CN104507179B - 一种应用于组网信息传输系统的网络通信架构及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种应用于多节点组网信息传输系统的网络通信架构及通信方法，本发明由主控节点、中继转发节点、多个任务执行节点等多节点组成；该信息传输系统架构根据各节点作用不同对节点的空间分布进行合理约束，采用CDMA、FDMA、TDMA多种通信体制结合的通信方式，利用中继转发节点实现主控节点和任务执行节点的超视距双向信息传输能力，解决组网信息传输系统的多节点协同工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于多节点组网信息传输系统的网络通信架构，属于无线组网通信技术领域。
背景技术
多节点组网信息传输系统广泛应用于军事、民用等方面，通过多个节点的无线组网、相互协作方式完成单个节点无法或难以完成的任务已成为一种典型的信息传输系统应用模式。网络通信架构则是多节点组网信息传输系统的基础，优化的网络通信架构将对整个信息传输系统的工作性能带来重要影响。特别是在由地面指挥车和多架无人机组网进行对地观测等任务中，网络通信架构的设计将直接影响整个系统的执行效率。
无线自组网内各节点通过多跳无线链路实现相互间的通信，网内每个节点都可能作为路由器，向其他节点转发数据，整个网络没有固定的基础设施，比如基站。现行的组网通信系统大多数采用Ad Hoc模式的无中心组网方式，该种模式的组网系统的架构复杂，需要对整个网络中的各节点进行复杂的协议设计及路由节点分配，而该种复杂的系统对于系统的应用方式及应用环境带来了极高的要求。如《空间电子技术》2012年第3期中“无人机集群数据链组网技术研究”一文，提出了一种无人机集群数据链组网总体方案，在分析了国外多种数据链的基础上，重点研究了无人机编队内部和外部的组网通信要求，采用了多路由的方式，但其中并未涉及有中心组网信息传输系统的架构设计方法。如《西北工业大学学报》2009年第12期中“无人机自组网系统设计与实现”一种，提出了一种Ad Hoc模式的组网通信协议，但为涉及无中心组网信息传输系统的架构设计问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提出一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，解决利用多架无人机进行对地观测等任务时的系统信息传输问题，本专利可以大幅提高系统的可靠性和灵活性，提升系统多个节点间组网通信的能力，优化信息传输系统的网络架构组成。
本发明的技术解决方案是：
一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，包括：主控节点、中继转发节点和执行节点；
主控节点，用于控制主控节点、中继转发节点和执行节点的工作模式选择，所述工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；其中，所述单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；所述单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；所述双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作；
主控节点，用于制定各级节点的工作参数；所述工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
主控节点，通过上行链路将系统制定的各级节点工作参数、工作模式选择发送至中继转发节点，并通过下行链路接收中继转发节点发送的数据，实现对各级执行节点、中继转发节点和主控节点自身的状态监视、执行节点探测数据的接收处理；
中继转发节点，用于实现主控节点及各执行节点之间的信息联通，根据主控节点发送的工作模式、工作参数对自身飞行位置、通信参数进行配置，同时将执行节点的工作模式和工作参数发送至各执行节点；中继转发节点，接收执行节点发送过来的数据，解析出执行节点的位置信息、状态信息和探测的目标信息，并与中继转发节点自身的状态数据重新组帧、打包并发送至主控节点；
执行节点，用于接收中继转发节点发送的工作参数，并根据工作参数将自身设置调整到相应的工作模式；执行节点，用于接收编队搜索方式、搜索队形和探测目标区域，并将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息发送至中继转发节点。
所述中继转发节点采用具有中继转发功能的无人机实现，当执行节点超出主控节点的视距范围时，依靠中继转发节点的转发功能，主控节点依然可以完成和各执行节点之间的通信能力，保证了主控节点和各执行节点之间的超视距信息交互。
所述执行节点采用多架执行具体观测任务的无人机实现，并根据主控节点发送的搜索队形进行编队。
一种基于网络通信架构的通信方法，包括步骤如下：
(1)主控节点根据系统的任务需求，确定各级节点的工作模式，所述的系统工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；
(2)主控节点生成各级节点的工作参数，按照预定的数据帧格式，装订中继转发节点的工作参数和工作模式形成中继指令数据以及装订执行节点的工作参数和工作模式形成执行指令数据，通过对装订后指令数据的编码、扩频及调制过程，将数据通过载频F1向中继转发节点发送；所述工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
(3)中继转发节点接收主控节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取出中继指令数据，同时将执行指令数据再通过编码、扩频及调制过程，通过载频F3向执行节点发送；
(4)多个执行节点接收中继转发节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取自身需要的执行指令数据，并根据指令完成相关的探测任务；
(5)执行节点将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息通过组帧、编码、扩频及调制过程，根据系统预先分配的时隙要求，在不同的时刻Tx将数据通过载频F4向中继转发节点发送；
(6)中继转发节点接收执行节点的数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出执行节点的执行节点的位置信息、状态信息及探测的目标信息数据，并与自身的状态数据进行融合，通过组帧、编码、扩频及调制过程，将融合后的数据通过载频F2发送至主控节点；
(7)主控节点接收中继转发节点的返向数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出相关数据，进行数据处理及中继转发节的和执行节点的状态监测。
本发明的通信架构能够同时实现FDMA、TDMA和CDMA三种通信模式；所述FDMA通信方式指系统的上行链路中主控节点采用S频段某频点F1作为发射频点，中继转发节点采用L频段某频点F3作为发射频点，下行链路中主控节点采用S频段某频点F2作为接收频点，中继转发节点采用L频段某频点F4作为接收频点；所述CDMA通信方式指对各执行节点分配C1至Cn的不同的地址码，各执行节点从接收到的上行数据中提取与自己地址码匹配的数据信息；所述TDMA通信方式指各执行节点根据分配的时隙要求，在T1至Tn等不同的时隙向中继转发节点发送状态及探测等数据信息。
所述单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；所述单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；所述双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
(1)本发明以中继节点作为中心节点，形成由主控节点、中继节点和执行节点构成的无中心多节点组网信息传输系统，相对无中心组网通信系统，系统复杂程度大幅降低，可靠性大幅提高，整个无人机编队工作效能大大提高，且本发明易于实现，通用性较强。
(2)本发明采用FDMA、TDMA和CDMA结合的模式，解决系统多节点之间的双向实时通信问题，同时解决了采用单一的FDMA多址方式时所面临的电磁兼容问题、采用单一的CDMA所面临的码间串扰及多径问题、采用单一的TDMA多址方式所面临的系统延时问题；通过三种多址方式的优化结合，克服了采用单一通信体制所带来的问题，大幅提升系统的工作性能和适应性。
(3)本发明采用中继节点的方式，实现了执行节点和主控节点之间的超视距通信能力，确保在执行节点超出主控节点的直视通信范围后，仍可大范围的进行执行任务，灵活性和通用性增强，多机协同工作效率大大提高。
附图说明
图1为本发明的系统架构组成图；
图2为本发明通信方法流程图；
图3为本发明各级节点空域关系布局图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，包括：主控节点、中继转发节点和执行节点；
主控节点，用于控制主控节点、中继转发节点和执行节点的工作模式选择，工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；其中，单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作；
主控节点，用于制定各级节点的工作参数；工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
主控节点，通过上行链路将系统制定的各级节点工作参数、工作模式选择发送至中继转发节点，并通过下行链路接收中继转发节点发送的数据，实现对各级执行节点、中继转发节点和主控节点自身的状态监视、执行节点探测数据的接收处理；
中继转发节点，用于实现主控节点及各执行节点之间的信息联通，根据主控节点发送的工作模式、工作参数对自身飞行位置、通信参数进行配置，同时将执行节点的工作模式和工作参数发送至各执行节点；中继转发节点，接收执行节点发送过来的数据，解析出执行节点的位置信息、状态信息和探测的目标信息，并与中继转发节点自身的状态数据重新组帧、打包并发送至主控节点；
执行节点，用于接收中继转发节点发送的工作参数，并根据工作参数将自身设置调整到相应的工作模式；执行节点，用于接收编队搜索方式、搜索队形和探测目标区域，并将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息发送至中继转发节点。
中继转发节点采用具有中继转发功能的无人机实现，当执行节点超出主控节点的视距范围时，依靠中继转发节点的转发功能，主控节点依然可以完成和各执行节点之间的通信能力，保证了主控节点和各执行节点之间的超视距信息交互。
执行节点采用多架执行具体观测任务的无人机实现，并根据主控节点发送的搜索队形进行编队。
如图2所示，一种基于网络通信架构的通信方法，包括步骤如下：
(1)主控节点根据系统的任务需求，确定各级节点的工作模式，系统工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；
(2)主控节点生成各级节点的工作参数，按照预定的数据帧格式，装订中继转发节点的工作参数和工作模式形成中继指令数据以及装订执行节点的工作参数和工作模式形成执行指令数据，通过对装订后指令数据的编码、扩频及调制过程，将数据通过载频F1向中继转发节点发送；工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
(3)中继转发节点接收主控节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取出中继指令数据，同时将执行指令数据再通过编码、扩频及调制过程，通过载频F3向执行节点发送；
(4)多个执行节点接收中继转发节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取自身需要的执行指令数据，并根据指令完成相关的探测任务；
(5)执行节点将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息通过组帧、编码、扩频及调制过程，根据系统预先分配的时隙要求，在不同的时刻Tx将数据通过载频F4向中继转发节点发送；
(6)中继转发节点接收执行节点的数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出执行节点的执行节点的位置信息、状态信息及探测的目标信息数据，并与自身的状态数据进行融合，通过组帧、编码、扩频及调制过程，将融合后的数据通过载频F2发送至主控节点；
(7)主控节点接收中继转发节点的返向数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出相关数据，进行数据处理及中继转发节的和执行节点的状态监测。
本发明的通信架构能够同时实现FDMA、TDMA和CDMA三种通信模式；FDMA通信方式指系统的上行链路中主控节点采用S频段某频点F1作为发射频点，中继转发节点采用L频段某频点F3作为发射频点，下行链路中主控节点采用S频段某频点F2作为接收频点，中继转发节点采用L频段某频点F4作为接收频点；CDMA通信方式指对各执行节点分配C1至Cn的不同的地址码，各执行节点从接收到的上行数据中提取与自己地址码匹配的数据信息；TDMA通信方式指各执行节点根据分配的时隙要求，在T1至Tn等不同的时隙向中继转发节点发送状态及探测等数据信息。
单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作。
系统的空域分布关系如图3所示。
在本系统中，主控节点和中继转发节点的相对距离不大于200km，中继转发节点和执行节点的距离不大于200km，主控节点和中继转发节点之间的距离可超出直视距离，通过中继转发节点的加入，可以实现主控节点和执行节点之间的超视距信息传输功能。
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 (6)
1.一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，其特征在于包括：主控节点、中继转发节点和执行节点；
主控节点，用于控制主控节点、中继转发节点和执行节点的工作模式选择，所述工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；其中，所述单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；所述单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；所述双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作；
主控节点，用于制定各级节点的工作参数；所述工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
主控节点，通过上行链路将系统制定的各级节点工作参数、工作模式选择发送至中继转发节点，并通过下行链路接收中继转发节点发送的数据，实现对各级执行节点、中继转发节点和主控节点自身的状态监视、执行节点探测数据的接收处理；
中继转发节点，用于实现主控节点及各执行节点之间的信息联通，根据主控节点发送的工作模式、工作参数对自身飞行位置、通信参数进行配置，同时将执行节点的工作模式和工作参数发送至各执行节点；中继转发节点，接收执行节点发送过来的数据，解析出执行节点的位置信息、状态信息和探测的目标信息，并与中继转发节点自身的状态数据重新组帧、打包并发送至主控节点；
执行节点，用于接收中继转发节点发送的工作参数，并根据工作参数将自身设置调整到相应的工作模式；执行节点，用于接收编队搜索方式、搜索队形和探测目标区域，并将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息发送至中继转发节点；
所述通信架构能够同时实现FDMA、TDMA和CDMA三种通信模式；所述FDMA通信方式指系统的上行链路中主控节点采用S频段某频点F1作为发射频点，中继转发节点采用L频段某频点F3作为发射频点，下行链路中主控节点采用S频段某频点F2作为接收频点，中继转发节点采用L频段某频点F4作为接收频点；所述CDMA通信方式指对各执行节点分配C1至Cn的不同的地址码，各执行节点从接收到的上行数据中提取与自己地址码匹配的数据信息；所述TDMA通信方式指各执行节点根据分配的时隙要求，在T1至Tn不同的时隙向中继转发节点发送状态及探测数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，其特征在于：所述中继转发节点采用具有中继转发功能的无人机实现，当执行节点超出主控节点的视距范围时，依靠中继转发节点的转发功能，主控节点依然可以完成和各执行节点之间的通信能力，保证了主控节点和各执行节点之间的超视距信息交互。
3.根据权利要求1所述的一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，其特征在于：所述执行节点采用多架执行具体观测任务的无人机实现，并根据主控节点发送的搜索队形进行编队。
4.根据权利要求1所述的一种应用于多节点的组网信息传输系统的网络通信架构，其特征在于：所述主控节点和中继转发节点之间的距离小于等于200千米；所述中继转发节点和执行转发节点之间的距离小于等于200千米。
5.一种基于权利要求1所述的网络通信架构的通信方法，其特征在于步骤如下：
(1)主控节点根据系统的任务需求，确定各级节点的工作模式，所述的系统工作模式包括单向上行链路通信模式、单向下行链路通信模式、双向上下行链路通信模式；
(2)主控节点生成各级节点的工作参数，按照预定的数据帧格式，装订中继转发节点的工作参数和工作模式形成中继指令数据以及装订执行节点的工作参数和工作模式形成执行指令数据，通过对装订后指令数据的编码、扩频及调制过程，将数据通过载频F1向中继转发节点发送；所述工作参数包括执行节点探测目标的搜索方式、搜索队形以及探测目标区域、中继转发节点的相对位置参数、各节点之间进行无线通信所采用的编码方式、调制方式、通信速率以及FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式所对应的频率分配信息、地址码信息及时隙分配参数；
(3)中继转发节点接收主控节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取出中继指令数据，同时将执行指令数据再通过编码、扩频及调制过程，通过载频F3向执行节点发送；
(4)多个执行节点接收中继转发节点的指令数据，通过解调、解扩和译码过程提取自身需要的执行指令数据，并根据指令完成相关的探测任务；
(5)执行节点将自身的位置信息、状态信息及探测的目标信息通过组帧、编码、扩频及调制过程，根据系统预先分配的时隙要求，在不同的时刻Tx将数据通过载频F4向中继转发节点发送；
(6)中继转发节点接收执行节点的数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出执行节点的执行节点的位置信息、状态信息及探测的目标信息数据，并与自身的状态数据进行融合，通过组帧、编码、扩频及调制过程，将融合后的数据通过载频F2发送至主控节点；
(7)主控节点接收中继转发节点的返向数据，经过解调、解扩和译码过程，提取出相关数据，进行数据处理及中继转发节的和执行节点的状态监测。
6.根据权利要求5所述的一种基于网络通信架构的通信方法，其特征在于：所述单向上行链路通信模式指由主控节点发送指令数据，经中继转发节点发送至各执行节点；所述单向下行链路通信模式指各执行节点将状态数据及探测数据经中继转发节点发送至主控节点；所述双向上下行链路通信模式指上行通信链路和下行链路通信链路同时工作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |