CN102202425A

CN102202425A - 基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法

Info

Publication number: CN102202425A
Application number: CN2011101723625A
Authority: CN
Inventors: 苏金树; 吴纯青; 虞万荣; 赵宝康; 唐竹; 胡晓峰; 赵锋
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: CN102202425B

Abstract

一种基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法，当处于初始化状态时，所有节点置于从模式，并发送心跳信息；如果此时网络中存在处于主模式的主节点，主节点通过心跳报文感知到新节点的加入，给新节点分配心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片；如果此时网络中不存在主节点，处于从模式的从节点将收不到主节点的心跳信息，则进入主节点选举状态，各个从节点按照地址递增的顺序划分时间片，自动切换为主模式；如果在等待时间内收到了主节点的心跳信息，即网络中已经存在主节点，则与主节点进行时间同步，并在主节点的协调下参与时间片轮转和数据传输。本发明具有很高的容错性、鲁棒性和灵活性，提高了自组织网络的生存能力。

Description

基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法

技术领域

本发明主要涉及到卫星集群领域中的卫星编队方法领域，特指一种卫星集群自组织组网方法。

背景技术

自组织网络是一种在缺乏基础设施的条件下，由***中的通信节点通过分布式协议互连或组织起来的无线网络***，强调的是多跳、自组织、无中心的概念。自组织网络具有独立性、分布性、多跳性和移动性等特点，在民用领域和军事领域均有广泛的应用前景。

通常应用于自组织网络的通信模块都是同构的，而星群组网中往往用到的是一类具有主从异构特性的模块。该类无线模块通常具有两种模式：

①主模式：处于该模式的节点称为主节点，每个网络中有且只有一个主节点，该节点负责协调控制整个网络，网络中所有的数据都发送给主节点或者通过主节点转发。

②从模式：处于该模式下的节点称为从节点，即位于网络中链接通信终端的节点，直接和主节点通信。

但是，现有的组网技术，如TDMA、FDMA、CDMA和ALOHA协议，并不能直接应用到该类主从异构型数传模块上。因此，针对此类的无线模块开发相关的自组织组网方法具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种具有很高的容错性、鲁棒性和灵活性，可以提高自组织网络在空间恶劣环境中生存能力的基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法，其特征在于：当处于初始化状态时，所有节点都置于从模式，并发送心跳信息；如果此时网络中存在处于主模式的主节点，主节点通过心跳报文感知到新节点的加入，给新节点分配心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片；如果此时网络中不存在主节点，处于从模式的从节点将收不到主节点的心跳信息，则进入主节点选举状态，各个从节点按照地址递增的顺序划分时间片，自动切换为主模式；如果在等待时间内收到了主节点的心跳信息，即网络中已经存在主节点，则与主节点进行时间同步，并在主节点的协调下参与时间片轮转和数据传输。

作为本发明的进一步改进：

所述初始化状态是***上电时所处的状态，主要负责对节点进行初始化设置和GPS时钟校准；所述主模式是主节点所处的模式，该模式下的节点负责拓扑管理、时间片管理、主节点选举、传输调度和数据传输任务；所述从模式是从节点所处的模式，从节点是网络通信终端，直接和主节点进行通信；所述主节点选举状态是从节点通过“竞争”和“轮转”的混合选举机制竞争成为主节点时的状态。

所述主节点选举状态的步骤为：首先由主节点发送选举开始报文，从节点收到该报文后，根据自身的能耗状况、担任主节点的次数以及拓扑结构信息，综合考虑后决定是否担任下一任的主节点；如果决定担任，则在其所属的选举时间片内，发送选举申请报文，否则不发送；当所有节点的选举时间片结束后，主节点根据收到的选举申请报文确认下一任主节点，并向其发送选举结果报文，该节点收到后，回复选举确认报文；收到选举确认报文的的从节点便自动切换为主模式，协调管理网络；而当前的主节点则切换为从模式，成为从节点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明满足了该类数传模块所独有的主/从异构型特点，所适用的节点也有主/从模式。

2、本发明具有分布式特性，各个节点拥有相同的程序代码，但会依据自身情况独自判定，并运行对应的代码。

3、本发明使用心跳报文感知节点的存活情况，从节点和主节点之间都会周期性地发送心跳报文，如果在一段时间内未收到该节点的心跳报文，则认为该节点失效或退出网络。

4、本发明具有时间片轮转的特点，时间被分为固定长度的时间片，各一轮时间片内都会选举产生新的主节点，负责管理网络。

5、本发明具有按需分“时”的特点，时隙分配采用“轮询-调度”机制，按照传输需求分配传输时间。

6、本发明属于分布式的、基于心跳报文的、基于时间片轮转的、基于“簇”的、基于按需分“时”的自组织组网方法，该方法具有很高的容错性、鲁棒性和灵活性，提高了由该模块组成的卫星集群自组织网络在空间恶劣环境中的生存能力。

附图说明

图1是本发明中节点状态转换的示意图；

图2是本发明中从节点选举时间片分配的示意图；

图3是本发明中组网方法的流程示意图；

图4是本发明中“竞争”和“轮转”的混合选举机制示意图；

图5是本发明中时间片轮转的示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，在本发明的方法中，节点主要包括四个状态：初始化状态、主模式、从模式和主节点选举状态，各状态之间的切换都以时间片的方式触发。

“初始化状态”是***上电时所处的状态，主要负责对节点进行初始化设置和GPS时钟校准；“主模式”是主节点所处的模式，该模式下的节点负责拓扑管理、时间片管理、主节点选举、传输调度和数据传输等任务；“从模式”是从节点所处的模式，从节点即是网络通信终端，直接和主节点进行通信；“主节点选举状态”是从节点通过“竞争”和“轮转”的混合选举机制竞争成为主节点时的状态。

当处于初始化时刻时，所有节点都置于从模式，并发送心跳信息。如果此时网络中存在主节点(处于主模式的节点，即簇头节点)，主节点会通过心跳报文感知到新节点的加入，因此给其分配心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片等网络资源。如果此时网络中不存在主节点，从节点(处于从模式的节点)将收不到主节点的心跳信息，则进入主节点选举状态，各个节点按照地址递增的顺序划分时间片，自动切换为主模式；如果在等待时间内收到了主节点的心跳信息，即网络中已经存在主节点，则与主节点进行时间同步，并在主节点的协调下参与时间片轮转和数据传输。

由上可知，本发明实际是采用时间片轮转的思想，每个主节点都只负责当前这一“轮”的网络管理任务，每一轮里又分为很多小的时间片用于传输调度和数据传输，当每一轮结束后再进行选举产生新的主节点。当主节点在一定时间内没有收到某个从节点的任何信息，则主节点认为该从节点丢失，然后发送拓扑通告报文以通知该节点丢失的消息。

如果主节点在一段更长的时间内收不到任何从节点的信息，则说明该网络中可能存在另外的主节点构建了网络，于是该节点将自动切换为从模式加入该网络，以此便保证了网络在节点丢失或出故障的情况下，不管是主节点还是从节点出问题，剩余节点仍然能够正常组网以及进行数据传输。

在这其中，对于拓扑通告报文的发送而言，全网的拓扑信息都主节点发出，可采用定时器周期性发送、M-Beacon信息中捎带或根据网络拓扑更改情况按需三种方式发送。对于涉及时间同步报文的发送而言，全网的时间信息都主节点发出，可采用定时器周期性发送、M-Beacon信息中捎带两种方式发送。关于数据报文转发，对于主节点，若发现收到的报文的目的地址为自身的地址，则提交上层处理；若目的地址不是自身的地址，则转发(再次发送出去)，转发时不用修改源地址。对于从节点，若发现收到的报文的目的地址为自身的地址，则提交上层处理；若目的地址不是自身的地址，则丢弃。

如图3所示，本发明组网方法的具体流程为：

1、节点上电时，进入初始化状态，各模块按递增顺序自行设置各自的地址值V_addr(如依次设定为1，2，3，4，5......)，并都先将自己设置为从模式，即成为了从节点，记录此时刻设为T_start。

2、在从模式中，每个从节点按相同的周期依次向主节点发送S-beacon信息(即从节点发送的心跳报文)，并仅对主节点设置心跳报文定时器。同时，每个从节点等待主节点的M-beacon报文(即主节点发送的心跳报文)，设定该阶段的等待时间上界为T_{beacon_wait}。若在T_{beacon_wait}时间内收到来自主节点的M-beacon信息或任何数据/控制报文，则将该心跳报文定时器计数清零，否则进入主节点选举状态。

3、在主节点选举状态中，如果此时的网络中不存在主节点，算法将按地址递增的顺序，给每个节点分配T_{time_slice}长度的时间片，让其自身切换为主节点，并广播心跳信息通告自己已成为主节点。如图1所示，从T_start+T_{beacon_wait}时刻开始，该从节点开始等待属于自己的时间片，每个节点需要等待的时间长度因节点的地址不同而不同，为T_mc＝T_{time_slice}*V_addr，以此避免各个节点同时切换为主节点的情况。若在T_mc时间内收到来自主节点的M-beacon信息或任何数据/控制报文，说明网络中主节点出现，则停止等待，依然处于从模式继续运行。

在主节点选举状态中，如果此时的网络中存在主节点，网络会按时间片轮转的方式，将时间被分为固定周期长度的轮。而当每一轮结束时，主节点会主导网络进入主节点选举阶段，并以“轮转”+“竞争”的方式选举主节点，流程如图4所示。首先由主节点发送选举开始报文，从节点收到该报文后，根据自身的能耗状况、担任主节点的次数以及拓扑结构等信息，综合考虑后决定是否担任下一任的主节点，如果决定担任，则在其所属的选举时间片内，发送选举申请报文，否则不发送。当所有节点的选举时间片结束后，主节点根据收到的选举申请报文确认下一任主节点，并向其发送选举结果报文，该节点收到后，回复选举确认报文。收到选举确认报文的从节点便自动切换为主模式，协调管理网络；而当前的主节点则切换为从模式，成为从节点。

如图5所示，网络中的每轮时间片包含“主节点选举阶段”和“传输调度与数据传输阶段”。“传输调度与数据传输阶段”又包含固定数目的时间片，其中每个时间片又分为传输需求轮询、调度通告和数据传输三个部分。在该阶段中，主节点首先依次发送传输轮询报文轮询各个从节点的传输需求，收到各个从节点的传输轮询响应报文后，再按照实际的传输需求进行调度，发布传输调度通告报文，给有数据传输需求的节点分配时间分片发送数据报文。

对于主节点，若发现收到的报文的目的地址为自身的地址，则提交上层处理；若目的地址不是自身的地址，则转发(再次发送出去)，转发时不用修改源地址。

对于从节点，若发现收到的报文的目的地址为自身的地址，则提交上层处理；若目的地址不是自身的地址，则丢弃。

节点通过“竞争”+“轮转”方式选举成为主节点后，也将以T_beacon为周期向从节点发送M-beacon信息，以通告自己已正常工作。主节点也将接收从节点的S-beacon信息，并对每个从节点单独设置心跳报文定时器，触发时间也设为T_{beacon_wait}，主节点每收到一个从节点的S-beacon信息或该从节点的任何数据/控制报文，都将其对应的心跳报文定时器计数清零。如果主节点判定该心跳报文来自一个未知的从节点，即有新的从节点加入网络，主节点便会通过拓扑通告报文通知其他节点有新节点加入，并给其分配一个心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片等网络资源。

如果T_{beacon_wait}时间内主节点仍未能收到某个从节点的心跳信息或该从节点发来的任何数据/控制报文，则认为该从节点工作异常或退出网络，并将此信息通知其他节点，并且不再给其分配心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片等网络资源。

另外，如果主节点在T_{beacon_wait_all}时间内未能收到任何从节点发送的S-beacon信息或任何数据/控制报文，则说明该网络中可能存在另外的主节点构建了网络，于是该节点将自动切换为从模式加入该网络。

本实施例中，上述方法中的各符号含义可参见下表：

表1组网算法符号说明表：

本实施例中，上述方法内基础报文格式为：

Start delimiter：

报文起始符，界定报文的开始。

Source|Destination：

源节点和目的节点地址，如果主节点收到目的地址为自身地址的报文时，则提交上层处理；如果收到目的地址不为自身地址的报文时，则广播转发该数据报文。

Version：

版本号

Type：

报文类型，以此区别心跳报文、拓扑通告报文、时间同步报文、选举开始报文、选举申请报文、选举确认报文、传输轮询报文、传输轮询响应报文和传输调度通告报文。

Length：

表示包括报文头在内整个数据/控制报文的长度，以字节为单位。当报文长度值为报文起始符或转义标识符时，则用某些特殊字符替代。

Payload：

应用层数据或者控制报文信息。

为避免报文数据字符和开始界定符混淆，可采用PPP协议中的转义方法对数据载荷中的出现的开始界定符进行转义。

上述方法中，其承载报文格式为：

(1)心跳报文

Type|Option

拓扑通告报文(可选)

时间同步报文(可选)

Type：

发送心跳报文的节点类型：从节点或主节点

Option：

是否捎带拓扑信息或时间同步信息

主节点发送的M-beacon报文中可以捎带拓扑信息或时间同步信息。对于从节点发送的S-beacon报文不捎带信息。主节点收到S-beacon报文，更新网络拓扑信息，该信息在拓扑发布时有用。

(2)拓扑通告报文

Node1	Node2	Node3	Node4
				Node5	…	…	…

Node1～Node5：

1/0表示该模块是/否正常工作

主节点将拓扑通告报文附加在心跳报文中，周期性发送，而在拓扑发生变化时立即发送拓扑通告报文。其中，哪一个是主节点，可以通过报文的源地址获得。

(3)时间同步报文

CurrentTime

CurrentTime：

当前一轮的时间片所经过的时间长度

主节点周期性发送，从节点收到时间同步报文后，将自己的时间片内经过的时间改为CurrentTime或(CurrentTime+T_delay)。

(4)选举开始报文、选举申请报文、选举确认报文和传输轮询报文

该类报文不需要载荷信息，直接通过基础报文中的Source字段、Destination字段和Type字段即可明确报文含义。

(5)传输轮询响应报文

DataSize

DataSize：

节点自身缓存待发送的数据量

该类报文用于从节点回复主节点的传输轮询报文，告知主节点自身缓存待发送的数据量。

(6)传输调度通告报文

Node1\|SendTime	Node2\|SendTime	Node3\|SendTime	Node4\|SendTime
				Node5\|SendTime	…	…	…

Node：

节点号

SendTime：

按需分配给该节点的数据发送时间长度

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法，其特征在于：当处于初始化状态时，所有节点都置于从模式，并发送心跳信息；如果此时网络中存在处于主模式的主节点，主节点通过心跳报文感知到新节点的加入，给新节点分配心跳报文传输时间片、选举时间片和传输需求轮询时间片；如果此时网络中不存在主节点，处于从模式的从节点将收不到主节点的心跳信息，则进入主节点选举状态，各个从节点按照地址递增的顺序划分时间片，自动切换为主模式；如果在等待时间内收到了主节点的心跳信息，即网络中已经存在主节点，则与主节点进行时间同步，并在主节点的协调下参与时间片轮转和数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法，其特征在于：所述初始化状态是***上电时所处的状态，主要负责对节点进行初始化设置和GPS时钟校准；所述主模式是主节点所处的模式，该模式下的节点负责拓扑管理、时间片管理、主节点选举、传输调度和数据传输任务；所述从模式是从节点所处的模式，从节点是网络通信终端，直接和主节点进行通信；所述主节点选举状态是从节点通过“竞争”和“轮转”的混合选举机制竞争成为主节点时的状态。

3.根据权利要求1所述的基于主从异构型数传模块的卫星集群自组织组网方法，其特征在于所述主节点选举状态的步骤为：首先由主节点发送选举开始报文，从节点收到该报文后，根据自身的能耗状况、担任主节点的次数以及拓扑结构信息，综合考虑后决定是否担任下一任的主节点；如果决定担任，则在其所属的选举时间片内，发送选举申请报文，否则不发送；当所有节点的选举时间片结束后，主节点根据收到的选举申请报文确认下一任主节点，并向其发送选举结果报文，该节点收到后，回复选举确认报文；收到选举确认报文的的从节点便自动切换为主模式，协调管理网络；而当前的主节点则切换为从模式，成为从节点。