CN112532301B - 一种北斗用户终端快速网络资源发现和动态信息交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种北斗用户终端快速网络资源发现和动态信息交互系统，包括网络连接的中心节点服务器、虚拟用户机；在中心节点服务器上设置中心节点；在虚拟用户机上设置普通节点，虚拟用户机直接连接多个北斗用户终端；各节点之间通过Peer to Peer方式直接访问，虚拟用户机定期向中心节点服务器上报状态数据，下载并保存地址列表，通过地址列表访问共享的北斗设备资源；当用户终端不能满足发送请求时，按照优选的地址列表，把发送请求通过网络分配到其它的虚拟用户机去完成。本发明利用软件实现北斗通用用户终端网络资源快速发现和动态信息交互，进而实现全网RDSS通信资源共享，最大化的提升北斗用户终端使用效能。

Description

一种北斗用户终端快速网络资源发现和动态信息交互系统

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System， GNSS)应用技术领域，特别涉及一种基于北斗RDSS(卫星无线电测定业务)体制实现的基于北斗用户终端的快速网络资源发现和动态信息交互系统。

背景技术

随着北斗系统建成并投入使用，大量北斗用户终端成为导航定位、统一时空、监控指挥的重要手段。在实际应用过程中，北斗短报文通信因其使用便捷、保密性好、可靠性高、覆盖面广及不受环境地域限制等优点成为指令下达、通信互联的重要手段，尤其在执行抢险救灾等任务时，由于地面通信网络无法覆盖，利用北斗通信成为主要应急通信手段。

但是北斗RDSS短报文服务申请受到服务频度、通信等级授权参数限制，短报文通信电文长度受限，且不能根据需要随时发送，影响了终端使用效果。因此充分利用现有北斗用户终端，构建可通过网络自由组织、灵活调度的分布式北斗短报文处理平台，通过网络快速、及时、准确地响应用户申请并实现北斗短报文通信的实时发送，实现北斗用户终端发送频度及通信等级资源共享。

部分北斗运营服务分理商基于运营服务的需求，利用多张IC卡的构建北斗短报文处理平台，提升运营服务时通知通告、应急救援等方面消息效率。所涉及的北斗短报文处理平台都是以硬件形式体现的，运营中心调用新型硬件设备实现多 IC卡高频短报文发送，利用多IC卡的集中式管理平台统一对外服务。但是，该方法无法实现分布式结构和网络化调用，不能进行远程访问、灵活组织、硬件结构一经定型无法动态扩展，且硬件研制成本高，无法大规模推广。

本申请人在2019年10月24日申请了一项“一种北斗用户终端通信资源共享系统”，申请号为201911014759.4。系统原理图见图1，利用该系统可以实现在不升级现有硬件设备的情况下，通过软件系统，提供虚拟用户机软件实现北斗用户终端接入及虚拟化，灵活访问的终端资源共享办法，为用户提供可便捷访问的北斗RDSS通信资源池，满足多型、多种用户终端便捷、动态接入，及时、准确地接收用户申请并实现北斗短报文通信的实时发送。但是，该方法仅限于局域网接入，可接入设备规模仍然有限；为满足现实需求，实现大规模北斗用户终端的资源共享，在此基础上还必须解决网络快速资源发现以及动态信息交互问题，满足多用户实时、高并发、大数据量的信息传输要求。

由于北斗RDSS体制是完全有别于GPS系统的研究领域，国外并无相关的资料可供参考。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种基于网络的北斗用户终端资源快速发现和动态信息交互系统，可利用软件实现北斗通用用户终端网络资源快速发现和动态信息交互，进而实现全网RDSS通信资源共享，最大化的提升北斗用户终端使用效能。

本发明一种北斗用户终端快速网络资源发现和动态信息交互系统，其特征在于包括通过网络连接的中心节点服务器、虚拟用户机；

在中心节点服务器上设置中心节点，与整个网络中的各个节点相互连通、相互通讯；分布式信息管理软件部署在中心节点上；

所述分布式信息管理软件包括地址索引模块、权限管理模块；其中地址索引模块包括信息采集模块、数据更新模块、地址下发模块；所述信息采集模块接收虚拟用户机上报状态数据，将这些共享资源信息添加到数据库中；所述数据更新模块按照信道预留策略，将共享资源信息加入地址列表，建立普通地址列表和预留地址列表；所述地址下发模块接收到虚拟用户机的请求命令，将数据库中具有用户机资源、地址信息打包，通过组播方式发送给各虚拟用户机；所述权限管理模块接收虚拟用户机权限调整请求，将变更后的权限数据发送给虚拟用户机，虚拟用户机将权限信息保存在本地；

在所述虚拟用户机上设置普通节点，虚拟用户机上通过串口或网口直接连接多个北斗用户终端，虚拟用户机软件部署在普通节点的终端计算机；

各节点之间通过Peer to Peer方式直接访问，虚拟用户机定期向中心节点服务器上报状态数据，下载并保存中心节点服务器的地址列表，通过地址列表访问共享的北斗设备资源；当用户终端不能满足发送请求时，虚拟用户机按照优选的地址列表，把发送请求通过网络分配到其它的虚拟用户机去完成。

进一步，还包括备用中心节点，设置在备用服务器上，与其所管理的节点以集中式模式组成下层网络拓扑，并与中心节点形成备份关系。

进一步，所述虚拟用户机上报状态数据包括虚拟用户机IP地址、端口号、虚拟用户机属性、北斗用户终端资源属性、更新时间信息，并将这些信息添加到数据库中，以虚拟用户机IP地址和端口号作为主键。

进一步，所述数据更新模块与虚拟用户机建立心跳更新机制，定时获取虚拟用户机资源信息，并更新维护地址信息列表。

进一步，所述虚拟用户机在本身状态发生变化时，自动访问中心服务器上报资源变化情况。

进一步，所述分布式信息管理软件还包括状态监控模块，定时更新、显示虚拟用户机地址、权限相关信息。

进一步，虚拟用户机按照地址列表与其它虚拟用户机的通信，判断传输时延，优先访问时延最短的虚拟用户机，动态调整地址列表中各虚拟用户机的排序。

有益效果：

相对于本申请人“一种北斗用户终端通信资源共享系统”，本发明充分利用通用北斗用户终端，在不升级现有硬件设备的情况下，采用软件系统，通过网络自由组织，实现北斗用户终端接入及网络资源快速发现。理论上通信资源可以无限扩充，可接入设备更多；支持网络北斗用户终端资源的动态管理，满足多型、多种用户终端便捷、动态接入，便于用户利用地面网络快速构建RDSS短报文资源池；灵活调度的分布式北斗短信平台原型系统，满足用户快速、及时、准确地接收用户申请并实现北斗短报文通信的实时发送，实时、大数据量的信息传输要求。

本发明满足用户在自然环境恶劣、地面通信网络无法覆盖区域，用户并发、实时、大数据量的信息传输要求，可为应急指挥提供技术支撑；同时，通过网络接入不同密级用户机资源，可为联合搜救、国防动员提供技术手段。

附图说明

图1现有技术中“一种北斗用户终端通信资源共享系统”专利的系统原理图

图2本发明的系统原理图

图3本发明中虚拟用户机交互关系图

图4本发明节点的结构图

图5本发明分布式信息管理软件流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明以“一种北斗用户终端通信资源共享系统”为基础，借鉴混合式P2P 模型，网络架构为由中心节点、普通节点和备份中心节点构成的混合网络。分布式信息管理软件部署在中心节点以及备份中心节点的服务器上，虚拟用户机软件部署在普通节点的终端计算机上。见图2。

一、中心节点和备份中心节点

(一)节点设置

在中心节点服务器上设置中心节点，与整个网络中的各个节点相互连通、相互通讯，见图4。

分布式信息管理软件部署在中心节点，主要功能是负责记录网络中各个节点连接设备的信息，维护全网络各节点虚拟用户机的地址列表，提供虚拟用户机设备的结构数据，描述网络上各用户机设备的资源状态，部署地址索引服务，负责全网的北斗资源发现、地址管理等功能；实现用户机资源的发现、查找和有效管理。并具备一定的监控管理功能。通过采集网内虚拟用户机信息掌握全网北斗用户设备资源并将该资源信息定时下发至各虚拟用户机，包括虚拟用户机地址信息、虚拟用户机连接的北斗用户机卡号、服务频度、通信等级等信息。分布式信息管理软件采用B/S架构，通过浏览器提供人机交互界面，实现全网北斗用户设备资源显示、查询，完成虚拟用户机权限变更审核。

在备用服务器上设置备用中心节点，根据节点的地理位置、网络滞留时间、服务需求可选择建设一个到多个备用节点，与中心节点形成备份关系，备份中心节点相关功能。与其所管理的节点以集中式模式组成下层网络拓扑，并与中心节点形成备份关系，地址索引可在超级节点间转发，这样所有超级节点就构成了一个高速转发层。实现网络快速发现，另外若中心节点损毁时，可以替代中心节点。备用中心节点存储整个网络的节点的资源索引、节点IP等信息，能够实现自动切换，最大程度提高系统的抗毁能力，平衡北斗系统出入站资源。

(二)分布式信息管理软件

分布式信息管理软件包括地址索引模块、权限管理模块、状态监控模块。见图5。

1、地址索引模块

地址索引服务模块负责维护全网络虚拟用户机的地址列表，并具备一定的监控管理功能，主要功能包括信息采集模块、数据更新模块、地址下发模块。

(1)信息采集模块

信息采集模块接收虚拟用户机按照指定频度上报状态数据，包括虚拟用户机 IP地址、端口号、虚拟用户机属性、北斗用户终端资源属性、更新时间等信息，并将这些信息添加到数据库中，以虚拟用户机IP地址和端口号作为主键，避免信息的重复录入。

虚拟用户机信息，具体包括：

●虚拟用户机地址、端口；

●虚拟用户机属性：加密/普通、使用/预留、权限等级；

●虚拟用户机资源信息：连接用户机数量、卡频及通信等级、定位结果；

●虚拟用户机状态更新时间。

通信优先级：一级为普通发送级别，排在发送队列的末尾执行发送任务；二级是优先发送级别，排在发送队列的最前端执行发送任务；三级是紧急发送级别，使用预留通道执行发送任务。

在默认情况下虚拟用户机自动设置服务频度，并将优先级设为普通等级即一级。服务频度设置将根据该虚拟用户机实际连接的北斗设备资源和部队实际作战任务确定，用户不能手动设置服务频度。

例如某虚拟用户机连接了4台服务频度为60秒的北斗用户设备，则该虚拟用户机的实际发送能力为4次/60秒，而如果某虚拟用户机没有连接实际的北斗用户设备，则该虚拟用户机实际发送时将会占用其它虚拟用户机的卡频，因此设置默认发送能力为1次/60秒。

例如，某虚拟用户机没有本地用户机，但是申请调整服务频度为1次/秒后，该虚拟用户机的发送请求将通过网络分配到不同的远程虚拟用户机中完成，并且在远程虚拟用户机的发送队列中，自动排列到所有服务频度低的任务之前。某虚拟用户机还可以申请提高服务等级，则该虚拟用户机发出的任务将排列在所有低等级任务之前。

(2)数据更新模块

数据更新模块按照指定的信道预留策略，将符合条件的共享资源信息加入地址列表；建立普通地址列表和预留地址列表，满足高等级权限的发送请求，实现应急情况下指令的及时快速发送。

建立加密虚拟用户机地址信息表和普通虚拟用户机地址信息表，分别满足加密及普通用户发送需求，实现应急联合指挥。

数据更新模块与虚拟用户机建立心跳更新机制，定时获取虚拟用户机资源信息，并更新维护地址信息列表，列表内容包括具有共享用户机设备资源的虚拟用户机地址和资源详情。

(3)地址下发模块

接收到虚拟用户机的请求命令，将数据库中具有用户机资源、同时在指定时间段内更新的地址信息打包，通过组播方式发送给各虚拟用户机。

2、通信权限管理模块

响应用户实际使用需求，向指定虚拟用户机发送指令，限制或提高其最大发送频率、优先级等。权限管理模块对虚拟用户机的服务频度和通信优先级等权限进行管理，响应虚拟用户机权限变更申请并实现用户使用权限调整。

权限管理模块接收虚拟用户机权限调整请求，将变更后的权限数据发送给虚拟用户机，虚拟用户机将权限信息保存在本地，在实际运行时，按照更改后的权限运行。虚拟用户机提高至最高权限后，可调用预留通道资源，基本实现信息的实时发送。

3、状态监控模块

状态监控模块定时更新相关信息，可以图、表等直观方式显示，便于用户掌握全网北斗设备使用态势。虚拟用户机权限变更后，在状态监控模块的显示界面中将有显著提示。中心节点管理用户可以人工撤销该权限。

二、普通节点

在一台计算机上安装虚拟用户机软件，成为虚拟用户机。虚拟用户机上设置普通节点，北斗用户终端通过串口或网口与虚拟用户机相连，构成一个RDSS通信资源池；虚拟用户机软件包括用户终端接口模块、用户终端资源管理模块、用户终端状态管理模块、通信报文发送控制模块、长报文拆分控制模块。实现北斗用户终端接入及虚拟化，灵活访问的终端资源共享办法，为用户提供可便捷访问的北斗RDSS通信资源池。

虚拟用户机通过网络定期与中心节点或备用节点连接，获取并维护各个节点北斗用户终端信息，在访问时通过Peer to Peer(平级节点之间数据互传)方式直接访问，可直接使用整网北斗设备资源，实现了去中心化。

虚拟用户机软件部署在普通节点的终端计算机，主要实现普通节点连接北斗用户设备的配置、资源状态的上报和查询、北斗用户设备的访问控制、北斗信息服务、北斗信息发送的自动路由及负载均衡，北斗用户机服务的策略控制等。

虚拟用户机定期将全网北斗资源信息保存到本地，在中心节点全部被摧毁的极端情况下，虚拟用户机能够通过本地保存的资源信息完成短报文的发送。

三、虚拟用户机和服务器接口

虚拟用户机向中心节点服务器上报状态数据，发送地址请求、权限请求等命令。虚拟用户机安装注册时、所属北斗用户机状态变化时均会主动上报状态数据；状态不发生改变时，按照规定频率上报状态数据。虚拟用户机与中心节点服务器的接口，中心节点服务器的地址是固定和公开的，因此配置虚拟用户机后，可以主动定时访问中心节点服务器。

虚拟用户机将本地通信参数和共享资源情况上报中心节点服务器，如果虚拟用户机没有共享资源，则该虚拟用户机不会被中心节点服务器加入到地址列表中，反之则中心节点服务器将其通信地址信息添加到地址列表中，供其它虚拟用户机访问。虚拟用户机下载中心节点服务器的地址列表，通过地址列表访问共享的北斗设备资源。地址列表中包含虚拟用户机属性信息，属性包括加密/普通、使用/预留等，在完成发送任务时，将根据发送策略选择相关地址。虚拟用户机在本身状态发生变化时，自动访问中心服务器上报资源变化情况。

四、虚拟用户机之间的接口

当虚拟用户机本地没有连接用户机设备，或者利用本地连接的用户机设备不能满足发送请求时，虚拟用户机将会把发送请求通过网络分配到其它的虚拟用户机去完成。例如，若全部发送任务由本地用户机设备完成时延将超过N分钟，则依据事先确定的服务策略，按照优选的地址列表，将超时的任务依次分配给其它虚拟用户机。

虚拟用户机按照地址列表通过与其它虚拟用户机的通信，判断传输时延，动态调整地址列表中各虚拟用户机的排序，保证总是优先访问时延最短的虚拟用户机(一般情况下，本地地址排在第一位)。当虚拟用户机A将发送任务分配到另外一个虚拟用户机B后，如果虚拟用户机B发送队列已经排队，预计该任务发送时延将超过N分钟，则虚拟用户机B会返回发送超时，虚拟用户机A将重新分配该任务到虚拟用户机C。极端情况下，如果地址列表中的所有虚拟用户机发送时延都超过N分钟，虚拟用户机A遍历全部地址之后，将重新从第一个地址开始尝试，如图3所示。

利用本发明进行实际使用场景测试，设计9个单要素测试用例，2个多要素测试用例和1个全要素测试用例，共67个测试项目。通过持续一周的实地验证表明，分布式北斗短报文处理平台能够与在用终端和信息系统适配，表明分布式北斗短报文处理平台在野外恶劣环境下，能够保障多指挥机构多用户高并发、高频度、长报文的收发，并探索创新了安全异地收发和区域无线网支撑的动中通应用模式，充分展现了北斗短报文通信潜力，达到了为指挥机构提供全方位北斗报文服务的技术水平，其成果可转化运用于现有各类指控系统的升级改造。

上述具体实施方式仅用于解释本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案基础上做任何简单的变形和替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种北斗用户终端快速网络资源发现和动态信息交互系统，其特征在于包括通过网络连接的中心节点服务器、虚拟用户机；

在中心节点服务器上设置中心节点，与整个网络中的各个节点相互连通、相互通讯；分布式信息管理软件部署在中心节点上；

所述分布式信息管理软件包括地址索引模块、权限管理模块；其中地址索引模块包括信息采集模块、数据更新模块、地址下发模块；所述信息采集模块接收虚拟用户机上报状态数据，将这些共享资源信息添加到数据库中；所述数据更新模块按照信道预留策略，将共享资源信息加入地址列表，建立普通地址列表和预留地址列表；所述地址下发模块接收到虚拟用户机的请求命令，将数据库中的虚拟用户机资源、地址信息打包，通过组播方式发送给各虚拟用户机；所述权限管理模块接收虚拟用户机权限调整请求，将变更后的权限数据发送给虚拟用户机，虚拟用户机将权限信息保存在本地；

在所述虚拟用户机上设置普通节点，虚拟用户机上通过串口或网口直接连接多个北斗用户终端，虚拟用户机软件部署在普通节点的终端计算机；

各节点之间通过Peer to Peer方式直接访问，虚拟用户机定期向中心节点服务器上报状态数据，下载并保存中心节点服务器的地址列表，通过地址列表访问共享的北斗设备资源；当用户终端不能满足发送请求时，虚拟用户机按照保存的地址列表，把发送请求通过网络分配到其它的虚拟用户机去完成。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括备用中心节点，设置在备用服务器上，与其所管理的节点以集中式模式组成下层网络拓扑，并与中心节点形成备份关系。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述虚拟用户机上报状态数据包括虚拟用户机IP地址、端口号、虚拟用户机属性、北斗用户终端资源属性、更新时间信息，并将这些信息添加到数据库中，以虚拟用户机IP地址和端口号作为主键。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数据更新模块与虚拟用户机建立心跳更新机制，定时获取虚拟用户机资源信息，并更新维护地址信息列表。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述虚拟用户机在本身状态发生变化时，自动访问中心服务器上报资源变化情况。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述分布式信息管理软件还包括状态监控模块，定时更新、显示虚拟用户机地址、权限相关信息。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于虚拟用户机按照地址列表与其它虚拟用户机通信，判断传输时延，优先访问时延最短的虚拟用户机，动态调整地址列表中各虚拟用户机的排序。

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