一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法

專利名稱：一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法
技術領域：
本發明屬于移動通信技術領域，具體涉及一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法。
背景技術：
數據鏈系統定義為在各個用戶之間依據共同的通信協議，使用自動化的無線電收發設備 傳遞、交換負載數據信息的通信鏈路與網絡。依據定義，系統應由各類無線電收發設備和用 戶之間共同遵守的通信協議組成。
無人飛行器編隊飛行通過數據鏈共享各飛行器的位置、姿態、決策等信息，因此該數據 鏈系統需要在高動態條件下完成信息的高速高更新率共享。通過對技術現狀的研究和分析， 目前的數據鏈系統存在如下問題
1. 動態組網能力不足
自主性和動態性是無人飛行器編隊數據鏈系統的基本屬性。對于網絡的自主能力，要求 提出相應的分布式算法，以快速建立動態網絡，確定各節點在網絡中的地位。由于網絡的動 態性，因其拓撲結構將不斷變化，因此組網方法要適應這種變化，對拓撲結構不敏感。
2. 節點離入隊管理能力不足
無人飛行器編隊飛行過程中，時刻存在網絡的分群與融合。在實際飛行環境中因為距離 和環境干擾等因素造成的網絡局部中斷，形成多個節點脫離網絡的現象，即離隊問題。另一 方面，多個節點也能依據通信協議進行融合，采取加入大網的方式，融合一個更大網絡，即 入隊問題。現有數據鏈未能考慮網絡結構的這種特殊運行方式，因而節點的離隊與入隊響應 時間長，并且很難實現系統穩定和可靠的運行。
3. 數據鏈可靠性不足
對于無人飛行器編隊數據鏈，需考慮當網絡中節點失效后網絡的魯棒容錯運行能力。數 據鏈可靠性要求網絡協議設計在網絡面臨突發事件時真備容錯能力。突發事件包括網絡中節 點的丟失，拓撲結構的變化，鏈路丟失，同步丟失等網絡部分功能暫時失效時能迅速恢復， 不會引起網絡的崩潰。進一步對可靠性的要求是在各種惡劣電磁環境下，造成網絡無法正常 工作時，如關鍵網絡中節點丟失、大部分功能喪失后，仍然能夠維持網絡的存在。發 明 內 容
本發明的目的是設計一個工作在復雜環境下的數據鏈系統，根據無人飛行器編隊飛行的背景需求，提出了該數據鏈組網及其技術解決思路和方案設計方法。
數據鏈網絡是一個復雜的通信系統，涉及到諸多的通信過程和控制過程，因此需要一整套完備的協議來規范這些過程，使數據鏈系統在保證互聯互通的基礎上更加穩健和高效。體系設計就是為了明確各協議的具體職能以及相互間聯系，并對其接口進行定義。
在一個完整的數據鏈網絡平面結構中，存在著工作于不同模式的網絡中節點以及它們間的交互接口。按照各節點的功能，將網絡內的節點分為三類普通節點、管理節點和中繼節點；在這三類節點中，共存在兩類接口第一接口和第二接口，其中第一接口為數據接口，第二接口為信令接口。
第一普通節點與第n普通節點之間的交互接口為第一接口 ，其中網絡中普通節點的總數為N， n=2， 3， 4，…N-l， N。由于普通節點間只進行數據通信，因此只定義了數據接口，
而無信令接口。
第一普通節點與第一管理節點之間的交互接口為第一接口和第二接口 。第一普通節點與第一管理節點不但需要完成數據通信，且第一普通節點需要接受來自第一管理節點的命令，而第一管理節點需要接受普通節點的業務申請，因此除了數據接口外，還需要信令接口。
第n普通節點和中繼節點之間的交互接口是第一接口 。數據接口完成數據中繼的功能，信令接口為第n普通接口襟塊與中繼接口模塊達成中繼服務所提供管理信令。
第一管理節點和中繼節點之間，相鄰網絡之間的第一管理節點與第二管理節點之間的交互接口為第一接口和第二接口，存在數據接口和信令接口。
設計完數據鏈網絡平面結構后，從縱向將網絡分為四個層次，分別為應用層、鏈路層、媒體訪問控制層以及物理層。
四個層次分別完成各自的任務，同時下層為上層提供服務。四個層次的主要功能如下
應用層由用戶定義。其主要功能為將鏈路層提交的數據進行處理，獲取有用的信息，并根據這些信息完成相應的操作或將獲取的數據下發到鏈路層。
鏈路層將應用層傳遞的數據格式化為標準報文結構或將報文翻譯為直接的數據提交給應用層。提供差錯控制功能。
媒體訪問控制(Media Access Control,簡稱MAC)層協調網絡中節點對信道的訪問，同時完成接入控制等功能。數據鏈系統的大部分設計將圍繞該層進行。
物理層提供基本的物理傳輸能力，由具備一定性能要求的擴頻電臺完成。目前主要考
慮采用現有的商用電臺完成物理層任務。
將網絡層次進行如此劃分主要是考慮到數據鏈系統的實時性要求，網絡不宜劃分的太復
雜，因此鏈路層和媒體訪問控制層的功能較強，是協議設計的關鍵。在一般看來，媒體訪問
控制層為鏈路層的一個子層，在本發明中，由于媒體訪問控制層的功能較多，因此將其單獨
劃為一個層次。
無人飛行器編隊數據鏈動態組網的前提條件，即約束條件是對應于目前常用數傳電臺，不支持多物理信道切換，數據率在lOOKbps左右，切換時間相對于通信時間不可忽略。要求實現的主要功能有
A. 動態組網。網絡的拓撲結構變化對整個網絡沒有影響；
B. 近實時的數據交換；
C. 較強的抗干擾、抗損毀性能。
在無人飛行器編隊中飛行器作為數據鏈中的節點，所有節點組成一個網絡，依靠廣播路由形式進行信息交換。網絡隨機或依據一定法則指定某一節點作為網絡管理節點，負責整個網絡的管理，保障在各種情況下網絡的安全。同時按照一定順序指定管理節點接班節點，保證在管理節點丟失后立即有新的管理節點補上。
網絡中節點間相互關系依靠其序號關聯，序號表示其在所有節點中的管理權繼承順序，以及發送信息的次序，同時反映了當前網絡的站點數量。其中身份號(identification,簡稱ID)為O的節點作為網絡的第一管理節點，若其丟失，管理權依次由下一序號節點繼承。信息交互由每個節點按照序號的次序依次廣播， 一個節點廣播時，其他節點接收信息。
在網絡中，每個節點依據一定次序廣播本節點信息。對于美國Linkl6以及Link22戰術數據鏈，其訪問次序依靠時分多址技術(Time Division Multiple Access,簡稱TDMA)方式，每個節點在其自身的時隙發送信息，要求非常精確的時鐘支持，對于應用有一定限制。
在實際應用中，釆用每個節點根據其在網絡中的序號輪流發送自身信息，占用信道，直到其將信息發完。為防止一個節點長時間占用信道，要求每個節點最長發送K個報文，其中K的容量可自由調整，當大于該值后，強制結束該節點發送信息，將信道轉給下一節點使用。
一輪發送結束后，留有一個報文長度的預置時隙，用于一些節點發送最高優先級別信息。
8該時隙供全部節點預約，當一個節點需要該時隙時，發出預約信息，此時整個網絡保留一個預約表，根據預約的先后，以及優先級的先后來安排該時隙的使用。
網絡系統的更新率以管理節點的更新率來表征；同時，根據系統結構設計，管理節點也負責各幀次的發送次序安排，其重要性不言而喻。為了消除管理節點由于正常或非正常的原因消失后給系統可靠性和穩定性帶來的影響，需要在剩余普通節點中及時選取出管理節點，進行角色替換，以維持系統的正常運行。
另一方面，運行中需要根據各普通節點的位置、通信環境等對網絡做出相應的調整。原來的管理節點由于各種因素的變化導致無須高更新率要求后，放棄其管理節點位置，其它合適的普通節點需要實現角色繼承的過程，管理節點也需要完成普通節點的角色變換的過程，以實現最大優化地配置網絡更新率的需求。'
針對基本網絡結構的初始組網和節點加入，解決了以下幾種入網情況
A. 單個節點的入網問題，包括初始組網時的入網和單個節點加入已有網絡兩個方面；
B. 多個節點同時加入的問題；
C. 兩個已有的基本網絡融合為一個更大的基本網絡問題。
該方法采用廣播方式發送數據給網內的所有節點，所有節點處于同一個共享的信息池內，網絡內所有節點都有機會發送數據且須隨時了解其他節點的信息。釆用的MAC機制為令牌制機制，每個節點自己維持一個計數器，且實時更新，當其收到數據后，若檢測到計數器值與自己的ID相等，獲得令牌，表明此時此節點可以發送數據。網絡內其他節點在計數器值與自己的ID不等情況下均處于偵聽狀態，只接收其他節點數據信息。
兩個節點及多個節點完成初始組網后，各節點按照入網時管理節點自動分配的ID輪流收發數據，新節點可隨時加入網絡。組網過程可分為兩個階段。
第一階段為節點初始入網階段，在該階段，當節點檢測到相鄰幀間隔大于預設值^s時，隨機發送一個入網握手信號，由已有網絡的管理節點響應該握手信號，為新加入節點分配ID。
第二階段為節點入網后輪流收發數據階段。在該階段每各節點循環一周后，至ID號最大節點時，設置定時器延時石，石s內未收到握手幀，則繼續輪詢收發數據。若As內收到握手幀，則有新節點請求加入網絡，由ID號最大節點為其分配ID，之后繼續輪詢收發數據。
其中，K和A可有用戶根據終端設備的性能和實際使用需要自行設定。
下面介紹無人飛行器編隊數據鏈網絡管理。網絡管理由管理節點負責，其ID號為1。管理內容主要包括管理節點的交接、普通節點的加入、普通節點的退出。
(1) 管理節點的交接管理節點交接管理按照普通節點次序確定交接次序。主要包含兩種情況管理節點自動退出。此時管理節點發送退出消息，接著新管理節點發送消息確定其為管
理節點，各普通節點序號上升一位。
管理節點消失。此時在原管理節點因該發送的消息的時間沒有消息發出，偵聽一段時間后仍無消息，則其后的普通節點接手管理權。各模塊節點序號上升一位。
(2) 普通節點的加入
任何一個節點感知到一個未加入網絡的新普通節點后，其在其發送時間內向整個網絡報告新節點加入請求，此時管理節點在預置時隙內發送接受消息，并發布新節點的序號，新節點加入。
(3) 普通節點退出普通節點退出主要包含兩種情況
主動退出。其發布退出信息，接下去的節點序號上升一位。
普通節點消失。在該普通節點的發送時間段內沒有消息，下一節點偵聽一段時間后仍無消息，則發布該節點丟失，其接下節點序號升位。
最后介紹無人飛行器編隊數據鏈容錯控制策略。數據鏈容錯控制策略主要為了解決管理節點丟失后的重新選擇問題。
(1) 判斷丟失策略
通過后續節點的偵聽，發現未收到管理節點應發送的數據幀，向全網發送管理節點丟失通告。
(2) 管理節點選擇策略
a. 運行中的群首節點
b. 更新率要求最高的節點
策略a是通過上層指定的實現的，考慮系統內只有一個群首節點的情況。
策略b可在系統運行中根據各節點的具體情況進行設置，目標是實現系統平均更新率的
最大化。
(3) 管理節點確定方案當系統內其余節點偵聽到管理節點的退網后，所有節點對自己的更新率進行省査，與現 有網內最大更新率進行比較，若存在多個相同最大節點更新率的節點，再比較這些節點的ID， ID小者選取為管理節點。
(4)管理節點確定后調整方案
當系統中某一節點被選取為管理節點后，其調整自己的ID，在其后面的節點亦調整自己 的ID，同時需要根據各發送幀次，依據"時隙預約分配方案"調整時隙預約策略。
本發明的優點
(1) 具備多節點自主組網能力無需人工干預，在按照最小ID原則選定管理節點后， 多個節點在運動過程中依據節點入網方法，自主組網，自動完成加入網絡過程；
(2) 具備節點快速入網能力在節點入網設計上，采用了載波監聽多路訪問/沖突檢測 方法(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,簡稱CSMA/CD)機制的節點 入網技術，減少了單信道條件下的碰撞問題，提高了多節點快速入網的能力，使得多節點組 網在短時間內即可完成，達到網絡的穩定運行；
(3) 具備節點自主離入隊管理能力允許網絡的拓撲結構隨機變化，節點能夠隨機加入 與隨機退出，同時在產生碰撞沖突后，采用退避機制進行沖突分解，解決了報文沖突問題；
(4) 節點接入響應時間少于100ms;
(5) 滿足無線傳輸速率11520kbps,節點總規模16個。


圖1是本發明節點入隊流程圖2是本發明基本網絡平面結構圖3是本發明等效后的基本網絡平面結構圖4是本發明的網絡拓撲圖5是本發明網絡時隙設置圖6是本發明獨立節點入網流程圖7是本發明節點離隊流程圖。 圖中 1.第一普通節點2.第n普通節點 3.第一管理節點
4.第二管理節點5.中繼節點 6.第一節點 7.第二節點
8.第三節點 9.第四節點 10.第五節點 11.第六節點
1112.第七節點 13.第n節點 14.第一時隙 15.第二時隙
16.第三時隙 17.第四時隙 18.第五時隙 19.第n時隙
20.預置時隙 Jl.第一接口 J2.第二接口
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。按照節點入隊和離隊的過程， 描述無人飛行器編隊數據鏈的自主組網和動態管理的步驟。
本發明是一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，該方法包括節點入隊流程和 節點離隊流程兩部分，其中的節點入隊流程如圖1所示
步驟一設計數據鏈網絡平面結構
鑒于無人飛行器編隊飛行任務的特點，無人飛行器數量不會太多，編隊半徑也不會太大， 因而對于中繼要求不高，但各無人飛行器需要時刻交互各自信息，各節點對信息更新要求基 本一致，對數據鏈運行的穩定性要求很髙，基于此將本數據鏈設置為對等網模式，對等網結 構穩定，組網速度快，各節點的地位相同，很適合無人飛行器編隊飛行的要求。
圖2是一個完整的數據鏈網絡平面結構圖，該數據鏈網絡包括第一普通節點1、第n普 通節點2、第一管理節點3、第二管理節點4和中繼節點5，其中第一普通節點1、第n普 通節點2、第一管理節點3和中繼節點5構成一個網絡，第二管理節點4屬于另一網絡；各 節點間的主要接口是第一接口 Jl、第二接口 J2，其中第一接口 Jl為數據接口，第二接口 J2為信令接口 ；第一普通節點1與第n普通節點2通過第一接口 Jl相連，傳遞數據信息； 第一普通節點1與第一管理節點3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，傳遞數據信息和 指令信息；中繼節點5位于第n普通節點2與第一管理節點3之間，起到數據中繼作用，中 繼節點5與第n普通節點2之間通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，中繼節點5與第一 管理節點3之間通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接；第一管理節點3與第二管理節點4 通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接。
將網絡設置為對等網模式，且暫不考慮多個網絡共同運行的情況，可去除第二管理節點 4和中繼節點5，簡化后的網絡平面結構圖如圖3所示，該簡化后的網絡包括第一普通節點1、 第n普通節點2和第一管理節點3，其中各節點間的主要接口仍是第一接口 Jl和第二接口 J2;第一普通節點1與第n普通節點2通過第一接口 Jl相連，只交互數據信息；第一普通 節點1與第一管理節點3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，第n普通節點2與第一管理節點3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，傳遞數據信息和指令信息。
第一普通節點l、第n普通節點2、第一管理節點3和中繼節點5組成一個網絡，依靠 廣播形式進行信息交換，其結構如圖4所示，第一節點6、第二節點7、第三節點8、第四 節點9、第五節點10、第六節點11、第七節點12、……、第n節點13組成一個閉環，依 次進行廣播發送，網絡按照ID最小原則指定第一節點6作為第一管理節點3，負責整個網絡 的管理，保障在各種情況下網絡的安全。其余節點為第一普通節點l至第n普通節點2，除 正常收發數據外，還按照ID遞增順序原則進行管理節點的繼承，使得在第一管理節點3丟 失后立即生成新的第一管理節點3。
按照圖5所示設置網絡時隙，第一時隙14、第二時隙15、第三時隙16、第四時隙17、 第五時隙18、……、第n時隙19和預置時隙20組成一個閉環，每個節點根據其ID號占 用對應的時隙，其中第一時隙14供第一節點6也就是第一管理節點3占用，第二時隙15 至第n時隙19分別供第一普通節點1至第n普通節點2占用；各節點根據其在時隙中的排 序輪流發送自身信息，直到將信息發完。 一輪發送結束后，留有一個報文長度的預置時隙， 用于一些節點發送最高優先級別信息。 步驟二定義節點的信息幀
1) 握手幀握手幀是用于各節點構建初始網絡的信息格式。第一管理節點3啟動初始 組網時發送握手幀，用以尋找網絡中的第一普通節點l和第n普通節點2，并形成聯系。
2) 確認幀確認幀是用于普通節點加入網絡的信息格式。在初始組網階段，第一普通節 點1和第n普通節點2接收到握手幀時發送確認幀，與第一管理節點3形成初始網絡；在網 絡已形成階段，第一普通節點l和第n普通節點2加入網絡階段到來時發送確認幀，加入已 形成網絡。
3) 控制幀控制幀是第一管理節點3對要求加入網絡的節點進行確認回復的信息格式。 第一管理節點3在收到第一普通節點1和第n普通節點2的確認幀后發送控制幀，用控制幀 作為第一普通節點1和第n普通節點2加入網絡的確認回復。
4) 數據幀數據幀是網絡內節點發送數據的信息格式。節點通過數據接口發送或接收數 據幀，各無人飛行器實時傳輸的信息內容包含于數據幀中。
5) 公告幀公告幀是全網信息通告的信息格式。網絡內節點發現節點丟失后發送公告幀， 將信息通告網內全部節點。步驟三初始組網和節點加入
針對基本網絡結構的初始組網和節點加入，可能存在下面幾種場景
1) 當單個節點加入網絡時，包括初始組網時的入網和單個節點加入已有網絡兩個方面， 此時進入步驟四。
2) 當多個節點同時加入網絡時，進入步驟五。 步驟四單節點初始入網
圖6表示了一個節點的初始入網流程和節點入網后收發數據的流程，其中在初始入網流
程中， 一個節點首先處于偵聽狀態，定義偵聽延時r、.，若r、內未接收到信息，則主動廣播，
廣播后繼續偵聽并依此循環；當收到信息后有如下四種情況
1) 若該節點收到來自第一管理節點3的握手幀，則發送確認幀之后繼續偵聽；
2) 若該節點收到數據幀則進行相鄰幀檢測，若間隔小于預設值r。則保持檢測，若間隔 大于預設值r。，隨機發送一個入網握手信號，由已有網絡的第一管理節點3響應該握手信號，
為新加入節點分配ID;
3) 若該節點收到控制幀，則進行網絡ID分配并加入網絡；
4) 若該節點為第一管理節點3，則只會收到來自第一普通節點1和第n普通節點2的 確認幀，之后該管理節點發送控制幀，允許普通節點入網。
組網后，第一普通節點1和第n普通節點2按照入網時管理節點分配的ID輪流收發數 據，新節點可隨時加入網絡。
目前采用的MAC機制為類似令牌制的機制，每個節點自己維持一個計數器，且實時更 新，當某一節點收到數據后，若該節點檢測到計數器值與自己的ID相等，獲得令牌，表明此 時此節點可以發送數據。網絡內其他節點在計數器值與自己的ID不等情況下均處于偵聽狀 態，只接收其他節點數據信息。
步驟五多個節點初始入網
若初始入網時的普通節點數目大于兩個，會有兩個以上的普通節點同時收到握手信號。 如果此時上述兩個以上的普通節點同時返回確認信號，就會發生沖突。無線環境中無法像以 太網那樣進行沖突檢測。這是因為無線環境中沖突發生在接收方，而非發生在發送方。在發 送方發送幀時即使有沖突發生，由于在發送方的接收天線上自己正在發送的信號具有最大的 能量，其他的信號被當成噪聲被過濾，因此接收天線不能判斷是沖突發生還是噪聲信號。但
14在接收方由于信號碰撞而使幀被破壞。
在本數據鏈系統設計中，采用沖突避免機制為當第一普通節點1和第n普通節點2同 時入網時，節點收到握手信號后，如果偵聽到信道空閑，并不馬上發送數據，而是在預定的 多個時隙中隨機的選擇一個發送，這種機制有效的避免了沖突的發生。若預定競爭時隙內仍 有沖突發生，則發生沖突的節點在接下來的時隙重新發送確認幀。
步驟六節點入網后收發數據
圖6表示了一個節點的初始入網流程和節點入網后收發數據的流程，其中在入網后收發 數據流程中， 一個節點首先處于偵聽狀態，之后分為三種情況
(1) 當收到確認幀后，進入檢測環節，定義標志Flag,當該節點處于發送時隙時Flag-l ， 否則Flag=0;當Flag-l時進行發送數據；
(2) 若該節點收到數據幀，表明其他節點正在發送，定義計數變量Counter從O開始 每接收一次數據遞增l，當Counter等于該節點ID時該節點發送數據；當每個節點循環一 周至ID號等于網絡中節點總數num時，設置定時器延時7^，若；內未收到握手幀，則繼續 新一輪的循環收發數據；若A內收到握手幀，則有新普通節點請求加入網絡，由ID號最大節 點為其分配ID，之后繼續循環收發數據；
(3) 若該節點收到控制幀，處理情況與步驟四一樣。
當存在預約機制時，入網時運行方式的主要區別在于全網的所有節點進行的相應調整有 所不同。在大于10個節點的網絡內，新普通節點的加入必然使得原來占有預置時隙的某個 節點放棄該預置時隙，作為if加入節點的固定時隙。這里的轉讓完全是按照節點的發送ID來 進行的，同時別的節點也要作相應的包括計數等方面的調整。
以上為節點入隊全過程，至此網絡已能穩定運行，但對應于無人飛行器編隊的應用背景， 無人飛行器存在飛出通信區域或墜毀的可能性，因而在網絡運行過程中會涉及節點離隊，數 據鏈能夠在任何一個或多個節點離隊后其余節點仍能正常穩定的收發數據。
2.節點離隊流程
節點離隊流程示意圖如圖7所示，分為節點丟失和節點主動離隊。某一節點發送數據， 其后的節點進行節點丟失判定檢測，若判斷該節點丟失，則將其歸入暫時離隊狀態，設置等 待時間Td,等待Td后確認該節點離隊，這種情況為節點丟失，處理流程為步驟a和步驟b; 若節點需要脫離網絡，也能主動申請離隊，處理流程為步驟c。步驟a:節點丟失判定
網絡內任一節點IDx發送數據幀后，網內其余節點收到數據后馬上啟動一個定時器，該
定時器為從當前發送數據節點到本節點之間的節點預留發送時隙，若定時時間到仍未收到下 一節點IDx+l發送的數據，則可認定節點IDx+l丟失。 步驟b:節點暫時離隊
考慮到節點的暫時性的離隊的情況，對上述方法加以補充。系統設置一個計數器，如步 驟a所述，當其余節點等待Td時間后仍未收到IDx+l發送的數據信息，可認定節點IDx+l 丟失，但此時暫不發送公告幀調整網絡中節點的發送ID,只執行計數器加l,這時仍為可能 已退出的節點IDx+l留出位置，若計數器連續統計n次，如n-lO，仍未收到前面節點信息， 則這時發送公告幀以調整節點ID。計數器統計次數n可根據用戶對于數據鏈動態性要求進行 設置，n越小則數據鏈越敏感。
步驟c:主動離隊申請
主動申請離隊的節點向整個網絡發送公告幀，告知其余節點目前網絡內的剩余節點數，
同時調整網絡內各個節點的發送ID。這樣，即使任^r時刻有任意個節點退出均對整個網絡的
通信不構成影響，增加了網絡應對突發錯誤的可靠性。
權利要求
1、一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，其特征在于，該方法包括節點入隊流程和節點離隊流程兩部分，其中的節點入隊流程包括如下步驟步驟一設計數據鏈網絡平面結構將數據鏈設置為對等網模式；步驟二定義節點的信息幀1)握手幀握手幀是用于各節點構建初始網絡的信息格式；第一管理節點啟動初始組網時發送握手幀，尋找網絡中的第一普通節點和第n普通節點，并形成聯系；2)確認幀確認幀是用于普通節點加入網絡的信息格式；在初始組網階段，第一普通節點和第n普通節點接收到握手幀時發送確認幀，與第一管理節點形成初始網絡；在網絡已形成階段，第一普通節點和第n普通節點加入網絡階段到來時發送確認幀，加入已形成網絡；3)控制幀控制幀是第一管理節點對要求加入網絡的節點進行確認回復的信息格式；第一管理節點在收到第一普通節點和第n普通節點的確認幀后發送控制幀，用控制幀作為第一普通節點和第n普通節點加入網絡的確認回復；4)數據幀數據幀是網絡內節點發送數據的信息格式；節點通過數據接口發送或接收數據幀，各無人飛行器實時傳輸的信息內容包含于數據幀中；5)公告幀公告幀是全網信息通告的信息格式；網絡內節點發現節點丟失后發送公告幀，將信息通告網內全部節點；步驟三初始組網和節點加入針對基本網絡結構的初始組網和節點加入，存在下面幾種場景1)當單個節點加入網絡時，包括初始組網時的入網和單個節點加入已有網絡兩個方面，此時進入步驟四；2)當多個節點同時加入網絡時，進入步驟五；步驟四單節點初始入網在初始入網流程中，一個節點首先處于偵聽狀態，定義偵聽延時Ts，若Ts內未接收到信息，則主動廣播，廣播后繼續偵聽并依此循環；當收到信息后有如下四種情況1)若該節點收到來自第一管理節點的握手幀，則發送確認幀之后繼續偵聽；2)若該節點收到數據幀則進行相鄰幀檢測，若間隔小于預設值T0則保持檢測，若間隔大于預設值T0，隨機發送一個入網握手信號，由已有網絡的第一管理節點響應該握手信號，為新加入節點分配ID；3)若該節點收到控制幀，則進行網絡ID分配并加入網絡；4)若該節點為第一管理節點，則只會收到來自第一普通節點和第n普通節點的確認幀，之后該管理節點發送控制幀，允許普通節點入網；組網后，第一普通節點和第n普通節點按照入網時管理節點分配的ID輪流收發數據，新節點能夠隨時加入網絡；步驟五多個節點初始入網采用沖突避免機制當第一普通節點和第n普通節點同時入網時，節點收到握手信號后，如果偵聽到信道空閑，并不馬上發送數據，而是在預定的多個時隙中隨機的選擇一個發送；若預定競爭時隙內仍有沖突發生，則發生沖突的節點在接下來的時隙重新發送確認幀；步驟六節點入網后收發數據在入網后收發數據流程中，一個節點首先處于偵聽狀態，之后分為三種情況(1)當收到確認幀后，進入檢測環節，定義標志Flag，當該節點處于發送時隙時Flag＝1，否則Flag＝0；當Flag＝1時進行發送數據；(2)若該節點收到數據幀，表明其他節點正在發送，定義計數變量Counter從0開始每接收一次數據遞增1，當Counter等于該節點ID時該節點發送數據；當每個節點循環一周至ID號等于網絡中節點總數num時，設置定時器延時T1，若T1內未收到握手幀，則繼續新一輪的循環收發數據；若T1內收到握手幀，則有新普通節點請求加入網絡，由ID號最大節點為其分配ID，之后繼續循環收發數據；(3)若該節點收到控制幀，處理情況與步驟四一樣；所述的節點離隊分為節點丟失和節點主動離隊；某一節點發送數據，其后的節點進行節點丟失判定檢測，若判斷該節點丟失，則將其歸入暫時離隊狀態，設置等待時間Td，等待Td后確認該節點離隊，這種情況為節點丟失，處理流程為步驟a和步驟b；若節點需要脫離網絡，也能主動申請離隊，處理流程為步驟c；步驟a節點丟失判定網絡內任一節點IDx發送數據幀后，網內其余節點收到數據后馬上啟動一個定時器，該定時器為從當前發送數據節點到本節點之間的節點預留發送時隙，若定時時間到仍未收到下一節點IDx+1發送的數據，則認定節點IDx+1丟失；步驟b節點暫時離隊系統設置一個計數器，如步驟a所述，當其余節點等待Td時間后仍未收到IDx+1發送的數據信息，認定節點IDx+1丟失，但此時暫不發送公告幀調整網絡中節點的發送ID，只執行計數器加1，這時仍為可能已退出的節點IDx+1留出位置，若計數器連續統計n次，如n＝10，仍未收到前面節點信息，則這時發送公告幀以調整節點ID；計數器統計次數n根據用戶對于數據鏈動態性要求進行設置，n越小則數據鏈越敏感；步驟c主動離隊申請主動申請離隊的節點向整個網絡發送公告幀，告知其余節點目前網絡內的剩余節點數，同時調整網絡內各個節點的發送ID。
2、 根據權利要求1所述的一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，其特征在于 所述的數據鏈網絡包括第一普通節點(1)、第n普通節點(2)、第一管理節點(3)、第二管 理節點(4)和中繼節點(5)，其中第一普通節點(1)、第n普通節點(2)、第一管理節點(3)和中繼節點(5)構成一個網絡，第二管理節點(4)屬于另一網絡；各節點間的主要接口是第一接口 (Jl)、第二接口 (J2)，其中第一接口 (Jl)為數據 接口，第二接口 (J2)為信令接口；第一普通節點(1)與第n普通節點(2)通過第一接口(Jl)相連，傳遞數據信息；第一普通節點(1)與第一管理節點(3)通過第一接口 (Jl) 和第二接口 (J2)連接，傳遞數據信息和指令信息；中繼節點(5)位于第n普通節點(2) 與第一管理節點(3)之間，進行數據中繼，中繼節點(5)與第n普通節點(2)之間通過 第一接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接，中繼節點(5)與第一管理節點(3)之間通過第 一接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接；第一管理節點(3)與第二管理節點(4)通過第一 接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接。
3、 根據權利要求1或2所述的一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，其特征在 于所述的第一普通節點(1)、第n普通節點(2)、第一管理節點(3)和中繼節點(5)組 成一個網絡，依靠廣播路由形式進行信息交換，第一節點(6)、第二節點(7)、第三節點(8)、第四節點(9)、第五節點(10)、第六節點(11)、第七節點(12).......、第n節點(13)組成一個閉環，依次進行廣播發送，網絡按照ID最小原則指定第一節點(6)作為第一管理 節點(3)，負責整個網絡的管理，保障在各種情況下網絡的安全；其余節點為第一普通節點(1)至第n普通節點(2)，除正常收發數據外，還按照ID遞增順序原則進行管理節點的繼承，使得在第一管理節點(3)丟失后立即生成新的第一管理節點(3)。
4、根據權利要求1所述的一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，其特征在于 所述的時隙設置為第一時隙(l4)、第二時隙(15)、第三時隙(16)、第四時隙(17)、 第五時隙(18)、……、第n時隙(19)和預置時隙(20)組成一個閉環，每個節點根據其 ID號占用對應的時隙，其中第一時隙(14)供第一節點(6)也就是第一管理節點(3)占 用，第二時隙(15)至第n時隙(19)分別供第一普通節點(1)至第n普通節點(2)占 用；各節點根據其在時隙中的排序輪流發送自身信息，直到將信息發完； 一輪發送結束后， 留有一個報文長度的預置時隙，用于一些節點發送最高優先級別信息。
全文摘要
本發明公開了一種用于無人飛行器自主編隊的數據鏈組網方法，該數據鏈系統提供在高動態環境下信息的高速高更新率共享。首先設計數據鏈網絡平面結構，然后定義節點的信息幀，接著進行初始組網和節點加入，執行單節點初始入網或多個節點初始入網，最后節點入網后收發數據。本發明基于常見單信道無線數傳電臺，實現了數據鏈自主組網和信息收發的全部功能。組網方法可讓多個節點在運動過程中自主加入網絡并完成數據的發送與接收；數據鏈具備較好的容錯能力，節點可自主離隊而不影響網絡的正常運行；解決了單信道條件下節點入網碰撞，提高了多節點快速入網的能力，使得數據鏈在短時間內即可穩定運行。
文檔編號H04W80/00GK101651992SQ20091009258
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者冀湘予, 星 劉, 吳森堂, 唐積強, 健 孫, 張有光, 琛 彭, 陽 杜, 穆曉敏 申請人:北京航空航天大學