[發明專利]機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法

有效

• 申請號: 201010103932.0
• 申請日: 2010-01-29
• 公開（公告）號: CN101795221A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 楊宜康;騰學劍;齊建中;熊蔚明
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: H04L12/44
• 分類號: H04L12/44;H04L29/12;H04L29/08;H04L1/00;H04B7/26
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法，適用于機群編隊組網通信 與測量的多址體制和組網拓撲結構，滿足機群編隊對動目標的無源探測定位和協同打擊任 務；認為任何一種任務都要求機群編隊的成員節點具備以下三種功能：

①機群編隊成員節點組網形成覆蓋所有成員節點的全網通信體系，任意兩成員節點之 間能夠建立單跳的、無延遲的、對其他成員透明的、異步全雙工的通信鏈路，滿足機群編隊 通信網內的任意成員節點信息的全網實時共享需求，也提供多跳通信和路由業務，機群編隊 通信網是有中心節點或無中心節點的模式；

②機群編隊任意兩成員節點之間能夠精密地實時測定兩者之間的幾何距離用于編隊組 網的拓撲結構控制，并作為動目標無源探測定位和協同打擊體制的基線測量值用于干涉測量 和分布式數據處理；

③機群編隊全網成員的時間同步，這一點在非常多的多基地無源探測定位和協同打擊 任務中體現的尤為突出，迫切需要機群編隊網內所有成員的時間同步以實現編隊組網拓撲構 型實施控制，以及實現空間多點聯合干涉式探測任務；

實現動目標無源探測定位和協同打擊任務的機群編隊需要建立一種網內成員節點多址 通信、全雙工異步數據交互、具備任意兩點精密測距、全網實現時間同步的通信、測距與時 間同步體制；

所述的一種機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法，在機群鏈路終端機的中 頻信號處理電路板上的數字信號處理器DSP、FPGA器件和射頻通道上實現；

其特征在于：所述的機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法，提出兩種通信 拓撲構形的多址接入體制：基于交叉鏈路組網拓撲的機群編隊CDMA/FDMA組合多址通信體 制；基于樹型拓撲的機群編隊分級遞階多址通信體制；前者能夠支持全網覆蓋的單跳接入模 式，后者提供全網覆蓋的多跳接入模式；

所述的機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法包括以下步驟：

步驟一、設計機間鏈路全雙工異步通信信道的數據鏈路層結構：

多數任務中機群編隊組網的拓撲構形一般尺度為幾公里～幾十公里范圍以內，任意兩成 員飛機最遠距離一般在幾十公里左右，因此在機群組網節點間空間通信鏈路仿照CCSDS Proximity-1近程空間鏈路通信協議藍皮書建議，參考版本3即Version-3的傳輸幀結構設計 出用于機群通信/基線測量綜合體制的數據鏈路層傳輸幀，包括：24bit的幀同步碼ASM、32bit 的結構固定數據幀導頭header、長度小于16344bit的數據域、32bit的CRC校驗碼；該傳輸 幀支持異步/同步綜合傳輸、等時/非等時綜合傳輸、多路虛擬信道統計時分復用傳輸；數據 域前部定義為勤務段，嵌入對應鏈路標識符、本地鐘面時編碼和本地偽距編碼向對方發送； 幀長選擇固定，幀頻為整數赫茲，一般在1Hz～20Hz，根據測量刷新率需求而定；

將本體制中的機群內機間通信/基線測量綜合鏈路設備稱為：異步通信/測距終端即 ACRU，假定機群網內的任意成員飛機均配置了ACRU；以兩架飛機A、B為研究對象，ACRU_A、 ACRU_B各自獨立地向對方發送傳輸幀，兩終端之間的發射載波及發送碼時鐘均互不相參； 飛機A和飛機B的ACRU_A、ACRU_B分別于本地傳輸幀同步碼前沿或者后沿的發送時刻采 樣本地時鐘計數器、接收通道碼跟蹤環路的歷元計數器，從當前接收對方傳輸幀的勤務段提 取出對方幀同步碼前沿發送時刻，并計算出歷元形式的本地偽距值；ACRU_A、ACRU_B各自 獨立地利用本地測量偽距、本地鐘面時、接收到對方經傳輸幀發來的對方本地偽距、對方本 地鐘面時，計算出機間距離、同步誤差、兩終端采樣時間間隔，進行時間同步調整；

所述機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法提出機間全雙工通信鏈路實現 異步數據交互和雙向非相干測距、測速、鐘差測量、頻偏測量，這種通信/基線測量綜合鏈 路體制具有如下四個特點：

①兩機載終端的數據交互與基線測量在單載波統一信道內綜合實現，不額外配置專用 基線測量設備，工作在異步全雙工擴頻模式，任意兩架飛機之間通信/基線測量過程對其他 節點透明；

②兩機載終端相互獨立地向對方發送結構相同的傳輸幀，本地基帶數據發送碼時鐘、 發射載波頻率由本地頻率綜合器產生，不與對方相參，發送方與接收方之間無頻率、相位關 系約束；

③兩機載終端相互獨立地提取本地接收單元碼跟蹤環的歷元計數器鎖存值和本地時頻 基準標稱值計算出歷元形式的本地偽距，將其嵌入本地傳輸幀向對方發送；

④兩機載終端利用本地測量偽距和接收到對方經傳輸幀發來的偽距通過計算獲得機間 基線測量值和兩飛機本地鐘差，并實現時間同步調整；

機載終端在取樣時刻提取的發送幀歷元時與接收幀歷元時代數差定義為本地偽距，包含 此時刻兩架飛機之間的幾何距離和本地鐘面時偏差，二者需通過算法實現解耦；

步驟二、設計機群編隊組網的拓撲構形：

機群編隊拓撲構形會根據任務的不同模式改變，通信組網的拓撲構形往往與編隊空間拓 撲構形相關，因此往往也將隨之發生改變；而且，機群通信組網的成員節點是同類飛機，或 者是非同類飛機，即：多種成員節點異構組網；

一般情況下，機群編隊采用的機間通信網拓撲構形包括：

①星型拓撲：存在中心節點，其他節點與之存在通信鏈路，且非中心節點之間無通信 鏈路；

②總線型拓撲：也稱為樹型拓撲，由星型拓撲遞階構成，具有分層結構，星型拓撲看 作單層總線型拓撲；

③環型拓撲：依次相聯形成一個封閉的環形；

④鏈型拓撲：環形拓撲在某處斷開即退化為鏈式拓撲；

⑤交叉鏈路拓撲：任意兩節點間存在通信鏈路；

⑥混合型拓撲：前五種拓撲的某種組合；

機群通信網拓撲構形⑤交叉鏈路拓撲構形能夠提供覆蓋全網任意成員節點的點-點單跳 通信鏈路，結構最簡單，路徑最多，可靠性最高，但性能未必最好；交叉鏈路拓撲構形支持 機群全網覆蓋的機間距離、速度的基線測量和精密時間同步，測量信息最為豐富，這一性質 更利于機群的節點間基線測量、相對運動參數測量與時間同步過程獲得更高的性能；

這幾類通信網拓撲構形都在某一個機群編隊任務中出現，拓撲構形的定義和變換遵循的 原則也為幾類：

①指令控制方式：根據指令控制強制定義為某一拓撲構形；

②基于規則方式：依據相對位置、信道帶寬的參數遵循某一優化指標定義為某一拓撲 構形；

③自組織組網Ad?hoc方式：采用自組織模式動態實施拓撲構形的定義；

步驟三、設計適用于機群組網通信與測量的多址體制：

實現動目標無源探測定位和協同打擊任務的機群編隊需要建立一種網內成員節點多址 通信、全雙工異步數據交互、具備任意兩點精密測距、全網實現時間同步的通信、測距與時 間同步體制；所述機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法提出兩種新型通信拓撲 構形的多址接入體制：基于交叉鏈路組網拓撲的機群編隊CDMA/FDMA組合多址通信體制； 基于樹型拓撲的機群分級遞階多址通信體制；前者能夠支持全網覆蓋的單跳接入模式，后者 能夠提供全網覆蓋的多跳接入模式；

1、基于交叉鏈路組網拓撲的機群編隊CDMA/FDMA組合多址通信體制

考慮到支持機群任意成員的機間測量與單跳通信應當優先選用交叉鏈路拓撲構形，所述 機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法提出采用碼分＋頻分組合多址體制組合 多址體制實現機群全網覆蓋、任意節點之間透明無延遲傳輸數據、任意節點數據的全網實時 共享、高可靠性的多址通信與異步測距，能夠滿足交叉鏈路拓撲構形；CDMA/FDMA組網體 制能夠提供機群通信網的各級業務需求，保證了任意兩成員之間存在通信鏈路，能夠實現任 意兩點之間的精密測距和全網時間同步；

機群內有n架成員飛機，每個成員節點分配一個X/Ku/Ka波段頻點和一個用于在此頻點 上擴頻調制的擴頻碼，整網為n架成員飛機共分配了n個頻點＋n個擴頻碼；機群通信網內 建立n(n-1)/2條雙向異步通信鏈路；

機群每個通信節點利用分配給自身的一個特定頻點和擴頻碼實現擴頻調制向其他節點 發送信息，這一過程是廣播式的，實現了單點到多點的多址發送；機群全網內各節點都能收 到所述機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法點發送的信息，保證了全網通信覆 蓋性；如果需要向特定節點發送，則在數據鏈路層的傳輸幀結構中定義目的地址即可；

機群每個通信節點能夠利用分配給自身的n－1個接收通道對應的n－1個頻點與n－1 個擴頻碼——分配給機群通信網內其他成員的，在機間通信終端的接收單元配置n－1個接 收通道的解擴/解調單元，每個通道將本通道對應的頻點下變頻到標稱的中頻中心頻點上進 行載波跟蹤，用本通道對應的本地再生擴頻碼實現解擴/解調；n－1個接收通道分別獨立地 對應來自機群通信網內其他n－1個節點的通信信號實現解擴/解調和數據接收，以及異步測 距與/時間同步；每架成員都能同時接收其他n－1架成員飛機發送的信號并解碼數據幀，各 通道的處理過程相互獨立互不干擾，實現了多點到單點的多址接收；

任意節點能夠同時接收分別來自機群通信網內其他n－1個節點的信息而互不影響、向 機群通信網內其他n－1個節點發送信息，發送、接收過程相互獨立為異步過程；機群通信 網內任意兩架成員之間均存在直接異步通信鏈路，能夠相互交互數據和進行機間測距/時間 同步；

另外，也支持自組織組網多跳路由模式，采用距離路由算法，但考慮到機群通信網內任 意節點間的測距/時間同步過程必須要求單點-單點單跳模式，因此多跳模式在機群組網通信 中意義不大，僅提供此通信功能；

交叉鏈路拓撲構形優點很多，但對于節點較多的編隊機群，成員數n>8個，或者有新成 員加入機群編隊，則會引起組合爆炸，給機載終端設計實現造成較大困難；另外，往往任務 決定了編隊拓撲構形節點之間距離遠近差距較大，而且在任務周期內編隊拓撲構形會發生變 化，因此節點間通信鏈路狀態差異過大、距離隨著軌道運動動態變化，提供的傳輸能力、信 道質量、服務質量差異很大，不利于通信網的穩定、可靠運行，機間測量一致性不理想；

因此，為保障機群編隊節點間數據傳輸、機間測量精度滿足任務需要，而且無需明顯提 高發射單元功率及接收單元靈敏度、天線增益和指向性，采用多跳鏈路實現機群網機間空- 空數據傳輸和機間測量是必要的，這種多跳鏈路往往需要定義多跳路由規則，且隨著機群編 隊拓撲構形的變化而隨之改變；因此需要選擇一種合適的編隊拓撲構形，同時滿足機間通信 數傳的性能又能提供精密、充分的機間測量信息，而且不至于增加機載通信與測量終端、天 線系統、發射端功率放大單元、接收端信號放大單元的組件的工程設計難度；

一種基于樹型拓撲的機群編隊分級遞階通信體制，具有自組織組網能力，支持拓撲構形 動態變化和擴頻碼、頻點的動態再分配；

某一時刻機群編隊處于某一拓撲構形，空-空/空-地通信跟蹤任務為某種模式下，基于自 組織組網規則，動態定義的樹型通信網拓撲構形的組織形式；任何時刻，地面指揮控制中心 僅與機群編隊中被定義為空-地鏈路空間端的飛機存在唯一的通信鏈路；這樣一來，地面指 揮控制中心站無需與機群編隊內其他節點建立鏈路，使得地面指揮控制中心的指揮任務復雜 度和任務量大為降低；同時，機群編隊內任意節點被定義為M叉樹節點，包括三條完全相 同的全雙工異步通信鏈路，支持與父節點——與自身聯接的上一層節點和兩個子節點——與 自身聯接的下一層節點；二叉樹型拓撲把20個節點分成了6層，形成分級遞階結構，每個 節點只與自身的父節點和子節點存在通信鏈路，每個節點的復雜度和通信量比較簡單；

這里給出如下命題：

【命題1】機群編隊網內任何成員節點的通信性能、體制完全相同，抽象為二叉樹的節 點；

【命題2】根據近世代數、離散數學理論和計算機網絡理論、數據結構理論得出結論： 三維空間n個節點均用二叉樹相聯接，且通過深度遍歷和廣度遍歷實現任意兩節點的信息交 互；

【命題3】機群編隊網內任何成員節點自組織組網的原則基于當前各節點的通信量、各 節點間的空間分布幾何距離，自組織組網規則將基于某種受約束條件的目標函數進行優化， 且通信組網拓撲構形根據任務的變化而動態改變并能切換到任意其他拓撲構形；

機群編隊網內任何成員節點具有三套相互獨立、物理隔離的全雙工異步通信終端及定向 天線，與通信協議處理器存在接口，在數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層發生相互關聯； CDMA/FDMA組合多址策略不適用于節點數過多的情況，因此基于樹型拓撲的機群編隊分級 遞階通信體制中，提出CDMA＋雙頻多址接入的模式；這種模式下，終端發射/接收提供兩 種頻點f_A、f_B由機群編隊組網時根據拓撲構形分別分配給發射通道、接收通道使用，則：二 叉樹結構的奇數層節點發射/接收分別占用頻點f_A/f_B，二叉樹結構的偶數層節點發射/接收分 別占用頻點f_B/f_A，此時二叉樹結構的奇數層節點和偶數層節點分配的擴頻碼重復，但層內節 點不能分配相同的擴頻碼；這種CDMA＋雙頻多址接入的模式利于優選擴頻碼和采用短碼擴 頻；

對于機間空-空高速通信業務，擴頻體制無法提供多址高速通信數傳業務，此時利用前 向擴頻鏈路逐級分發信道調度控制信息，以TDMA時分復用信道規則控制各節點返向鏈路高 速通信數傳；或者利用前向擴頻鏈路逐級分發頻點分配信息，以FDMA頻分多址規則實現各 節點返向鏈路高速通信數傳，這種模式根據每個節點的數據量所需占用的通信帶寬分配頻 點，或者根據機群編隊分級遞階結構的層數M分配頻點，層內采用時分復用接入通信鏈路， 對于二叉樹型拓撲看作一種節點的深度遍歷過程或者廣度遍歷過程；

在機群編隊的組網拓撲結構和組合多址體制設計方法的多址體制中，每個成員節點地位 平等，均能被定義為空間端任意一層的父節點；這樣，機群編隊成員節點的通信設備能夠標 準化通用化，支持下一節將要提出的機間空-空通信與測量綜合信道體制，且可靠性很高， 即使某架成員節點有一套通信終端徹底損壞，仍然能夠作為機間通信網節點正常工作實現機 間路由功能和對地通信功能；

基于樹型拓撲的機群編隊分級遞階多址體制也采用碼分＋頻分組合多址體制，支持任意 通信鏈路兩終端的基線測量、相對運動測量和時間同步，但鏈路為n-1條，比交叉鏈路拓撲 的n(n－1)/2少許多，測量信息不如交叉鏈路拓撲豐富，這對于一大部分機群編隊任務已能 滿足要求，能夠為單地面指揮控制中心對機群編隊直接指控、利用機間測量信息作為約束量 阻尼INS算法的發散及機群編隊整網時間同步，也能支持機群編隊整網對單地面指揮控制中 心的單鏈路高速數據下行和單地面指揮控制中心對機群編隊整網各成員節點的指控命令上 行，無需各成員節點對地面指揮控制中心的時分或者碼分接入，更不必多地面指揮控制中心 參與空-地指揮通信。