CN111050337B - 一种多用户集群组网系统的通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用户集群组网系统的通信方法及系统，属于通信电子技术领域；本发明基于SDR，实现了硬件架构的“软件化配置”，能够实现灵活的硬件配置及设置；在集群组网模块通信协议设计中为满足不同通信速率、通信环境的需求，在链路层、网络层进行融合设计，采用基于TDMA的访问控制协议，对不同接入用户进行控制，同时引入逻辑信道，在逻辑信道中再引入信令通道及数据通道，实现了多个集群用户的组网通信；设计了基于主节点的无中心网络通信模式，在单个节点受到打击或损伤时不影响集群整体作战效能，提高了通信集群用户的总体生存能力。

Description

一种多用户集群组网系统的通信方法及系统

技术领域

本发明涉及一种多用户集群组网系统的通信方法及系统，属于通信电子技术领域。

背景技术

随着空间科学技术的发展，世界各国对外部空间探索的步伐不断加快，并不断推出新的飞行器和航天器，各军事大国都在空间飞行器的低成本发射、高效率任务执行、监视与预警、快速响应、重复使用等方面展开了新的角逐，并不断拓展空间技术的应用范围。

随着高速飞行器的发展，多飞行器组网通信的需求日益强烈，但目前大多应用场景多为在轨卫星或飞行器等场景，其应用条件简单、动态变化小，难以满足具有实战应用的战术条件，加之目前多数飞行器间数据链通信对通信节点、通信速率、设备信道等都有严格限制，大规模应用难以实现。同时，卫星应用场景多进行定制化设计，天基应用设备多不进行大规模的通信网络变化，不能满足移动作战应用场景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多用户集群组网系统的通信方法及系统，解决飞行器集群通信场景下，飞行器及移动作战单元共享战场态势数据传输问题。

本发明的技术解决方案是：一种多用户集群组网系统的通信方法，所述多用户集群组网系统包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；所述方法包括自组织组网阶段的步骤和自由通信阶段的步骤：

(1)、自组织组网阶段的步骤如下：

(1.1)、主节点和从节点均通过自由访问信道发送接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求、信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；

(1.2)、主节点和从节点均监听自由访问信道，主节点收到从节点发送的接入信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点；

(1.3)、从节点收到通信通道分配方案之后，按照最新的该通信通道分配方案发送信息；

(2)、自由通信阶段的步骤如下：

(2.1)、发送节点按照最新的通信通道分配方案在数据通道上发送数据信息，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型；

(2.2)、其他节点收到数据信息后，进行解析，根据目的节点ID号判断是否为本节点是否为接收节点；

(2.3)、接收节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部接收完毕；

(2.4)、主节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部发送完毕，如果传输未完成，则在下一个周期继续分配数据信道给发送节点，更新通信通道分配方案。

所述主节点和从节点采用随机接入控制的方式发送接入信息。

所述随机接入控制的方式发送接入消息的具体实现为：

(1.1.1)、发送节点检测数据链路中的候选时隙，获取候选时隙集，设置候选时隙计数器初值为候选时隙集中的可用时隙数；

(1.1.2)、选择一个候选时隙，作为当前候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1；

(1.1.3)、产生一个0到100之间的随机概率数；

(1.1.4)、计算当前时隙发送概率的初始值为100除以候选时隙计数器的计数值；

(1.1.5)、将步骤(1.1.2)产生的随机概率数与当前时隙发送概率进行比较，当步骤(1.1.2)产生的随机概率数小于等于当前时隙发送概率时，则允许通过当前候选时隙进行发送，结束；否则，选择新的候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1，进入步骤(1.1.6)；

(1.1.6)、采用前一个时隙发送概率加上概率增量，更新当前时隙发送概率，重新回到步骤(1.1.5)。

所述概率增量为(100-前一个时隙发送概率)/后选时隙计数器的计数值。

当有新的从节点需要接入网络时，该新增从节点通过自由访问信道发送接入信息，主节点监听自由访问信道，收到该从节点发送的接入信息之后，根据该新增从节点的通信需求，分配新增从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点；

当主节点检测到某一从节点工作失效时，删除该失效节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，重新分配剩余各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，更新信息传输通道分配方案，并于下一周期在通知信道上广播该信息传输通道分配方案至各从节点。

所述步骤(2.3)接收节点接收到数据信息后，实时计算到达该接收节点接收信号的信号电平、信噪比、载噪比，并将信号电平、信噪比或载噪比作为质量指示信息，在信令信道上反馈质量指示信息至发送节点，作为发送节点调整发送方案的依据。

本发明的另一个技术解决方案是：一种多用户集群组网系统的通信系统，该系统包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；每个节点上设有集群组网模块，所述集群组网模块包括信道单元、数字信号处理单元、中央数据处理单元、协议控制单元；

信道单元，接收其余节点发送的射频接收信号，并将其下变频为中频接收信号，将中频接收信号发送给数字信号处理单元；将数字信号处理单元发送的中频发送信号上变频为射频发射信号发送出去；

数字信号处理单元，将信道单元接收得到的中频接收信号，进行解调，得到通信数据帧，发送给中央数据处理单元；将中央数据处理单元发送的待发送信息进行编码、调制，得到中频发射信号，发送给信道单元；

中央数据处理单元，按照预设的协议，接收数字信号处理单元发送的数据帧，对通信数据帧进行解析；受协议控制单元控制，按照协议完成信息收发、传输与交互处理，将数据分发至本节点内部负载终端；

协议控制单元，主要完成多用户集群组网模块的协议层规划，包括内部协议组织、集群网络接入、信息传输控制、自组织集群协议控制。

对于从节点而言：

中央数据处理单元，按照本节点的通信协议，解析收到的其他节点发送的通信数据帧，得到源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型，根据目的节点ID号判断是否为本节点是否为接收节点；如果本节点是接收节点，则根据接收到的通信数据帧作相应的数据处理；收到主节点广播的通信通道分配方案信息时，将通信通道分配方案信息转发给协议控制单元；

在自组织组网阶段，受协议控制单元控制，生成接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求和信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；在自由通信阶段，生成数据信息发送给协议控制单元，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号发送传输是否完成标志、信息类型；

协议控制单元，收到通信通道分配方案信息之后，更新该通信通道分配方案；在自组织组网阶段，按照预设信息传输通道分配方案将接入信息，作为待发送信息，在自由访问信道发送至中央数据处理单元；在自由通信阶段，按照预设信息传输通道分配方案将数据类型的信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至数字信号处理单元。

对于主节点而言：

中央数据处理单元，在自组织组网阶段，收到从节点的接入信息后，将接入信息转发给协议控制单元；在自由通信阶段，收到其他节点的数据类型的通信数据帧时，根据其中的数据内容进行相应处理；将从节点传输是否完成标志转发给协议控制单元；

协议控制单元，收到接入信息、信令信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，作为待发送信息，并在逻辑信道的通知信道上周期性发送该待发送信息至数字信号处理单元；更新信息传输通道分配方案；按照预设信息传输通道分配方案将数据类型为信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至数字信号处理单元。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)、本发明设计了基于主节点的无中心网络通信模式，在单个节点受到打击或损伤时不影响集群整体作战效能，提高了通信集群用户的总体生存能力。

(2)、本发明在集群组网模块通信协议设计中为满足不同通信速率、通信环境的需求，在链路层、网络层进行融合设计，采用基于TDMA的访问控制协议，对不同接入用户进行控制，同时引入逻辑信道、信令信道及数据信道，实现了多个集群用户的组网通信；

(3)、本发明采用SDR技术实现了硬件架构的“软件化配置”，能够实现灵活的硬件配置及设置，系统灵活性高，满足民用大量普及应用及军用需求。

(4)、本发明采用了基于信号感知的信道估计技术，实时对不同用户信道进行监测，在大网络负载条件下保证关键通信数据的可靠传输；

(5)、本发明解决了飞行器集群通信场景下，飞行器及移动作战单元共享战场态势数据传输问题，提供了一种低成本多用途的通信应用单元；

(6)、本发明具有高移植性，可转化应用到各类车载设备、便携式携带设备、单兵作战设备，满足各类军用通信及民用通信定位需求；该成果所属技术，在国内外均属前沿技术，SDR属于未来通信前沿领域。

附图说明

图1为本发明实施例集群组网模块组成示意图；

图2为本发明实施例集群通信网络组成示意图；

图3为本发明实施例接入控制信息发送控制流程示意图。

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描述：

本发明涉及一种多用户集群组网系统的通信方法及系统，主要基于SDR技术，实现了硬件架构的“软件化配置”，能够实现灵活的硬件配置及设置，设备覆盖频段可扩展配置为S及VHF频段；在集群组网系统通信协议设计中为满足不同通信速率、通信环境的需求，在链路层、网络层进行融合设计，采用基于TDMA的访问控制协议，对不同接入用户进行控制，同时引入逻辑信道，在逻辑信道中引入数据通道、信令通道等，实现了多个集群用户的组网通信；采用了基于信号感知的信道估计技术，实时对不同用户信道进行监测，在大网络负载条件下保证关键通信数据的可靠传输；为了提高通信集群用户的总体生存能力，设计了基于主节点的无中心网络通信模式，在单个节点受到打击或损伤时不影响集群整体作战效能。

本发明提供的一种多用户集群组网系统的通信方法，所述多用户集群组网系统包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；该方法包括自组织组网阶段的步骤和自由通信阶段的步骤：

(1)、自组织组网阶段的步骤如下：

(1.1)、主节点和从节点均通过自由访问信道发送接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求、信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；

(1.2)、主节点和从节点均监听自由访问信道，主节点收到从节点发送的接入信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点；

(1.3)、从节点收到通信通道分配方案之后，按照最新的该通信通道分配方案发送信息；

(2)、自由通信阶段的步骤如下：

(2.1)、发送节点按照最新的通信通道分配方案在数据通道上发送数据信息，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型；

(2.2)、其他节点收到数据信息后，进行解析，根据目的节点ID号判断是否为本节点是否为接收节点；

(2.3)、接收节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部接收完毕；

(2.4)、主节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部发送完毕，如果传输未完成，则在下一个周期继续分配数据信道给发送节点，更新通信通道分配方案。

如图2所示，所述主节点和从节点采用随机接入控制的方式发送接入信息。

具体为：

(1.1.1)、发送节点检测数据链路中的候选时隙，获取候选时隙集，设置候选时隙计数器初值为候选时隙集中的可用时隙数；

(1.1.2)、选择一个候选时隙，作为当前候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1；

(1.1.3)、产生一个0到100之间的随机概率数；

(1.1.4)、计算当前时隙发送概率的初始值为100除以候选时隙计数器的计数值；

(1.1.5)、将步骤(1.1.2)产生的随机概率数与当前时隙发送概率进行比较，当步骤(1.1.2)产生的随机概率数小于等于当前时隙发送概率时，则允许通过当前候选时隙进行发送，结束；否则，选择新的候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1，进入步骤(1.1.6)；

(1.1.6)、采用前一个时隙发送概率加上概率增量，更新当前时隙发送概率，重新回到步骤(1.1.5)；其中，所述概率增量为(100-前一个时隙发送概率)/后选时隙计数器的计数值。

当有新的从节点需要接入网络时，该新增从节点通过自由访问信道发送接入信息，主节点监听自由访问信道，收到该从节点发送的接入信息之后，根据该新增从节点的通信需求，分配新增从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点；

当主节点检测到某一从节点工作失效时，删除该失效节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，重新分配剩余各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，更新信息传输通道分配方案，并于下一周期在通知信道上广播该信息传输通道分配方案至各从节点。

所述步骤(2.3)接收节点接收到数据信息后，实时计算到达该接收节点接收信号的信号电平、信噪比、载噪比，并将信号电平、信噪比或载噪比作为质量指示信息，在信令信道上反馈质量指示信息至发送节点，作为发送节点调整发送方案的依据。

基于以上方法本发明还提供了一种多用户集群组网系统的通信系统，该系统包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；每个节点上设有集群组网模块，所述集群组网模块包括信道单元、数字信号处理单元、中央数据处理单元、协议控制单元；

信道单元，接收其余节点发送的射频接收信号，并将其下变频为中频接收信号，将中频接收信号发送给数字信号处理单元；将数字信号处理单元发送的中频发送信号上变频为射频发射信号发送出去；

数字信号处理单元，将信道单元接收得到的中频接收信号，进行解调，得到通信数据帧，发送给中央数据处理单元；将中央数据处理单元发送的待发送信息进行编码、调制，得到中频发射信号，发送给信道单元；

中央数据处理单元，对于从节点而言，收到主节点广播的通信通道分配方案信息时，将通信通道分配方案信息转发给协议控制单元；在自组织组网阶段，，受协议控制单元控制，生成接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求和信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；在自由通信阶段，生成数据信息发送给协议控制单元，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号发送传输是否完成标志、信息类型；按照本节点的通信协议，解析收到的其他节点发送的通信数据帧，得到源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型，根据目的节点ID号判断是否为本节点是否为接收节点；如果本节点是接收节点，则根据接收到的通信数据帧作相应的数据处理；

对于主节点而言，在自组织组网阶段，收到从节点的接入信息后，将接入信息转发给协议控制单元；在自由通信阶段，收到其他节点的数据类型的通信数据帧时，根据其中的数据内容进行相应处理；将从节点传输是否完成标志转发给协议控制单元；

协议控制单元：对于从节点而言，收到通信通道分配方案信息之后，更新该通信通道分配方案；在自组织组网阶段，按照预设信息传输通道分配方案将接入信息，作为待发送信息，在自由访问信道发送至中央数据处理单元；在自由通信阶段，按照预设信息传输通道分配方案将数据类型的信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至中央数据处理单元；对于主节点而言，收到接入信息、信令信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，作为待发送信息，并在逻辑信道的通知信道上周期性发送该待发送信息至数字信号处理单元；更新信息传输通道分配方案；按照预设信息传输通道分配方案将数据类型为信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至中央数据处理单元。

实施例：

本发明某一具体实施例以国防科工局某基础加强项目为背景，主要以解决飞行器间集群通信为目的。远程精确打击飞行器作为未来制空、制天权的主要手段，逐渐引起各国的高度重视，各种具有精确制导能力及巡航能力的精确打击飞行器得到快速发展。随着电子技术和网络技术的快速发展，飞行器组网作战作为未来作战体系中的重要角色收到广泛关注。飞行器集群通信系统是通过空间信息联网形成的集群网络，通过无线网络技术将多个同构或异构飞行器(如侦察型与攻击型等)实现无线组网，建立弹集群内各节点之间实时、可靠的双向通信与信息交换链路，从而将网内各个飞行器所获得的战场信息实现资源共享、信息融合以及决策算法等协同处理，使簇群不仅仅是各个独立的离散组合体，而是信息共享的“有机体”，同时可以将每个飞行器集群获得的战场信息通过中继平台(天基或空基等平台)发送到后方指控中心。

如图2所示，本发明的某一具体的实施例采用SDR技术设计的一种低成本多用户集群通信系统，包括n个集群节点，初始化设定节点64个，其中1个节点为主节点，该节点配置了天基通信设备，具有与天基网络通信能力。其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，作为唯一身份标志。从节点的ID序列号分别按照序号2、3、4……等进行设定，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；集群通信网络每个节点上电工作后，按照内部自组织网络协议完成网络识别，确定通信模式后进行自由通信及发送，自组织网络可以进行点对点高速寻址数据传输、广播数据传输，传输速率能够根据工作场景切换，当网络内部出现节点丢失情况下，其他节点根据网络情况调整信息发送及接收方案。

如图2所示，每个节点上设有集群组网模块，所述集群组网模块配置相同的硬件和软件，包括信道单元、数字信号处理单元、中央数据处理单元、协议控制单元。

(1)、信道单元

信道单元接收其余节点发送的射频接收信号，并将其下变频为中频接收信号，将中频接收信号发送给数字信号处理单元；将数字信号处理单元发送的中频发送信号上变频为射频发射信号发送出去。

本实施例中，信道单元包括天线单元、T/R开关、接收通道、发射通道。

天线单元：该天线单元为收发共用天线，用来接收和发送射频接收信号。天线设计工作配置于S频段，初始化设计工作频带50MHz，天线采用微带形式；

T/R开关：射频开关包含控制收发的T/R切换开关，控制天线单元收发切换，其中实现收发隔离度大于50dB；

接收通道：将天线单元接收的射频信号下变频为中频接收信号，将中频接收信号发送给数字信号处理单元；包含宽频段滤波器件，实现对该工作频段的滤波及信号控制，滤除带外无用信号；所述接收通道包括下变频器、四级低噪声放大器和数控衰减器；其中：下变频器用于对射频信号进行频带的频谱搬移处理；四级低噪声放大器件，用于对微弱信号的放大；数控衰减器实现信号大动动态范围的调整；数控衰减器实现信号大动动态范围的调整。

发射通道：将数字信号处理单元发送的中频发送信号上变频为射频发射信号通过天线单元发送出去。该通道主要通过对上变频信号进行功率放大，通过微波开关与天线发射出去。该通道设计五级放大、二级数控衰减、二级滤波实现信号处理。

(2)、数字信号处理单元

数字信号处理单元将信道单元接收得到的中频接收信号，进行解调，得到通信数据帧，发送给中央数据处理单元；将中央数据处理单元发送的待发送信息进行编码、调制，得到中频发射信号，发送给信道单元。该单元能够处理接收通道的GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等信号的接收，同时能够生成多种类型的信号。

(3)、中央数据处理单元

中央处理单元：按照预设的协议，接收数字信号处理单元发送的数据帧，对通信数据帧进行解析；受协议控制单元控制，按照协议完成信息收发、传输与交互处理，将数据分发至本节点内部负载终端。；

(4)、协议控制单元

协议控制单元：主要完成多用户集群组网模块的协议层规划，主要包含内部协议组织、集群网络接入、信息传输控制、自组织集群协议控制等。

本发明集群通信的设计在于采用了一种自组织的控制网络设计，网络通信能够在独立无干预条件下完成网络通信与数据协调，具有高度的传输可靠性，按照设计的传输带宽，设定多个物理传输频点进行传输，集群节点能够选择不同的通信频点传输数据，孤立传输带宽2MHz，支持较小网络规模较好通信条件下的叠加宽带传输方式。

自组织网络主要包括以下部分：网络接入控制、网络协议设计、网络信息传输等部分。以下主要从网络接入管理、网络协议设计、网络信息传输等方面开展设计。

A)接入控制

通信网络设备上电后，在自由访问信道内按照随机接入控制进行发送。发射节点首先检测数据链路中的候选时隙，当检测到一个候选时隙后，产生一个随机概率数，取值范围为1至100，之后将该概率值与当前发送概率进行比较。在随机概率数小于等于当前发送概率时，允许通过候选时隙进行发送；反之，当前发送概率值随概率增加而增加，之后发射节点需要寻找本帧中的下一个候选时隙。通过该随机接入方式发送本节点配置信息、通信需求、主从节点关系等信息，为自由通信建立通信基础。所述本节点配置信息包括本节点的ID号、通信需求信息包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号，其流程如图3所示。

B)协议设计

网络接入阶段完成后进入自组网通信阶段，在该阶段涉及的主要内容定义如下：

1、逻辑信道：逻辑信道定义为对1分钟或者1小时内的时间进行划分，划分为多个时间片(时隙)单位，每个时间片单位可分配给不同的接入用户，N初始化为20，M初始化为6；

2、信令通道(XX)：信令信道作为信道间进行信令发布及数据指令确认的通道；

3、数据信道(SX)：供不同的接入用户发送数据使用；

4、通知信道(TX)：进行整个信道使用方案的具体规划和公布，周期性发布，发布周期1s；

5、自由访问信道(ZX)：供接入用户自由访问使用，提供新会话交互通道。

按照TDMA设计思路，对链路层传输进行定义，这里设计按照1min为时间周期，设定多个传输时隙n＝2400，则每个时隙为25ms，符号速率768ksymbol/s，能够传输的最大通信码速率3.072Mbps。

表1通信信道划分

序号

1

2

3

4

5

……

N

信道1

TX

TX

ZX

ZX

ZX

……

ZX

信道2

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

信道3

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

信道4

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

信道5

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

信道6

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

……

……

……

……

……

……

……

……

信道M

SX

SX

SX

SX

SX

……

XX

在进入自由通信阶段后，主节点按照表1给出的信道划分时隙并组织通信，各其他节点的逻辑信道划分与表1类似，区别在于其他节点信道划分上没有通知信道。主节点根据各节点发送的信息，分析网络内部节点容量(数量)大小，进行逻辑信道的划分，形成划分方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息，当有新节点接入网络后，通过通知信道改变网络传输方案。以初始化网络划分规模为例，网络提供6个节点的逻辑信息传输通道，传输时按照信道1、2、3、4、5、6的顺序组织传输，并依次进行序号1、2、3……的传输，当完成一组传输时，在信令信道进行传输指令的确认(包括传输结果、质量等)。当某个节点完成传输时，其会在信令信道发送传输完成的标志，当还需要占用更多的逻辑信道进行数据传输时，在该信令信道进行传输标志的填充，并告知需要进行的传输安排。

当集群网络发生传输节点的变化时，会在通知信道的下一周期中进行通信组织的改变。因此，当有数量较多的节点时，集群网络会增加信道的划分，让更多的节点能够共享通信通道，但提供基本的数据传输服务。

采用基于较小网络规模条件下的叠加宽带传输方式，传输协议设计时增加了可变带宽信息传输，提供大带宽高速数据传输通道，最大可支持传输带宽25MHz。

C)信息传输

在集群通信节点进行高速信息传输时，由于各节点飞行器飞行姿态、飞行路径、飞行速度等的不同，节点间电磁环境也会影响通信质量，为了保证传输的质量，在信息传输中进行可靠性设计，具体如下。

在数据交互的数据传输包中，设计信道的质量指示信息，接收机在接收到数据时，对接收信号质量进行分析计算，包含接收机信号电平、信噪比、载噪比等内容，并存储在设备内部，作为进行自适应通信的依据。

通信可靠传输过程如下：高速通信过程中在自由访问信道、信令信道采用鲁棒性较高的传输及调制方式(QPSK)，在数据传输时采用较高阶的调制体制；发射机发送传输数据包，经过空间信道传输，接收机接收到数据包，计算到达接收机信号电平、信噪比、载噪比，并在数据包中进行标志(关联传输节点信息)；在完成一个传输片段后，接收机对接收到的信号质量进行综合分析，在信令确认包中反馈该内容，并要求发送节点是否进行传输方案调整，其中可调整方案包括保持该传输方案、增加至高阶调制方案、减少至低阶调制方案(16QAM)。

同时，为了保证传输内容的完整性，在收发两端进行了双向握手设计，信令包反馈数据包接收结果，发送端根据接收结果，重新组织数据发送，重复发送次数不超过4次。双向握手设计即为发送端在发送数据长度中标识发送数据的长度信息，接收端在连续接收到数据包后，对每个接收到的数据包进行确认，并在信令确认包中反馈接收结果，发送端对未收到的数据进行重复发送。

集群通信网络工作流程如下：

步骤1：对通信设备(飞行器)进行加电操作，设备初始化后，开启网络接入控制，发送自身节点相关的信息，其他通信节点监听各信道信息，持续时间25s，各节点检测到相邻节点信息后，完成初始阶段工作；

步骤2：在进入自由通信阶段后，主节点按照表1给出的信道划分时隙并组织通信，各其他节点的逻辑信道划分与表1类似；

步骤3：通信过程中如果发生某一节点丢失或失效，网络将重新组织表1中的分配结构，减少原有时隙划分方案；同时如果网络动态过程中发生节点增加，也重新组织表1中的分配结构。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种多用户集群组网系统的通信方法，所述多用户集群组网系统包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；其特征在于包括自组织组网阶段的步骤和自由通信阶段的步骤：

(1)、自组织组网阶段的步骤如下：

(1.1)、主节点和从节点均通过自由访问信道发送接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求、信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；

(1.2)、主节点和从节点均监听自由访问信道，主节点收到从节点发送的接入信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点；

(1.3)、从节点收到通信通道分配方案之后，按照最新的该通信通道分配方案发送信息；

(2)、自由通信阶段的步骤如下：

(2.1)、发送节点按照最新的通信通道分配方案在数据通道上发送数据信息，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型；

(2.2)、其他节点收到数据信息后，进行解析，根据目的节点ID号判断本节点是否为接收节点；

(2.3)、接收节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部接收完毕；

(2.4)、主节点根据发送节点发送的传输是否完成标志，判断数据帧是否全部发送完毕，如果传输未完成，则在下一个周期继续分配数据信道给发送节点，更新通信通道分配方案；

所述主节点和从节点采用随机接入控制的方式发送接入信息；

所述随机接入控制的方式发送接入消息的具体实现为：

(1.1.1)、发送节点检测数据链路中的候选时隙，获取候选时隙集，设置候选时隙计数器初值为候选时隙集中的可用时隙数；

(1.1.2)、选择一个候选时隙，作为当前候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1；

(1.1.3)、产生一个0到100之间的随机概率数；

(1.1.4)、计算当前时隙发送概率的初始值为100除以候选时隙计数器的计数值；

(1.1.5)、将步骤(1.1.3)产生的随机概率数与当前时隙发送概率进行比较，当步骤(1.1.3)产生的随机概率数小于等于当前时隙发送概率时，则允许通过当前候选时隙进行发送，结束；否则，选择新的候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1，进入步骤(1.1.6)；

(1.1.6)、采用前一个时隙发送概率加上概率增量，更新当前时隙发送概率，重新回到步骤(1.1.5)。

2.根据权利要求1所述的一种多用户集群组网系统的通信方法，其特征在于所述概率增量为(100-前一个时隙发送概率)/候选时隙计数器的计数值。

3.根据权利要求1所述的一种多用户集群组网系统的通信方法，其特征在于当有新的从节点需要接入网络时，该新增从节点通过自由访问信道发送接入信息，主节点监听自由访问信道，收到该从节点发送的接入信息之后，根据该新增从节点的通信需求，分配新增从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，并在逻辑信道的通知信道上周期性广播该信息传输通道分配方案至各从节点。

4.根据权利要求1所述的一种多用户集群组网系统的通信方法，其特征在于当主节点检测到某一从节点工作失效时，删除该失效节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，重新分配剩余各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，更新信息传输通道分配方案，并于下一周期在通知信道上广播该信息传输通道分配方案至各从节点。

5.根据权利要求1所述的一种多用户集群组网系统的通信方法，其特征在于所述步骤(2.3)接收节点接收到数据信息后，实时计算到达该接收节点接收信号的信号电平、信噪比、载噪比，并将信号电平、信噪比或载噪比作为质量指示信息，在信令信道上反馈质量指示信息至发送节点，作为发送节点调整发送方案的依据。

6.一种多用户集群组网系统的通信系统，其特征在于包括n个集群节点，其中1个节点为主节点，其它节点为从节点，每个节点分配一个固定的ID序列号，各节点通过M个TDMA逻辑信道进行通信，每个逻辑信道包括N个时隙，主节点第1个逻辑信道中包含通知通道和自由访问通道；从节点第1个逻辑信道中包含自由访问通道；每个节点上设有集群组网模块，所述集群组网模块包括信道单元、数字信号处理单元、中央数据处理单元、协议控制单元；

信道单元，接收其余节点发送的射频接收信号，并将其下变频为中频接收信号，将中频接收信号发送给数字信号处理单元；将数字信号处理单元发送的中频发送信号上变频为射频发射信号发送出去；

数字信号处理单元，将信道单元接收得到的中频接收信号，进行解调，得到通信数据帧，发送给中央数据处理单元；将中央数据处理单元发送的待发送信息进行编码、调制，得到中频发射信号，发送给信道单元；

中央数据处理单元，按照预设的协议，接收数字信号处理单元发送的数据帧，对通信数据帧进行解析；受协议控制单元控制，按照协议完成信息收发、传输与交互处理，将数据分发至本节点内部负载终端；

协议控制单元，主要完成多用户集群组网模块的协议层规划，包括内部协议组织、集群网络接入、信息传输控制、自组织集群协议控制；

所述主节点和从节点采用随机接入控制的方式发送接入信息；

所述随机接入控制的方式发送接入消息的具体实现为：

(1.1.1)、发送节点检测数据链路中的候选时隙，获取候选时隙集，设置候选时隙计数器初值为候选时隙集中的可用时隙数；

(1.1.2)、选择一个候选时隙，作为当前候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1；

(1.1.3)、产生一个0到100之间的随机概率数；

(1.1.4)、计算当前时隙发送概率的初始值为100除以候选时隙计数器的计数值；

(1.1.5)、将步骤(1.1.3)产生的随机概率数与当前时隙发送概率进行比较，当步骤(1.1.3)产生的随机概率数小于等于当前时隙发送概率时，则允许通过当前候选时隙进行发送，结束；否则，选择新的候选时隙，将候选时隙计数器的计数值减1，进入步骤(1.1.6)；

(1.1.6)、采用前一个时隙发送概率加上概率增量，更新当前时隙发送概率，重新回到步骤(1.1.5)。

7.根据权利要求6所述的一种多用户集群组网系统的通信系统，其特征在于对于从节点而言：

中央数据处理单元，按照本节点的通信协议，解析收到的其他节点发送的通信数据帧，得到源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号、发送传输是否完成标志、信息类型，根据目的节点ID号判断本节点是否为接收节点；如果本节点是接收节点，则根据接收到的通信数据帧作相应的数据处理；收到主节点广播的通信通道分配方案信息时，将通信通道分配方案信息转发给协议控制单元；

在自组织组网阶段，受协议控制单元控制，生成接入信息；所述接入信息包括配置信息、通信需求和信息类型，配置信息包括本节点的ID号，通信需求包括本节点需要发送的数据帧长度、目的节点ID号；所述信息类型包括接入、信令、数据；在自由通信阶段，生成数据信息发送给协议控制单元，所述数据信息包括源节点的ID号、数据帧长度、数据内容、目的节点ID号发送传输是否完成标志、信息类型；

协议控制单元，收到通信通道分配方案信息之后，更新该通信通道分配方案；在自组织组网阶段，按照预设信息传输通道分配方案将接入信息，作为待发送信息，在自由访问信道发送至中央数据处理单元；在自由通信阶段，按照预设信息传输通道分配方案将数据类型的信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至数字信号处理单元。

8.根据权利要求6所述的一种多用户集群组网系统的通信系统，其特征在于对于主节点而言：

中央数据处理单元，在自组织组网阶段，收到从节点的接入信息后，将接入信息转发给协议控制单元；在自由通信阶段，收到其他节点的数据类型的通信数据帧时，根据其中的数据内容进行相应处理；将从节点传输是否完成标志转发给协议控制单元；

协议控制单元，收到接入信息、信令信息之后，根据各节点通信需求，分配各从节点信息传输通道占用逻辑信道内的时隙，所述信息传输通道包括信令通道、数据信道，形成信息传输通道分配方案，作为待发送信息，并在逻辑信道的通知信道上周期性发送该待发送信息至数字信号处理单元；更新信息传输通道分配方案；按照预设信息传输通道分配方案将数据类型为信息或者信令类型的信息，作为待发送信息，在数据信道或者信令信道发送至数字信号处理单元。