CN107846244B - 分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，旨在提供一种组网节点数量灵活，具有抗干扰能力的星形拓扑帧结构。本发明通过下述技术方案予以实现：在星型拓扑结构的网络中，中心节点A与非中心节点B、C、D、E通过无线帧RF交互，每个无线帧RF包含多个资源单元RU，第一个资源单元RU承载中心节点发送波形，其它资源单元RU承载非中心节点发送波形；每个RU包含由同步头、导引序列和控制数据区组成的控制时隙、导引序列和业务数据区组成的业务时隙、以及保护间隔；控制时隙中的控制数据区采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码扩频；业务时隙中的业务数据区采用QPSK调制、卷积编码和GOLD码扩频。

Description

分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法
技术领域
本发明适用于无线通信领域的星形拓扑帧结构，尤其涉及一种应用于分布式飞行器通信组网的帧结构。
技术背景
分布式飞行器的重要特征是工作的“集群化”和“协同性”，只有空间分布的多个飞行器形成集群，并且密切协作，才能构成统一的分布式系统，从而充分发掘分布式飞行器的应用潜能，超越传统的单飞行器。而“集群化”和“协同性”的基础在于：通过分布式飞行器通信组网，实现通畅的信息交互。分布式飞行器相比传统的单飞行器系统，以“群”、“簇”、“编队”等形式存在的分布式飞行器系统在低成本、高性能、灵活性、可靠性和抗毁能力等各方面具有显著优势。另外，分布式飞行器通信属于无线通信体制，容易受到无用信号干扰，因此通信组网中必须考虑有效的抗干扰技术以对抗干扰威胁。分布式飞行器组网在兼顾网络利用效率的同时，十分关注网络拓扑结构建立的速度。常规的层级式、网格式、协作式等拓扑结构建立过程相对复杂，建立需要较长的时间，不太适应快速响应的需要。
星形拓扑结构有一个中心点，从中心点向外延伸，也就是由一个中心往外发散。由于每一个连接点只连接一个设备，所以当一个连接点出现故障时只影响相应的设备，不会影响整个网络。由于每个节点直接连接到中心节点，如果是某一节点的通信出现问题，就能很方便地判断出有故障的连接，方便的将该节点从网络中删除，故障诊断和隔离容易。如果是整个网络的通信都不正常，则需考虑是否是中心节点出现了错误。星型拓扑结构可靠性依赖于中心节点，如果中心节点出现故障，则需要重新指定中心节点，否则全网将无法工作。总的来说星型拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，已在有线局域网中普遍应用。
帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。帧由几个执行不同功能的部分组成，以更利于传输。数据在网络上是以很小的称为帧（Frame）的单位传输的，帧由几部分组成，不同的部分执行不同的功能。常规的层级式、网格式、协作式等拓扑结构建立过程相对复杂，建立需要较长的时间，不太适应快速响应的需要。
目前，适用于分布式飞行器通信组网的帧结构依然较少，有必要提供一种新的帧结构设计以满足分布式飞行器通信组网的需求。
发明内容
本发明的目的是针对分布式飞行器通信组网应用帧结构较少问题，提供一种组网过程简单快速；组网节点数量灵活；具有一定的抗干扰能力，适分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，可以实现快速，高效的分布式飞行器组网。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种星型分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，具有如下技术特征：在覆盖范围内以无线帧RF (Radio Frame)为单位划分为多个无线帧：RadioFrame#0…RadioFrame#1、RadioFrame#+1…RadioFrame#N，围绕中心节点A分布相连的非中心节点B、C、D、E构成集中控制型网络拓扑，参与组网的飞行器节点的中心节点A和非中心节点B、C、D、E构成星型拓扑结构，并且每个资源单元RU包含1个承载控制信息的控制时隙TS0和多个承载业务信息的业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4和保护间隔；在星型拓扑结构的网络中，各节点间通过中心节点进行通信，中心节点A与非中心节点B、C、D、E通过线帧RF交互，每个无线帧RF包含多个资源单元RU，其中，第一个资源单元RU0承载中心节点发送波形，其它资源单元RU承载非中心节点发送波形；每个RU由对应各自的控制时隙TS0、业务时隙TS、保护间隔组成，同步头PN1、导引序列PN2和控制数据区组成控制时隙TS0，，业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4由导引序列PN2和业务数据区组成；控制时隙TS0中的控制数据区采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；业务时隙TS3中的业务数据区采用QPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；控制时隙TS0中的同步头PN1和导引序列PN2对控制数据区进行时间同步和频率粗同步；TS0- TS4导引序列PN2用于业务数据区频率精同步和相位估计。
本发明相比于现有技术具有如下效果：
组网过程简单快速。本发明将中心节点A与非中心节点B、C、D、E的传输时间线被分为多个无线帧，无线帧中的第一个资源单元RU承载中心节点发送波形，其它资源单元RU承载非中心节点发送波形，引入控制的星型网络拓扑结构，减少了网络层级，建立方式更简单，网络建立也更加便捷，克服了常规的层级式、网格式、协作式等拓扑结构建立过程相对复杂，建立需要较长的时间，不太适应快速响应需要的缺陷。
组网节点数量灵活。本发明采用一个无线帧RF包含多个资源单元RU，一个RU包括一个由同步头、导引序列和控制数据区组成的控制时隙、多个由导引序列和业务数据区组成业务时隙和保护间隔；组网节点数量灵活。
具有一定的抗干扰能力。本发明在控制时隙中的控制数据区采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码扩频，业务时隙中的业务数据区采用QPSK调制、卷积编码和GOLD码扩频。解决了无线通信体制分布式飞行器，容易受到无用信号干扰的缺陷。
本发明适用于分布式飞行器组网的帧结构。
附图说明
图1是本发明用于分布式飞行器通信组网的星型网络拓扑结构示意图。
图2是本发明用于分布式飞行器组网的帧结构的实施例示意图。
图3是图2的控制数据区的符号生成示意图。
图4是图2的业务数据区的符号生成示意图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在覆盖范围内以无线帧RF (Radio Frame)为单位划分为多个无线帧：RadioFrame#0…RadioFrame#1、RadioFrame#+1…RadioFrame#N，围绕中心节点A分布相连的非中心节点B、C、D、E构成集中控制型网络拓扑，参与组网的飞行器节点的中心节点A和非中心节点B、C、D、E构成星型拓扑结构，并且每个资源单元RU包含1个承载控制信息的控制时隙TS0和多个承载业务信息的业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4和保护间隔；在星型拓扑结构的网络中，各节点间通过中心节点进行通信，中心节点A与非中心节点B、C、D、E通过线帧RF交互，每个无线帧RF包含多个资源单元RU，其中，第一个资源单元RU0承载中心节点发送波形，其它资源单元RU承载非中心节点发送波形；每个RU由对应各自的控制时隙TS0、业务时隙TS、保护间隔组成，同步头PN1、导引序列PN2和控制数据区组成控制时隙TS0，，业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4由导引序列PN2和业务数据区组成；控制时隙TS0中的控制数据区采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；业务时隙TS3中的业务数据区采用QPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；控制时隙TS0中的同步头PN1和导引序列PN2对控制数据区进行时间同步和频率粗同步；TS0- TS4导引序列PN2用于业务数据区频率精同步和相位估计。
控制时隙中的同步头选用同步序列，包括但不限于M序列，Zadoff-Chu序列，主要用于频率精同步和相位估计控制时隙TS0和业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4中的导引序列PN2，序列长度为512，总持续时间为0.4~0.5ms。控制时隙TS0和业务时隙TS中的导引序列PN2用于频率精同步和相位估计的PN2。导引序列PN2由采用BPSK调制叠加扩频码和M序列的扩频码和全1数据组成。控制时隙TS0持续7~8ms，由同步头PN1、导引序列PN2和控制数据区组成；业务时隙TS3持续7~8ms，由导引序列PN2和业务数据区组成。
参阅图2。以下以5个飞行器节点为例来描述一种用于分布式飞行器组网的帧结构的实施例。在覆盖范围内，中心节点A与非中心节点B、C、D、E被传输时间线帧通道分为多个无线帧RadioFrame#0…RadioFrame#1、RadioFrame#+1…RadioFrame#N。每个无线帧RF包括至少5个持续200ms的资源单元RU0、RU1、RU2…RU4。每个资源单元RU持续40ms，且包含1个控制时隙TS0、4个业务时隙：TS1、TS2、TS3、TS4和1个持续1~2ms的保护间隔。控制时隙TS0持续7~8ms，由同步头PN1、导引序列PN2和控制数据区组成。每个业务时隙持续7~8ms，由导引序列PN2和业务数据区组成。
RU的个数为参与组网的分布式飞行器节点个数，这里为5个。
无线帧RU中的第一个无线帧RU0用于承载中心节点发送波形，其它无线帧RU：RU1、RU2、RU3、RU4用于承载非中心节点发送波形。
控制时隙TS0中的同步头的序列长度为1024，持续时间为0.8~0.9ms，符号速率为1.25MHz。同步头PN1可以选用的同步序列包括但不限于M个同步序列，Zadoff-Chu序列。控制时隙TS0主要用于时间同步和频率粗同步。
控制时隙TS0和业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4中的导引序列PN2，序列长度为512，总持续时间为0.4~0.5ms，主要用于频率精同步和相位估计。导引序列PN2采用BPSK调制叠加扩频码和M序列扩频码的全1数据组成。控制时隙TS0中的控制数据区用于承载控制信息；业务时隙中的业务数据区用于承载业务信息。
参阅图3。控制时隙TS0由被定义为同步头PN1的序列、引导序列PN2和采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码扩频的控制数据区组成。控制数据区数据体生成过程为：由控制信息组成的控制信息数据块，控制信息数据块通过BPSK调制后得到BPSK数据块，经过卷积编码后得到卷积编码数据块，再经过扩频后生成扩频数据块，从而形成控制数据区数据体。
参阅图4。业务时隙由被定义为引导序列PN2和业务数据区组成。业务数据区采用QPSK调制生成业务信息数据块。业务信息数据块生成QPSK数据块，QPSK数据块采用卷积编码生成卷积编码数据块，卷积编码数据块经过扩频后生成扩频数据块，扩频数据块生成业务时隙数据块，并最终映射为业务数据区数据体。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，RU个数和业务时隙个数等数据，只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种星型分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，具有如下技术特征：在覆盖范围内以无线帧RF (Radio Frame)为单位划分为多个无线帧：RadioFrame#0…RadioFrame#1、RadioFrame#+1…RadioFrame#N，围绕中心节点A分布相连的非中心节点B、C、D、E构成集中控制型网络拓扑，参与组网的飞行器节点的中心节点A和非中心节点B、C、D、E构成星型拓扑结构，并且每个资源单元RU包含1个承载控制信息的控制时隙TS0和多个承载业务信息的业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4和保护间隔；在星型拓扑结构的网络中，各节点间通过中心节点进行通信，中心节点A与非中心节点B、C、D、E通过无线帧RF交互，每个无线帧RF包含多个资源单元RU，其中，第一个资源单元RU0承载中心节点发送波形，其它资源单元RU承载非中心节点发送波形；每个RU由对应各自的控制时隙TS0、业务时隙TS、保护间隔组成，同步头PN1、导引序列PN2和控制数据区组成控制时隙TS0，业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4由导引序列PN2和业务数据区组成；控制时隙TS0中的控制数据区采用BPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；业务时隙TS3中的业务数据区采用QPSK调制、卷积编码和GOLD码进行扩频；控制时隙TS0中的同步头PN1和导引序列PN2对控制数据区进行时间同步和频率粗同步；TS0- TS4导引序列PN2用于业务数据区频率精同步和相位估计。
2.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：资源单元RU的个数为参与组网的分布式飞行器节点个数。
3.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：导引序列PN2由采用BPSK调制的叠加扩频码和M序列的扩频码和全1数据组成。
4.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：在覆盖范围内，中心节点A与非中心节点B、C、D、E被传输时间线帧通道分为多个无线帧RadioFrame#0…RadioFrame#1、RadioFrame#+1…RadioFrame#N。
5.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：每个无线帧RF包括至少5个持续200ms的资源单元RU0、RU1、RU2…RU4。
6.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：每个资源单元RU包含1个控制时隙TS0、4个业务时隙：TS1、TS2、TS3、TS4和1个持续1~2ms的保护间隔。
7.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：控制时隙TS0和每个业务时隙TS持续7~8ms。
8.如权利要求6所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：控制时隙TS0和业务时隙TS1、TS2、TS3、TS4中的导引序列PN2，序列长度为512，总持续时间为0.4~0.5ms，主要用于频率精同步和相位估计。
9.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：控制数据区数据体生成过程为：由控制信息组成的控制信息数据块，控制信息数据块通过BPSK调制后得到BPSK数据块，经过卷积编码后得到卷积编码数据块，再经过扩频后生成扩频数据块，从而形成控制数据区数据体。
10.如权利要求1所述的分布式飞行器通信星型拓扑帧结构组网方法，其特征在于：业务数据区采用QPSK调制生成业务信息数据块；业务信息数据块生成QPSK数据块，QPSK数据块采用卷积编码生成卷积编码数据块，卷积编码数据块经过扩频后生成扩频数据块，扩频数据块生成业务时隙数据块，并最终映射为业务数据区数据体。
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