CN105306128A - 一种基于ieee 802.11协议的小卫星集群通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于IEEE？802.11协议的小卫星集群通信系统，该系统包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，中心卫星节点对普通卫星节点的组网和数据通信进行控制，各卫星节点通过IEEE？802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信。该系统中中心卫星节点以该协议定义的PIFS间隔访问物理信道，普通卫星节点采用该协议定义的DIFS间隔访问物理信道，使得中心卫星节点具有高优先级的物理信道访问权，该中心卫星节点可以控制其他节点建立有效的数据通信网络，并控制网络内的卫星节点进行有序的数据交换。本发明的小卫星集群通信系统内的任意卫星节点可以进行通信，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，用于实现由小卫星构成的星簇，以及小卫星构成的编队飞行等应用场景进行组网通信。
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。各卫星节点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。
小卫星集群内的通信需求主要是用于集群中各节点的短距离数据交互：包括测控数据和载荷数据。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的(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，能自适应地组建网络、更新网络，从而保证各卫星节点的数据在网络中有效流动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，该系统由一个卫星节点作为中心节点，对各卫星间的组网和通信进行控制，并且各卫星节点通过IEEE802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道，从而实现编队和星簇中任意卫星节点之间的通信，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。
本发明的上述目的通过如下的技术解决方案实现：
一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，中心卫星节点对各卫星节点的组网和通信进行控制，且各卫星节点通过IEEE802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信，其中，中心卫星节点以CSMA/CA模式定义的PIFS帧间隔访问物理信道，普通卫星节点以CSMA/CA模式定义的DIFS帧间隔访问物理信道。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，物理信道对应的逻辑信道包括组网信道和数据通信信道，其中：在设定的组网周期内，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记；在设定的数据通信周期内，中心卫星节点和普通卫星节点工作于数据通信信道，其中，中心卫星节点首先对网络内的各普通卫星节点按顺序进行测控轮询，在测控轮询结束后，各卫星节点开始进行数据通信业务。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，在组网初始时刻，或中心卫星节点接收到地面发送的重新组网指令时，开启组网周期，即中心卫星节点开始控制组网信道进行组网操作和入网登记。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记，具体实现过程如下：
(1)、中心卫星节点广播发送组网信标帧到普通卫星节点；
(2)、普通卫星节点监听到中心卫星节点发送的组网信标帧后，如果决定加入网络，则采用CSMA/CA模式抢占组网信道，并发送关联请求帧到中心卫星节点；
(3)、中心卫星节点收到普通卫星节点发送的关联请求帧后，对所述普通卫星节点进行身份验证，并根据身份校验结果和当前的网络容量，判决是否允许所述普通卫星节点加入网络；
(4)、中心卫星节点发送关联申请反馈帧到申请入网普通卫星节点，通知所述普通卫星节点是否可以入网；其中，中心卫星节点对允许入网的普通卫星节点进行顺序编号，并在组网管理信息库中记录所述普通卫星节点的信息参数。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点发送的组网信标帧中的信息包括：网络名称、组网信标帧发送周期、网络剩余容量、信道及物理层参数、中心卫星节点轨道及姿态参数。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，普通卫星节点发送的关联请求帧中的信息包括：所述普通卫星节点身份验证信息和所述普通卫星节点当前轨道及姿态参数。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点对入网的各普通卫星节点进行测控轮询的具体实现方法如下：在设定的测控周期内，中心卫星节点依次对网络中的普通卫星节点发送测控轮询帧，并且中心卫星节点在发出一个测控轮询帧后等待一个设定周期T，在所述周期T内等待普通卫星节点反馈的测控信息，然后在等待周期T结束后再发送另一个测控轮询帧到下一个普通卫星节点，依次完成网络内的所有普通卫星节点的测控轮询，然后广播发送测控段结束信标；普通卫星节点接收到所述测控段结束信标后，开始进行普通卫星节点间的数据通信业务。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，如果普通卫星节点在M个测控周期内，均没有对针对测控轮询帧反馈自己的测控信息，则中心卫星节点判断所述普通卫星节点不在本网络内，并将所述普通卫星节点从组网管理信息库中删除。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点由地面站发送指令进行指定。
在上述的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统中，每个卫星节点具有唯一的编号，网络名称采用中心卫星节点的编号。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)、本发明的各卫星节点通过IEEE802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道，从而实现编队和星簇中任意卫星节点之间进行灵活的信息交互，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；
(2)、在本发明的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点以PIFS帧间隔访问物理信道，普通卫星节点以DIFS帧间隔访问物理信道，由于PIFS相对于DIFS具有更短的帧间间隔，因此中心卫星节点具有更高的优先级占用物理信道，从而有利于中心卫星节点控制普通卫星节点进行组网和通信，有利于地面实时调整通信网络规模和通信时段。
附图说明
图1为CSMA/CA协议中载波检测多址接入模式的工作时序示意图；
图2为CSMA/CA中帧间隔SIFS/PIFS/DIFS的定义示意图；
图3为本发明中中心卫星节点在组网周期内的工作时序示意图；
图4为本发明中普通卫星节点在组网周期内的工作时序示意图；
图5为本发明中组网信标帧的内容格式示意图；
图6为本发明中关联请求帧的内容格式示意图；
图7为本发明中组网管理信息库的数据内容示意图；
图8为本发明中数据通信信道工作时序示意图；
图9为本发明中中心卫星节点在数据通信周期内的工作流程图。
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的详细描述：
本发明提供的小卫星集群通信系统，用于实现卫星节点通过星间网络进行数据通信。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。其中，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，如图1所示。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，PIFS为点协调帧间隔，DIFS为分布式协调帧间隔，由图2给出的PIFS和DIFS的定义可以看出，PIFS比DIFS对应的时间要短，因此采用PIFS作为等待时隙的节点相对于采用DIFS作为等待时隙的节点，可以更快地抢占信道。
(一)、系统组成
本发明的基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，每个卫星节点都有一个编号或地址，该编号或地址可以唯一标识该节点。在本发明的小卫星集群通信系统中，各卫星节点通过IEEE802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信，其中：中心卫星节点由地面站进行指定，用来协调调度整个网络的运行，其以CSMA/CA模式定义的PIFS帧间隔访问物理信道，而普通卫星节点的通信受制于中心卫星节点，其以CSMA/CA模式定义的DIFS帧间隔访问物理信道。由于PIFS帧间隔比DIFS帧间隔短，因此中心卫星节点能更快地抢占物理信道。该系统中的中心卫星节点是由地面站用过星地上行链路指定，该中心节点不是固定不变的，随着不同航天任务的需求，可以对中心节点进行替换，在中心节点重新替换后由新指定的中心节点发起组网，重建数据通信顺序。
在本发明的小卫星集群通信系统中，物理信道对应的逻辑信道包括组网信道和数据通信信道。在设定的组网周期内，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记。在设定的数据通信周期内，中心卫星节点和普通卫星节点通过数据通信信道进行通信，其中，中心卫星节点首先对网络内的各普通卫星节点进行测控轮询，在测控轮询结束后，各卫星节点开始进行数据通信业务，因此在该数据通信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类数据，对应于这两种数据的数据通信信道分别为集群测控信道和载荷数据信道。
(二)、系统组网过程
在初始组网时刻或接收到地面站发送的重新组网指令后，中心卫星节点广播发送组网信标帧开启组网周期。在该组网周期内，中心卫星节点和普通卫星节点工作于组网信道，其工作时序分别如图3和图4所示，其中中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记，具体实现过程如下：
(1)、中心卫星节点广播发送组网信标帧到普通卫星节点。该组网信标帧的内容格式如图5所示，具体包括网络名称、组网信标帧发送周期、网络剩余容量、信道及物理层参数、中心卫星节点轨道及姿态参数。其中：网络名称采用中心节点的编号(该编号唯一)；组网信标帧发送周期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；信道及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。
(2)、普通卫星节点监听到中心卫星节点发送的组网信标帧后，如果决定加入网络，则采用CSMA/CA模式抢占组网信道，并发送关联请求帧到中心卫星节点。其中该关联请求帧的内容格式如图6所示，具体包括该普通卫星节点身份验证信息和该节点当前轨道及姿态参数。
(3)、中心卫星节点收到普通卫星节点发送的关联请求帧后，对所述普通卫星节点进行身份验证，并根据身份校验结果和当前的网络容量，判决是否允许所述普通卫星节点加入网络；
(4)、中心卫星节点发送关联申请反馈帧到申请入网普通卫星节点，通知所述普通卫星节点是否可以入网；其中，中心卫星节点对允许入网的普通卫星节点进行顺序编号，并在组网管理信息库中记录所述普通卫星节点的信息参数，该组网管理信息库的数据内容如图7所示。
在以上的组网过程中，当一个普通卫星节点加入了网络，则其不再组网信道上工作，直到它准备重新加入另一个网络。
(三)、系统数据通信过程
小卫星集群通信系统组网成功之后，各普通卫星节点在中心卫星节点调控下进行数据通信。如图8所示的系统数据通信信道工作时序，该数据通信过程分为两个阶段：第一阶段是集群测控数据通信阶段，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，有利于满足小卫星编队和星簇应用场景中保持编队构型和工程维护的实时性需求；第二阶段由是各普通节点之间的载荷数据通信，这段时间是有竞争的，采用IEEE802.11的CSMA/CA协议进行通信，有利于编队卫星中各节点载荷间的信息交互和信息融合。
如图9所示的中心卫星节点在数据通信周期内的流程图，中心卫星节点在数据通信信道通信周期的开始时，发出一个叫测控段开始的信标，而后参考图7所示的管理信息库节点顺序对网络中的普通卫星节点进行测控轮询：中心卫星节点依次对网络中的普通卫星节点发送测控轮询帧，并且中心卫星节点在发出一个测控轮询帧后等待一个设定周期T，在所述周期T内等待普通卫星节点反馈的测控信息，然后在等待周期T结束后再发送另一个测控轮询帧到下一个普通卫星节点，依次完成网络内的所有普通卫星节点的测控轮询，然后广播发送测控段结束信标。
普通卫星节点在数据通信信道上首先监听中心卫星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。
在多个数据通信周期内，如果普通卫星节点在M个测控周期内，均没有对针对测控轮询帧反馈自己的测控信息，则中心卫星节点判断该普通卫星节点不在本网络内，并将该普通卫星节点从组网管理信息库中删除，在以后的数据通信周期内不再对其进行测控轮询，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)。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，中心卫星节点对各卫星节点的组网和通信进行控制，且各卫星节点通过IEEE802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信，其中，中心卫星节点以CSMA/CA模式定义的PIFS帧间隔访问物理信道，普通卫星节点以CSMA/CA模式定义的DIFS帧间隔访问物理信道。
2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：物理信道对应的逻辑信道包括组网信道和数据通信信道，其中：在设定的组网周期内，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记；在设定的数据通信周期内，中心卫星节点和普通卫星节点工作于数据通信信道，其中，中心卫星节点首先对网络内的各普通卫星节点按顺序进行测控轮询，在测控轮询结束后，各卫星节点开始进行数据通信业务。
3.根据权利要求2所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：在组网初始时刻，或中心卫星节点接收到地面发送的重新组网指令时，开启组网周期，即中心卫星节点开始控制组网信道进行组网操作和入网登记。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记，具体实现过程如下：
(1)、中心卫星节点广播发送组网信标帧到普通卫星节点；
(2)、普通卫星节点监听到中心卫星节点发送的组网信标帧后，如果决定加入网络，则采用CSMA/CA模式抢占组网信道，并发送关联请求帧到中心卫星节点；
(3)、中心卫星节点收到普通卫星节点发送的关联请求帧后，对所述普通卫星节点进行身份验证，并根据身份校验结果和当前的网络容量，判决是否允许所述普通卫星节点加入网络；
(4)、中心卫星节点发送关联申请反馈帧到申请入网普通卫星节点，通知所述普通卫星节点是否可以入网；其中，中心卫星节点对允许入网的普通卫星节点进行顺序编号，并在组网管理信息库中记录所述普通卫星节点的信息参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：中心卫星节点发送的组网信标帧中的信息包括：网络名称、组网信标帧发送周期、网络剩余容量、信道及物理层参数、中心卫星节点轨道及姿态参数。
6.根据权利要求4所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：普通卫星节点发送的关联请求帧中的信息包括：所述普通卫星节点身份验证信息和所述普通卫星节点当前轨道及姿态参数。
7.根据权利要求2所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：中心卫星节点对入网的各普通卫星节点进行测控轮询的具体实现方法如下：在设定的测控周期内，中心卫星节点依次对网络中的普通卫星节点发送测控轮询帧，并且中心卫星节点在发出一个测控轮询帧后等待一个设定周期T，在所述周期T内等待普通卫星节点反馈的测控信息，然后在等待周期T结束后再发送另一个测控轮询帧到下一个普通卫星节点，依次完成网络内的所有普通卫星节点的测控轮询，然后广播发送测控段结束信标；普通卫星节点接收到所述测控段结束信标后，开始进行普通卫星节点间的数据通信业务。
8.根据权利要求7所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：如果普通卫星节点在M个测控周期内，均没有对针对测控轮询帧反馈自己的测控信息，则中心卫星节点判断所述普通卫星节点不在本网络内，并将所述普通卫星节点从组网管理信息库中删除。
9.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：中心卫星节点由地面站发送指令进行指定。
10.根据权利要求5所述的一种基于IEEE802.11协议的小卫星集群通信系统，其特征在于：每个卫星节点具有唯一的编号，网络名称采用中心卫星节点的编号。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160203 |