CN103929818A - 一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议，属于飞行控制技术领域。所述时隙分配协议，包括固定时隙分配、预约时隙分配、固定时隙与预约相结合的复合模式。本发明很好的解决了自主编队职称网络时隙分配的问题，根据网络规模在固定分配与预约分配两种工作模式间进行动态切换，各工作模式被选定后，可以根据当前业务量，内部动态调整帧结构及时隙划分，以适应网络的高动态性，提高节点信息的更新率、信道利用率和系统容量。模式的切换及各时隙的分配均由节点自主完成，便于实现网络自组织管理，体现了网络的自主性。

Description

一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议

技术领域

本发明涉及一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议，属于飞行控制技术领域，具体涉及一种适用于飞行器自主编队支撑网络的时隙固定分配与预约相结合的复合式STDMA时隙分配协议。

背景技术

近年来，许多国家投入大量的人力物力于飞行器的自主编队飞行的研究中，多无人飞行器自主编队系统是多学科交叉的综合集成系统，上层可以完成自主编队协同飞行、协同航路规划、协同导航等具备群体意识的复杂任务，底层基于无线通信网络技术进行数据的互联、互通和互操作。飞行器自主编队系统如果侧重于队形的拓扑和网络通信，那么整个系统可以看作是一个移动无线自组织网络系统，飞行器自主编队的网络化是多飞行器之间通过某种形式的联系构成一个在时空上、体系结构上、任务功能上的一个整体，从某种意义上讲，网络化即整体化。完成网络化的载体即编队的支撑网络，支撑网络的具体体现即网络支撑协议。

无线自组织网络，又称无线自主网络或无线Ad Hoc网络，是一种无基础设施，具有自组织、自适应以及自愈能力的无线移动网络。IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）也将Ad hoc网络称为MANET(移动Ad hoc网络)。

自组织时分多址访问技术，即STDMA（Self-organized Time Division Multiple Access）技术，将时间轴分为若干个信息帧，每个信息帧又分成若干个时隙,供用户使用来发送数据、指令等信息。每个用户都周期地广播其对当前的时隙和对将来的时隙进行预约的信息报文，通过这些报文来构造时隙状态表。该时隙状态表中包含的信息是所有用户对时隙进行动态预约的依据，以实现各用户对信道时隙的自发管理。由于这种情况下的时隙资源是由用户自行管理的，不需要地面站的参与和控制，所以被称为自组织时分多址方式。

STDMA系统中，节点间信息的共享是以获得时隙的方式轮流占有信道进行的，是数据链正常工作的最根本的保证，因此时隙分配的效能直接影响了整个数据链的效率和稳定性，这使得时隙分配的算法成为STDMA技术中的一个研究热点，也是实现TDMA的一个重点。算法包括固定、预约、竞争、动态法等。在具体实现中，往往会根据具体情况，综合运用多种算法进行处理，以尽可能地提高信道利用率。

发明内容

本发明提供一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议，根据网络规模和用户需求，提供三种时隙分配工作模式，分别为固定时隙分配、预约时隙分配和复合模式，工作模式之间的切换只能在每帧开始前进行；所述各个工作模式具体如下：

步骤一：网内节点对更新率需求稳定时，采用固定时隙分配；

各节点通过发送ID号对时帧数取余，确定时隙的时帧序号k；通过发送ID号对时帧k内时隙数取余，确定时隙在时帧k内的时隙号；各节点可以根据自己在网络内的发送ID号自行寻找到相应的固定时隙；

步骤二：网内节点数变化，或需求变更时，采用预约时隙分配，流程如下：

当网络内节点即请求方需要提高更新率时，会按照需求进行分类处理，首先确定是否可以通过获得预约时隙来满足其发送需求；如果不能满足，则申请成为网络内更新率最高的节点，即中心节点；如果此请求被批准，则取代原有中心节点成为新的中心节点；否则只能通过申请预约时隙来满足需求；网内其他节点即接收方收到预约时隙请求后，判断本节点是否占有预约时隙，如果没有占用，则不作任何处理返回，否则应按照预定算法，计算本节点是否应放弃占有的预约时隙；如果计算结果是应放弃预约时隙，则向请求方回复预约请求，放弃预约时隙，请求方收到回复预约请求后，确认预约成功，完成预约时隙的转让；在网内同时存在多个预约请求的情况下，网络内节点会根据时隙编号的先后顺序依次处理；

步骤三：固定时隙与预约时隙相结合的复合模式；

当支撑网络的节点数随飞行器编队任务变化或个别节点出现离入队情况时，需要启动复合模式，将各帧长度扩大，使得其包含的时隙数增加，固定时隙分配不变，各时帧均在尾端加入预约时隙，并按照缺省的初始设置把预约时隙分配给网内各节点。

本发明的优点在于：

(1)实时性高：

本发明提供的时隙分配协议通过减少控制信令的传输，提高信道利用率，时隙的管理无需地面站及中心节点发送控制指令，减少了非用户数据量，提高了时隙利用率，保证节点能够及时的获得信道访问权并进行数据传送。系统按照网络业务量状况，确定采用固定时隙分配或是预约时隙分配，同时各分配方式可以进行帧结构和时隙分配的动态调整，使各节点可按照需求获得相应的发送机会，从而提高数据发送的实时性。

(2)优化更新率：

为了提高更新率，本协议弱化了中心节点和地面站的作用，简化了信道接入过程，提高了用户数据报文的发送比例，从而提高有效数据的更新率。考虑到业务量的不均匀性和动态性，通过快速的预约时隙分配调整策略，增加业务量大的节点拥有的时隙数，保证其业务需求，同时减少业务量少的节点拥有的时隙数，避免信道空闲，从而优化整个网络的更新率。

(3)时隙冲突少：

本协议中固定时隙分配只依赖于节点在网络内的发送序号，由于同一时刻网络内序号的唯一性，保证了时隙选择不会产生冲突。同时，有预约需求时，转让的预约时隙号并非由请求方确认，而是由其他节点收到预约请求后，按照次序，依次进行回复并分配预约时隙，从而减少了冲突的发生。

附图说明

图1：本发明中编队支撑网络的时隙结构示意图；

图2：本发明中编队支撑网络的固定时隙分配模式调整示意图；

图3：本发明中编队支撑网络的预约时隙分配流程示意图；

图4：本发明中编队支撑网络固定时隙和预约相结合的复合模式切换示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

1.时隙结构；

编队支撑网络的时隙划分结构如图1，设定每一帧分为n个时帧，每个时帧分为m个时隙。m和n的值可以调整，要结合编队支撑网络内节点数目以及具体需求来确定。原则上，每帧中各节点至少要获得一个固定时隙，避免长时间无法获得信道访问权。预约时隙的分配则是动态和竞争的过程，根据各节点的预约请求依次进行分配。

各时帧的首时隙（图中阴影部分的时隙r和时隙r+m）供中心节点使用，其他时隙供普通节点使用，因此中心节点拥有最多的发送机会。中心节点与网内其他节点的区别仅在于两方面：

(1)当新节点入网时，由中心节点负责进行接纳并为其分配在网络内的ID。

(2)拥有网络内最多的发送机会，可由逻辑上处于网络内核心位置或者更新率需求高的节点来担任。

时帧有两种基本结构：

(1)结构1：时帧内仅包含固定时隙（不包含图1中虚框部分）；

(2)结构2：帧尾增加预约时隙r+k,r+k+1,…,（包含图1中虚框部分）。

编队系统根据上层任务需求在两种时帧基本结构间动态切换，两种时帧基本结构也均可根据需求进行内部调整。

2.固定时隙分配；

固定时隙是分配给网络内节点的固有时隙，即网络保持稳定的情况下，每个发送周期中，该固定时隙均由同一个节点所占用，主要是为了保证节点的基本发送机会。优点是在单独的网络环境下不会产生传送冲突，缺点是有时某些时隙可能空闲，导致效率降低。为了提高信道利用率，增强系统的自组织性，将固定时隙作为保证网络内各节点基本发送机会的工具，一方面为网络内所有节点均提供了固定时隙，另一方面缩小固定时隙在整个时隙资源中所占比例，使更多的时隙用于效率高的预约时隙分配。

3.预约时隙分配；

预约时隙是由网络内节点动态调整使用权的时隙，不同周期中可供不同节点使用，主要用于满足节点业务量需求的动态变化。各节点均可申请预约时隙直接进行数据发送，实现战术信息的及时传输，避免由于传输延迟导致的数据丢失、传输率下降、传输层通信中断以及慢恢复，从而进一步提高了分组无线网传输的实时性和应急能力。

4.两种时隙分配切换运行原理；

在固定时隙分配工作模式下，随着网络规模的增加，帧结构可随之进行自行调整。例如设10节点为工作模式分界值，即10节点以下时，均以固定时隙分配模式工作。设其分为3个时帧，则帧结构调整如图2所示：

图2中每个方框代表一个固定时隙，每个帧分为图2中所示自上而下的三个时帧，工作方式为三个时帧依次循环运行。每个方框中的数字代表占有该固定时隙的节点的编号，图2中分别显示了网络规模为5、6、7时的固定时隙分配模式。每当有新入网的节点时，系统自动调整帧格式，为新入网的节点增加固定时隙。这样做虽然可能造成一定的时隙空闲，但可以在满足需求的基础上，利用固定时隙分配冲突小、控制简单、实时性高的优点，降低管理复杂度，节省处理时间。

以下情况适合使用固定时隙分配模式：当网络业务量少时，基本不存在信道竞争；网络规模较大，但业务量较均匀；业务量不均匀，但比较稳定。这些情况下，时隙分配基本无需调整，使用固定时隙分配效率最高。

当业务量增加，而且分布呈不均匀性和动态性时，则采用固定时隙与预约时隙相结合的复合模式，使节点可以按照需求动态调整拥有的发送机会，保证业务量大的节点完成信息传送，避免业务量小的节点浪费时隙。根据网络规模在固定时隙分配与预约时隙分配两种工作模式间进行动态切换，各工作模式被选定后，可以根据当前业务量，内部动态调整帧结构及时隙划分，以适应网络的高动态性，提高节点信息的更新率、信道利用率和系统容量。模式的切换及各时隙的分配均由节点自主完成，便于实现网络自组织管理，体现了网络的自主性。

本发明提出的飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议，包括以下几个步骤：

步骤一：网内节点对更新率需求稳定时，采用固定时隙分配；

各节点通过发送ID号（节点编号）对时帧数取余，确定时隙的时帧序号k；通过发送ID号对时帧k内时隙数取余，确定时隙在时帧k内的时隙号。各节点可以根据自己在网络内的发送ID号自行寻找到相应的固定时隙，因此固定时隙的分配过程无需人为控制，也无需中心节点的指令。

这种固定时隙的分配方式特点如下：

(1)较好的均匀性：均匀的时隙分配可以降低时隙管理的复杂度。

(2)规则简单：算法简洁，缩短处理时间，有利于提高系统实时性；计算容易，稳定性高，保证各节点间可具备良好的协调性，从而适用于无线自组织网络。

步骤二：网内节点数变化，或需求变更时，采用预约时隙分配；

算法流程如图3所示：

当网络内节点（请求方）需要提高更新率时，会按照需求进行分类处理，首先确定是否可以通过获得预约时隙来满足其发送需求。如果不能满足，则申请成为网络内更新率最高的节点，即中心节点。如果此请求被批准，则取代原有中心节点成为新的中心节点；否则只能通过申请预约时隙来满足需求。为了提高时隙利用率，在网络运行的任何时刻，时隙都会以某种形式被网络内其它节点占用。因此节点要获得预约时隙，意味着需要网内其他节点放弃占有的预约时隙。网内其他节点（接收方）收到预约请求后，判断本节点是否占有预约时隙，如果没有占用，则不作任何处理返回，否则应按照预定算法，计算本节点是否应放弃占有的预约时隙，此处的预定算法可以在具体应用中设定。如果计算结果是应放弃预约时隙，则向请求方回复预约请求，放弃预约时隙，请求方收到回复预约请求后，确认预约成功，完成预约时隙的转让。在网内同时存在多个预约请求的情况下，网络内节点会根据时隙编号的先后顺序依次处理。全过程无需地面站和中心节点进行干涉。

步骤三：固定时隙与预约时隙相结合的复合模式；

当支撑网络的节点数随飞行器编队任务变化或个别节点出现离入队情况时，需要启动复合模式，将各帧长度扩大，使得其包含的时隙数增加，固定时隙分配不变，各时帧均在尾端加入预约时隙，并按照缺省的初始设置把预约时隙分配给网内各节点，如图4所示。

设10节点为模式分界值，则当网络规模扩大到10时，网络进入预约时隙模式。由图4可见，在转换过程中，各时帧自动调整长度，在帧尾部增加预约时隙（图4中阴影部分），同时，按照初始设置将各预约时隙分配给网络内节点使用。需要指出的是模式的切换只能在每帧开始前进行，这样各节点随之进行的调整必然是在原有的固定时隙数据发送过程中进行，在预约时隙数据发送前，有足够的时间进行帧结构调整，保证了运行机制的平滑过渡。以图4为例，当第十个节点入网后，获得编号为9，然后按顺序应当0号（中心节点）、1号、4号和7号进行发送，之后才会进入到预约时隙，这样，这四个固定时隙的时间用来完成模式调整，发送过程不会有任何停滞。当业务量减少并恢复平稳时，则调整至无预约时隙状态。复合模式中保留固定时隙是为了模式切换能够平稳进行，并保证节点的基本发送机会。

Claims (1)

1.一种飞行器自主编队支撑网络的时隙分配协议，其特征在于：根据网络规模和用户需求，提供三种时隙分配工作模式，分别为固定时隙分配、预约时隙分配和复合模式，工作模式之间的切换只能在每帧开始前进行；所述各个工作模式具体如下：

步骤一：网内节点对更新率需求稳定时，采用固定时隙分配；

各节点通过发送ID号对时帧数取余，确定时隙的时帧序号k；通过发送ID号对时帧k内时隙数取余，确定时隙在时帧k内的时隙号；各节点可以根据自己在网络内的发送ID号自行寻找到相应的固定时隙；

步骤二：网内节点数变化，或需求变更时，采用预约时隙分配，流程如下：

当网络内节点即请求方需要提高更新率时，会按照需求进行分类处理，首先确定是否可以通过获得预约时隙来满足其发送需求；如果不能满足，则申请成为网络内更新率最高的节点，即中心节点；如果此请求被批准，则取代原有中心节点成为新的中心节点；否则只能通过申请预约时隙来满足需求；网内其他节点即接收方收到预约时隙请求后，判断本节点是否占有预约时隙，如果没有占用，则不作任何处理返回，否则应按照预定算法，计算本节点是否应放弃占有的预约时隙；如果计算结果是应放弃预约时隙，则向请求方回复预约请求，放弃预约时隙，请求方收到回复预约请求后，确认预约成功，完成预约时隙的转让；在网内同时存在多个预约请求的情况下，网络内节点会根据时隙编号的先后顺序依次处理；

步骤三：固定时隙与预约时隙相结合的复合模式；

当支撑网络的节点数随飞行器编队任务变化或个别节点出现离入队情况时，需要启动复合模式，将各帧长度扩大，使得其包含的时隙数增加，固定时隙分配不变，各时帧均在尾端加入预约时隙，并按照缺省的初始设置把预约时隙分配给网内各节点。