專利名稱：一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)定義為在各個(gè)用戶之間依據(jù)共同的通信協(xié)議，使用自動(dòng)化的無線電收發(fā)設(shè)備 傳遞、交換負(fù)載數(shù)據(jù)信息的通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)定義，系統(tǒng)應(yīng)由各類無線電收發(fā)設(shè)備和用 戶之間共同遵守的通信協(xié)議組成。
無人飛行器編隊(duì)飛行通過數(shù)據(jù)鏈共享各飛行器的位置、姿態(tài)、決策等信息，因此該數(shù)據(jù) 鏈系統(tǒng)需要在高動(dòng)態(tài)條件下完成信息的高速高更新率共享。通過對技術(shù)現(xiàn)狀的研究和分析， 目前的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)存在如下問題
1. 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力不足
自主性和動(dòng)態(tài)性是無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基本屬性。對于網(wǎng)絡(luò)的自主能力，要求 提出相應(yīng)的分布式算法，以快速建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，確定各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位。由于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng) 態(tài)性，因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將不斷變化，因此組網(wǎng)方法要適應(yīng)這種變化，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不敏感。
2. 節(jié)點(diǎn)離入隊(duì)管理能力不足
無人飛行器編隊(duì)飛行過程中，時(shí)刻存在網(wǎng)絡(luò)的分群與融合。在實(shí)際飛行環(huán)境中因?yàn)榫嚯x 和環(huán)境干擾等因素造成的網(wǎng)絡(luò)局部中斷，形成多個(gè)節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象，即離隊(duì)問題。另一 方面，多個(gè)節(jié)點(diǎn)也能依據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行融合，采取加入大網(wǎng)的方式，融合一個(gè)更大網(wǎng)絡(luò)，即 入隊(duì)問題?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈未能考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的這種特殊運(yùn)行方式，因而節(jié)點(diǎn)的離隊(duì)與入隊(duì)響應(yīng) 時(shí)間長，并且很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行。
3. 數(shù)據(jù)鏈可靠性不足
對于無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈，需考慮當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)失效后網(wǎng)絡(luò)的魯棒容錯(cuò)運(yùn)行能力。數(shù) 據(jù)鏈可靠性要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)在網(wǎng)絡(luò)面臨突發(fā)事件時(shí)真?zhèn)淙蒎e(cuò)能力。突發(fā)事件包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié) 點(diǎn)的丟失，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，鏈路丟失，同步丟失等網(wǎng)絡(luò)部分功能暫時(shí)失效時(shí)能迅速恢復(fù)， 不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的崩潰。進(jìn)一步對可靠性的要求是在各種惡劣電磁環(huán)境下，造成網(wǎng)絡(luò)無法正常 工作時(shí)，如關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)丟失、大部分功能喪失后，仍然能夠維持網(wǎng)絡(luò)的存在。發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)工作在復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，根據(jù)無人飛行器編隊(duì)飛行的背景需求，提出了該數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)及其技術(shù)解決思路和方案設(shè)計(jì)方法。
數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的通信系統(tǒng)，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(xié)議來規(guī)范這些過程，使數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在保證互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上更加穩(wěn)健和高效。體系設(shè)計(jì)就是為了明確各協(xié)議的具體職能以及相互間聯(lián)系，并對其接口進(jìn)行定義。
在一個(gè)完整的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)中，存在著工作于不同模式的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以及它們間的交互接口。按照各節(jié)點(diǎn)的功能，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為三類普通節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)；在這三類節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)接口，第二接口為信令接口。
第一普通節(jié)點(diǎn)與第n普通節(jié)點(diǎn)之間的交互接口為第一接口 ，其中網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為N， n=2， 3， 4，…N-l， N。由于普通節(jié)點(diǎn)間只進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此只定義了數(shù)據(jù)接口，
而無信令接口。
第一普通節(jié)點(diǎn)與第一管理節(jié)點(diǎn)之間的交互接口為第一接口和第二接口 。第一普通節(jié)點(diǎn)與第一管理節(jié)點(diǎn)不但需要完成數(shù)據(jù)通信，且第一普通節(jié)點(diǎn)需要接受來自第一管理節(jié)點(diǎn)的命令，而第一管理節(jié)點(diǎn)需要接受普通節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)申請，因此除了數(shù)據(jù)接口外，還需要信令接口。
第n普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的交互接口是第一接口 。數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)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(dá)成中繼服務(wù)所提供管理信令。
第一管理節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間，相鄰網(wǎng)絡(luò)之間的第一管理節(jié)點(diǎn)與第二管理節(jié)點(diǎn)之間的交互接口為第一接口和第二接口，存在數(shù)據(jù)接口和信令接口。
設(shè)計(jì)完數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)后，從縱向?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分為四個(gè)層次，分別為應(yīng)用層、鏈路層、媒體訪問控制層以及物理層。
四個(gè)層次分別完成各自的任務(wù)，同時(shí)下層為上層提供服務(wù)。四個(gè)層次的主要功能如下
應(yīng)用層由用戶定義。其主要功能為將鏈路層提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取有用的信息，并根據(jù)這些信息完成相應(yīng)的操作或?qū)@取的數(shù)據(jù)下發(fā)到鏈路層。
鏈路層將應(yīng)用層傳遞的數(shù)據(jù)格式化為標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文結(jié)構(gòu)或?qū)?bào)文翻譯為直接的數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用層。提供差錯(cuò)控制功能。
媒體訪問控制(Media Access Control,簡稱MAC)層協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)對信道的訪問，同時(shí)完成接入控制等功能。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的大部分設(shè)計(jì)將圍繞該層進(jìn)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(kuò)頻電臺完成。目前主要考
慮采用現(xiàn)有的商用電臺完成物理層任務(wù)。
將網(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)行如此劃分主要是考慮到數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，網(wǎng)絡(luò)不宜劃分的太復(fù)
雜，因此鏈路層和媒體訪問控制層的功能較強(qiáng)，是協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在一般看來，媒體訪問
控制層為鏈路層的一個(gè)子層，在本發(fā)明中，由于媒體訪問控制層的功能較多，因此將其單獨(dú)
劃為一個(gè)層次。
無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的前提條件，即約束條件是對應(yīng)于目前常用數(shù)傳電臺，不支持多物理信道切換，數(shù)據(jù)率在lOOKbps左右，切換時(shí)間相對于通信時(shí)間不可忽略。要求實(shí)現(xiàn)的主要功能有
A. 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有影響；
B. 近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換；
C. 較強(qiáng)的抗干擾、抗損毀性能。
在無人飛行器編隊(duì)中飛行器作為數(shù)據(jù)鏈中的節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，依靠廣播路由形式進(jìn)行信息交換。網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)或依據(jù)一定法則指定某一節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理，保障在各種情況下網(wǎng)絡(luò)的安全。同時(shí)按照一定順序指定管理節(jié)點(diǎn)接班節(jié)點(diǎn)，保證在管理節(jié)點(diǎn)丟失后立即有新的管理節(jié)點(diǎn)補(bǔ)上。
網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間相互關(guān)系依靠其序號關(guān)聯(lián)，序號表示其在所有節(jié)點(diǎn)中的管理權(quán)繼承順序，以及發(fā)送信息的次序，同時(shí)反映了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)數(shù)量。其中身份號(identification,簡稱ID)為O的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的第一管理節(jié)點(diǎn)，若其丟失，管理權(quán)依次由下一序號節(jié)點(diǎn)繼承。信息交互由每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照序號的次序依次廣播， 一個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)接收信息。
在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)一定次序廣播本節(jié)點(diǎn)信息。對于美國Linkl6以及Link22戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，其訪問次序依靠時(shí)分多址技術(shù)(Time Division Multiple Access,簡稱TDMA)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其自身的時(shí)隙發(fā)送信息，要求非常精確的時(shí)鐘支持，對于應(yīng)用有一定限制。
在實(shí)際應(yīng)用中，釆用每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的序號輪流發(fā)送自身信息，占用信道，直到其將信息發(fā)完。為防止一個(gè)節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用信道，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)最長發(fā)送K個(gè)報(bào)文，其中K的容量可自由調(diào)整，當(dāng)大于該值后，強(qiáng)制結(jié)束該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，將信道轉(zhuǎn)給下一節(jié)點(diǎn)使用。
一輪發(fā)送結(jié)束后，留有一個(gè)報(bào)文長度的預(yù)置時(shí)隙，用于一些節(jié)點(diǎn)發(fā)送最高優(yōu)先級別信息。
8該時(shí)隙供全部節(jié)點(diǎn)預(yù)約，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要該時(shí)隙時(shí)，發(fā)出預(yù)約信息，此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保留一個(gè)預(yù)約表，根據(jù)預(yù)約的先后，以及優(yōu)先級的先后來安排該時(shí)隙的使用。
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的更新率以管理節(jié)點(diǎn)的更新率來表征；同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管理節(jié)點(diǎn)也負(fù)責(zé)各幀次的發(fā)送次序安排，其重要性不言而喻。為了消除管理節(jié)點(diǎn)由于正?；蚍钦５脑蛳Ш蠼o系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性帶來的影響，需要在剩余普通節(jié)點(diǎn)中及時(shí)選取出管理節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行角色替換，以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
另一方面，運(yùn)行中需要根據(jù)各普通節(jié)點(diǎn)的位置、通信環(huán)境等對網(wǎng)絡(luò)做出相應(yīng)的調(diào)整。原來的管理節(jié)點(diǎn)由于各種因素的變化導(dǎo)致無須高更新率要求后，放棄其管理節(jié)點(diǎn)位置，其它合適的普通節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)角色繼承的過程，管理節(jié)點(diǎn)也需要完成普通節(jié)點(diǎn)的角色變換的過程，以實(shí)現(xiàn)最大優(yōu)化地配置網(wǎng)絡(luò)更新率的需求。'
針對基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入，解決了以下幾種入網(wǎng)情況
A. 單個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)問題，包括初始組網(wǎng)時(shí)的入網(wǎng)和單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入已有網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面；
B. 多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)加入的問題；
C. 兩個(gè)已有的基本網(wǎng)絡(luò)融合為一個(gè)更大的基本網(wǎng)絡(luò)問題。
該方法采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)處于同一個(gè)共享的信息池內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)且須隨時(shí)了解其他節(jié)點(diǎn)的信息。釆用的MAC機(jī)制為令牌制機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自己維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，且實(shí)時(shí)更新，當(dāng)其收到數(shù)據(jù)后，若檢測到計(jì)數(shù)器值與自己的ID相等，獲得令牌，表明此時(shí)此節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)在計(jì)數(shù)器值與自己的ID不等情況下均處于偵聽狀態(tài)，只接收其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。
兩個(gè)節(jié)點(diǎn)及多個(gè)節(jié)點(diǎn)完成初始組網(wǎng)后，各節(jié)點(diǎn)按照入網(wǎng)時(shí)管理節(jié)點(diǎn)自動(dòng)分配的ID輪流收發(fā)數(shù)據(jù)，新節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)過程可分為兩個(gè)階段。
第一階段為節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)階段，在該階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到相鄰幀間隔大于預(yù)設(shè)值^s時(shí)，隨機(jī)發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)握手信號，由已有網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該握手信號，為新加入節(jié)點(diǎn)分配ID。
第二階段為節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后輪流收發(fā)數(shù)據(jù)階段。在該階段每各節(jié)點(diǎn)循環(huán)一周后，至ID號最大節(jié)點(diǎn)時(shí)，設(shè)置定時(shí)器延時(shí)石，石s內(nèi)未收到握手幀，則繼續(xù)輪詢收發(fā)數(shù)據(jù)。若As內(nèi)收到握手幀，則有新節(jié)點(diǎn)請求加入網(wǎng)絡(luò)，由ID號最大節(jié)點(diǎn)為其分配ID，之后繼續(xù)輪詢收發(fā)數(shù)據(jù)。
其中，K和A可有用戶根據(jù)終端設(shè)備的性能和實(shí)際使用需要自行設(shè)定。
下面介紹無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理由管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，其ID號為1。管理內(nèi)容主要包括管理節(jié)點(diǎn)的交接、普通節(jié)點(diǎn)的加入、普通節(jié)點(diǎn)的退出。
(1) 管理節(jié)點(diǎn)的交接管理節(jié)點(diǎn)交接管理按照普通節(jié)點(diǎn)次序確定交接次序。主要包含兩種情況管理節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出。此時(shí)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送退出消息，接著新管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息確定其為管
理節(jié)點(diǎn)，各普通節(jié)點(diǎn)序號上升一位。
管理節(jié)點(diǎn)消失。此時(shí)在原管理節(jié)點(diǎn)因該發(fā)送的消息的時(shí)間沒有消息發(fā)出，偵聽一段時(shí)間后仍無消息，則其后的普通節(jié)點(diǎn)接手管理權(quán)。各模塊節(jié)點(diǎn)序號上升一位。
(2) 普通節(jié)點(diǎn)的加入
任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到一個(gè)未加入網(wǎng)絡(luò)的新普通節(jié)點(diǎn)后，其在其發(fā)送時(shí)間內(nèi)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)報(bào)告新節(jié)點(diǎn)加入請求，此時(shí)管理節(jié)點(diǎn)在預(yù)置時(shí)隙內(nèi)發(fā)送接受消息，并發(fā)布新節(jié)點(diǎn)的序號，新節(jié)點(diǎn)加入。
(3) 普通節(jié)點(diǎn)退出普通節(jié)點(diǎn)退出主要包含兩種情況
主動(dòng)退出。其發(fā)布退出信息，接下去的節(jié)點(diǎn)序號上升一位。
普通節(jié)點(diǎn)消失。在該普通節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間段內(nèi)沒有消息，下一節(jié)點(diǎn)偵聽一段時(shí)間后仍無消息，則發(fā)布該節(jié)點(diǎn)丟失，其接下節(jié)點(diǎn)序號升位。
最后介紹無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈容錯(cuò)控制策略。數(shù)據(jù)鏈容錯(cuò)控制策略主要為了解決管理節(jié)點(diǎn)丟失后的重新選擇問題。
(1) 判斷丟失策略
通過后續(xù)節(jié)點(diǎn)的偵聽，發(fā)現(xiàn)未收到管理節(jié)點(diǎn)應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，向全網(wǎng)發(fā)送管理節(jié)點(diǎn)丟失通告。
(2) 管理節(jié)點(diǎn)選擇策略
a. 運(yùn)行中的群首節(jié)點(diǎn)
b. 更新率要求最高的節(jié)點(diǎn)
策略a是通過上層指定的實(shí)現(xiàn)的，考慮系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)群首節(jié)點(diǎn)的情況。
策略b可在系統(tǒng)運(yùn)行中根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的具體情況進(jìn)行設(shè)置，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平均更新率的
最大化。
(3) 管理節(jié)點(diǎn)確定方案當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)偵聽到管理節(jié)點(diǎn)的退網(wǎng)后，所有節(jié)點(diǎn)對自己的更新率進(jìn)行省査，與現(xiàn) 有網(wǎng)內(nèi)最大更新率進(jìn)行比較，若存在多個(gè)相同最大節(jié)點(diǎn)更新率的節(jié)點(diǎn)，再比較這些節(jié)點(diǎn)的ID， ID小者選取為管理節(jié)點(diǎn)。
(4)管理節(jié)點(diǎn)確定后調(diào)整方案
當(dāng)系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)被選取為管理節(jié)點(diǎn)后，其調(diào)整自己的ID，在其后面的節(jié)點(diǎn)亦調(diào)整自己 的ID，同時(shí)需要根據(jù)各發(fā)送幀次，依據(jù)"時(shí)隙預(yù)約分配方案"調(diào)整時(shí)隙預(yù)約策略。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
(1) 具備多節(jié)點(diǎn)自主組網(wǎng)能力無需人工干預(yù)，在按照最小ID原則選定管理節(jié)點(diǎn)后， 多個(gè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中依據(jù)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)方法，自主組網(wǎng)，自動(dòng)完成加入網(wǎng)絡(luò)過程；
(2) 具備節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng)能力在節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)上，采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測 方法(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,簡稱CSMA/CD)機(jī)制的節(jié)點(diǎn) 入網(wǎng)技術(shù)，減少了單信道條件下的碰撞問題，提高了多節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng)的能力，使得多節(jié)點(diǎn)組 網(wǎng)在短時(shí)間內(nèi)即可完成，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行；
(3) 具備節(jié)點(diǎn)自主離入隊(duì)管理能力允許網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨機(jī)變化，節(jié)點(diǎn)能夠隨機(jī)加入 與隨機(jī)退出，同時(shí)在產(chǎn)生碰撞沖突后，采用退避機(jī)制進(jìn)行沖突分解，解決了報(bào)文沖突問題；
(4) 節(jié)點(diǎn)接入響應(yīng)時(shí)間少于100ms;
(5) 滿足無線傳輸速率11520kbps,節(jié)點(diǎn)總規(guī)模16個(gè)。


圖1是本發(fā)明節(jié)點(diǎn)入隊(duì)流程圖2是本發(fā)明基本網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明等效后的基本網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D5是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙設(shè)置圖6是本發(fā)明獨(dú)立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程圖7是本發(fā)明節(jié)點(diǎn)離隊(duì)流程圖。 圖中 1.第一普通節(jié)點(diǎn)2.第n普通節(jié)點(diǎn) 3.第一管理節(jié)點(diǎn)
4.第二管理節(jié)點(diǎn)5.中繼節(jié)點(diǎn) 6.第一節(jié)點(diǎn) 7.第二節(jié)點(diǎn)
8.第三節(jié)點(diǎn) 9.第四節(jié)點(diǎn) 10.第五節(jié)點(diǎn) 11.第六節(jié)點(diǎn)
1112.第七節(jié)點(diǎn) 13.第n節(jié)點(diǎn) 14.第一時(shí)隙 15.第二時(shí)隙
16.第三時(shí)隙 17.第四時(shí)隙 18.第五時(shí)隙 19.第n時(shí)隙
20.預(yù)置時(shí)隙 Jl.第一接口 J2.第二接口
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。按照節(jié)點(diǎn)入隊(duì)和離隊(duì)的過程， 描述無人飛行器編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈的自主組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)管理的步驟。
本發(fā)明是一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，該方法包括節(jié)點(diǎn)入隊(duì)流程和 節(jié)點(diǎn)離隊(duì)流程兩部分，其中的節(jié)點(diǎn)入隊(duì)流程如圖1所示
步驟一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)
鑒于無人飛行器編隊(duì)飛行任務(wù)的特點(diǎn)，無人飛行器數(shù)量不會(huì)太多，編隊(duì)半徑也不會(huì)太大， 因而對于中繼要求不高，但各無人飛行器需要時(shí)刻交互各自信息，各節(jié)點(diǎn)對信息更新要求基 本一致，對數(shù)據(jù)鏈運(yùn)行的穩(wěn)定性要求很髙，基于此將本數(shù)據(jù)鏈設(shè)置為對等網(wǎng)模式，對等網(wǎng)結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定，組網(wǎng)速度快，各節(jié)點(diǎn)的地位相同，很適合無人飛行器編隊(duì)飛行的要求。
圖2是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)圖，該數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)包括第一普通節(jié)點(diǎn)1、第n普 通節(jié)點(diǎn)2、第一管理節(jié)點(diǎn)3、第二管理節(jié)點(diǎn)4和中繼節(jié)點(diǎn)5，其中第一普通節(jié)點(diǎn)1、第n普 通節(jié)點(diǎn)2、第一管理節(jié)點(diǎn)3和中繼節(jié)點(diǎn)5構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，第二管理節(jié)點(diǎn)4屬于另一網(wǎng)絡(luò)；各 節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)接口，第二接口 J2為信令接口 ；第一普通節(jié)點(diǎn)1與第n普通節(jié)點(diǎn)2通過第一接口 Jl相連，傳遞數(shù)據(jù)信息； 第一普通節(jié)點(diǎn)1與第一管理節(jié)點(diǎn)3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，傳遞數(shù)據(jù)信息和 指令信息；中繼節(jié)點(diǎn)5位于第n普通節(jié)點(diǎn)2與第一管理節(jié)點(diǎn)3之間，起到數(shù)據(jù)中繼作用，中 繼節(jié)點(diǎn)5與第n普通節(jié)點(diǎn)2之間通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，中繼節(jié)點(diǎn)5與第一 管理節(jié)點(diǎn)3之間通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接；第一管理節(jié)點(diǎn)3與第二管理節(jié)點(diǎn)4 通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接。
將網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為對等網(wǎng)模式，且暫不考慮多個(gè)網(wǎng)絡(luò)共同運(yùn)行的情況，可去除第二管理節(jié)點(diǎn) 4和中繼節(jié)點(diǎn)5，簡化后的網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該簡化后的網(wǎng)絡(luò)包括第一普通節(jié)點(diǎn)1、 第n普通節(jié)點(diǎn)2和第一管理節(jié)點(diǎn)3，其中各節(jié)點(diǎn)間的主要接口仍是第一接口 Jl和第二接口 J2;第一普通節(jié)點(diǎn)1與第n普通節(jié)點(diǎn)2通過第一接口 Jl相連，只交互數(shù)據(jù)信息；第一普通 節(jié)點(diǎn)1與第一管理節(jié)點(diǎn)3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，第n普通節(jié)點(diǎn)2與第一管理節(jié)點(diǎn)3通過第一接口 Jl和第二接口 J2連接，傳遞數(shù)據(jù)信息和指令信息。
第一普通節(jié)點(diǎn)l、第n普通節(jié)點(diǎn)2、第一管理節(jié)點(diǎn)3和中繼節(jié)點(diǎn)5組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，依靠 廣播形式進(jìn)行信息交換，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，第一節(jié)點(diǎn)6、第二節(jié)點(diǎn)7、第三節(jié)點(diǎn)8、第四 節(jié)點(diǎn)9、第五節(jié)點(diǎn)10、第六節(jié)點(diǎn)11、第七節(jié)點(diǎn)12、……、第n節(jié)點(diǎn)13組成一個(gè)閉環(huán)，依 次進(jìn)行廣播發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)按照ID最小原則指定第一節(jié)點(diǎn)6作為第一管理節(jié)點(diǎn)3，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的管理，保障在各種情況下網(wǎng)絡(luò)的安全。其余節(jié)點(diǎn)為第一普通節(jié)點(diǎn)l至第n普通節(jié)點(diǎn)2，除 正常收發(fā)數(shù)據(jù)外，還按照ID遞增順序原則進(jìn)行管理節(jié)點(diǎn)的繼承，使得在第一管理節(jié)點(diǎn)3丟 失后立即生成新的第一管理節(jié)點(diǎn)3。
按照圖5所示設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙，第一時(shí)隙14、第二時(shí)隙15、第三時(shí)隙16、第四時(shí)隙17、 第五時(shí)隙18、……、第n時(shí)隙19和預(yù)置時(shí)隙20組成一個(gè)閉環(huán)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其ID號占 用對應(yīng)的時(shí)隙，其中第一時(shí)隙14供第一節(jié)點(diǎn)6也就是第一管理節(jié)點(diǎn)3占用，第二時(shí)隙15 至第n時(shí)隙19分別供第一普通節(jié)點(diǎn)1至第n普通節(jié)點(diǎn)2占用；各節(jié)點(diǎn)根據(jù)其在時(shí)隙中的排 序輪流發(fā)送自身信息，直到將信息發(fā)完。 一輪發(fā)送結(jié)束后，留有一個(gè)報(bào)文長度的預(yù)置時(shí)隙， 用于一些節(jié)點(diǎn)發(fā)送最高優(yōu)先級別信息。 步驟二定義節(jié)點(diǎn)的信息幀
1) 握手幀握手幀是用于各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)的信息格式。第一管理節(jié)點(diǎn)3啟動(dòng)初始 組網(wǎng)時(shí)發(fā)送握手幀，用以尋找網(wǎng)絡(luò)中的第一普通節(jié)點(diǎn)l和第n普通節(jié)點(diǎn)2，并形成聯(lián)系。
2) 確認(rèn)幀確認(rèn)幀是用于普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的信息格式。在初始組網(wǎng)階段，第一普通節(jié) 點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2接收到握手幀時(shí)發(fā)送確認(rèn)幀，與第一管理節(jié)點(diǎn)3形成初始網(wǎng)絡(luò)；在網(wǎng) 絡(luò)已形成階段，第一普通節(jié)點(diǎn)l和第n普通節(jié)點(diǎn)2加入網(wǎng)絡(luò)階段到來時(shí)發(fā)送確認(rèn)幀，加入已 形成網(wǎng)絡(luò)。
3) 控制幀控制幀是第一管理節(jié)點(diǎn)3對要求加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)的信息格式。 第一管理節(jié)點(diǎn)3在收到第一普通節(jié)點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2的確認(rèn)幀后發(fā)送控制幀，用控制幀 作為第一普通節(jié)點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2加入網(wǎng)絡(luò)的確認(rèn)回復(fù)。
4) 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信息格式。節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送或接收數(shù) 據(jù)幀，各無人飛行器實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔?nèi)容包含于數(shù)據(jù)幀中。
5) 公告幀公告幀是全網(wǎng)信息通告的信息格式。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)丟失后發(fā)送公告幀， 將信息通告網(wǎng)內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)。步驟三初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入
針對基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入，可能存在下面幾種場景
1) 當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，包括初始組網(wǎng)時(shí)的入網(wǎng)和單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入已有網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面， 此時(shí)進(jìn)入步驟四。
2) 當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)入步驟五。 步驟四單節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)
圖6表示了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始入網(wǎng)流程和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)的流程，其中在初始入網(wǎng)流
程中， 一個(gè)節(jié)點(diǎn)首先處于偵聽狀態(tài)，定義偵聽延時(shí)r、.，若r、內(nèi)未接收到信息，則主動(dòng)廣播，
廣播后繼續(xù)偵聽并依此循環(huán)；當(dāng)收到信息后有如下四種情況
1) 若該節(jié)點(diǎn)收到來自第一管理節(jié)點(diǎn)3的握手幀，則發(fā)送確認(rèn)幀之后繼續(xù)偵聽；
2) 若該節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀則進(jìn)行相鄰幀檢測，若間隔小于預(yù)設(shè)值r。則保持檢測，若間隔 大于預(yù)設(shè)值r。，隨機(jī)發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)握手信號，由已有網(wǎng)絡(luò)的第一管理節(jié)點(diǎn)3響應(yīng)該握手信號，
為新加入節(jié)點(diǎn)分配ID;
3) 若該節(jié)點(diǎn)收到控制幀，則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ID分配并加入網(wǎng)絡(luò)；
4) 若該節(jié)點(diǎn)為第一管理節(jié)點(diǎn)3，則只會(huì)收到來自第一普通節(jié)點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2的 確認(rèn)幀，之后該管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀，允許普通節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。
組網(wǎng)后，第一普通節(jié)點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2按照入網(wǎng)時(shí)管理節(jié)點(diǎn)分配的ID輪流收發(fā)數(shù) 據(jù)，新節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)。
目前采用的MAC機(jī)制為類似令牌制的機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自己維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，且實(shí)時(shí)更 新，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，若該節(jié)點(diǎn)檢測到計(jì)數(shù)器值與自己的ID相等，獲得令牌，表明此 時(shí)此節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)在計(jì)數(shù)器值與自己的ID不等情況下均處于偵聽狀 態(tài)，只接收其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。
步驟五多個(gè)節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)
若初始入網(wǎng)時(shí)的普通節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于兩個(gè)，會(huì)有兩個(gè)以上的普通節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到握手信號。 如果此時(shí)上述兩個(gè)以上的普通節(jié)點(diǎn)同時(shí)返回確認(rèn)信號，就會(huì)發(fā)生沖突。無線環(huán)境中無法像以 太網(wǎng)那樣進(jìn)行沖突檢測。這是因?yàn)闊o線環(huán)境中沖突發(fā)生在接收方，而非發(fā)生在發(fā)送方。在發(fā) 送方發(fā)送幀時(shí)即使有沖突發(fā)生，由于在發(fā)送方的接收天線上自己正在發(fā)送的信號具有最大的 能量，其他的信號被當(dāng)成噪聲被過濾，因此接收天線不能判斷是沖突發(fā)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(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用沖突避免機(jī)制為當(dāng)?shù)谝黄胀ü?jié)點(diǎn)1和第n普通節(jié)點(diǎn)2同 時(shí)入網(wǎng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)收到握手信號后，如果偵聽到信道空閑，并不馬上發(fā)送數(shù)據(jù)，而是在預(yù)定的 多個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)的選擇一個(gè)發(fā)送，這種機(jī)制有效的避免了沖突的發(fā)生。若預(yù)定競爭時(shí)隙內(nèi)仍 有沖突發(fā)生，則發(fā)生沖突的節(jié)點(diǎn)在接下來的時(shí)隙重新發(fā)送確認(rèn)幀。
步驟六節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)
圖6表示了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始入網(wǎng)流程和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)的流程，其中在入網(wǎng)后收發(fā) 數(shù)據(jù)流程中， 一個(gè)節(jié)點(diǎn)首先處于偵聽狀態(tài)，之后分為三種情況
(1) 當(dāng)收到確認(rèn)幀后，進(jìn)入檢測環(huán)節(jié)，定義標(biāo)志Flag,當(dāng)該節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送時(shí)隙時(shí)Flag-l ， 否則Flag=0;當(dāng)Flag-l時(shí)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)；
(2) 若該節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀，表明其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送，定義計(jì)數(shù)變量Counter從O開始 每接收一次數(shù)據(jù)遞增l，當(dāng)Counter等于該節(jié)點(diǎn)ID時(shí)該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)一 周至ID號等于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)num時(shí)，設(shè)置定時(shí)器延時(shí)7^，若；內(nèi)未收到握手幀，則繼續(xù) 新一輪的循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)；若A內(nèi)收到握手幀，則有新普通節(jié)點(diǎn)請求加入網(wǎng)絡(luò)，由ID號最大節(jié) 點(diǎn)為其分配ID，之后繼續(xù)循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)；
(3) 若該節(jié)點(diǎn)收到控制幀，處理情況與步驟四一樣。
當(dāng)存在預(yù)約機(jī)制時(shí)，入網(wǎng)時(shí)運(yùn)行方式的主要區(qū)別在于全網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的相應(yīng)調(diào)整有 所不同。在大于10個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，新普通節(jié)點(diǎn)的加入必然使得原來占有預(yù)置時(shí)隙的某個(gè) 節(jié)點(diǎn)放棄該預(yù)置時(shí)隙，作為if加入節(jié)點(diǎn)的固定時(shí)隙。這里的轉(zhuǎn)讓完全是按照節(jié)點(diǎn)的發(fā)送ID來 進(jìn)行的，同時(shí)別的節(jié)點(diǎn)也要作相應(yīng)的包括計(jì)數(shù)等方面的調(diào)整。
以上為節(jié)點(diǎn)入隊(duì)全過程，至此網(wǎng)絡(luò)已能穩(wěn)定運(yùn)行，但對應(yīng)于無人飛行器編隊(duì)的應(yīng)用背景， 無人飛行器存在飛出通信區(qū)域或墜毀的可能性，因而在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中會(huì)涉及節(jié)點(diǎn)離隊(duì)，數(shù) 據(jù)鏈能夠在任何一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)離隊(duì)后其余節(jié)點(diǎn)仍能正常穩(wěn)定的收發(fā)數(shù)據(jù)。
2.節(jié)點(diǎn)離隊(duì)流程
節(jié)點(diǎn)離隊(duì)流程示意圖如圖7所示，分為節(jié)點(diǎn)丟失和節(jié)點(diǎn)主動(dòng)離隊(duì)。某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)， 其后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)丟失判定檢測，若判斷該節(jié)點(diǎn)丟失，則將其歸入暫時(shí)離隊(duì)狀態(tài)，設(shè)置等 待時(shí)間Td,等待Td后確認(rèn)該節(jié)點(diǎn)離隊(duì)，這種情況為節(jié)點(diǎn)丟失，處理流程為步驟a和步驟b; 若節(jié)點(diǎn)需要脫離網(wǎng)絡(luò)，也能主動(dòng)申請離隊(duì)，處理流程為步驟c。步驟a:節(jié)點(diǎn)丟失判定
網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)IDx發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后馬上啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，該
定時(shí)器為從當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)預(yù)留發(fā)送時(shí)隙，若定時(shí)時(shí)間到仍未收到下 一節(jié)點(diǎn)IDx+l發(fā)送的數(shù)據(jù)，則可認(rèn)定節(jié)點(diǎn)IDx+l丟失。 步驟b:節(jié)點(diǎn)暫時(shí)離隊(duì)
考慮到節(jié)點(diǎn)的暫時(shí)性的離隊(duì)的情況，對上述方法加以補(bǔ)充。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，如步 驟a所述，當(dāng)其余節(jié)點(diǎn)等待Td時(shí)間后仍未收到IDx+l發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，可認(rèn)定節(jié)點(diǎn)IDx+l 丟失，但此時(shí)暫不發(fā)送公告幀調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送ID,只執(zhí)行計(jì)數(shù)器加l,這時(shí)仍為可能 已退出的節(jié)點(diǎn)IDx+l留出位置，若計(jì)數(shù)器連續(xù)統(tǒng)計(jì)n次，如n-lO，仍未收到前面節(jié)點(diǎn)信息， 則這時(shí)發(fā)送公告幀以調(diào)整節(jié)點(diǎn)ID。計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)次數(shù)n可根據(jù)用戶對于數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)性要求進(jìn)行 設(shè)置，n越小則數(shù)據(jù)鏈越敏感。
步驟c:主動(dòng)離隊(duì)申請
主動(dòng)申請離隊(duì)的節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送公告幀，告知其余節(jié)點(diǎn)目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)，
同時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送ID。這樣，即使任^r時(shí)刻有任意個(gè)節(jié)點(diǎn)退出均對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的
通信不構(gòu)成影響，增加了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對突發(fā)錯(cuò)誤的可靠性。
權(quán)利要求
1、一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，其特征在于，該方法包括節(jié)點(diǎn)入隊(duì)流程和節(jié)點(diǎn)離隊(duì)流程兩部分，其中的節(jié)點(diǎn)入隊(duì)流程包括如下步驟步驟一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)鏈設(shè)置為對等網(wǎng)模式；步驟二定義節(jié)點(diǎn)的信息幀1)握手幀握手幀是用于各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)的信息格式；第一管理節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)初始組網(wǎng)時(shí)發(fā)送握手幀，尋找網(wǎng)絡(luò)中的第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)，并形成聯(lián)系；2)確認(rèn)幀確認(rèn)幀是用于普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的信息格式；在初始組網(wǎng)階段，第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)接收到握手幀時(shí)發(fā)送確認(rèn)幀，與第一管理節(jié)點(diǎn)形成初始網(wǎng)絡(luò)；在網(wǎng)絡(luò)已形成階段，第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)階段到來時(shí)發(fā)送確認(rèn)幀，加入已形成網(wǎng)絡(luò)；3)控制幀控制幀是第一管理節(jié)點(diǎn)對要求加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)的信息格式；第一管理節(jié)點(diǎn)在收到第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀后發(fā)送控制幀，用控制幀作為第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的確認(rèn)回復(fù)；4)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信息格式；節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，各無人飛行器實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔?nèi)容包含于數(shù)據(jù)幀中；5)公告幀公告幀是全網(wǎng)信息通告的信息格式；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)丟失后發(fā)送公告幀，將信息通告網(wǎng)內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)；步驟三初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入針對基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入，存在下面幾種場景1)當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，包括初始組網(wǎng)時(shí)的入網(wǎng)和單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入已有網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面，此時(shí)進(jìn)入步驟四；2)當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)入步驟五；步驟四單節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)在初始入網(wǎng)流程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)首先處于偵聽狀態(tài)，定義偵聽延時(shí)Ts，若Ts內(nèi)未接收到信息，則主動(dòng)廣播，廣播后繼續(xù)偵聽并依此循環(huán)；當(dāng)收到信息后有如下四種情況1)若該節(jié)點(diǎn)收到來自第一管理節(jié)點(diǎn)的握手幀，則發(fā)送確認(rèn)幀之后繼續(xù)偵聽；2)若該節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀則進(jìn)行相鄰幀檢測，若間隔小于預(yù)設(shè)值T0則保持檢測，若間隔大于預(yù)設(shè)值T0，隨機(jī)發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)握手信號，由已有網(wǎng)絡(luò)的第一管理節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該握手信號，為新加入節(jié)點(diǎn)分配ID；3)若該節(jié)點(diǎn)收到控制幀，則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ID分配并加入網(wǎng)絡(luò)；4)若該節(jié)點(diǎn)為第一管理節(jié)點(diǎn)，則只會(huì)收到來自第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀，之后該管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀，允許普通節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)；組網(wǎng)后，第一普通節(jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)按照入網(wǎng)時(shí)管理節(jié)點(diǎn)分配的ID輪流收發(fā)數(shù)據(jù)，新節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)；步驟五多個(gè)節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)采用沖突避免機(jī)制當(dāng)?shù)谝黄胀ü?jié)點(diǎn)和第n普通節(jié)點(diǎn)同時(shí)入網(wǎng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)收到握手信號后，如果偵聽到信道空閑，并不馬上發(fā)送數(shù)據(jù)，而是在預(yù)定的多個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)的選擇一個(gè)發(fā)送；若預(yù)定競爭時(shí)隙內(nèi)仍有沖突發(fā)生，則發(fā)生沖突的節(jié)點(diǎn)在接下來的時(shí)隙重新發(fā)送確認(rèn)幀；步驟六節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)在入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)流程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)首先處于偵聽狀態(tài)，之后分為三種情況(1)當(dāng)收到確認(rèn)幀后，進(jìn)入檢測環(huán)節(jié)，定義標(biāo)志Flag，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送時(shí)隙時(shí)Flag＝1，否則Flag＝0；當(dāng)Flag＝1時(shí)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)；(2)若該節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀，表明其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送，定義計(jì)數(shù)變量Counter從0開始每接收一次數(shù)據(jù)遞增1，當(dāng)Counter等于該節(jié)點(diǎn)ID時(shí)該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)一周至ID號等于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)num時(shí)，設(shè)置定時(shí)器延時(shí)T1，若T1內(nèi)未收到握手幀，則繼續(xù)新一輪的循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)；若T1內(nèi)收到握手幀，則有新普通節(jié)點(diǎn)請求加入網(wǎng)絡(luò)，由ID號最大節(jié)點(diǎn)為其分配ID，之后繼續(xù)循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)；(3)若該節(jié)點(diǎn)收到控制幀，處理情況與步驟四一樣；所述的節(jié)點(diǎn)離隊(duì)分為節(jié)點(diǎn)丟失和節(jié)點(diǎn)主動(dòng)離隊(duì)；某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)丟失判定檢測，若判斷該節(jié)點(diǎn)丟失，則將其歸入暫時(shí)離隊(duì)狀態(tài)，設(shè)置等待時(shí)間Td，等待Td后確認(rèn)該節(jié)點(diǎn)離隊(duì)，這種情況為節(jié)點(diǎn)丟失，處理流程為步驟a和步驟b；若節(jié)點(diǎn)需要脫離網(wǎng)絡(luò)，也能主動(dòng)申請離隊(duì)，處理流程為步驟c；步驟a節(jié)點(diǎn)丟失判定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)IDx發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后馬上啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，該定時(shí)器為從當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)預(yù)留發(fā)送時(shí)隙，若定時(shí)時(shí)間到仍未收到下一節(jié)點(diǎn)IDx+1發(fā)送的數(shù)據(jù)，則認(rèn)定節(jié)點(diǎn)IDx+1丟失；步驟b節(jié)點(diǎn)暫時(shí)離隊(duì)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，如步驟a所述，當(dāng)其余節(jié)點(diǎn)等待Td時(shí)間后仍未收到IDx+1發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，認(rèn)定節(jié)點(diǎn)IDx+1丟失，但此時(shí)暫不發(fā)送公告幀調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送ID，只執(zhí)行計(jì)數(shù)器加1，這時(shí)仍為可能已退出的節(jié)點(diǎn)IDx+1留出位置，若計(jì)數(shù)器連續(xù)統(tǒng)計(jì)n次，如n＝10，仍未收到前面節(jié)點(diǎn)信息，則這時(shí)發(fā)送公告幀以調(diào)整節(jié)點(diǎn)ID；計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)次數(shù)n根據(jù)用戶對于數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)性要求進(jìn)行設(shè)置，n越小則數(shù)據(jù)鏈越敏感；步驟c主動(dòng)離隊(duì)申請主動(dòng)申請離隊(duì)的節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送公告幀，告知其余節(jié)點(diǎn)目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送ID。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，其特征在于 所述的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)包括第一普通節(jié)點(diǎn)(1)、第n普通節(jié)點(diǎn)(2)、第一管理節(jié)點(diǎn)(3)、第二管 理節(jié)點(diǎn)(4)和中繼節(jié)點(diǎn)(5)，其中第一普通節(jié)點(diǎn)(1)、第n普通節(jié)點(diǎn)(2)、第一管理節(jié)點(diǎn)(3)和中繼節(jié)點(diǎn)(5)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，第二管理節(jié)點(diǎn)(4)屬于另一網(wǎng)絡(luò)；各節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù) 接口，第二接口 (J2)為信令接口；第一普通節(jié)點(diǎn)(1)與第n普通節(jié)點(diǎn)(2)通過第一接口(Jl)相連，傳遞數(shù)據(jù)信息；第一普通節(jié)點(diǎn)(1)與第一管理節(jié)點(diǎn)(3)通過第一接口 (Jl) 和第二接口 (J2)連接，傳遞數(shù)據(jù)信息和指令信息；中繼節(jié)點(diǎn)(5)位于第n普通節(jié)點(diǎn)(2) 與第一管理節(jié)點(diǎn)(3)之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，中繼節(jié)點(diǎn)(5)與第n普通節(jié)點(diǎn)(2)之間通過 第一接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接，中繼節(jié)點(diǎn)(5)與第一管理節(jié)點(diǎn)(3)之間通過第 一接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接；第一管理節(jié)點(diǎn)(3)與第二管理節(jié)點(diǎn)(4)通過第一 接口 (Jl)和第二接口 (J2)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，其特征在 于所述的第一普通節(jié)點(diǎn)(1)、第n普通節(jié)點(diǎn)(2)、第一管理節(jié)點(diǎn)(3)和中繼節(jié)點(diǎn)(5)組 成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，依靠廣播路由形式進(jìn)行信息交換，第一節(jié)點(diǎn)(6)、第二節(jié)點(diǎn)(7)、第三節(jié)點(diǎn)(8)、第四節(jié)點(diǎn)(9)、第五節(jié)點(diǎn)(10)、第六節(jié)點(diǎn)(11)、第七節(jié)點(diǎn)(12).......、第n節(jié)點(diǎn)(13)組成一個(gè)閉環(huán)，依次進(jìn)行廣播發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)按照ID最小原則指定第一節(jié)點(diǎn)(6)作為第一管理 節(jié)點(diǎn)(3)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理，保障在各種情況下網(wǎng)絡(luò)的安全；其余節(jié)點(diǎn)為第一普通節(jié)點(diǎn)(1)至第n普通節(jié)點(diǎn)(2)，除正常收發(fā)數(shù)據(jù)外，還按照ID遞增順序原則進(jìn)行管理節(jié)點(diǎn)的繼承，使得在第一管理節(jié)點(diǎn)(3)丟失后立即生成新的第一管理節(jié)點(diǎn)(3)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，其特征在于 所述的時(shí)隙設(shè)置為第一時(shí)隙(l4)、第二時(shí)隙(15)、第三時(shí)隙(16)、第四時(shí)隙(17)、 第五時(shí)隙(18)、……、第n時(shí)隙(19)和預(yù)置時(shí)隙(20)組成一個(gè)閉環(huán)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其 ID號占用對應(yīng)的時(shí)隙，其中第一時(shí)隙(14)供第一節(jié)點(diǎn)(6)也就是第一管理節(jié)點(diǎn)(3)占 用，第二時(shí)隙(15)至第n時(shí)隙(19)分別供第一普通節(jié)點(diǎn)(1)至第n普通節(jié)點(diǎn)(2)占 用；各節(jié)點(diǎn)根據(jù)其在時(shí)隙中的排序輪流發(fā)送自身信息，直到將信息發(fā)完； 一輪發(fā)送結(jié)束后， 留有一個(gè)報(bào)文長度的預(yù)置時(shí)隙，用于一些節(jié)點(diǎn)發(fā)送最高優(yōu)先級別信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無人飛行器自主編隊(duì)的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方法，該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提供在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下信息的高速高更新率共享。首先設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)，然后定義節(jié)點(diǎn)的信息幀，接著進(jìn)行初始組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)加入，執(zhí)行單節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)，最后節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收發(fā)數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于常見單信道無線數(shù)傳電臺，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈自主組網(wǎng)和信息收發(fā)的全部功能。組網(wǎng)方法可讓多個(gè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中自主加入網(wǎng)絡(luò)并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；數(shù)據(jù)鏈具備較好的容錯(cuò)能力，節(jié)點(diǎn)可自主離隊(duì)而不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；解決了單信道條件下節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)碰撞，提高了多節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng)的能力，使得數(shù)據(jù)鏈在短時(shí)間內(nèi)即可穩(wěn)定運(yùn)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(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者冀湘予, 星 劉, 吳森堂, 唐積強(qiáng), 健 孫, 張有光, 琛 彭, 陽 杜, 穆曉敏 申請人:北京航空航天大學(xué)