高动态地空网络的自动中继方法与流程

本发明涉及一种适用于高动态地空通信网络的自动中继方法。

背景技术：

随着航空平台的不断发展，宽带地空通信的需求迅速增长，建立多种数据传输链路来满足各种不同的航空平台执行不同任务的需求，是一项迫在眉睫的重要任务。空间通信数据传输链路和卫星节点具备的误码率高、延迟高、动态拓扑、承载业务多样等的特性难以实现对于卫星网络设备和卫星节点的可靠和有效地管理；另一方面，传统的基于地面测控站方式的卫星网络管理方式已不适应卫星网络管理发展的要求。卫星通信时延大、带宽有限且成本高，而且当数据流量比较大时，还容易造成网络资源不足、网络拥塞等问题。自组网网络具有规模大、节点随机分布并高速运动、通信链路高动态变化等特性，通过多跳中继转发的方式连入地基网。航空自组网有助于扩大航空移动通信网络的覆盖范围和提高航空电信网的通信能力，但是网络规模大、信道链路不持久、高动态变化的网络拓扑都给航空自组网的部署和应用带来了诸多困难。航空自组网的拓扑结构存在高动态变化特性，这会导致飞机节点间链路质量的不稳定；另一方面，航空自组网两节点间由于通信距离大也会引起延时增大。作为宽带通信网的节点，飞行器载荷通常需要具有数据采集、交换与分发等多种功能。地空数据链网络系统通过建设的各个远端地面站与航空器保持数据链通信，并且将各个地面站的通信内容汇总到数据链网控中心进行处理、路由、分发、归档保存。地空数据传输的网络运行系统由多个地面节点与多个空中节点组成，地面节点一般为固定节点，而空中节点则为移动节点。地面节点之间通常采用光纤等有线宽带网络进行互联，而地面节点与空中节点之间通常采用甚高频窄带通信链路进行组网连接。地面节点根据在网络中的作用，分为两种类型，一是地面接入点，同时参与无线网络与有线网络，是无线网络与有线网络的铰链节点，可以将空中节点的数据转发至其它地面节点，也可将其它地面节点的数据转发至空中节点；二是地面中心管理节点，负责整个地空网络的运行控制管理，如节点的入/退网管理、无线资源管理、数据传输管理等。每个地面接入点在地面中心管理节点的控制下，在自身无线覆盖范围内组建地空子网，并且作为地空子网的控制节点，采用轮询或者时分多址接入等方式控制子网内每个节点的数据发送时机。多个子网之间采用频分复用等方式并行工作。在无线网络中，由于每个节点的通信距离有限，远距离的节点之间通信必须通过中继的方式来延伸通信范围。每个中继节点在发送自身节点的数据同时，还需要消耗带宽中继其它节点发送的数据。对于地空数据传输网络来说，空中节点之间的数据传输可能需要地面接入点进行中继，空中节点与地面接入点之间的数据传输可能需要另一个空中节点进行中继，中继节点的选择与中继路径的确定，对整个网络的连通性、资源利用率、可靠性等性能都产生重要的影响。

高动态地空网络由空中节点、在地面部署的多个无线接入节点(简称接入点)与网络中心节点(简称中心点)组成。每个接入点在无线信号覆盖范围内建立各自的地空子网，处于高速运动状态下的空中节点进入组网区域后，选择合适的接入点建立无线链路，加入相应的地空子网。接入点与中心点组成控制网络，可通过有线链路(如地面光纤网络等)相互连接。中心点对多个接入点对应的地空子网进行控制。该网络与传统的移动蜂窝通信有所不同，在相互视距通信距离内的多个空中节点之间可以直接通信，只有超出通信距离或者被地形遮挡后，才需要接入点或者其它空中节点进行中继。

在图6所示的典型高动态地空网络构成中，空中节点主要包含信息源、协议处理单元与无线传输单元；接入点主要包含协议处理单元、无线传输单元与有线传输单元；中心点主要包含信息源、协议处理单元与有线传输单元。信息源主要实现产生和接收特定格式的业务报文；协议处理单元主要实现节点与网络状态更新、中继控制等协议处理功能；无线传输单元利用无线链路实现报文的物理传输，并可对无线信号进行测量；有线传输单元利用有线链路实现地面节点之间的高速互联。通过地面光纤网络，可以实现中心点与接入点以及接入点与接入点之间的相互连通。在地空网络中，空中节点受通信距离、发射功率等因素的限制，其发送的信号只能被其无线信号覆盖范围内的其它节点接收，而覆盖范围外的节点则需要通过中继的方式才能相互通信。如图6中空中节点1(称为源节点)需要发送报文给空中节点4(称为目的节点)，则需要依次经过接入点1、接入点3的转发，才能实现报文的最终送达；而空中节点2需要发送报文给中心点时，则需要依次经过空中节点3、接入点2的转发，才能实现报文的最终送达。

高动态地空网络的动态性主要体现两个方面：一是空中节点的高速移动特性，容易造成节点间通信拓扑的快速变化；二是为适配信息源产生报文的流量变化，空中节点具备多级传输速率，传输速率随着应用源的流量变化而自动调整，从而导致每次发送时机采用的传输速率可能发生变化，而各级传输速率下支持的通信距离不一致，从而造成链路连通性的跳变；因此，高动态地空网络需要实时自动选择合适的中继节点，完成空中节点之间以及空中节点与中心点之间的双向报文交互。

现有的技术解决方案主要包括以下三种：

1.泛洪中继的方式：不选择唯一的中继节点，而是每个接收到报文的节点均中继再发送一次。该方法简单，可靠性好，但是每个报文均会被所有节点的中继而重新发送，造成带宽的巨大消耗，并带来大量的报文重复接收，这对于无线频谱资源非常有限的地空网络来说，是无法接受的；

2.固定中继的方式：根据网络规划为网络指定固定的中继节点，所有的报文均由该中继节点完成，在网络运行过程中不能动态改变。该方法简单，也不会造成带宽的浪费，但不能适应网络拓扑的动态变化，对于网络拓扑快速变化的高动态地空网络来说，中继可靠性极差，中继节点容易拥塞，基本不可用；

3.无线自组织网络的路由方式：网络节点周期探测网络邻居，并相互交互并泛洪链路状态信息，获知网络拓扑，建立路由表，根据报文的目的地址选择路径，进而确定中继节点。该方法灵活，具有较好的拓扑适应能力，但对空中节点带来较大的路由开销与实现复杂度，收敛速度较慢，并且无法解决高动态地空网络多级传输速率等特点带来的中继难题。

现有的技术方案要么带来较大的控制开销，要么中继可靠性差，不能兼顾两方面的性能，不能解决高动态地空网络无线带宽严重受限、网络拓扑快速变化所带来的中继难题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种无线链路中继开销较小、动态拓扑适应能力较强，兼顾中继控制开销与中继可靠性，适用于高动态地空网络的自动中继方法，以解决在无线带宽受限、网络拓扑快速变化条件下所带来的中继难题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在高动态地空网络中，空中节点无线传输单元实时检测接收信噪比，并在统计周期末尾针对每个相邻节点分别统计各自的平均接收信噪比；空中节点协议处理单元根据平均接收信噪比与报文接收情况，确定本节点的连接状态与所属接入点，产生节点状态信息，并通过无线传输单元发送给接入点；接入点协议处理单元通过有线传输单元将节点状态信息转发至中心点；中心点协议处理单元在计算周期到来时，汇集所有空中节点的节点状态信息，计算空中节点的连通性和直连节点与非直连节点之间的链路能力，从所有直连节点中确定空中中继节点的候选集合，针对每个候选集合，将覆盖的每个非直连节点分配给特定的空中中继节点，计算所有候选集合的中继性能，然后以网络中继吞吐量和负载均衡为优化目标，选择最佳的包含一个或多个空中节点的候选集合作为中继节点，将计算好的全局拓扑信息结果通过有线传输单元发送给所有的接入点；接入点协议处理单元根据源节点的发送速率确定本节点的中继职责，并通过无线传输单元给空中节点发送空中中继节点指示信息；空中节点协议处理单元接收到空中中继节点指示信息后，根据本节点是否是信息中明确指定的空中中继节点确定中继职责。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

无线链路中继开销较小。本发明在交互流程设计上空中节点协议处理单元产生节点状态信息并通过无线传输单元向接入点发送；接入点接收后通过有线传输单元发送至中心点。中心点协议处理单元汇集所有空中节点的节点状态信息后，进行统一融合处理，获得全局拓扑信息，按需动态选择一个或多个空中中继节点，完成空中节点之间以及空中节点与中心点之间的双向报文交互，无线链路中继开销较小，克服了现有技术每个报文会被所有节点的中继而重新发送，造成带宽的巨大消耗，带来大量的报文重复接收，导致地空网络系统中中继开销过大的问题。本发明的无线链路的中继开销主要体现在空中节点周期的状态报告信息上，但由于不用多次转发，因此相比现有技术洪泛或者自组织网络路由的方式控制开销至少可以降低30％。

动态适应能力较强。本发明充分考虑地空网络的拓扑与链路特性，利用空中节点实时检测与统计的接收信噪比信息，采用中心点协议处理单元通过有线传输单元周期将计算好的全局拓扑信息发送给所有的接入点；接入点协议处理单元通过有线传输单元接收到全局拓扑信息后，根据源节点的发送速率确定本节点的中继职责，并通过无线传输单元发送空中中继节点指示信息。中心点计算全局拓扑信息时利用实时的接收信噪比信息，可以很好适应拓扑动态的变化；接入点利用源节点的发送速率确定中继职责，可以完全匹配发送速率的动态变化。本发明在拓扑变化与速率变化等方面均具有较强的动态适应能力，中继节点动态切换时间小于1s，避免了现有技术固定中继方式下的动态适应弱、中继可靠性差的问题。

兼顾中继控制开销与中继可靠性。本发明在空中中继节点选择策略上，支持同时选择多个中继节点，根据连通情况实时动态选择最优的中继节点，同时综合考虑中继吞吐量与负载均衡，从而使用尽量少的带宽提供可靠的报文中继服务。在判断是否需要中继上利用各级传输速率对接收信噪比的不同要求，推测节点间能支持的最大传输速率，并根据源节点的发送速率动态决定是否需要中继，以网络中继吞吐量和负载均衡为优化目标，选择最佳的包含一个或多个空中节点候选集合作为中继节点。克服了现有技术中继可靠性极差，中继节点容易拥塞，在无线带宽受限、网络拓扑快速变化条件下，有效解决了多级传输速率动态可调情况下的自动中继难题。

附图说明

图1为高动态地空网络各网络节点自动中继的构造原理框图。

图2为高动态地空网络各网络节点自动中继的总体流程图。

图3为空中节点自动中继的流程图。

图4为接入点自动中继的流程图。

图5为中心点自动中继的流程图。

图6为典型的高动态地空网络示意图。

具体实施方式

参见图1、图2。在高动态地空网络中，空中节点通信设备包含节点状态管理、中继控制管理和报文发送与接收的空中节点协议处理单元和包含信噪比检测与统计、无线发送与接收的无线传输单元。接入点通信设备包含中继控制管理和报文发送与接收的接入点协议处理单元、信噪比检测与统计，通过无线链路无线发送与接收空中节点通信设备的无线传输单元、通过有线链路有线发送与接收中心点通信设备的有线传输单元。中心点通信设备包含网络拓扑管理、中继控制管理、报文发送与接收的中心点协议处理单元和通过有线链路有线发送与接收接入点通信设备的有线传输单元。根据本发明，空中节点无线传输单元实时检测接收信噪比，并在统计周期末尾针对每个相邻节点分别统计各自的平均接收信噪比；空中节点协议处理单元根据平均接收信噪比与报文接收情况确定本节点的连接状态与所属接入点，产生节点状态信息，并通过无线传输单元发送给接入点；接入点协议处理单元通过有线传输单元将节点状态信息转发至中心点；中心点协议处理单元在计算周期到来时汇集所有空中节点的节点状态信息，计算空中节点的连通性和直连节点与非直连节点之间的链路能力，从所有直连节点中确定空中中继节点的候选集合，针对每个候选集合，将覆盖的每个非直连节点分配给特定的空中中继节点，计算所有候选集合的中继性能，然后以网络中继吞吐量和负载均衡为优化目标，选择最佳的包含一个或多个空中节点的候选集合作为中继节点，将计算好的全局拓扑信息结果通过有线传输单元发送给所有的接入点；接入点协议处理单元根据源节点的发送速率确定本节点的中继职责，并通过无线传输单元给空中节点发送空中中继节点指示信息；空中节点协议处理单元接收到空中中继节点指示信息后，确定本节点的中继职责：若本节点是信息中明确指定的空中中继节点，则在对应分配的非直连节点与所属中继节点之间提供报文中继服务，否则不承担中继职责。

节点状态信息主要包括：本节点的连接状态、本节点的所属接入点以及针对每个相邻空中节点的平均接收信噪比。空中中继节点指示信息主要包括：本地空子网包含的空中中继节点以及它们对应分配的非直连节点。

在高动态地空网络各网络节点自动中继的总体流程中：

步骤200，空中节点无线传输单元在接收每个邻近网络节点报文的时候，实时检测接收信噪比，并在统计周期末尾针对每个相邻节点分别统计各自的平均接收信噪比；

步骤201，空中节点协议处理单元根据无线传输单元的报文接收情况，结合统计的平均接收信噪比，确定本节点的连接状态为直连节点或者非直连节点，并选择最佳的接入点作为所属接入点；

步骤202，空中节点协议处理单元产生节点状态信息，并通过无线传输单元发送给接入点。节点状态信息主要包括：本节点的连接状态、本节点的所属接入点以及针对每个相邻空中节点的平均接收信噪比；

步骤203，接入点协议处理单元通过无线传输单元接收到本子网内空中节点发送的节点状态信息后，通过有线传输单元转发给中心点；

步骤204，中心点协议处理单元通过有线传输单元接收所有空中节点报告的节点状态信息，在每个计算周期到来时利用平均接收信噪比信息，计算所有空中节点的连通性，用任意发送节点i与接收节点j之间的无线链路能支持的最大速率来表示；

步骤205，中心点协议处理单元用空中节点的连通性来计算每个非直连节点与所有直连节点的链路能力，用双向链路速率来表示；

步骤206，中心点协议处理单元根据限定的空中中继节点数目，从所有直连节点中确定空中中继节点的候选集合，并针对每个候选集合将覆盖的每个非直连节点分配给特定的空中中继节点，然后计算所有候选集合的中继吞吐量与负载均衡度中继性能，选择最佳的候选集合，作为最终的空中中继节点。

步骤207，中心点协议处理单元将计算好的全局拓扑信息，通过有线传输单元发送给所有的接入点。全局拓扑信息主要包括所有空中节点的连通性、空中中继节点及分配的非直连节点、以及所有直连节点对应的所属接入点等信息；

步骤208，接入点协议处理单元通过有线传输设备接收到全局拓扑信息后，确定本节点的中继职责：在本地空子网内的空中节点与中心点之间提供报文中继服务；根据源节点的发送速率判断是否需要在源空中节点与目的空中节点之间进行中继服务，若发送速率大于源节点与目的节点之间无线链路能支持的最大速率，则将报文转发给目的空中节点或目的节点对应的空中中继节点所属的接入点，否则不承担中继职责；

步骤209，接入点协议处理单元通过无线传输单元发送空中中继节点指示信息，中继节点指示信息主要包括：本地空子网包含的空中中继节点以及它们对应分配的非直连节点；

步骤210，空中节点协议处理单元通过无线传输单元接收到空中中继节点指示信息后，确定本节点的中继职责：若本节点是信息中明确指定的空中中继节点，则在对应分配的非直连节点与所属中继节点之间提供报文中继服务，否则不承担中继职责。

参见图3。在空中节点自动中继的处理流程中，

步骤300，空中节点无线传输单元检测接收信噪比，持续检测来自每个相邻网络节点的信号的接收信噪比，等待统计周期的到来，然后转入步骤301；

步骤301，判断周期到来，若统计周期到来，则转入步骤302，统计平均接收信噪比，否则转回步骤300重新检测接收信噪比；

步骤302，针对每个相邻网络节点，对检测到的接收信噪比在统计周期内进行算术平均，获得接收该相邻网络节点的平均接收信噪比，并发送给空中节点协议处理单元，然后转入步骤303；

步骤303，空中节点协议处理单元根据空中节点无线传输单元发送的平均接收信噪比，判断成功接收接入点的报文，在当前统计周期内判断是否成功接收到一个或多个接入点的报文，若成功接收到，则转入步骤304，选择平均接收信噪比最高的接入点作为所属接入点，否则转入步骤305；在当前统计周期内，判断是否成功接收到空中中继节点的报文；

步骤304，空中节点协议处理单元选择平均接收信噪比最高的接入点作为所属接入点，并将本节点的连接状态置为直连节点，然后转入步骤307；

步骤305，在当前统计周期内，若判断成功接收到某个空中中继节点的报文，则转入步骤306将节点连接状态置为非直连节点，否则转回步骤300重新检测接收信噪比；

步骤306，将本节点的连接状态置为非直连节点，然后转入步骤307；

步骤307，空中节点协议处理单元产生节点状态信息，并通过无线传输单元将节点状态信息发送给接入点，然后转入步骤308，判断是否是中继节点。节点状态信息主要包括：本节点的连接状态、本节点的所属接入点以及针对每个相邻空中节点的平均接收信噪比等，

步骤308，空中节点协议处理单元根据无线传输单元接收的空中中继节点指示信息，判断本节点是否担任空中中继节点的职责，若是则转入步骤309，否则转回步骤300重新检测接收信噪比；

步骤309，担任空中中继节点职责的空中节点协议处理单元通过无线传输单元为分配给本节点的非直连节点与所属接入点之间提供中继服务，否则转回步骤300重新检测接收信噪比。

参见图4。在接入点自动中继的处理流程中，

步骤400，接入点无线传输单元与有线传输单元等待接收其它网络节点的报文，若成功接收到，则将报文发送给接入点协议处理单元，然后转入步骤401，否则继续等待接收；

步骤401，接入点协议处理单元根据成功接收到的报文的发送节点进行判断，若该报文的发送节点是空中节点，则转入步骤402，判断报文的目的节点；若该报文的发送节点是其它接入点，则转入步骤407判断报文是否需要本节点中继；若该报文的发送节点是中心点，则转入步骤409判断报文是否为全局拓扑信息；

步骤402，接入点协议处理单元根据报文的目的节点进行判断，若目的节点是中心点，则转入步骤403通过有线链路转发给中心点；若目的节点是空中节点，则转入步骤404判断源节点与目的节点之间是否需要中继；

步骤403，接入点协议处理单元通过有线传输单元将报文发送给中心点，然后转回步骤400继续等待接收；

步骤404，接入点协议处理单元根据维护的拓扑信息判断报文的源节点与目的节点之间是否需要中继：若源节点的发送速率大于源节点与目的节点之间链路支持的最大速率，则需要接入点进行中继，转入步骤405对报文进行中继，否则转入步骤406丢弃报文；

步骤405，接入点协议处理单元根据以下规则对报文进行中继：若目的节点属于本地空子网，则通过无线传输单元转发报文，否则通过有线传输单元将报文转发目的节点或目的节点对应的空中中继节点的所属接入点，然后转回步骤400继续等待接收；

步骤406，接入点协议处理单元丢弃报文，然后转回步骤400继续等待接收；

步骤407，接入点协议处理单元根据维护的拓扑信息判断报文是否需要本节点中继：若目的节点是本地空子网的直连节点或者是分配给本地空子网内某个空中中继节点的非直连节点，则需要本节点中继，转入步骤408通过无线传输单元进行转发，否则转入步骤406丢弃报文；步骤408，接入点协议处理单元通过无线传输单元转发报文，然后转回步骤400继续等待接收；

步骤409，接入点协议处理单元判断报文是否为全局拓扑信息，若是，则转入步骤410更新拓扑信息，否则转入步骤407判断报文是否需要本节点中继；

步骤410，接入点协议处理单元根据接收的全局拓扑更新本地维护的拓扑信息，然后转入步骤411通过无线链路发送空中中继节点指示信息；

步骤411，接入点协议处理单元通过无线传输单元发送空中中继节点指示信息，主要包含属于本子网的空中中继节点及其分配的非直连节点等信息，然后转回步骤400继续等待接收。

参见图5。在中心点自动中继的处理流程中，

步骤500，中心点有线传输单元等待接收源自空中节点的节点状态信息，若接收到节点状态信息，则发送给中心点协议处理单元，然后转入步骤501更新空中节点的状态信息，否则继续等待接收；

步骤501，中心点协议处理单元更新空中节点的平均接收信噪比、节点连接状态与所属接入点等信息，然后转入步骤502判断计算周期是否到来；

步骤502，中心点协议处理单元判断计算周期是否到来，若是则转入步骤503计算任意空中节点之间的连通性，否则转回步骤500继续等待接收；

步骤503，中心点协议处理单元利用更新的平均接收信噪比信息，计算地空网络中所有空中节点两两之间的连通性，用任意两个空中节点之间无线链路支持的单向链路速率rbi,j表示，

其中，i为发送节点，j为接收节点，为网络设计的最小速率(bps)，为网络设计的最大速率(bps)，为发送节点i与接收节点j的平均接收信噪比(dbi)，thd为最小速率时要求的解调门限(dbi)，若未知或者低于thd，则令＝0，表示节点j不能成功接收发送节点i的报文。然后转入步骤504计算地空网络中所有直连节点与非直连节点之间的链路能力；

步骤504，中心点协议处理单元计算所有直连节点与非直连节点之间的链路能力，用双向链路速率来衡量，利用下式计算直连节点i与非直连节点j之间的双向链路速率若表示直连节点i可以覆盖非直连节点j，然后转入步骤505确定空中中继节点的候选集合rset；

步骤505，中心点协议处理单元按照以下方法确定空中中继节点的候选集合rset：

假设所有直连节点集合为s＝{s1，s2，…},系统预置的中继节点数目nr(取决于地空网络的规模)。若s中节点数目小于nr，则候选集合为s，即rset＝s；否则从s中选择nr个节点构成集合qi，计算qi中所有节点覆盖的不重复的非直连节点总数目mi，遍历所有qi，选出mi最大的qi，将其加入候选集合rset，即然后转入步骤506对每个候选集合进行节点分配。

步骤506，中心点协议处理单元按照以下方法对rset中的每个qi进行节点分配，即将qi中所有直连节点覆盖的非直连节点分配给对应的节点：

中心点协议处理单元首先对非直连节点按照被集合qi中直连节点覆盖的链路数目进行升序排列，链路数目相等的非直连节点u，进一步按照链路速率总和的升序排列，排序后得到列表u_list。中心点协议处理单元依次对u_list中非直连节点进行分配，对于每个非直连节点u，从被集合qi中选择能够覆盖u的最高，且分配后节点负载不超过系统预置的额定负载的直连节点作为中继节点，如有多个，则选择节点负载最低的直连节点作为中继节点；若超出额定负载，则选择能够覆盖u且节点负载最低的直连节点作为中继节点。完成节点u的分配后，对qi中节点的负载进行更新，其中，节点负载等于该直连节点与所有已选择该节点作为中继节点的非直连节点之间的之和。然后转入步骤507评估每个候选集合rset的中继性能。

步骤507，中心点协议处理单元评估候选集合rset每个qi的中继性能，用中继吞吐量与负载均衡度来表示。其中，中继吞吐量等于该集合中所有中继节点的负载之和，均衡度等于该集合中所有中继节点的负载的标准差。然后转入步骤508择优输出最佳空中中继节点。

步骤508，中心点协议处理单元选择中继吞吐量最大的集合，若存在多个，则选择其中负载均衡度最小的集合，将被选集合中的节点作为中继节点，然后转入步骤509通过有线链路向所有接入点分发全局拓扑信息。

步骤509，中心点协议处理单元通过有线传输单元将计算的全局拓扑信息发送给所有接入点，全局拓扑信息主要包括所有空中节点的连通性、空中中继节点及分配的非直连节点、以及所有直连节点对应的所属接入点等信息。然后转回步骤500继续等待接收。