一種基于ieee 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)，用于實現(xiàn)由小衛(wèi)星構成的星簇，以及小衛(wèi)星構成的編隊飛行等應用場景進行組網(wǎng)通信。
【背景技術】
[0002]由小衛(wèi)星組成編隊或者星簇之類的小衛(wèi)星集群進行協(xié)同工作，是未來小衛(wèi)星發(fā)展的趨勢之一。構成編隊或者星簇的各衛(wèi)星節(jié)點為協(xié)同完成任務，需要有相互通信的能力。以往的星間通信主要是點對點的單一星間鏈路通信，隨著星簇和編隊的規(guī)模增大(節(jié)點數(shù)目大于3個時)，單一的點對點通信已經(jīng)不滿足其通信需求。為了實現(xiàn)編隊和星簇中任意衛(wèi)星節(jié)點之間的通信，需要建立高效的網(wǎng)絡通信機制。各衛(wèi)星節(jié)點通過星間網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，從而滿足編隊和星簇應用場景中各小衛(wèi)星節(jié)點日益增長的信息交互和信息融合需求。
[0003]小衛(wèi)星集群內(nèi)的通信需求主要是用于集群中各節(jié)點的短距離數(shù)據(jù)交互:包括測控數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)。前者有較強的實時性要求。在小衛(wèi)星集群內(nèi)，由這些衛(wèi)星節(jié)點構成的網(wǎng)絡拓撲可能隨著任務需求而不斷變化的(如編隊和星簇的總體構型改變，衛(wèi)星節(jié)點因故障或者運動加入或者退出某個網(wǎng)絡，或者改變編隊或者星簇的空間構型)。這就需要網(wǎng)絡能夠適應這些需求，能自適應地組建網(wǎng)絡、更新網(wǎng)絡，從而保證各衛(wèi)星節(jié)點的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中有效流動。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個衛(wèi)星節(jié)點作為中心節(jié)點，對各衛(wèi)星間的組網(wǎng)和通信進行控制，并且各衛(wèi)星節(jié)點通過IEEE 802.11協(xié)議中的CSMA/CA模式共享物理信道，從而實現(xiàn)編隊和星簇中任意衛(wèi)星節(jié)點之間的通信，滿足編隊和星簇應用場景中各小衛(wèi)星節(jié)點日益增長的信息交互和信息融合需求。
[0005]本發(fā)明的上述目的通過如下的技術解決方案實現(xiàn):
[0006]—種基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)，包括一個中心衛(wèi)星節(jié)點和若干個普通衛(wèi)星節(jié)點，中心衛(wèi)星節(jié)點對各衛(wèi)星節(jié)點的組網(wǎng)和通信進行控制，且各衛(wèi)星節(jié)點通過IEEE 802.11協(xié)議中的CSMA/CA模式共享物理信道進行通信，其中，中心衛(wèi)星節(jié)點以CSMA/CA模式定義的PIFS幀間隔訪問物理信道，普通衛(wèi)星節(jié)點以CSMA/CA模式定義的DIFS幀間隔訪問物理信道。
[0007]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，物理信道對應的邏輯信道包括組網(wǎng)信道和數(shù)據(jù)通信信道，其中:在設定的組網(wǎng)周期內(nèi)，中心衛(wèi)星節(jié)點控制組網(wǎng)信道進行組網(wǎng)操作和入網(wǎng)登記；在設定的數(shù)據(jù)通信周期內(nèi)，中心衛(wèi)星節(jié)點和普通衛(wèi)星節(jié)點工作于數(shù)據(jù)通信信道，其中，中心衛(wèi)星節(jié)點首先對網(wǎng)絡內(nèi)的各普通衛(wèi)星節(jié)點按順序進行測控輪詢，在測控輪詢結束后，各衛(wèi)星節(jié)點開始進行數(shù)據(jù)通信業(yè)務。
[0008]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，在組網(wǎng)初始時刻，或中心衛(wèi)星節(jié)點接收到地面發(fā)送的重新組網(wǎng)指令時，開啟組網(wǎng)周期，即中心衛(wèi)星節(jié)點開始控制組網(wǎng)信道進行組網(wǎng)操作和入網(wǎng)登記。
[0009]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，中心衛(wèi)星節(jié)點控制組網(wǎng)信道進行組網(wǎng)操作和入網(wǎng)登記，具體實現(xiàn)過程如下:
[0010](1)、中心衛(wèi)星節(jié)點廣播發(fā)送組網(wǎng)信標幀到普通衛(wèi)星節(jié)點；
[0011](2)、普通衛(wèi)星節(jié)點監(jiān)聽到中心衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送的組網(wǎng)信標幀后，如果決定加入網(wǎng)絡，則采用CSMA/CA模式搶占組網(wǎng)信道，并發(fā)送關聯(lián)請求幀到中心衛(wèi)星節(jié)點；
[0012](3)、中心衛(wèi)星節(jié)點收到普通衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送的關聯(lián)請求幀后，對所述普通衛(wèi)星節(jié)點進行身份驗證，并根據(jù)身份校驗結果和當前的網(wǎng)絡容量，判決是否允許所述普通衛(wèi)星節(jié)點加入網(wǎng)絡；
[0013](4)、中心衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送關聯(lián)申請反饋幀到申請入網(wǎng)普通衛(wèi)星節(jié)點，通知所述普通衛(wèi)星節(jié)點是否可以入網(wǎng)；其中，中心衛(wèi)星節(jié)點對允許入網(wǎng)的普通衛(wèi)星節(jié)點進行順序編號，并在組網(wǎng)管理信息庫中記錄所述普通衛(wèi)星節(jié)點的信息參數(shù)。
[0014]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，中心衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送的組網(wǎng)信標幀中的信息包括:網(wǎng)絡名稱、組網(wǎng)信標幀發(fā)送周期、網(wǎng)絡剩余容量、信道及物理層參數(shù)、中心衛(wèi)星節(jié)點軌道及姿態(tài)參數(shù)。
[0015]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，普通衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送的關聯(lián)請求幀中的信息包括:所述普通衛(wèi)星節(jié)點身份驗證信息和所述普通衛(wèi)星節(jié)點當前軌道及姿態(tài)參數(shù)。
[0016]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，中心衛(wèi)星節(jié)點對入網(wǎng)的各普通衛(wèi)星節(jié)點進行測控輪詢的具體實現(xiàn)方法如下:在設定的測控周期內(nèi)，中心衛(wèi)星節(jié)點依次對網(wǎng)絡中的普通衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送測控輪詢幀，并且中心衛(wèi)星節(jié)點在發(fā)出一個測控輪詢幀后等待一個設定周期T，在所述周期T內(nèi)等待普通衛(wèi)星節(jié)點反饋的測控信息，然后在等待周期T結束后再發(fā)送另一個測控輪詢幀到下一個普通衛(wèi)星節(jié)點，依次完成網(wǎng)絡內(nèi)的所有普通衛(wèi)星節(jié)點的測控輪詢，然后廣播發(fā)送測控段結束信標；普通衛(wèi)星節(jié)點接收到所述測控段結束信標后，開始進行普通衛(wèi)星節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。
[0017]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，如果普通衛(wèi)星節(jié)點在Μ個測控周期內(nèi)，均沒有對針對測控輪詢幀反饋自己的測控信息，則中心衛(wèi)星節(jié)點判斷所述普通衛(wèi)星節(jié)點不在本網(wǎng)絡內(nèi)，并將所述普通衛(wèi)星節(jié)點從組網(wǎng)管理信息庫中刪除。
[0018]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，中心衛(wèi)星節(jié)點由地面站發(fā)送指令進行指定。
[0019]在上述的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，每個衛(wèi)星節(jié)點具有唯一的編號，網(wǎng)絡名稱采用中心衛(wèi)星節(jié)點的編號。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為:
[0021](1)、本發(fā)明的各衛(wèi)星節(jié)點通過IEEE 802.11協(xié)議中的CSMA/CA模式共享物理信道，從而實現(xiàn)編隊和星簇中任意衛(wèi)星節(jié)點之間進行靈活的信息交互，滿足編隊和星簇應用場景中各小衛(wèi)星節(jié)點日益增長的信息交互和信息融合需求；
[0022](2)、在本發(fā)明的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，中心衛(wèi)星節(jié)點以PIFS幀間隔訪問物理信道，普通衛(wèi)星節(jié)點以DIFS幀間隔訪問物理信道，由于PIFS相對于DIFS具有更短的幀間間隔，因此中心衛(wèi)星節(jié)點具有更高的優(yōu)先級占用物理信道，從而有利于中心衛(wèi)星節(jié)點控制普通衛(wèi)星節(jié)點進行組網(wǎng)和通信，有利于地面實時調(diào)整通信網(wǎng)絡規(guī)模和通信時段。
【附圖說明】
[0023]圖1為CSMA/CA協(xié)議中載波檢測多址接入模式的工作時序示意圖；
[0024]圖2為CSMA/CA中幀間隔SIFS/PIFS/DIFS的定義示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明中中心衛(wèi)星節(jié)點在組網(wǎng)周期內(nèi)的工作時序示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明中普通衛(wèi)星節(jié)點在組網(wǎng)周期內(nèi)的工作時序示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明中組網(wǎng)信標幀的內(nèi)容格式示意圖；
[0028]圖6為本發(fā)明中關聯(lián)請求幀的內(nèi)容格式示意圖；
[0029]圖7為本發(fā)明中組網(wǎng)管理信息庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容示意圖；
[0030]圖8為本發(fā)明中數(shù)據(jù)通信信道工作時序示意圖；
[0031]圖9為本發(fā)明中中心衛(wèi)星節(jié)點在數(shù)據(jù)通信周期內(nèi)的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述:
[0033]本發(fā)明提供的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)，用于實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點通過星間網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信?？紤]到小衛(wèi)星集群的星間組網(wǎng)通信模式與地面MANET (Mobile Ad hoc Network)的相似性，本發(fā)明采用類似方法來構建小衛(wèi)星集群網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層從而屏蔽各種動態(tài)因素，為各節(jié)點的數(shù)據(jù)交互提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通路。在考慮MAC(Media Access Control)層機制時，參考了 IEEE 802.11的DCF模式和PCF模式，并針對空間應用進行了相應修改。其中，IEEE 802.11支持兩個MAC協(xié)議:
[0034]基本型的分布式協(xié)調(diào)功能(DCF，DistributedCoordinat1n Funct1n):其核心機制是帶沖突避免的載波檢測多址接入(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Accesswith Collis1n Avoidance)協(xié)議，如圖1所示。CSMA/CA協(xié)議通過握手機制、載波偵聽機制、幀間間隔和隨機回退機制，控制共享單信道模式下數(shù)據(jù)報文的沖突。比如:采用RTS-CTS-DATA-ACK四次握手機制完成分布式數(shù)據(jù)業(yè)務的接入，可基本解決隱藏終端和暴露終端問題?？蛇x的點協(xié)調(diào)功能(PCF，Pointed Coordinat1n Funct1n):必須依托DCF功能，才能支持實時業(yè)務傳輸。
[0035]此外，IEEE 802.11支持虛擬載波偵聽功能，主要是通過網(wǎng)絡分配向量(NAV，Network Allocat1n Vector)來實現(xiàn)。首先，NAV可用于記錄一個當前正在進行的數(shù)據(jù)傳輸將占用信道的時間。節(jié)點在接收到其他節(jié)點之間交換的報文時，根據(jù)報文頭中的Durat1n字段值設置各自的NAV。然后，NAV作為一個倒數(shù)定時器工作。當NAV不為零時，表明:信道正在被他人占用。若NAV為零，則信道空閑，節(jié)點可以競爭信道。在CSMA/CA中，PIFS為點協(xié)調(diào)幀間隔，DIFS為分布式協(xié)調(diào)幀間隔，由圖2給出的PIFS和DIFS的定義可以看出，PIFS比DIFS對應的時間要短，因此采用PIFS作為等待時隙的節(jié)點相對于采用DIFS作為等待時隙的節(jié)點，可以更快地搶占信道。
[0036](—)、系統(tǒng)組成
[0037]本發(fā)明的基于IEEE 802.11協(xié)議的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)，包括一個中心衛(wèi)星節(jié)點和若干個普通衛(wèi)星節(jié)點，每個衛(wèi)星節(jié)點都有一個編號或地址，該編號或地址可以唯一標識該節(jié)點。在本發(fā)明的小衛(wèi)星集群通信系統(tǒng)中，各衛(wèi)星節(jié)點通過IEEE 802.11協(xié)議中的CSMA/CA模式共享物理信道進行通信，其中:中心衛(wèi)星節(jié)點由地面站進行指定，用來協(xié)調(diào)調(diào)度整個網(wǎng)絡的運行，其以CSMA/CA模式定義的PIFS幀間隔訪問物理信道，而普通衛(wèi)星節(jié)點的通信受制于中心衛(wèi)星節(jié)點，其以CSMA/CA模式定義的DIFS幀間隔訪問物理信道。由于PIFS幀間隔比DIFS幀間隔短，因此