中心节点的位置和姿态信息。
若中心节点在收到普通节点的请求关联帧信息之后，根据身份校验和网络此时容量设置信息，判决是否允许某普通节点加入由该中心节点组建的网络，并发送关联申请反馈通知相应普通节点。
中心节点对通过身份验证的节点，要维护一个管理信息库，该信息库数据内容如表3所示，表3中分为两项，左边这一列是中心节点维护的加入网络的节点编号，按接入顺序记录。每个小卫星集群中的卫星节点都有一个卫星识别码，该识别码即该节点编号。右边一列是其对应的参数，包括卫星的相关状态参数，可以随不同任务需求自定义。
表3中心节点管理信息库
| 普通节点1编号 | 普通节点1参数 |
| 普通节点2编号 | 普通节点2参数 |
| 普通节点3编号 | 普通节点3参数 |
| 普通节点4编号 | 普通节点4参数 |
| 。。。 | 。。。 |
| 普通节点N编号 | 普通节点N参数 |
b)工作于组网信道的普通节点
组网信道中普通节点收到中心节点广播的组网信标帧后，反馈的请求关联帧的信息内容如表4所示，
表4普通节点请求关联帧的信息内容
| 节点身份验证信息 | 节点当前轨道及姿态参数 |
普通节点在组网信道中始终处于监听状态，直到收到某中心节点的组网信标帧广播，并决定加入时才发送请求关联帧，其在加入某网络时的工作时序如表5所示，表5所示的是普通节点在组网信道上的工作时序，首先是监听中心节点发送的组网信标帧广播，收到之后，如果该节点决定加入此网络，则发送关联请求帧；接下来监听信道，等待关联申请反馈；收到反馈之后不再监听组网信道；否则重试发送关联请求帧。
表5普通节点组网信道工作时序
| 监听组网信标帧广播 | 发送关联请求帧 | 监听关联申请反馈 | 收到反馈 |
当普通节点加入某网络之后将不再监听组网信道，也不会再发送关联请求帧。直到它准备重新加入一个网络时重启如表5所示的工作时序。
二、数据通信过程
组网成功之后，各普通节点在中心节点的调控下进行数据通信，中心节点控制下的数据通信过程分为两个阶段，第一阶段是测控数据通信阶段，该阶段由中心节点按照管理信息库中的节点顺序对通过身份验证的节点进行测控数据通信，是无竞争的轮询（POLLING）模式，第二阶段由是各普通节点之间的数据通信，这段时间是有竞争的，采用IEEE802.11的CSMA/CA协议进行通信。整个通信时序如图4所示。
a)工作于数据信道的中心节点
中心节点在数据信道通信周期的开始时发出一个叫测控段开始的信标，而后参考管理信息库节点顺序对网络中的普通节点进行测控轮询；在测控轮询帧N发出之后，对每个应答N维护一个等待计时器，计时器超时则发出对下一节点的轮询，不再等待当前节点应答；在完成所有管理信息库中节点轮询之后发送测控段结束信标；表明接下来可以进行所有普通节点之间的数据通信业务。
b)工作于数据信道的普通节点
普通节点在数据信道上，首先监听中心节点的测控段开始信标帧，之后进入监听等待自己的轮询帧状态，收到轮询帧之后要立即向中心节点反馈自己的测控信息；在中心节点发完测控段结束信标之后，开始根据自己需求与任意节点进行数据通信，对信道的共享方式如IEEE802.11规定的CSMA/CA方式。
三、普通节点退出网络过程
若普通节点在中心节点指定的N个测控通信周期均应答超时，中心节点认为该节点已经不在本网络中，应将该节点从管理信息库中删除，并在第（N+1）个周期到来之时，不再对其测控轮询。相应地其测控时间可以用于扩展数据通信时长（若没有新节点加入情形）。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种适用于小卫星集群的星间组网通信方法，其特征在于步骤如下：
(1)在小卫星集群中，选取其中一颗卫星作为中心节点，其余的卫星作为普通节点；如果小卫星集群中的每颗卫星都是一样的，则所述的中心节点任意指定，如果小卫星集群中的每颗卫星不都是一样的，则所述的中心节点为具有最强对地通信能力的卫星；
(2)将星间的物理信道划分为两类，一类是用于组网时数据交互的组网信道，另一类是用于组网后的测控和数据通信的数据信道；各卫星节点之间的通信通过IEEE802.11协议的CSMA/CA模式共享物理信道，其中中心节点以PIFS访问信道，普通节点以DIFS访问信道；
(3)由中心节点利用组网信道发出组网信标帧，普通节点在组网信道中始终处于监听组网信标帧的状态，各普通节点对组网信道的抢占方式采用CSMA/CA协议；当接收到中心节点广播的组网信标帧后，如果普通节点决定加入网络则发送请求关联帧给中心节点，如果普通节点不准备加入网络则不做任何响应；
(4)中心节点接收到普通节点发来的请求关联帧后，根据身份校验和网络容量信息，判决是否允许某普通节点加入由该中心节点组建的网络，并发送相应的关联申请反馈信息至普通节点；中心节点将允许加入网络的普通节点进行编号；
(5)中心节点和允许加入网络的普通节点共同组网，组网完成后，各普通节点在中心节点的调控下进行测控数据通信，由中心节点按照普通节点的编号顺序采用轮询的方式对通过身份验证的普通节点进行测控数据通信，获取相应普通节点的测控信息；其中中心节点与普通节点的测控数据通信时间为固定值，超过固定值则进行中心节点与下一编号的普通节点的通信，中心节点与最后一个编号的普通节点的测控数据通信完成后，整个测控数据通信过程结束，进入下一步；
(6)各普通节点之间采用IEEE802.11的CSMA/CA协议进行数据通信。
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Families Citing this family (8)
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|---|---|---|---|---|
| CN105306128A (zh) * | 2015-09-17 | 2016-02-03 | 航天东方红卫星有限公司 | 一种基于ieee 802.11协议的小卫星集群通信系统 |
| CN106102170B (zh) * | 2016-05-31 | 2019-04-09 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法 |
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| CN110460369B (zh) * | 2019-08-06 | 2020-11-20 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法 |
| CN110830103B (zh) * | 2019-08-30 | 2020-12-08 | 中国西安卫星测控中心 | 一种空间卫星星群的集中推力式部署方法 |
| CN112929329B (zh) * | 2021-01-15 | 2021-12-28 | 西安交通大学 | 一种基于Ethernet/IP协议的集群控制系统及其通信方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102202333A (zh) * | 2011-06-24 | 2011-09-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 用于小卫星星座通信的无线自组织网络路由方法 |
| CN102202425A (zh) * | 2011-06-24 | 2011-09-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102202333A (zh) * | 2011-06-24 | 2011-09-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 用于小卫星星座通信的无线自组织网络路由方法 |
| CN102202425A (zh) * | 2011-06-24 | 2011-09-28 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法 |
| CN103068000A (zh) * | 2012-12-11 | 2013-04-24 | 李滨 | 基于小卫星的自组织网络方法及系统 |
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|---|---|
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