CN117082590B - 一种基于5g改进的海上编队通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于5G改进的海上编队通信方法，能够支持无中心自组织网且传输速率大幅提升的海上编队通信。系统采用无中心的自组织网架构，不需要核心网控制节点接入及数据转发，节点间直接收发数据，或通过中继节点转发，节点只要接收到任意其他节点发送的广播消息，即能够实现入网，相比现有设备极大的扩展了组网距离并提升组网灵活性；具体地，基于5G技术的无中心自组织网架构，包括利用5G基站的Donor下发广播，并利用5G基站MT功能接收广播，以及利用5G技术随机接入流程实现节点入网功能，节点开机后搜索到任意节点广播消息，即可通过该节点接入网络。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于5G改进的海上编队通信方法。
背景技术
随着现代作战模式正从传统的单平台独立作战向多平台网络化、体系化协同作战转变，协同模式正从兵力级协同向传感器、武器级协同发展，战场情报侦察、目标探测、识别、电子对抗等各个任务领域无一例外地考虑到了网络化、体系化，以弥补和克服单平台单设备受地域、资源的限制和不足，提高整体效能。新的作战模式给通信传输速率、传输实时性、抗干扰、业务服务能力提出了前所未有的新要求。
5G移动通信技术继承了前几代的成果，提出了很多技术创新，尤其是在无线通信方面，大规模天线阵列和MIMO、全双工通信、灵活的物理层设计等关键技术的应用使5G无线通信在用户传输速率、传输实时性、用户接入数量和种类、服务能力等方面取得了显著的提升。5G的创新关键技术如果用于海上编队通信，将有望进一步提升编队宽带通信能力，提高编队信息化保障能力。
当前5G网络采用基站加核心网架构，用户接入基站后，必须通过核心网注册后才能接入网络，属于有中心网络。5G网络协议栈分为物理层(PHY)、调度层(MAC)、RLC层、PDCP层、RRC层以及NAS层。其中物理层负责数据收发及波形转换，MAC负责用户数据调度，RLC层负责数据包分段、级联，PDCP层负责头压缩，RRC层及NAS层负责信令控制。用户数据需要经过物理层、调度层、RLC层以及PDCP层处理后发送给核心网并有核心网进行转发。用户接入、切换等流程则通过RRC、NAS层信令控制。
但是现有5G设备存在以下问题：5G组网方式不灵活，用户必须通过核心网进行注册才能接入网络，如果节点远离核心网节点则该节点不能入网，不适用于5G海上编队组网要求；海上编队节点平台快速移动空间有限，5G协议栈对于海上编队场景下点对点通信模式来说冗余较多，不利于降低设备成本以及设备小型化、集约化设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于5G改进的海上编队通信方法，能够支持无中心自组织网且传输速率大幅提升的海上编队通信。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于5G改进的海上编队通信方法，对5G基站功能进行轻量化裁剪，形成无中心自组织网架构；Donor和MT在频域分开，Donor所占带宽根据系统总节点数配置；MT使用接入的主节点Donor的频带与主节点通信，每个节点由Donor下发广播信息，用于其他节点与本节点获取时频同步以及获取广播消息；其他节点启动后在400M带宽内，按照5G NR定义的SSB栅格进行扫频，选择信号能量最强的SSB所在节点作为主节点进行接入；接入后，主节点和从节点分别更新路由表并同步更新广播消息；从节点根据主节点广播的路由表获取可通信的节点标识，向某节点发送的数据信息首先发送到主节点，由主节点根据目标节点和路由表向下一跳节点转发。
其中，对5G基站侧协议进行轻量化裁剪，去掉高层控制协议栈L3以及MAC层以上RLC、PDCP、SDAP协议栈，新增数据适配层DAP协议，向上对接应用服务，向下对接MAC调度，负责数据的级联、分段、封装和转发；修改MAC层调度协议，保留对物理层信道的调度功能，新增MAC对控制台下发控制信令的处理功能；物理层PHY不做特殊修改，保留5G NR设计。
其中，每个节点的Donor维护一张路由表并通过广播信道对外广播，包括本节点能够通信的目标节点以及对应的下一跳节点；节点接入网络后，从节点和主节点分别更新路由表并更新广播消息；同时主节点MT周期性监听从节点Donor的广播消息，如果从节点路由表发生变化，则主节点路由表也同步更新。
其中，路由更新流程为：主节点A、从节点B各自维护一张路由表，包括目标节点和下一跳节点，当节点C作为从节点接入到节点B后，节点B和节点C都将对方添加到路由表中，节点A通过对节点B广播消息的监听，发现节点B路由信息发生变化，根据节点B广播消息更新路由表。
其中，对PHY层原有字段组成进行如下修改：删除无用字段；固定SSB索引为5比特，每个节点对应唯一的SSB索引；在原有字段中增加路由表，包含20组路由信息，每组信息包含5比特目标节点索引以及5比特下一跳节点索引；节点Donor在系统配置的带宽内，选择协议定义的SSB资源栅格发送SSB，SSB索引由控制台下发给MAC，再由MAC转发给PHY；路由表由MAC层维护并下发给PHY，其他节点启动后在400M带宽内扫频，搜索到SSB后即可与SSB所属节点获取时频同步并可根据SSB索引获取主节点标识。
其中，MAC层负责随机接入、上下行业务数据调度以及路由表维护，随机接入流程具体如下：
Random Access Preamble：即Msg1，从节点MT发送前导序列；
Random Access Response：即Msg2，随机接入响应，包含Msg3的时间提前量控制命令TA以及Msg3时频资源分配信息；
Scheduled Transmission：即Msg3，5G NR协议中Msg3用于基于竞争的随机接入流程；
Contention Resolution：即Msg4，5G NR协议中Msg4用于竞争解决；
Donor向MT下发Msg4并收到ACK反馈后，认为随机接入流程结束，Donor向MT下发下行数据，MT通过发送SR申请上行数据调度资源。
其中，节点路由表由MAC层维护，触发路由表更新的事件包括：
节点作为从节点接入系统，PHY将主节点广播消息中携带的路由表发送给MAC；
节点作为主节点，有从节点接入，MAC根据从节点Preamble索引获取从节点ID并添加到路由表；
节点作为主节点，PHY发现从节点广播消息中的路由表发生变化并将最新路由表发送给MAC；
节点作为主节点，PHY发现监测不到从节点广播消息并通知MAC。
其中，DAP层根据MAC调度的资源大小将应用数据分段并添加控制头：对于接收数据，按照应用层数据格式进行级联并递交给应用层，如果接收数据控制头中的目标节点不是本节点，则将应用层数据缓存到对应节点的Buffer中，等待向下一跳节点发送。
其中，DAP层处理流程具体过程为：发送端收到应用层数据后，根据数据大小添加控制头，生成原始SDU并缓存至数据buffer中；当MAC层下行调度了时频资源时，DAP根据实际调度数据大小将原始SDU分段，生成新的SDU并修改控制头；接收端收到MAC层数据后，剥离DAP控制头，并根据控制头信息将SDU级联为应用层原始SDU并递交给应用层。
有益效果：
1、本发明的海上编队通信方法，通过对5G基站功能进行轻量化裁剪，形成一种支持无中心自组织网且传输速率大幅提升的海上编队通信方法。由于系统采用无中心的自组织网架构，不需要核心网控制节点接入及数据转发，节点间直接收发数据，或通过中继节点转发，节点只要接收到任意其他节点发送的广播消息，即能够实现入网，相比现有设备极大的扩展了组网距离并提升组网灵活性；具体地，基于5G技术的无中心自组织网架构，包括利用5G基站的Donor下发广播，并利用5G基站MT功能接收广播，以及利用5G技术随机接入流程实现节点入网功能，节点开机后搜索到任意节点广播消息，即可通过该节点接入网络。
2、本发明5G协议栈轻量化裁剪，简化用户入网信令流程，减少数据处理流程，具体地通过5G协议栈的轻量化裁剪，删除用户入网时在核心网注册流程，使得设备在海上编队组网方式快速变化场景下节点入网速率大幅提升，并能够降低设备成本，且有利于设备小型化、集约化设计。
3、本发明引入5G物理层业务信道多流、预编码等技术，实现数据在空口多流传输，并通过预编码技术提升终端解调成功率，从而实现传输速率的大幅提升即提升空口上下行业务的传输速率。
4、本发明中，PHY层通过引入5G下行业务信道多流、预编码等技术，可极大提升下行频谱效率，按照30M带宽，单用户下行4流峰值速率约500Mbps。上行业务信道PUSCH处理流程与下行业务信道PDSCH基本相同，PUSCH支持基于传输预编码的单载波调制。
5、本发明中，DAP层主要功能为向上对接应用服务，缓存应用层数据，根据MAC调度的资源大小将应用数据分段并添加控制头，实现对于接收数据，按照应用层数据格式进行级联并递交给应用层，如果接收数据控制头中的目标节点不是本节点，则将应用层数据缓存到对应节点的Buffer中，等待向下一跳节点发送。
附图说明
图1为本发明方法中从节点接入流程示意图。
图2为本发明方法中路由更新流程示意图。
图3为本发明系统协议栈完整协议层级示意图。
图4为本发明MAC层随机接入流程示意图。
图5为本发明DAP层处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于5G技术改进的海上编队通信方法，通过对5G基站功能进行轻量化裁剪，形成一种支持无中心自组织网且传输速率大幅提升的海上编队通信方法。系统采用无中心的自组织网架构，不需要核心网控制节点接入及数据转发，节点间直接收发数据，或通过中继节点转发。
具体地，系统支持无中心组网方式，每个节点既具备类似5G基站的功能(Donor)，又具备类似5G终端的功能(MT)。Donor和MT在频域分开，Donor所占带宽根据系统总节点数配置，例如总节点数为10个，则每个节点Donor分配40M带宽。MT作为终端功能，使用接入的主节点Donor的频带与主节点通信。每个节点由Donor下发广播信息，既5G NR SSB信道，用于其他节点与本节点获取时频同步以及获取广播消息。其他节点启动后在400M带宽内，按照5G NR定义的SSB栅格进行扫频，选择信号能量最强的SSB所在节点作为主节点进行接入。接入后，主节点和从节点分别更新路由表并同步更新广播消息。从节点根据主节点广播的路由表获取可通信的节点标识，向某节点发送的数据信息首先发送到主节点，由主节点根据目标节点和路由表向下一跳节点转发。本发明方法中从节点接入流程如图1所示。
其中，每个节点的Donor维护一张路由表并通过广播信道对外广播，包括本节点能够通信的目标节点以及对应的下一跳节点。节点接入网络后，从节点和主节点分别更新路由表并更新广播消息。同时主节点MT周期性监听从节点Donor的广播消息，如果从节点路由表发生变化，则主节点路由表也同步更新。路由更新流程如图2所示，节点A(主节点)、B(从节点)各自维护一张路由表，包括目标节点和下一跳节点，当节点C作为从节点接入到节点B后，节点B和节点C都将对方添加到路由表中，节点A通过对节点B广播消息的监听，发现节点B路由信息发生变化，所以根据节点B广播消息更新路由表。
进一步，针对系统特征，可对5G基站侧协议进行轻量化裁剪，去掉高层控制协议栈(L3)以及MAC层以上RLC、PDCP、SDAP协议栈，新增数据适配层DAP(Data AdaptationProtocol)协议，向上对接应用服务，向下对接MAC调度，负责数据的级联、分段、封装、转发等。修改MAC层调度协议，保留对物理层信道的调度功能，新增MAC对控制台下发控制信令的处理功能。物理层(PHY)不做特殊修改，保留5G NR设计。系统协议栈完整协议层级如图3所示。
其中，PHY层广播信道由SSB索引、SIB1解调参数、子帧号、CRC校验位等字段组成，根据当前系统需求，可对原有字段组成进行如下修改：删除SIB1解调参数等无用字段；固定SSB索引为5比特，可支持20个节点，每个节点对应唯一的SSB索引。进一步地在原有字段中增加路由表，包含20组路由信息，每组信息包含5比特目标节点索引以及5比特下一跳节点索引。节点Donor在系统配置的带宽内，选择协议定义的SSB资源栅格发送SSB，SSB索引由控制台下发给MAC，再由MAC转发给PHY。路由表由MAC层维护并下发给PHY。其他节点启动后在400M带宽内扫频，搜索到SSB后即可与SSB所属节点(主节点)获取时频同步并可根据SSB索引获取主节点标识。
PHY层控制信道PDCCH承载上、下行业务信道调度信息，包括MCS、流数、天线端口号等。PDCCH承载的上、下行调度信息可根据系统需求，对原有协议进行裁剪，满足上、下行业务数据时、频域资源灵活调度，支持根据无线信道条件自适应选择调制编码方式以及支持基于HARQ反馈的重传机制。
综上，PHY层通过引入5G下行业务信道多流、预编码等技术，可极大提升下行频谱效率，按照30M带宽，单用户下行4流峰值速率约500Mbps。上行业务信道PUSCH处理流程与下行业务信道PDSCH基本相同，PUSCH支持基于传输预编码的单载波调制。
MAC层主要负责随机接入、上下行业务数据调度以及路由表维护。随机接入流程如图4所示，具体如下：
Random Access Preamble：即Msg1，从节点MT发送前导序列；
Random Access Response：即Msg2，随机接入响应，包含Msg3的时间提前量控制命令TA以及Msg3时频资源分配信息；
Scheduled Transmission：即Msg3，5G NR协议中Msg3用于基于竞争的随机接入流程，由于系统为每个节点分配固定的前导序列，所以节点间不需要竞争，保留Msg3主要目的是Donor收到Msg3后即可认为与MT已经时频同步；
Contention Resolution：即Msg4，5G NR协议中Msg4用于竞争解决，由于系统不需要竞争解决，所以保留Msg4主要目的是下发物理层相关信道传输参数；
Donor向MT下发Msg4并收到ACK反馈后，认为随机接入流程结束，Donor可以向MT下发下行数据，MT也可以通过发送SR申请上行数据调度资源。
另外，节点路由表由MAC层维护，触发路由表更新的事件包括：
节点作为从节点接入系统，PHY将主节点广播消息中携带的路由表发送给MAC；
节点作为主节点，有从节点接入，MAC根据从节点Preamble索引获取从节点ID并添加到路由表；
节点作为主节点，PHY发现从节点广播消息中的路由表发生变化并将最新路由表发送给MAC；
节点作为主节点，PHY发现监测不到从节点广播消息并通知MAC。
DAP层主要功能为向上对接应用服务，缓存应用层数据，根据MAC调度的资源大小将应用数据分段并添加控制头。对于接收数据，按照应用层数据格式进行级联并递交给应用层，如果接收数据控制头中的目标节点不是本节点，则将应用层数据缓存到对应节点的Buffer中，等待向下一跳节点发送。DAP层处理流程如图5所示，具体过程为：发送端收到应用层数据后，根据数据大小添加控制头，生成原始SDU并缓存至数据buffer中。当MAC层下行调度了时频资源时，DAP根据实际调度数据大小将原始SDU分段，生成新的SDU并修改控制头；接收端收到MAC层数据后，剥离DAP控制头，并根据控制头信息将SDU级联为应用层原始SDU并递交给应用层。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于5G改进的海上编队通信方法，其特征在于，对5G基站功能进行裁剪，形成无中心自组织网架构；Donor和MT在频域分开，Donor所占带宽根据系统总节点数配置；MT使用接入的主节点Donor的频带与主节点通信，每个节点由Donor下发广播信息，用于其他节点与本节点获取时频同步以及获取广播消息；其他节点启动后在400M带宽内，按照5G NR定义的SSB栅格进行扫频，选择信号能量最强的SSB所在节点作为主节点进行接入；接入后，主节点和从节点分别更新路由表并同步更新广播消息；从节点根据主节点广播的路由表获取可通信的节点标识，向某节点发送的数据信息首先发送到主节点，由主节点根据目标节点和路由表向下一跳节点转发；
对5G基站侧协议进行裁剪，去掉高层控制协议栈L3以及MAC层以上RLC、PDCP、SDAP协议栈，新增数据适配层DAP协议，向上对接应用服务，向下对接MAC调度，负责数据的级联、分段、封装和转发；修改MAC层调度协议，保留对物理层信道的调度功能，新增MAC对控制台下发控制信令的处理功能；物理层PHY不做修改，保留5G NR设计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个节点的Donor维护一张路由表并通过广播信道对外广播，包括本节点能够通信的目标节点以及对应的下一跳节点；节点接入网络后，从节点和主节点分别更新路由表并更新广播消息；同时主节点MT周期性监听从节点Donor的广播消息，如果从节点路由表发生变化，则主节点路由表也同步更新。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，路由更新流程为：主节点A、从节点B各自维护一张路由表，包括目标节点和下一跳节点，当节点C作为从节点接入到节点B后，节点B和节点C都将对方添加到路由表中，节点A通过对节点B广播消息的监听，发现节点B路由信息发生变化，根据节点B广播消息更新路由表。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，对PHY层原有字段组成进行如下修改：删除无用字段；固定SSB索引为5比特，每个节点对应唯一的SSB索引；在原有字段中增加路由表，包含20组路由信息，每组信息包含5比特目标节点索引以及5比特下一跳节点索引；节点Donor在系统配置的带宽内，选择协议定义的SSB资源栅格发送SSB，SSB索引由控制台下发给MAC，再由MAC转发给PHY；路由表由MAC层维护并下发给PHY，其他节点启动后在400M带宽内扫频，搜索到SSB后即可与SSB所属节点获取时频同步并可根据SSB索引获取主节点标识。
5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，MAC层负责随机接入、上下行业务数据调度以及路由表维护，随机接入流程具体如下：
Random Access Preamble：即Msg1，从节点MT发送前导序列；
Random Access Response：即Msg2，随机接入响应，包含Msg3的时间提前量控制命令TA以及Msg3时频资源分配信息；
Scheduled Transmission：即Msg3，5G NR协议中Msg3用于基于竞争的随机接入流程；
Contention Resolution：即Msg4，5G NR协议中Msg4用于竞争解决；
Donor向MT下发Msg4并收到ACK反馈后，认为随机接入流程结束，Donor向MT下发下行数据，MT通过发送SR申请上行数据调度资源。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，节点路由表由MAC层维护，触发路由表更新的事件包括：
节点作为从节点接入系统，PHY将主节点广播消息中携带的路由表发送给MAC；
节点作为主节点，有从节点接入，MAC根据从节点Preamble索引获取从节点ID并添加到路由表；
节点作为主节点，PHY发现从节点广播消息中的路由表发生变化并将最新路由表发送给MAC；
节点作为主节点，PHY发现监测不到从节点广播消息并通知MAC。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，DAP层根据MAC调度的资源大小将应用数据分段并添加控制头：对于接收数据，按照应用层数据格式进行级联并递交给应用层，如果接收数据控制头中的目标节点不是本节点，则将应用层数据缓存到对应节点的Buffer中，等待向下一跳节点发送。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，DAP层处理流程具体过程为：发送端收到应用层数据后，根据数据大小添加控制头，生成原始SDU并缓存至数据buffer中；当MAC层下行调度了时频资源时，DAP根据实际调度数据大小将原始SDU分段，生成新的SDU并修改控制头；接收端收到MAC层数据后，剥离DAP控制头，并根据控制头信息将SDU级联为应用层原始SDU并递交给应用层。
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