一种基于ieee 802.11协议的小卫星集群通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统，用于实现由小卫星构成的星簇，以及小卫星构成的编队飞行等应用场景进行组网通信。
【背景技术】
[0002]由小卫星组成编队或者星簇之类的小卫星集群进行协同工作，是未来小卫星发展的趋势之一。构成编队或者星簇的各卫星节点为协同完成任务，需要有相互通信的能力。以往的星间通信主要是点对点的单一星间链路通信，随着星簇和编队的规模增大(节点数目大于3个时)，单一的点对点通信已经不满足其通信需求。为了实现编队和星簇中任意卫星节点之间的通信，需要建立高效的网络通信机制。各卫星节点通过星间网络进行数据通信，从而满足编队和星簇应用场景中各小卫星节点日益增长的信息交互和信息融合需求。
[0003]小卫星集群内的通信需求主要是用于集群中各节点的短距离数据交互:包括测控数据和载荷数据。前者有较强的实时性要求。在小卫星集群内，由这些卫星节点构成的网络拓扑可能随着任务需求而不断变化的(如编队和星簇的总体构型改变，卫星节点因故障或者运动加入或者退出某个网络，或者改变编队或者星簇的空间构型)。这就需要网络能够适应这些需求，能自适应地组建网络、更新网络，从而保证各卫星节点的数据在网络中有效流动。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统，该系统由一个卫星节点作为中心节点，对各卫星间的组网和通信进行控制，并且各卫星节点通过IEEE 802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道，从而实现编队和星簇中任意卫星节点之间的通信，满足编队和星簇应用场景中各小卫星节点日益增长的信息交互和信息融合需求。
[0005]本发明的上述目的通过如下的技术解决方案实现:
[0006]—种基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统，包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，中心卫星节点对各卫星节点的组网和通信进行控制，且各卫星节点通过IEEE 802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信，其中，中心卫星节点以CSMA/CA模式定义的PIFS帧间隔访问物理信道，普通卫星节点以CSMA/CA模式定义的DIFS帧间隔访问物理信道。
[0007]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，物理信道对应的逻辑信道包括组网信道和数据通信信道，其中:在设定的组网周期内，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记；在设定的数据通信周期内，中心卫星节点和普通卫星节点工作于数据通信信道，其中，中心卫星节点首先对网络内的各普通卫星节点按顺序进行测控轮询，在测控轮询结束后，各卫星节点开始进行数据通信业务。
[0008]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，在组网初始时刻，或中心卫星节点接收到地面发送的重新组网指令时，开启组网周期，即中心卫星节点开始控制组网信道进行组网操作和入网登记。
[0009]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点控制组网信道进行组网操作和入网登记，具体实现过程如下:
[0010](1)、中心卫星节点广播发送组网信标帧到普通卫星节点；
[0011](2)、普通卫星节点监听到中心卫星节点发送的组网信标帧后，如果决定加入网络，则采用CSMA/CA模式抢占组网信道，并发送关联请求帧到中心卫星节点；
[0012](3)、中心卫星节点收到普通卫星节点发送的关联请求帧后，对所述普通卫星节点进行身份验证，并根据身份校验结果和当前的网络容量，判决是否允许所述普通卫星节点加入网络；
[0013](4)、中心卫星节点发送关联申请反馈帧到申请入网普通卫星节点，通知所述普通卫星节点是否可以入网；其中，中心卫星节点对允许入网的普通卫星节点进行顺序编号，并在组网管理信息库中记录所述普通卫星节点的信息参数。
[0014]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点发送的组网信标帧中的信息包括:网络名称、组网信标帧发送周期、网络剩余容量、信道及物理层参数、中心卫星节点轨道及姿态参数。
[0015]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，普通卫星节点发送的关联请求帧中的信息包括:所述普通卫星节点身份验证信息和所述普通卫星节点当前轨道及姿态参数。
[0016]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点对入网的各普通卫星节点进行测控轮询的具体实现方法如下:在设定的测控周期内，中心卫星节点依次对网络中的普通卫星节点发送测控轮询帧，并且中心卫星节点在发出一个测控轮询帧后等待一个设定周期T，在所述周期T内等待普通卫星节点反馈的测控信息，然后在等待周期T结束后再发送另一个测控轮询帧到下一个普通卫星节点，依次完成网络内的所有普通卫星节点的测控轮询，然后广播发送测控段结束信标；普通卫星节点接收到所述测控段结束信标后，开始进行普通卫星节点间的数据通信业务。
[0017]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，如果普通卫星节点在Μ个测控周期内，均没有对针对测控轮询帧反馈自己的测控信息，则中心卫星节点判断所述普通卫星节点不在本网络内，并将所述普通卫星节点从组网管理信息库中删除。
[0018]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点由地面站发送指令进行指定。
[0019]在上述的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统中，每个卫星节点具有唯一的编号，网络名称采用中心卫星节点的编号。
[0020]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0021](1)、本发明的各卫星节点通过IEEE 802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道，从而实现编队和星簇中任意卫星节点之间进行灵活的信息交互，满足编队和星簇应用场景中各小卫星节点日益增长的信息交互和信息融合需求；
[0022](2)、在本发明的小卫星集群通信系统中，中心卫星节点以PIFS帧间隔访问物理信道，普通卫星节点以DIFS帧间隔访问物理信道，由于PIFS相对于DIFS具有更短的帧间间隔，因此中心卫星节点具有更高的优先级占用物理信道，从而有利于中心卫星节点控制普通卫星节点进行组网和通信，有利于地面实时调整通信网络规模和通信时段。
【附图说明】
[0023]图1为CSMA/CA协议中载波检测多址接入模式的工作时序示意图；
[0024]图2为CSMA/CA中帧间隔SIFS/PIFS/DIFS的定义示意图；
[0025]图3为本发明中中心卫星节点在组网周期内的工作时序示意图；
[0026]图4为本发明中普通卫星节点在组网周期内的工作时序示意图；
[0027]图5为本发明中组网信标帧的内容格式示意图；
[0028]图6为本发明中关联请求帧的内容格式示意图；
[0029]图7为本发明中组网管理信息库的数据内容示意图；
[0030]图8为本发明中数据通信信道工作时序示意图；
[0031]图9为本发明中中心卫星节点在数据通信周期内的工作流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述:
[0033]本发明提供的小卫星集群通信系统，用于实现卫星节点通过星间网络进行数据通信。考虑到小卫星集群的星间组网通信模式与地面MANET (Mobile Ad hoc Network)的相似性，本发明采用类似方法来构建小卫星集群网络的数据链路层和网络层从而屏蔽各种动态因素，为各节点的数据交互提供稳定的数据通路。在考虑MAC(Media Access Control)层机制时，参考了 IEEE 802.11的DCF模式和PCF模式，并针对空间应用进行了相应修改。其中，IEEE 802.11支持两个MAC协议:
[0034]基本型的分布式协调功能(DCF，DistributedCoordinat1n Funct1n):其核心机制是带冲突避免的载波检测多址接入(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Accesswith Collis1n Avoidance)协议，如图1所示。CSMA/CA协议通过握手机制、载波侦听机制、帧间间隔和随机回退机制，控制共享单信道模式下数据报文的冲突。比如:采用RTS-CTS-DATA-ACK四次握手机制完成分布式数据业务的接入，可基本解决隐藏终端和暴露终端问题。可选的点协调功能(PCF，Pointed Coordinat1n Funct1n):必须依托DCF功能，才能支持实时业务传输。
[0035]此外，IEEE 802.11支持虚拟载波侦听功能，主要是通过网络分配向量(NAV，Network Allocat1n Vector)来实现。首先，NAV可用于记录一个当前正在进行的数据传输将占用信道的时间。节点在接收到其他节点之间交换的报文时，根据报文头中的Durat1n字段值设置各自的NAV。然后，NAV作为一个倒数定时器工作。当NAV不为零时，表明:信道正在被他人占用。若NAV为零，则信道空闲，节点可以竞争信道。在CSMA/CA中，PIFS为点协调帧间隔，DIFS为分布式协调帧间隔，由图2给出的PIFS和DIFS的定义可以看出，PIFS比DIFS对应的时间要短，因此采用PIFS作为等待时隙的节点相对于采用DIFS作为等待时隙的节点，可以更快地抢占信道。
[0036](—)、系统组成
[0037]本发明的基于IEEE 802.11协议的小卫星集群通信系统，包括一个中心卫星节点和若干个普通卫星节点，每个卫星节点都有一个编号或地址，该编号或地址可以唯一标识该节点。在本发明的小卫星集群通信系统中，各卫星节点通过IEEE 802.11协议中的CSMA/CA模式共享物理信道进行通信，其中:中心卫星节点由地面站进行指定，用来协调调度整个网络的运行，其以CSMA/CA模式定义的PIFS帧间隔访问物理信道，而普通卫星节点的通信受制于中心卫星节点，其以CSMA/CA模式定义的DIFS帧间隔访问物理信道。由于PIFS帧间隔比DIFS帧间隔短，因此