CN117713911A - 一种分级选举的tdma卫星通信系统主站热备份方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，它涉及卫星通信领域中TDMA系统抗毁顽存技术。本发明中的多主站由一个系统主站、一个备份主站、一个第一次备站和若干次备站组成。多个次备站采用竞争的方式产生一个系统主站，主站指定两个次备站分别作为系统的备份主站和第一次备站，其余次备站处于待激活状态。本发明克服了卫星通信系统长时延、高误码的特点，通过分级选举的状态机转换机制解决了主备切换过程中的不稳定性，并支持任意具备足够的收发能力的站点作为TDMA卫星网络主站的备份，大大提高了系统的可靠性和抗毁性。本发明完全基于卫星信道随路信号实施，具备良好的适应性，切换灵敏快捷、稳定可靠。

Description

一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法

技术领域

本发明涉及TDMA卫星通信领域中的一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，特别适用于TDMA网状组网应用需求。

背景技术

MF-TDMA（多频时分多址）卫星通信系统是一种采用频分和时分相结合的二维多址方式进行组网通信的卫星通信系统。多个地球站基于统一的定时参考进行分时的业务收发通信，而这个参考信号是通过系统主站产生并由卫星信道发送到各站的。主站的参考信号不仅提供全网的定时基准，还需要辅助完成各地球站的功率控制、频率控制及通信过程中的同步保持，系统对主站的依赖程度不言而喻。传统的单一主站系统，一旦主站发生故障或被摧毁，卫星通信系统马上陷入瘫痪，通信中断无法恢复。因此，MF-TDMA系统的主站正常工作对整个通信系统运行有着至关重要的作用，必须通过某种方式对其进行备份。而传统的主备站方式往往只支持双站间互备，在物理位置接近的情况下容易发生同时失效的问题，在一些强对抗环境下中需要进一步的提升系统的抗毁性。

发明内容

本发明为了解决长时延、非可靠信道下TDMA卫星通信网络主备切换过程中不稳定性的问题，提供了一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，有效提高了系统的可靠性和抗毁性。

本发明采用的技术方案为：

一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，包括以下步骤：

步骤（1），DMA卫星通信系统将各站分为主站、备站、第一次备站、次备站和小站五级，网络配置时配置各站为次备站或小站；其中，各次备站具备在系统控制载波上收发的能力；

步骤（2），第一级选举为主站选取：配置为次备站的站点入网过程中首先在参考载波频点检测是否有连续稳定参考信号，如果有，则按照TDMA网小站入网流程正常入网，如果没有，则开始自发自收参考，最先完成自身收发调整的次备站选举成为主站；然后主站持续发送广播参考信号全网接收，辅助各站同步保持和获取广播参考信号中的帧计划信息；其他各站持续发送申请，通过申请帧保持在网通告并提交业务请求，主站接收申请帧；

步骤（3），第二级选举为备站选取：主站在入网的次备站中通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的综合判断，指定某一次备站担任备站，并通过广播参考通告全网；

步骤（4），第三级选举为第一次备站选举：主站在确定备站后，继续对接收的次备站的申请进行监测，通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的动态综合判断，指定某一次备站担任第一次备站，并通过广播参考通告全网；

步骤（5），选定的备站在接收当前主站广播参考信号的同时，在申请载波上同步接收所有站申请，同步开展辅助同步控制信息和帧计划计算；同时，主站和备站间通过相互监测主站发送的广播参考信号和备站发送的申请，确定对方工作状态；第一次备站和次备站通过监测主站的广播参考信号，确定当前主站状态。

进一步的，还包括以下过程：

当主站监测到备站信号质量低于设定门限值或申请丢失率大于阈值或连续丢失数超过设定门限值m1时，认定备站失效，主站将立即将当前第一次备站提升为备站，备站降为次备站，并通告全网，然后进入步骤（4），再次从次备站选举新的第一次备站；

当备站监测到自发自收正常，而主站参考接收信号信噪比低于解调门限或参考丢失率大于阈值时，与主站互换身份，主站降为备站，备站升级为主站；若参考连续丢失超过设定门限值m2，则认定主站直接失效，备站在一个TDMA帧周期内立即接替主站工作，将第一次备站提升为备站，主站降为次备站，并通告全网，同时进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m2大于m1；

当主站与备站同时失效时，第一次备站在检测到参考连续丢失数超过设定门限值m3后，将立即成为主站，接替主站所有工作，并进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m3大于m2；

当主站、备站和第一次备站同时失效时，各次备站检测到参考连续丢失超过设定门限值m4后，进入步骤（2）重新竞争入网，再次选举新的主站；其中，m4大于m3；

判断计数周期和卫星时延的影响，在整个主备切换过程中因参考信号丢失导致帧计划缺失时，各站依照帧计划缓存中最后一帧的有效帧计划继续通信。

进一步的，步骤（3）和步骤（4）的具体选举过程为：

步骤（301），主站入网后，接收各次备战申请帧，再记录某站X申请帧设定次数内的丢失数量N（X），以反应信号连续性；

步骤（302），记录某站X申请信号近k次接收信噪比，并计算滑动平均值L（X），以反映信号强度；其中k根据系统对控制平滑度和帧长设计选取；

步骤（303），读取某站X申请帧内的地理位置信息，并与自身地理位置信息对比，计算主站与申请站间地理位置差异ΔP（X）；

步骤（304），每个TDMA帧周期内，按照N（X）、L（X）和ΔP（X）的顺序对各站进行三轮排序；第一轮排序中N（X）最小的一个或多个站进入第二轮排序，其余站淘汰；第二轮排序中L（X）大于门限值的站进入第三轮排序，其余站淘汰；第三轮排序中ΔP（X）最大的站作为最终选举结果。

本发明相比现有技术的优点为：

本发明克服了卫星通信系统长时延、高误码的特点，通过分级选举的状态机转换机制解决了主备切换过程中的不稳定性，并支持任意具备足够的收发能力的站点作为TDMA卫星网络主站的备份，大大提高了系统的可靠性和抗毁性。本发明完全基于卫星信道随路信号实施，具备良好的适应性，切换灵敏快捷、稳定可靠。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多主站切换机制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示，MF-TDMA组网应用时，多个次备站采用竞争的方式产生一个系统主站，负责发送参考信号并作为全网各站的时间参考基准和帧计划下发。全网各站入网后，主站指定一个次备站作为系统的备份主站，备份主站用于主站出现故障时接替主站的工作。同时指定一个次备站作为系统第一次备站，用于备站出现故障或主备站同时出现故障时接替该站点工作，其余次备站处于待激活状态，等待系统主站再次指定其成为备份主站、第一次备站或者重新竞争主站。全网各站按照主站下发的帧计划在分配给本站的时隙内发送突发信息。

一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，具体包括以下步骤：

步骤（1），TDMA卫星通信系统将各站分为主站、备站、第一次备站、次备站和小站五级，网络配置时配置各站为次备站或小站；其中，各次备站具备在系统控制载波上收发的能力。

步骤（2），第一级选举为主站选取：配置为次备站的站点入网过程中首先在参考载波频点检测是否有连续稳定参考信号，如果有，则按照TDMA网小站入网流程正常入网，如果没有，则开始自发自收参考，对自身收发电平和频偏进行调整，并测量自身收发时延，用于确定每个突发具体收发时刻。以上调整过程均达到系统设计门限以下时，进入同步状态，完成自身收发调整。最先完成自身收发调整的次备站选举成为主站；然后主站持续发送广播参考信号全网接收，辅助各站同步保持和获取广播参考信号中的帧计划信息；其他各站根据参考明确主站后，转为持续发送申请，通过申请帧保持在网通告并提交业务请求，主站接收申请帧；该级选举在主站因故障使得自身状态发生变化前，只进行一次。

步骤（3），第二级选举为备站选取：主站在入网的次备站中通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的综合判断，指定某一次备站担任备站，并通过广播参考通告全网，该通告周期性进行，保证所有后入网的站均能正确接收，以明确当前备站。该级选举在主站、备站因故障使得自身状态发生变化前，只进行一次。

步骤（4），第三级选举为第一次备站选举：主站在确定备站后，继续对接收的次备站的申请进行监测，通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的动态综合判断，指定某一次备站担任第一次备站，并通过广播参考通告全网，该通告周期性进行，保证所有后入网的站均能正确接收，以明确当前第一次备站。该级选举持续进行，第一次备站将根据综合判定原则动态调整。

步骤（5），选定的备站在接收当前主站广播参考信号的同时，在申请载波上同步接收所有站申请，同步开展辅助同步控制信息和帧计划计算，为接替主站做好准备，但并不发送参考信号；第一次备站并不负责接收小站申请，也无需开展辅助同步控制信息和帧计划计算，只持续对参考信号进行监测。同时，主站和备站间通过相互监测主站发送的广播参考信号和备站发送的申请，确定对方工作状态；第一次备站和次备站通过监测主站的广播参考信号，确定当前主站状态。

进一步的，以下不同情况进行不同处理：

当主站监测到备站信号质量低于设定门限值、申请丢失率（基于近100个申请周期的滑动平均值）大于阈值（本实施例设为10%）或连续丢失数超过设定门限值m1（本实施例设为7个）时，认定备站失效，主站将立即将当前第一次备站提升为备站，备站降为次备站，并通告全网，然后进入步骤（4），再次从次备站选举新的第一次备站。同时降为次备站的备站停止在申请载波上同步接收所有站申请以及随后的辅助同步控制信息和帧计划计算。

当备站监测到自发自收正常，而主站参考接收信号信噪比低于解调门限、参考丢失率（基于近100个参考周期的滑动平均值）大于阈值（本实施例设为10%）时，与主站互换身份，主站降为备站，备站升级为主站；若参考连续丢失超过设定门限值m2（本实施例设为10个）时，则认定主站直接失效，备站在一个TDMA帧周期内立即接替主站工作，将第一次备站提升为备站，主站降为次备站，并通告全网，同时进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m2大于m1。

当主站与备站同时失效时，第一次备站在检测到参考连续丢失数超过设定门限值m3（本实施例设为16个）后，将立即成为主站，接替主站所有工作，并进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m3大于m2。

当主站、备站和第一次备站同时失效时，各次备站检测到参考连续丢失超过设定门限值m4（本实施例设为32个）后，进入步骤（2）重新竞争入网，再次选举新的主站；其中，m4大于m3。

判断计数周期和卫星时延的影响，在整个主备切换过程中因参考信号丢失导致帧计划缺失时，各站依照帧计划缓存中最后一帧的有效帧计划继续通信。

进一步的，步骤（3）和步骤（4）的具体选举过程为：

步骤（301），主站入网后，接收各次备战申请帧，再记录某站X申请帧设定次数内的丢失数量N（X），以反应信号连续性；

步骤（302），记录某站X申请信号近k次接收信噪比，并计算滑动平均值L（X），以反映信号强度；其中k根据系统对控制平滑度和帧长设计选取；

步骤（303），读取某站X申请帧内的地理位置信息，并与自身地理位置信息对比，计算主站与申请站间地理位置差异ΔP（X）；

步骤（304），每个TDMA帧周期内，按照N（X）、L（X）和ΔP（X）的顺序对各站进行三轮排序；第一轮排序中N（X）最小的一个或多个站进入第二轮排序，其余站淘汰；第二轮排序中L（X）大于门限值的站进入第三轮排序，其余站淘汰；第三轮排序中ΔP（X）最大的站作为最终选举结果。

本发明实现原理为：

本发明中的多主站由一个系统主站、一个备份主站、一个第一次备站和若干次备站组成。多个次备站采用竞争的方式产生一个系统主站，主站指定两个次备站分别作为系统的备份主站和第一次备站，其余次备站处于待激活状态。系统主站、备份主站和第一次备站间通过参考和申请信号的互检测机制，实时更新当前工作状态状态，并根据对收发信号的统计结果进行自动切换，尽最大可能保证系统中存在一个可用主站。最后，利用TDMA时隙分配特点，在切换过程中，通过缓存的帧计划信息，保证了实时业务在切换过程中的持续性，最大程度的降低了切换过程对业务的影响。本发明较好的解决了网状组网条件下TDMA多主站热备份的问题，极大提高了系统的可靠性和抗毁性。

Claims (3)

1.一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），DMA卫星通信系统将各站分为主站、备站、第一次备站、次备站和小站五级，网络配置时配置各站为次备站或小站；其中，各次备站具备在系统控制载波上收发的能力；

步骤（2），第一级选举为主站选取：配置为次备站的站点入网过程中首先在参考载波频点检测是否有连续稳定参考信号，如果有，则按照TDMA网小站入网流程正常入网，如果没有，则开始自发自收参考，最先完成自身收发调整的次备站选举成为主站；然后主站持续发送广播参考信号全网接收，辅助各站同步保持和获取广播参考信号中的帧计划信息；其他各站持续发送申请，通过申请帧保持在网通告并提交业务请求，主站接收申请帧；

步骤（3），第二级选举为备站选取：主站在入网的次备站中通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的综合判断，指定某一次备站担任备站，并通过广播参考通告全网；

步骤（4），第三级选举为第一次备站选举：主站在确定备站后，继续对接收的次备站的申请进行监测，通过对申请站号、接收的申请站信号连续性、接收信号强度以及申请站与主站自身地理位置差异的动态综合判断，指定某一次备站担任第一次备站，并通过广播参考通告全网；

步骤（5），选定的备站在接收当前主站广播参考信号的同时，在申请载波上同步接收所有站申请，同步开展辅助同步控制信息和帧计划计算；同时，主站和备站间通过相互监测主站发送的广播参考信号和备站发送的申请，确定对方工作状态；第一次备站和次备站通过监测主站的广播参考信号，确定当前主站状态。

2.根据权利要求1所述的一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，其特征在于，还包括以下过程：

当主站监测到备站信号质量低于设定门限值或申请丢失率大于阈值或连续丢失数超过设定门限值m1时，认定备站失效，主站将立即将当前第一次备站提升为备站，备站降为次备站，并通告全网，然后进入步骤（4），再次从次备站选举新的第一次备站；

当备站监测到自发自收正常，而主站参考接收信号信噪比低于解调门限或参考丢失率大于阈值时，与主站互换身份，主站降为备站，备站升级为主站；若参考连续丢失超过设定门限值m2，则认定主站直接失效，备站在一个TDMA帧周期内立即接替主站工作，将第一次备站提升为备站，主站降为次备站，并通告全网，同时进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m2大于m1；

当主站与备站同时失效时，第一次备站在检测到参考连续丢失数超过设定门限值m3后，将立即成为主站，接替主站所有工作，并进入步骤（3），选取新的备站和第一次备站；其中，m3大于m2；

当主站、备站和第一次备站同时失效时，各次备站检测到参考连续丢失超过设定门限值m4后，进入步骤（2）重新竞争入网，再次选举新的主站；其中，m4大于m3；

判断计数周期和卫星时延的影响，在整个主备切换过程中因参考信号丢失导致帧计划缺失时，各站依照帧计划缓存中最后一帧的有效帧计划继续通信。

3.根据权利要求1所述的一种分级选举的TDMA卫星通信系统主站热备份方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（4）的具体选举过程为：

步骤（301），主站入网后，接收各次备战申请帧，再记录某站X申请帧设定次数内的丢失数量N（X），以反应信号连续性；

步骤（302），记录某站X申请信号近k次接收信噪比，并计算滑动平均值L（X），以反映信号强度；其中k根据系统对控制平滑度和帧长设计选取；

步骤（303），读取某站X申请帧内的地理位置信息，并与自身地理位置信息对比，计算主站与申请站间地理位置差异ΔP（X）；

步骤（304），每个TDMA帧周期内，按照N（X）、L（X）和ΔP（X）的顺序对各站进行三轮排序；第一轮排序中N（X）最小的一个或多个站进入第二轮排序，其余站淘汰；第二轮排序中L（X）大于门限值的站进入第三轮排序，其余站淘汰；第三轮排序中ΔP（X）最大的站作为最终选举结果。