一种基于空天车地通信网的应急通信系统及方法
专利摘要:本发明属于铁路列车通信技术领域,具体提供了一种基于空天车地通信网的应急通信系统及方法,包括铁路既有传输网络结构,还包括地面中心通信设备及至少一个分簇网络结构,分簇网络结构包括至少一个簇,簇包含作为簇成员的地面移动通信节点及作为簇首的空中通信节点,地面中心通信设备与铁路信既有传输网络之间通过以太网通信连接,地面中心通信设备以及地面移动通信节点均与空中通信节点通过无线网通信连接。一方面,当所发生的应急事件导致地面通信设施损坏时,该方式不依赖既有铁路通信手段能单独通信;其次,当发生公共事件时,还可采集智能手持终端的位置数据以获得救援人员的位置及活动路径。
专利说明:
一种基于空天车地通信网的应急通信系统及方法
[0001] 技术领域
[0002] 本发明属于铁路列车通信技术领域,具体涉及一种基于空天车地通信网的应急通信系统及方法。
[0003] 背景技术
[0004] 铁路应急通信系统是在铁路发生自然灾害、行车事故或其他突发性公共事件时,为确保救援指挥需要,在突发事件现场与应急救援指挥中心之间、应急救援指挥中心与应急救援指挥分中心之间以及突发事件现场内部建立的话音、数据、图像等通信,同时包括铁路应急指挥应用系统与各相关系统之间的通信。
[0005] 《铁路应急通信接入技术条件》(TB/T 3204-2008)中提供了光缆接入、电缆接入、宽带无线接入、宽带卫星接入、海事卫星接入、移动通信网络接入等6种接入方式,并分别介绍了每种接入方式的应用条件。当铁路现有通信系统因事故中断且现场无无线公网信号覆盖时,可选择的只有宽带卫星接入和海事卫星接入,其中宽带卫星接入要求宽带卫星信号覆盖较好,而在大型建筑内或山体等物体遮挡时,信号质量可能会不满足使用需求。海事卫星接入对现场设备要求较低,但由于带宽较低,无法进行质量较高的图像、视频等数据量较大的数据传输。
[0006] 另外,目前铁路应急通信系统无法自动获取赶往突发事件现场人员的位置信息,常常需要救援人员向指挥中心汇报在途位置信息以及现场位置信息,因此不利于对应急救援工作的全局掌控。
[0007] 发明内容
[0008] 本发明的目的是克服现有技术中现有铁路应急通信系统效率低下的问题。
[0009] 为此,本发明提供了一种基于空天车地通信网的应急通信系统,包括铁路既有传输网络结构,还包括地面中心通信设备及至少一个分簇网络结构,所述分簇网络结构包括至少一个簇,所述簇包含作为簇成员的地面移动通信节点及作为簇首的空中通信节点,所述地面中心通信设备与所述铁路既有传输网络之间通过以太网通信连接,所述地面中心通信设备以及所述地面移动通信节点均与所述空中通信节点通过无线网通信连接。
[0010] 优选地,所述空中通信节点包括悬停于空中的艇载通信设备,所述地面移动通信节点包括列车节点和/或移动终端节点。
[0011] 优选地,所述簇成员还包括位于所述艇载通信设备与地面之间的无人机群,所述空中通信节点及所述地面移动通信节点均通过无线通信与所述无人机群连接,所述无人机群中的各无人机之间通过无线通信连接。
[0012] 优选地,所述簇还包括备网关节点,所述网关节点为可以同时与两个簇首通信的无人机。
[0013] 优选地,所述簇还包括备用簇首,所述簇首为所述无人机群中稳定性最好的一个无人机。
[0014] 优选地,所述地面移动通信节点与所述空中通信节点通过hello信息进行交互,所述hello信息包含源节点的ID号、所处的簇、节点位置及速度信息。
[0015] 优选地,所述无线通信的方式包括4G网络、5G网络、ZigBee或专用的无线通信网络。
[0016] 本发明还提供了一种基于空天车地通信网的应急通信方法,包括步骤:
[0017] S1:初始化分簇网络结构,确认作为簇首的空中通信节点及作为簇成员的地面移动通信节点;
[0018] S2:当列车节点收到簇首宣告信息以后,向作为簇首的艇载设备节点发送请求加入信息请求加入以该艇载设备节点为簇首的簇;
[0019] S3:列车节点作为源节点通过计算与簇首的连接时间,估算自己将要离开该簇的时间,在将要离开时若还需发送数据信息,则优先将数据信息发送给距离自己最近的作为目的节点的网关节点,同时及时侦听是否有新的簇首宣告信息,以加入该新的簇。
[0020] 优选地,当源节点与目的节点为相邻节点,且源节点与目的节点分别为两个簇的网关节点,则源节点直接发送信息给目的节点;当源节点与目的节点为非相邻节点时,所述源节点向所述源节点所在簇的簇首发送路由请求信息,所述路由请求信息包括所述源节点的位置数据及活动路径。
[0021] 优选地,所述簇首判断目的节点是否在自己所在的簇内,若是,则向源节点返回路由请求信息;若否,则所述簇首广播向所有该簇的网关节点发送所述路由请求信息,该簇的网关节点将所述路由请求信息发送给相邻的其他簇网关节点,进而通过其他簇网关节点将所述路由请求信息发送至该其他簇网关节点所对应的簇首。
[0022] 本发明的有益效果:本发明提供的这种基于空天车地通信网的应急通信系统及方法,包括铁路既有传输网络结构,还包括地面中心通信设备及至少一个分簇网络结构,分簇网络结构包括至少一个簇,簇包含作为簇成员的地面移动通信节点及作为簇首的空中通信节点,地面中心通信设备与铁路既有传输网络之间通过以太网通信连接,地面中心通信设备以及地面移动通信节点均与空中通信节点通过无线网通信连接。通过建立包括既有铁路既有传输网络结构在内的分簇网络结构,实时监控该网络覆盖范围内的列车及工作人员的相关信息。一方面,当所发生的应急事件导致地面通信设施损坏时,该方式不依赖既有铁路通信手段能单独通信;其次,当发生公共事件时,还可采集智能手持终端的位置数据以获得救援人员的位置及活动路径。
[0023] 以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0024] 附图说明
[0025] 图1是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的组成示意图;
[0026] 图2是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的下游并网示意图;
[0027] 图3是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的场景示意图;
[0028] 图4是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的分簇流程示意图;
[0029] 图5是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的hello信息内容格式;
[0030] 图6是本发明空天车地通信网的应急通信系统及方法的路由发现流程示意图。
[0031] 具体实施方式
[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0033] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
[0034] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征;在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
[0035] 本发明实施例提供了一种基于空天车地通信网的应急通信系统,包括铁路既有传输网络结构,还包括地面中心通信设备及至少一个分簇网络结构,所述分簇网络结构包括至少一个簇,所述簇包含作为簇成员的地面移动通信节点及作为簇首的空中通信节点,所述铁路既有传输网络结构与地面中心通信设备通过以太网通信连接,所述空中通信节点与所述铁路既有传输网络之间通过无线网络通信连接,所述空中通信节点与地面中心通信设备以及所述地面移动通信节点与所述空中通信节点通过无线网通信连接。其中,所述空中通信节点包括悬停于空中的艇载通信设备,所述地面移动通信节点包括列车节点和/或移动终端节点。
[0036] 如图1和图2所示为空天车地通信网的应急通信系统的组成示意图,艇载通信设备指的是搭载在飞艇上的通信设备,包括与各地面移动通信节点连接的移动通信基站、微波通信终端、网关等通信设备。地面移动通信节点包括列车节点和/或移动终端节点,如移动通信终端1、移动通信终端2至移动通信终端n,移动通信终端的数量取决于艇载移动通信基站的设计能力及所选用的通信制式等相关技术限制,但是不影响本技术方案的功能实现。移动通信终端可配置在列车、轨旁监测设施、应急通信现场设备、无人机等位置实现相应设备的空天车地通信网络的接入。地面中心通信设备包括与艇载通信设备中的微波通信终端配对的微波通信终端以及路由器等通信设备。地面中心通信设备可与铁路既有传输网络相连,实现与既有铁路应急通信系统或其他应用系统的互联互通。
[0037] 移动通信终端向下与应急通信现场接入设备分别与其他终端、移动影音设备、话音终端或智能终端实现通信连接,从而便可通过下游的终端设备实时了解该系统内的所有列车及工作人员的相关信息,如位置、速度等信息。通过应急通信现场接入设备便可将下游的各个终端并入系统内。其中,应急通信现场接入设备可以是一个带有开关的通信设备,该通信设备为现有技术,当开启时,下游终端便可与该通信设备联网,通信设备与地面移动通信终端连接,从而实现了下游终端与列车、艇载通信设备及既有铁路网络的互联互通。
[0038] 对于空天车地通信网络来说,其分簇形成的过程包括确定簇首、确定网关、确定备用簇首等流程,当网络中不存在状态不确定的节点时,分簇构建的初始化过程就完成了。
[0039] 优选的方案,所述簇成员还包括位于所述艇载通信设备与地面之间的无人机群,所述空中通信节点及所述地面移动通信节点均通过无线通信与所述无人机群连接,所述无人机群中的各无人机之间通过无线通信连接。如图3所示,处于临空空间的艇载设备节点驻留在临空空间中,用于大范围下的监测和通信,处于其覆盖范围内的节点(如无人机节点、地面节点等)可以与其通信,艇载通信设备通过地面中心通信设备将信息传递到铁路既有传输网络。无人机节点在低空飞行,负责进行更细粒度的监测和通信,处于通信范围内的无人机之间可以互相通信,也可以与无人机通信范围内的地面节点通信。地面节点(如列车节点、或其他地面终端节点)可以与通信半径内的其他地面节点通信,也可以与艇载设备或无人机通信。
[0040] 优选的方案,所述簇还包括备网关节点,所述网关节点为可以同时与两个簇首通信的无人机。无人机节点如果可以同时和两个簇首通信,或者可以和另一个簇中的无人机节点通信,就说明该无人机节点处于两个簇的交界或重叠处,此时无人机节点可以宣告成为网关节点。无人机节点需要向簇首发送网关节点请求信息,该信息中包含无人机节点的邻居节点信息,簇首收到后回复网关节点确认信息,同意无人机节点的网关节点申请,同时簇首会将网关信息广播给其他所有簇成员。
[0041] 优选的方案,所述簇还包括备用簇首,所述簇首为所述无人机群中稳定性最好的一个无人机。对于空天车地通信网络来说,其分簇形成的过程包括确定簇首、确定网关、确定备用簇首等流程,当网络中不存在状态不确定的节点时,分簇构建的初始化过程就完成了。由于空天地车一体化网络是高动态网络,网络中的无人机和列车节点处在快速移动过程中,网络拓扑会随之发生变化,因此在分簇初始化完成以后就会进入分簇的维护和更新过程。艇载设备覆盖范围比较广,可以和覆盖范围内的节点通信,具有较大的连接度,又由于其能在空中长时间驻留,基本处于静止状态,和其他节点的连接关系基本不会发生变化,具有较大的连接时间,因此默认竞争簇首。在艇载设备覆盖范围内的无人机节点和地面节点,将成为其簇成员。
[0042] 优选的方案,所述稳定性为无人机相对于所述空中通信节点之间的相对位置稳定性。该稳定性主要是指通信时网络的稳定性以及无人机本身的悬停稳定性,将其定义为节点i的稳定度量参数w,其值通过下列公式(1)进行计算得到:
[0043] 节点i的稳定性度量参数:
[0044]

[0045] 其中,Ci表示节点i的连接度,Cmax表示簇内最多有多少节点,TAV i表示节点i的平均连接时间,TThreshold表示连接时间阈值。
[0046] 其中连接度和平均连接时间释义如下:
[0047] 在距离地面的同一高度上,两个节点有相同的通信半径,在任意时刻,两个节点之间的距离不大于最大通信距离,就说两个节点有连接的关系,假设两节点按照当前的移动方向和速度,那么在t时刻后,若还满足两者的距离等于半径的平方,就可以求出两者之间的连接时间。不同高度上的不同类型的节点(例如艇载设备和地面设备)之间的连接时间,也可以转化为两个地面节点的投影之间的距离是否小于艇载设备的覆盖半径,去判断两者是否可以通信。进一步,节点的平均连接时间可以用节点与自身所有邻居节点行程的连接时间总和,除以另据节点的数目来得到。
[0048] 其中连接度即为同一高度平面中的邻居节点个数。
[0049] 节点稳定性:w越大,节点越稳定。其中β是一个可调节的参数,通过调节β的值,使w取得最优值。
[0050] 优选的方案,所述地面移动通信节点与所述空中通信节点通过hello信息进行交互,所述hello信息包含源节点的ID号、所处的簇、节点位置及速度信息。分簇开始时,艇载设备节点(节点i)发送带有簇首宣告信息的CH信息或者hello包,该信息中包含簇首宣告信息、簇的ID号、簇内已有的簇成员的ID号;其中,簇的ID号取艇载设备的ID号,簇内已有的群成员中标注特殊身份,如簇首或网关。带有簇首宣告信息的CH信息或者hello包被覆盖范围内的无人机节点或地面节点侦听到以后,假设该无人机节点或地面节点为节点j,该节点j会进入请求加入该簇的阶段,节点向簇首发送请求加入信息;簇首收到会回复请求允许信息给节点j,或者簇首发送的Hello信息中包含节点j的节点ID号,那么节点j申请加入以节点i为簇首的分簇的申请过程就完成;如果节点j没有收到簇首返回的请求允许信息,也没有在簇首发送的hello信息中找到自己的节点ID号,就表示申请加入簇的请求被拒绝,需要重新申请。
[0051] 优选的方案,所述无线通信的方式包括4G网络、5G网络、ZigBee或专用的无线通信网络。
[0052] 具体地应急通信系统搭建过程如下:
[0053] (1)搭建如图1所示的空天车地通信网络;
[0054] (2)将铁路既有传输网络结构接入空天车地通信网络,应急通信现场设备根据需要可搭载在地面上,也可搭载在列车上,在地面时通过移动通信终端接入网络,在列车上时,就是作为列车节点接入网络,其中应急通信现场接入设备通过以太网接口与移动通信终端连接,移动通信终端与配套的艇载通信设备无线连接,艇载通信设备与配套的地面中心通信设备无线连接,地面中心通信设备通过以太网接口接入铁路既有传输网络与应急中心设备连接;
[0055] (3)在分簇方法当中,艇载设备默认竞争簇首。在艇载设备覆盖范围内的无人机节点和地面节点,将成为其簇成员。无人机节点如果可以同时和两个簇首通信,或者可以和另一个簇中的无人机节点通信,就说明该无人机节点处于两个簇的交界或重叠处,此时无人机节点可以宣告成为网关。在初始化过程中,需从无人机中选出一个备用簇首,防止艇载设备节点突发故障,导致网络瘫痪。在艇载设备簇首正常工作时,该备用簇首在簇内的功能和普通簇成员没有分别(如果该备用簇首同时也是网关节点,则看作网关节点),当艇载设备簇首突发故障时,备用簇首承担起簇首角色,快速建立起新的簇网络,保证网络的鲁棒性。一个簇中默认选择一个无人机备用簇首;
[0056] (4)在自适应路由方法中,通过区分源节点和目的节点的位置关系,分别采取不同的路由策略,且根据链路的稳定性实时更新备用链路,保证网络业务传输的稳定性。内容主要包括路由发现、路由维护;
[0057] (5)将智能终端的网络选择为应急通信现场接入设备提供的WLAN热点信号;
[0058] (6)打开智能终端中预先安装的应急通信软件;
[0059] (7)打开应急中心设备中预先安装的与智能终端配套的应用软件;
[0060] (8)智能终端将位置信息发送至应急中心设备;
[0061] (9)通过应急中心设备上的相应的应用软件可显示智能终端的位置信息;
[0062] (10)通过以上实施过程,利用所提出的适用于空天车地通信网络的分簇方法及基于分簇方法的自适应路由方法,节点可以发现其邻节点和两跳节点,快速建立一个稳定的网络结构,并实现话音、视频和位置信息等数据分组的多跳传输,从而保证了基于空天车地通信网接入的铁路应急通信系统的正常工作。
[0063] 空天车地通信网中,搭载在无人机、列车等位置的移动通信终端高速移动,又由于艇载通信设备长时间驻留、覆盖范围广的特点,形成了以艇载通信设备为核心的异构高动态网络。针对空天车地通信网络结构,及案例符合物理场景的网络模型,根据网络中的节点在物理中的高度,将网络中的节点分为三种类型,分别是:
[0064] (1)艇载设备节点:位于距离地面高度为h1千米的临空空间中。艇载设备节点的理想驻留状态是固定不动的。
[0065] (2)无人机节点:距离地面高度为h2(h2<h1)千米,可以与艇载设备通信。
[0066] (3)地面通信节点:位于地面上的节点,主要包括列车节点,轨旁监测节点,应急通信现场设备等。
[0067] 对于网络中的三类节点,规定其具有节点公平性:每一类节点都具有相同的物理特性及功能,即每个艇载设备节点、每个无人机节点、每个列车节点、每个轨旁节点都分别处于平等的地位,其在网络中能担任的角色都是分别相同的。
[0068] 由于网络场景中无人机节点和列车节点的高速移动性,空天车地通信网络结构具有节点移动性强、拓扑变化迅速的特点;网络中的业务传输具有多跳的特点;而网络中每个节点都具有一定的自主协调能力,这些特点说明,空天车地通信网络实际上是一种特殊的自组织网络,设计能够适用于网络的分簇结构,并且采用基于分簇网络结构的路由方法,结合列车和无人机的GPS定位功能,提供定位和位置发现服务。
[0069] 本发明还提供了一种基于空天车地通信网的应急通信方法,其特征在于,包括步骤:
[0070] S1:初始化分簇网络结构,确认作为簇首的空中通信节点及作为簇成员的地面移动通信节点;
[0071] S2:当列车节点收到簇首宣告信息以后,向作为簇首的艇载设备节点发送请求加入信息请求加入以该艇载设备节点为簇首的簇;
[0072] S3:列车节点作为源节点通过计算与簇首的连接时间,估算自己将要离开该簇的时间,在将要离开时若还需发送数据信息,则优先将数据信息发送给距离自己最近的作为目的节点的网关节点,同时及时侦听是否有新的簇首宣告信息,以加入该新的簇。
[0073] 优选的方案,当源节点与目的节点为相邻节点,且源节点与目的节点分别为两个簇的网关节点,则源节点直接发送信息给目的节点;当源节点与目的节点为非相邻节点时,所述源节点向所述源节点所在簇的簇首发送路由请求信息,所述路由请求信息包括所述源节点的位置数据及活动路径。由此可知,如图2所示,智能终端、语音终端、移动影音设备以及其他终端的位置数据通过应急通信现场接入设备将救援人员的位置及活动路径传递至移动通信终端,该移动通信终端作为源节点将上述路由请求信息打包发送至艇载通信设备。
[0074] 由此可知,对于空天车地通信网络来说,其分簇形成的过程包括确定簇首、确定网关、确定备用簇首等流程,当网络中不存在状态不确定的节点时,分簇构建的初始化过程就完成了。由于空天地车一体化网络是高动态网络,网络中的无人机和列车节点处在快速移动过程中,网络拓扑会随之发生变化,因此在分簇初始化完成以后就会进入分簇的维护和更新过程。作为发送新的源节点和接受信息的目的节点,这里,源节点可以是网关节点、列车节点或簇首,目的节点也可以是网关节点、列车节点或簇首,具体根据信息的传递方向有关。
[0075] 优选的方案,所述簇首判断目的节点是否在自己所在的簇内,若是,则向源节点返回路由请求信息;若否,则所述簇首广播向所有该簇的网关节点发送所述路由请求信息,该簇的网关节点将所述路由请求信息发送给相邻的其他簇网关节点,进而通过其他簇网关节点将所述路由请求信息发送至该其他簇网关节点所对应的簇首。
[0076] 以下为空天车地通信网的应急通信方法的流程原理:
[0077] 首先,空天地车一体化网络的分簇形成过程可以用图4来表示,具体流程如下所示:
[0078] (1)艇载设备覆盖范围比较广,可以和覆盖范围内的节点通信,具有较大的连接度,又由于其能在空中长时间驻留,基本处于静止状态,和其他节点的连接关系基本不会发生变化,具有较大的连接时间,因此默认竞争簇首。在艇载设备覆盖范围内的无人机节点和地面节点,将成为其簇成员。
[0079] 分簇开始时,艇载设备节点(节点i)发送带有簇首宣告信息的CH信息或者hello包,该信息中包含簇首宣告信息、簇的ID号、簇内已有的簇成员的ID号;其中,簇的ID号取艇载设备的ID号,簇内已有的群成员中标注特殊身份,如簇首或网关。
[0080] (2)带有簇首宣告信息的CH信息或者hello包被覆盖范围内的无人机节点或地面节点侦听到以后,假设该无人机节点或地面节点为节点j,该节点j会进入请求加入该簇的阶段,节点向簇首发送请求加入信息;簇首收到会回复请求允许信息给节点j,或者簇首发送的Hello信息中包含节点j的节点ID号,那么节点j申请加入以节点i为簇首的分簇的申请过程就完成;如果节点j没有收到簇首返回的请求允许信息,也没有在簇首发送的hello信息中找到自己的节点ID号,就表示申请加入簇的请求被拒绝,需要重新申请。
[0081] (3)无人机节点如果可以同时和两个簇首通信,或者可以和另一个簇中的无人机节点通信,就说明该无人机节点处于两个簇的交界或重叠处,此时无人机节点可以宣告成为网关。无人机节点需要向簇首发送网关请求信息,该信息中包含无人机节点的邻居节点信息,簇首收到后回复网关确认信息,同意无人机节点的网关申请,同时簇首会将网关信息广播给其他所有簇成员。
[0082] (4)在初始化过程中,需从无人机中选出一个备用簇首,防止艇载设备节点突发故障,导致网络瘫痪。备用簇首的选择是基于节点的稳定性度量考量,选择同一个簇中稳定性度量参数w最大的无人机节点作为备用簇首。艇载设备簇首宣告成为簇首并且确认过所有簇成员以后,同一个簇内的无人机节点中,具有最大稳定性度量的无人机节点成为备用簇首。在艇载设备簇首正常工作时,该备用簇首在簇内的功能和普通簇成员没有分别(如果该备用簇首同时也是网关节点,则看作网关节点),当艇载设备簇首突发故障时,备用簇首承担起簇首角色,快速建立起新的簇网络,保证网络的鲁棒性。一个簇中默认选择一个无人机备用簇首。
[0083] (5)当网络中不存在状态不确定的节点时,表示分簇初始化过程完成。
[0084] 其次,空天地车一体化网络的簇的维护包括:
[0085] (1)备用簇首维护:
[0086] 在分簇形成过程中,选取簇中稳定性度量值最大的无人机节点为备用簇首。但由于无人机节点的移动性,其稳定性度量值会不断改变,因此需要执行备用簇首的维护过程。艇载设备要根据无人机节点发送的Hello信息中的稳定性度量值,周期性地判断分簇网络结构中具有最大稳定性度量的无人机节点是否改变。如果不改变,则维持原有备用簇首不变;如果改变,则更改备用簇首,选取当前稳定性度量值最大的无人机节点为备用簇首,并全网广播;同时发送状态更改信息给原有的备用簇首,原有的备用簇首收到状态更改信息后,更改自己的状态为普通节点并回复给簇首,表示已经收到更改信息并更改自己状态。备用簇首和簇首间保持周期性通信,当备用簇首连续3个周期收不到簇首发送的通信信息时,则认为簇首出现故障,此时备用簇首立即通知邻居节点建立以备用簇首为新簇首的应急通信网络,由于备用簇首具有最大的稳定性度量,因此其可以最快速度建立起新的网络,保障网络的鲁棒性。
[0087] (2)网关维护:
[0088] 作为连接两个或多个簇的关键节点,网关节点的维护和更新主要有两种情况:一种是网关节点由于自身运动,不再同时能够和两个或多个簇内的节点通信,或者连接的新的簇;另一种是有其他节点和自己同时连接了相同的簇,造成了网关的竞争。这都需要进行网关的维护和更新。
[0089] 列车节点由于运行轨迹的原因,不会一直待在同一个簇内,会穿过多个分簇结构。在进入一个新的簇时,列车节点会接收到艇载设备节点周期性发送的簇首宣告信息,列车节点收到簇首宣告信息以后,向作为簇首的艇载设备节点发送请求加入信息请求加入以该艇载设备节点为簇首的簇;簇首收到后如果簇成员接入未达到上限,会回复请求允许信息给该列车节点,列车节点收到回复的信息以后,或者发现自己的ID号位于簇首发送的Hello信息中的簇成员列表中,则说明该列车节点申请加入该簇的请求成功。列车节点通过计算与簇首的连接时间,估算自己将要离开该簇的时间,在将要离开时若还需发送数据信息,则优先发送给距离自己最近的网关节点。同时及时侦听是否有新的簇首宣告信息,以加入下一个簇。
[0090] 其中,在分簇的初始化和分簇的更新过程中,网络中的节点通过hello信息进行交互。Hello信息中包含节点的ID号、所处的簇、节点位置、速度等信息。节点通过发送hello信息来更新自身维护的节点信息表。在Hello信息可以携带节点自身以及一跳邻居的节点信息,发送给相邻节点后,相邻节点可以更新自身维护的网络节点信息表。如图5所示是hello信息的内容格式。
[0091] 自适应分簇路由机制:
[0092] 基于分簇网络结构,提出基于链路稳定性的自适应分簇路由算法。基本思想是通过区分源节点和目的节点的位置关系,分别采取不同的路由策略,且根据链路的稳定性实时更新备用链路,保证网络业务传输的稳定性。内容主要包括路由发现、路由维护。
[0093] (1)路由发现
[0094] 路由算法基于分簇结构设计,为降低网络的路由开销,根据源节点和目的节点的位置关系可以采用不同的路由策略。
[0095] 图6展示了完整的路由发现流程。当源节点产生数据,要给目的节点发送信息时,如果源节点维护的路由表中没有到达目的节点的表项,即源节点不知道到达目的节点的路径,就进入到路由发现流程。
[0096] (a)当源节点S要发送数据包给目的节点D时,首先判断目的节点是否是自己的邻居节点:
[0097] 如果目的节点是自己的邻居节点,源节点就直接发送数据包给目的节点;
[0098] 如果目的节点不是自己的邻居节点,源节点就发送路由请求(RREQ,RoutingRequest)信息给簇首;
[0099] (b)簇首收到RREQ信息后,首先判断目的节点是否在自己为簇首的分簇结构内:
[0100] 如果目的节点和簇首在同一个簇,即目的节点和源节点在相同簇内,簇首返回RREP(RREP,Routing Reply)路由回复信息给源节点,源节点在自己维护的路由表中记录下目的节点和自己在同一个簇内。下次发送数据包给目的节点时,可以直接发送数据包到簇首,由簇首转发给目的节点;
[0101] 如果目的节点和簇首不在同一个簇,即目的节点和源节点不在相同簇内时,簇首会将收到的RREQ信息发送给所有的网关,网关再发送给它们相邻的网关节点(如果网关直接连接着相邻簇的簇首,网关就发送给相邻的簇首),相邻的网关节点收到请求信息后将其发送给对应簇首。
[0102] 簇首收到RREQ信息以后,向相邻簇转发RREQ信息时,不向信息来源方向转发。与此同时,RREQ信息会携带路径顺序信息,并在每个中继节点处更新,如果一个节点在收到的RREQ中找到了自己的节点标识,就会丢弃这个信息,这样可以防止发生路由环路。
[0103] 当RREQ信息到达目的节点所在分簇的簇首时,该簇首判断目的节点在自身所在簇内,就会沿着RREQ传递的路径反向回复路由回复信息。反向路径上的簇首收到RREP应答以后,在自身维护的路由表中记录相应的路由信息,根据当前的链路状态选择局部最短路径向源节点方向传递RREP,并在RREP中记录经过的节点信息;RREP信息到达源节点所在的簇首时,簇首将目的节点的路由信息记录在自己维护的路由表中,并将RREP返回信息告知源节点,最终获得源节点到目的节点的最短路径。
[0104] (c)本路由算法包含的一种特殊情况,是源节点和目的节点为相邻节点,且分别为两个簇的网关节点,此时根据自适应分簇路由机制,源节点直接发送信息给目的节点,而不需要执行簇间路由先发RREQ给簇首。这样可以减少数据包的时延,保证通信较快进行;且能够避免RREQ的重复发送,节省控制信息。
[0105] (2)路由维护
[0106] 天临空地车一体化网络中节点的高速运动可能会导致某些链路断掉,为了保障链路传输的可靠性,设置链路稳定性阈值,当链路稳定性参数低于阈值时,认为链路有断掉的风险或者链路不能保证较高的服务质量。由于簇内主要通过邻居节点直接发送或者簇首中继,而艇载设备作为簇首在带宽和稳定性上具有较好的服务能力,因此主要关注分簇结构之间网关链路的稳定性。当簇间的链路稳定性低于阈值时,就启动路由修复策略,寻找备用链路。这样可以保证节点i和节点j之间的链路断掉失去服务能力时,迅速启用备用链路,避免链路断掉造成的时延和丢包。
[0107] 该技术方案提出了适用于空天车地通信网络的分簇方法及基于此分簇结构的自适应路由方法,可以快速发现邻节点,建立邻居节点信息列表,快速组网,建立一个稳定的网络结构,避免了网络因为节点的高动态性而发生频繁变化,基于稳定的网络结构,可快速实现多跳路由,从而实现了实时、高效、可靠的话音、视频和位置信息等数据分组交换。
[0108] 以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
权利要求:1.一种基于空天车地通信网的应急通信系统,包括铁路既有传输网络结构,其特征在于:还包括地面中心通信设备及至少一个分簇网络结构,所述分簇网络结构包括至少一个簇,所述簇包含作为簇成员的地面移动通信节点及作为簇首的空中通信节点,所述地面中心通信设备与所述铁路既有传输网络之间通过以太网通信连接,所述地面中心通信设备以及所述地面移动通信节点均与所述空中通信节点通过无线网通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述空中通信节点包括悬停于空中的艇载通信设备,所述地面移动通信节点包括列车节点和/或移动终端节点。
3.根据权利要求2所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述簇成员还包括位于所述艇载通信设备与地面之间的无人机群,所述空中通信节点及所述地面移动通信节点均通过无线通信与所述无人机群连接,所述无人机群中的各无人机之间通过无线通信连接。
4.根据权利要求3所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述簇还包括备网关节点,所述网关节点为可以同时与两个簇首通信的无人机。
5.根据权利要求3所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述簇还包括备用簇首,所述簇首为所述无人机群中稳定性最好的一个无人机。
6.根据权利要求1所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述地面移动通信节点与所述空中通信节点通过hello信息进行交互,所述hello信息包含源节点的ID号、所处的簇、节点位置及速度信息。
7.根据权利要求1所述的基于空天车地通信网的应急通信系统,其特征在于:所述无线通信的方式包括4G网络、5G网络、ZigBee或专用的无线通信网络。
8.一种基于空天车地通信网的应急通信方法,其特征在于,包括步骤:
S1:初始化分簇网络结构,确认作为簇首的空中通信节点及作为簇成员的地面移动通信节点;
S2:当列车节点收到簇首宣告信息以后,向作为簇首的艇载设备节点发送请求加入信息请求加入以该艇载设备节点为簇首的簇;
S3:列车节点作为源节点通过计算与簇首的连接时间,估算自己将要离开该簇的时间,在将要离开时若还需发送数据信息,则优先将数据信息发送给距离自己最近的作为目的节点的网关节点,同时及时侦听是否有新的簇首宣告信息,以加入该新的簇。
9.根据权利要求8所述的基于空天车地通信网的应急通信方法,其特征在于:当源节点与目的节点为相邻节点,且源节点与目的节点分别为两个簇的网关节点,则源节点直接发送信息给目的节点;当源节点与目的节点为非相邻节点时,所述源节点向所述源节点所在簇的簇首发送路由请求信息,所述路由请求信息包括所述源节点的位置数据及活动路径。
10.根据权利要求9所述的基于空天车地通信网的应急通信方法,其特征在于:所述簇首判断目的节点是否在自己所在的簇内,若是,则向源节点返回路由请求信息;若否,则所述簇首广播向所有该簇的网关节点发送所述路由请求信息,该簇的网关节点将所述路由请求信息发送给相邻的其他簇网关节点,进而通过其他簇网关节点将所述路由请求信息发送至该其他簇网关节点所对应的簇首。
公开号:CN110602257
申请号:CN201910954414.0A
发明人:石先明 曹先彬 王超东 刘立海 王耀国 刘凯 张涛 刘正自 沈志凌
申请人:中铁第四勘察设计院集团有限公司北京航空航天大学
申请日:2019-10-09
公开日:2019-12-20