一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法

摘要

一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，本方法以TDMA为基础，设计了一种局部协商、中心辅助、模式可变、系统可扩展的信道共享方法，将系统对信道的共享过程分为三个阶段：协商阶段、无冲突传输阶段和调整阶段。各阶段含义分别为：1、协商阶段，各卫星与周围的卫星进行局部的时隙资源协商，确定自己可以占用的时隙；2、无冲突数据传输阶段，各卫星在自己协商获得的时隙里传输数据；3、更新阶段，实现网络拓扑变化时的时隙占用。本发明针对分布式可重构航天器规模不大、根据任务需求变换队形的特点，有效地解决了小卫星集群对信道的共享问题。该方法尤其适合多跳的网络场景，对于分布式小卫星系统具有较强的针对性与适应性。

说明书

技术领域

本发明的一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，属于卫星网络通信技术领域，特别是小卫星集群网络领域。

背景技术

国内外针对相关系统设计的信道共享方法如下：

(1)F6WICS

F6WICS是由美国西南研究院(Southwest Research Institute，SwRI)针对F6计划提出的系统设计方案。其中，在信道共享机制方面该文献设计了一种基于TDMA的中心式信道共享方式，通过轮询主节点、轮询需求的方式实现集中式的信道资源分配。该方法是典型的集中式信道分配方法，在可扩展性上有一定的局限性。

(2)基于IEEE 802.11s的模块航天器信道共享方法

F6的学术科研团队雷神BBN技术公司(Raytheon BBN Technologies)提出了一种基于IEEE 802.11s的系统设计方案。其设计的前提是各模块配置了多个收发信机、多个天线，模块间通过方向性天线实现对信道的复用与共享。多信道、多收发信机、多天线的设计虽然提高了系统的信道利用率，但是也带来了很大的开销和实现复杂度。

(3)负载自适应媒介访问控制方法

LDMA协议是用TDMA时隙分配思想指导网络的竞争，LDMA协议融合了CSMA和TDMA的优点，该协议的自适应能力表现在：在轻度负载条件下表现为类似CSMA协议，在激烈竞争条件下表现为类似TDMA协议。LDMA协议使用CSMA协议作为基本的MAC层接入控制协议，同时使用TDMA传输时间安排作为提高竞争的手段。与传统的TDMA协议不同的是，小卫星节点可以在LDMA协议的任何时刻发送数据。在信道冲突不严重时，小卫星节点在每个时隙都侦听信道，若信道空闲，才可以发送数据分组。时隙的占有节点在访问信道时比时隙的非占有节点优先权高。通过竞争实现对未使用时隙的占用，提高网络吞吐量。

这种自适应的方式使得信道接入机制具有一定的灵活性，但是，其冲突严重程度的判别方式较为模糊，使得系统在自适应程度上有局限性。此外，在对未使用时隙的占用方式上，未能有效避免多个节点同时发送导致的碰撞。

(4)基于IEEE 802.11的小卫星集群的星间组网通信方法

在该方法中，系统首先指定中心节点和普通节点，中心节点为网络的中心，周期性发送信标帧，普通节点捕获到信标信息后，请求关联，中心节点通过身份校验和网络容量判别决定是否允许该节点的加入，并反馈请求结果。中心节点轮询各个普通节点，被轮询到的节点发送通信数据。这种星间组网通信方法是针对星型的星间网络设计的，借鉴了IEEE 802.11的设计思想。但是，星间对信道的共享是以中心节点轮询的方式实现的，灵活性较差，对中心节点的依赖使得其成为系统性能的瓶颈。

通过对以上文献/专利的描述可见，现有的对小卫星集群组网的研究多以中心控制的方式为主，这容易造成中心的瓶颈。此外，在对信道的共享方式上较为固定，灵活性较差。本发明设计的信道共享方法通过成员协商实现对信道的共享，具有一定的新颖性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，本发明有效地解决了分布式小卫星系统对信道的共享问题，提供在队形变换、响应任务等不同网络形态下的可靠信道共享，对于分布式小卫星系统的特殊应用场景及特点具有较强的针对性与适应性。

本发明的技术解决方案是：一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，包括开机建网阶段、协商阶段、无冲突传输阶段和调整阶段。

所述开机建网步骤如下：

(1)卫星入轨后接收遥控指令，通信载荷开机。开机后侦听，侦听期间仅接收信号而不发射任何信号，侦听无线环境中中心节点的同步信号，如果捕获到了同步信号，则进入步骤(2)；如果没有捕获到同步信号，则将卫星默认为中心节点并开始建网。中心节点按照自己的时间将时间轴分为重复的帧,每帧由若干时隙及帧尾组成,时隙的编号从0开始，依次顺序排列,在建网时,每个时隙均为空闲时隙,中心节点默认占用时隙0；帧尾包括若干个微时隙，微时隙的编号从0开始，依次顺序排列.中心节点在每个时隙的开始发送广播信息；

所述的广播信息包括同步头、传输阶段标志、当前时隙编号和当前帧中的时隙个数。设置传输阶段标志包括0和1两种，0表示当前帧的状态在无冲突传输阶段，1表示当前帧的状态在协商阶段；

所述协商阶段步骤如下：

(2)卫星节点在某个时隙捕获到同步信息后，读取广播信息中的传输阶段标志，如果传输阶段标志位0,则当前处在无冲突传输阶段，进入步骤(3)；如果传输阶段标志位1,则当前处在协商阶段，此卫星节点在该时隙参与协商过程,并将这个卫星节点称为协商卫星。

所述的协商过程的具体步骤为：

步骤2-1：协商卫星在中心节点发送的广播信息结束后，为了避免多个协商卫星在同一时刻参与协商，先随机退避一段时间.如果协商卫星在退避时收到了除中心节点以外的其它卫星节点的数据包，则退出本时隙的协商,返回步骤(2)；如果协商卫星在退避结束时,没有收到任何数据包,则进行步骤2-2；

步骤2-2：协商卫星广播NREQ报文，所述的NREQ报文表示基于协商的请求报文，所述的NREQ报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、发送NREQ报文的节点ID域、校验域和报文结束标志域，进行步骤2-3；

步骤2-3：如果有卫星节点收到NREQ报文,则这些收到NREQ报文的节点随机退避后回复NREP报文，以避免多个卫星节点收到NREQ报文后同时回复NREP而发生碰撞。所述的NREP报文表示基于协商的应答报文，所述的NREP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、发送NREP报文的节点ID域、表示该节点占用时隙号的占用时隙号域、标记在发送NREP报文的卫星通信范围内的卫星节点，即其一跳邻节点，占用时隙号的域、校验域和报文结束标志域，进行步骤(2-4)；

步骤2-4：协商卫星在收集到了周围卫星节点反馈的NREP报文后，记录其中包含的时隙占用信息，即发送NREP报文卫星的占用时隙号和发送NREP报文卫星的一跳邻节点卫星的占用时隙号，进行步骤(2-5)；

步骤2-5：协商卫星收集完周围卫星时隙占用信息后，选取除时隙0外的未被占用的编号最小的时隙作为协商卫星的时隙，进行步骤2-6；

步骤2-6：协商卫星广播NOTIFP报文，所述的NOTIFP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、协商卫星的节点ID域、表示协商卫星协商到时隙的占用时隙号域、标记协商卫星一跳邻节点占用时隙号的域、校验域和报文结束标志域，进行步骤2-7；

步骤2-7：收到NOTIFP报文的节点记录NOTIFP中包含的时隙占用信息,即发出NOTIFP报文的协商卫星的占用时隙号和协商卫星一跳邻节点占用时隙号，进行步骤2-8；

步骤2-8：每个协商卫星都有唯一的ID号，协商卫星在当前时隙所在帧的帧尾与自己ID号对应的微时隙中发送FBP报文给中心节点，所述的FBP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、协商卫星节点ID域、表示其是否成功协商到时隙的域、标记协商到时隙号的时隙号域、校验域和报文结束标志域，进行步骤2-9；

步骤2-9：中心节点根据步骤(2-8)收集到的FBP报文，判别协商过程是否可以结束.判断准则为,如果连续三个帧的帧尾所有节点反馈的协商到的时隙号均未发生变化，则协商过程结束，进入步骤(3)；如果不是连续三个帧的帧尾所有节点反馈的协商到的时隙号未发生变化，返回步骤(2)。由于协商过程中引入退避带来的随机性，使得节点协商的过程会很快收敛，通过仿真表明，收敛时间是秒级的。

所述无冲突传输阶段步骤如下：

(3)中心节点以各节点协商到时隙号的最大值为基础,再预留几个时隙以备后续加入节点使用，根据节点协商到最大时隙号和预留的时隙个数的和，确定时隙个数，这一时隙个数信息由中心节点在时隙0中广播。帧尾中微时隙的个数以当前网络中节点的个数为基数再预留几个微时隙.在无冲突传输阶段，除中心节点以外的节点通过读取时隙0中中心节点广播的同步标志域获知帧的开始；读取传输阶段标志位为1，确认网络进入无冲突传输阶段；读取时隙个数域获得当前帧中的时隙个数，并在步骤(2)中协商到的时隙中发送数据包。在预留的时隙中，中心节点仍然广播同步信息、传输状态标志、时隙个数和当前时隙编号信息，供新加入节点捕获。

至此，卫星网络中各个成员均通过协商获得了时隙，并能够在协商到的时隙中发送数据包，实现信道共享。

所述调整阶段步骤如下：

从卫星网络收到队形变换指令到队形变换就绪的过程系统成员的位置都在不断变化，将这个队形变换的过程称为调整阶段。调整阶段是由中心节点广播信息的传输阶段标志域标记的。网络中每帧时隙的个数将调整为网络中卫星的个数，每个卫星节点默认在自己ID号对应的时隙中传输数据，即ID为0的卫星占用时隙0，ID为1的卫星占用时隙1，依此类推。

当队形变换就绪后，网络由中心节点控制再次进入步骤(2)。

如果网络在各个成员均通过协商后有新的卫星节点加入，还包括新节点入网阶段步骤如下：

新的卫星节点捕获到中心节点在空闲时隙发出的同步信息后，在当前时隙完成步骤2-1到步骤2-8的操作。

如果新的卫星节点协商成功，在帧尾的微时隙中反馈协商信息，并在当前帧的后续帧中占用协商到的时隙；

如果新的卫星节点没有协商成功，则继续在空闲时隙中参与协商，并在帧尾的微时隙中反馈协商结果；

如果中心节点判别新节点始终无法协商到时隙后重新发起协商过程，返回步骤(2)。

在建网阶段,默认每帧由10个时隙组成，编号为0至9,帧尾由10个微时隙组成,编号为0至9。中心节点默认占用时隙0。

在进行完步骤2-4后，重复步骤2-2到步骤2-4一次后，再进行步骤2-5。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明所述的信道共享方法将信道共享方式按照网络状态分为若干个阶段，相对于现有的技术，在自主性和可操作性上有了很大提高。这种信道共享方法既能给信道共享带来很大的灵活性，提供自主的、按需的信道共享方式，又针对新加入成员及队形变换等特殊情况进行了针对性设计，对分布式可重构卫星集群的应用场景有较好的适应性和可行性。

(2)本发明针对新入网节点预留了空闲时隙，使得新节点可以在空闲时隙里与周围节点进行时隙协商。这种方式在不影响现有网络运行的前提下为新入网的节点提供了分布式的信道共享方式，同时还引入了退避的机制避免了多个新节点同时参与协商导致的碰撞，使得信道共享方法具有灵活性。

(3)本发明在协商时隙过程中，通过NREQ和NREP交互的方式收集周围节点的时隙占用信息。考虑到多个节点随机退避后回复NREP导致的碰撞问题，将步骤2-2到2-4重复一次，使得协商卫星收集尽可能完备的邻节点时隙占用信息。这种做法对时隙协商的准确性及有效性有好处，可以避免由于信息掌握不完备导致的时隙冲突。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明建网后帧的组成；

图3为本发明空闲时隙格式；

图4为本发明协商请求报文格式；

图5为本发明协商应答报文格式；

图6为本发明协商通告报文格式；

图7为本发明协商反馈/冲突提示报文格式；

图8为本发明协商阶段每帧传输内容示意图；

图9为本发明无冲突传输阶段每帧传输内容示意图；

图10为本发明各阶段转换关系示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，本方法以TDMA为基础，设计了一种局部协商、中心辅助、模式可变、系统可扩展的信道共享方法，将系统对信道的共享过程分为三个阶段：协商阶段、无冲突传输阶段和调整阶段。各阶段含义分别为：1、协商阶段，各卫星与周围的卫星进行局部的时隙资源协商，确定自己可以占用的时隙；2、无冲突数据传输阶段，各卫星在自己协商获得的时隙里传输数据；3、更新阶段，实现网络拓扑变化时的时隙占用。本发明针对分布式可重构航天器规模不大、根据任务需求变换队形的特点，设计了一种由多种信道共享方法相结合的多阶段信道共享方案，有效地解决了小卫星集群对信道的共享问题。该方法尤其适合多跳的网络场景，对于分布式小卫星系统具有较强的针对性与适应性。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1和图10所示，本发明一种适用于分布式可重构航天器的信道共享方法，包括开机建网阶段、协商阶段、无冲突传输阶段和调整阶段，

所述开机建网步骤如下：

(1)卫星入轨后接收遥控指令，通信载荷开机。开机后侦听，侦听期间仅接收信号而不发射任何信号，侦听无线环境中中心节点的同步信号，如果捕获到了同步信号，则进入步骤(2)；如果没有捕获到同步信号，则将卫星默认为中心节点并开始建网。中心节点按照自己的时间将时间轴分为重复的帧,每帧由若干时隙及帧尾组成,时隙的编号从0开始，依次顺序排列,在建网时,每个时隙均为空闲时隙,中心节点默认占用时隙0；帧尾包括若干个微时隙，微时隙的编号从0开始，依次顺序排列。以每帧10个时隙，帧尾10个微时隙为例，建网后帧的组成如图2所示。中心节点在每个时隙的开始发送广播信息。中心节点建网标志着网络的建立，后续节点入网后以中心节点周期性发送的广播信息作为入网的时机。

所述的广播信息包括同步头SI、传输阶段标志CP、当前时隙编号TS Index和当前帧中的时隙个数TS域。设置传输阶段标志包括0和1两种，0表示当前帧的状态在无冲突传输阶段，1表示当前帧的状态在协商阶段。入网节点通过判别广播信息中各个域的值就可以判别出网络当前处在什么状态了，并决定后续行为。

建网阶段每个时隙的状态如图3所示；

所述协商阶段步骤如下：

(2)卫星节点在某个时隙捕获到同步信息后，读取广播信息中的传输阶段标志，如果传输阶段标志位0,则当前处在无冲突传输阶段，进入步骤(3)；如果传输阶段标志位1,则当前处在协商阶段，此卫星节点在该时隙参与协商过程,并将这个卫星节点称为协商卫星。

所述的协商过程的具体步骤为：

步骤2-1：协商卫星在中心节点发送的广播信息结束后，先随机退避一段时间.如果协商卫星在退避时收到了除中心节点以外的其它卫星节点的数据包，则退出本时隙的协商,返回步骤(2)；如果协商卫星在退避结束时,没有收到任何数据包,则进行步骤2-2；当有不少于两个卫星节点同时成为协商卫星时，随机退避可以有效避免冲突，退避时间最短的协商节点获得在当前时隙的协商机会，而退避时间长的则取消在本时隙的协商行为。

步骤2-2：协商卫星广播NREQ报文，NREQ报文是时隙协商请求，该报文是广播报文。所述的NREQ报文表示基于协商的请求报文，所述的NREQ报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、发送NREQ报文的节点ID域、校验域和报文结束标志域，如图4所示，进行步骤2-3；

步骤2-3：如果有卫星节点收到NREQ报文,则这些收到NREQ报文的节点随机退避后回复NREP报文，所述的NREP报文表示基于协商的应答报文，NREP报文是点对点报文，其接收节点为协商卫星，用来向协商卫星应答。所述的NREP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、发送NREP报文的节点ID域、表示该节点占用时隙号的占用时隙号域、标记在发送NREP报文的卫星通信范围内的卫星节点，即其一跳邻节点，占用时隙号的域、校验域和报文结束标志域，如图5所示，进行步骤(2-4)；

步骤2-4：协商卫星在收集到了周围卫星节点反馈的NREP报文后，记录其中包含的时隙占用信息，即发送NREP报文卫星的占用时隙号和发送NREP报文卫星的一跳邻节点卫星的占用时隙号，进行步骤(2-5)；

步骤2-5：协商卫星收集完周围卫星时隙占用信息后，为了实现对时隙的充分复用，在进行时隙选择时应选择尽可能小的编号，故选取除时隙0外的未被占用的编号最小的时隙作为协商卫星的时隙，进行步骤2-6；。步骤2-6：通过前述NREQ和NREP报文交互，协商卫星通过NOTIFP报文向周围节点广播其协商结果。协商卫星广播NOTIFP报文，所述的NOTIFP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、协商卫星的节点ID域、表示协商卫星协商到时隙的占用时隙号域、标记协商卫星一跳邻节点占用时隙号的域、校验域和报文结束标志域，如图6所示，进行步骤2-7；

步骤2-7：收到NOTIFP报文的节点记录NOTIFP中包含的时隙占用信息,即发出NOTIFP报文的协商卫星的占用时隙号和协商卫星一跳邻节点占用时隙号，进行步骤2-8；

步骤2-8：每个协商卫星都有唯一的ID号，协商卫星在当前时隙所在帧的帧尾与自己ID号对应的微时隙中发送FBP报文给中心节点，FBP报文的作用在于将协商结果告知中心节点，便于中心节点对当前的协商状态进行判断，使得系统可以及时进入无冲突传输阶段。所述的FBP报文包含用来标记报文开始的报文头、标记报文类型的类型域、协商卫星节点ID域、表示其是否成功协商到时隙的域、标记协商到时隙号的时隙号域、校验域和报文结束标志域，如图7所示，进行步骤2-9；

步骤2-9：中心节点根据步骤(2-8)收集到的FBP报文，判别协商过程是否可以结束.判断准则为,如果连续三个帧的帧尾所有节点反馈的协商到的时隙号均未发生变化，则协商过程结束，进入步骤(3)；如果不是连续三个帧的帧尾所有节点反馈的协商到的时隙号未发生变化，返回步骤(2)。由于协商过程中引入退避带来的随机性，使得节点协商的过程会很快收敛，通过仿真表明，收敛时间是秒级的。

整个协商阶段每帧中各时隙传输内容如图8所示。

所述无冲突传输阶段步骤如下：

(3)中心节点以各节点协商到时隙号的最大值为基础,再预留几个时隙以备后续加入节点使用，根据节点协商到最大时隙号和预留的时隙个数的和，确定时隙个数，这一时隙个数信息由中心节点在时隙0中广播。帧尾中微时隙的个数以当前网络中节点的个数为基数再预留几个微时隙.在无冲突传输阶段，除中心节点以外的节点通过读取时隙0中中心节点广播的同步标志域获知帧的开始；读取传输阶段标志位为1，确认网络进入无冲突传输阶段；读取时隙个数域获得当前帧中的时隙个数，并在步骤(2)中协商到的时隙中发送数据包。为了保证新加入的节点能够获得当前网络的状态及空闲时隙信息，在预留的时隙中，中心节点仍然广播同步信息、传输状态标志、时隙个数和当前时隙编号信息，供新加入节点捕获，如图9所示。

至此，卫星网络中各个成员均通过协商获得了时隙，并能够在协商到的时隙中发送数据包，实现信道共享。

无冲突传输阶段中各时隙状态如图8所示。

所述调整阶段步骤如下：

从卫星网络收到队形变换指令到队形变换就绪的过程系统成员的位置都在不断变化，将这个队形变换的过程称为调整阶段。调整阶段是由中心节点广播信息的传输阶段标志域标记的。考虑到队形变化过程中的动态性和不确定性，将信道共享方式调整为轮询的方式。这种方式既可以充分避免碰撞，又能保障网络调整时的系统稳定运行。此时，网络中每帧时隙的个数调整为网络中卫星节点的个数，每个卫星节点默认在自己ID号对应的时隙中传输数据，即ID为0的卫星占用时隙0，ID为1的卫星占用时隙1，依此类推。当队形变换就绪后，网络由中心节点控制再次进入步骤(2)。

如果网络在各个成员均通过协商后有新的卫星节点加入，还包括新节点入网阶段步骤如下：

新的卫星节点捕获到中心节点在空闲时隙发出的同步信息后，在当前时隙完成步骤2-1到步骤2-8的操作。由于空闲时隙不被网络中任何节点使用，因此，在空闲时隙中新节点与周围节点进行时隙协商不会影响到已有节点的信道/时隙使用，充分保障了已有和新节点的信道使用机会。

如果新的卫星节点协商成功，在帧尾的微时隙中反馈协商信息，并在当前帧的后续帧中占用协商到的时隙；

如果新的卫星节点没有协商成功，则继续在空闲时隙中参与协商，并在帧尾的微时隙中反馈协商结果；

如果中心节点判别新节点始终无法协商到时隙后重新发起协商过程，返回步骤(2)。

在建网阶段,默认每帧由10个时隙组成，编号为0至9,帧尾由10个微时隙组成,编号为0至9。中心节点默认占用时隙0。

在进行完步骤(2-4)后，重复步骤(2-2)到步骤(2-4)一次后，再进行步骤(2-5)。

通过对本发明提出的分布式可重构航天器的信道共享方法进行仿真，对时隙协商结果进行了性能评估。本发明提出的分布式协商及中心节点辅助的方法，其时隙协商结果与中心式分配的时隙个数相当，与中心式时隙分配的方式具有相当的信道利用率，而收敛时间则降低为传统分布式时隙共享方法的一半。这种方法已经成功应用在相关小卫星组网的课题中。