一种飞机WAIC网络系统架构的制作方法

一种飞机waic网络系统架构
技术领域
1.本发明属于民用飞机waic网络系统架构设计技术领域，具体涉及一种飞机waic网络系统架构。


背景技术：

2.航空电子技术的发展极大提高了民用客机的安全性及自动化水平，各子系统之间通过航空数据总线交换信息，当前航空器线缆及相关连接装置的重量占航空器总重量的2％～5％，以空客a380-800为例，全机线缆长度约470km，线缆重量约5.7吨，其中30％的线缆(约重1.7吨)可以用无线通信替代。大量通信线缆的使用给飞机的制造和运维带来了额外的成本。为了进一步减轻重量、降低成本、提高民用飞机飞行的安全性和可靠性，使用无线通信替代部分有线通信，是未来航空制造业的发展方向之一。无线航空电子内部通信(waic：wireless avionics intra-communications)网络实现同一架飞机上多个设备(两个及以上)的无线连接，适用于安全相关和常规飞行相关的应用，如烟雾探测、客舱压力、防除冰、紧急照明、起落架等。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明方法通过将afdx网络与waic网络融合设计，，可保证同一架飞机四种不同应用场景下数据通信互不干扰，同一应用场景下的无线节点分时传输，在保证延迟可控的条件下，确保消息传输的可靠性，进而满足waic网络通信技术在民机上使用的要求。
4.为了达到上述技术目的，本发买那个所采用的具体技术方案为：
5.一种飞机waic网络系统架构，包括数据处理单元、系统网络管理器和交换机；其特征在于，所述交换机与多个网关通信连接，一所述网关与多个所述waic子网通信连接；
6.所述waic子网根据位置和传输速率分为分别共用一网关的高速内部子网、高速外部子网、低速内部子网和低速外部子网；
7.所述高速内部子网用于内部机组通信；
8.所述高速外部子网用于高数据速率的传感数据和控制信号传输；
9.所述低速内部子网用于低数据速率的无线传感数据和控制信号传输；
10.低速外部子网用于所述飞机机体外部的低数据速率无线传感器数据传输；
11.各所述waic子网用不同的无线通信频率。
12.进一步的，各所述waic子网的无线通讯频率为4200mhz～4400mhz。
13.进一步的，所述waic子网还包括中继节点和无线节点；一所述无线节点配置一传感器，用于实现所连接传感器的数据通信；
14.一所述中继节点同时连接多个所述无线节点或中继节点，用于实现所通信连接的无线节点或中继节点与所述网关之间的数据通信。
15.进一步的，各所述无线节点至所述网关之间的通讯过程少于两个所述中继节点；
16.一所述网关所通信连接的所述无线节点的数量不大于128个。
17.进一步的，所述网关与其所述通信连接的无线节点之间的通信方式为：
18.在指定场景下周期发起时间同步，各所述无线节点实现时间同步；
19.时间同步后，各所述无线节点根据所述网关的预分配发送时间点及发送数据配置信息依次将其待发送数据发送。
20.进一步的，所述waic子网内的信息跳转使用adhoc网络技术；无线节点与传感器的通讯采用带ack响应的dcf通信机制；所述飞机waic网络系统架构的调制解调技术使用ofdm机制。
21.进一步的，所述高速内部子网还用于所述飞机的电子飞行操作数据传输。
22.进一步的，所述高速外部子网用于所述飞机的结构健康监测、主动振动控制、语音和视频数据传输、与外部机组的通信和外部成像。
23.进一步的，应用所述低速内部子网的部件包括：机舱压力控制及反馈、烟雾传感器和门位置传感器。
24.进一步的，应用所述低速外部子网的部件包括：温度传感器、压力传感器、湿度传感器、腐蚀检测传感器传感器、结构传感器和接近传感器。
25.采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：
26.本发明提供一种民用飞机waic网络系统架构，可解决目前waic网络无协议标准，导致无法开展协议开发及产品研制的问题。同时，该架构充分考虑飞机现有网络架构及系统应用需求，使用adhoc、dcf、tdma等技术，通过频分复用和时分复用方法，保证全机waic网络下所有通信节点数据传输的可靠性及传输延迟的确定性，进而确保该架构满足民用飞机对使用无线通信的要求，为开展协议开发及产品研制奠定基础。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为本发明实施例中一种飞机waic网络系统架构示意图；
29.图2为本发明实施例waic网络四种场景频段分配示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而
易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
33.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
34.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
35.waic网络旨在替代单个飞机上的面向特定业务的有线通信，借助安装在航空器上不同位置的无线传感器，实现航空器驾驶舱与机翼、发动机、客舱和货舱等重要位置的无线通信传输，其应用主要包括航空器结构健康监测、关键位置感知控制、航空运行信息实时传输等。本实施例的waic系统采用四种不同的传输模式，分别是高速率内部传输模式(hi)、低速率内部传输模式(li)、高速率外部传输模式(ho)、低速率外部传输模式(lo)，并针对不同的传输模式建立了对应的传输模型，并将4200mhz～4400mhz用于waic网络无线通信技术。
36.waic网络属于新兴技术研究领域，目前仅提出了应用场景和应用需求，但如何实现waic网络系统架构，如何与现有民用飞机网络融合，如何定义waic网络传输协议，如何确保数据在无线链路上的可靠传输等均未明确，导致waic网络无法进入实质性研制阶段。本实施例的主要目的是解决waic网络在民机上应用中的系统架构问题，主要包括waic网络与民机afdx网络融合设计、waic网络应用场景及频段分配、waic网络同步、waic网络消息传输协议、waic网络节点可靠调度技术等，从而满足飞机上使用waic网络进行可靠无线通信的要求。
37.在本实施例的一个实施例中，提出一种飞机waic网络系统架构，如图1所示，包括数据处理单元、系统网络管理器和交换机；所述交换机与多个网关通信连接，一所述网关与多个所述waic子网通信连接；
38.所述waic子网根据位置和传输速率分为分别共用一网关的高速内部(hi)子网、高速外部(ho)子网、低速内部(li)子网和低速外部(lo)子网；
39.所述高速内部子网用于内部机组通信；
40.所述高速外部子网用于高数据速率的传感数据和控制信号传输；
41.所述低速内部子网用于低数据速率的无线传感数据和控制信号传输；
42.低速外部子网用于所述飞机机体外部的低数据速率无线传感器数据传输；
43.各所述waic子网用不同的无线通信频率。
44.在本实施例中，各所述waic子网的无线通讯频率为4200mhz～4400mhz，其场景频段分配如图2所示。
45.在本实施例中，所述waic子网还包括中继节点和无线节点；一所述无线节点配置一传感器，用于实现所连接传感器的数据通信；
46.一所述中继节点同时连接多个所述无线节点或中继节点，用于实现所通信连接的无线节点或中继节点与所述网关之间的数据通信。
47.在本实施例中，各所述无线节点至所述网关之间的通讯过程少于两个所述中继节点；
48.一所述网关所通信连接的所述无线节点的数量不大于128个。
49.在本实施例中，所述网关与其所述通信连接的无线节点之间的通信方式为：
50.在指定场景下周期发起时间同步，各所述无线节点实现时间同步；
51.时间同步后，各所述无线节点根据所述网关的预分配发送时间点及发送数据配置信息依次将其待发送数据发送。
52.在本实施例中，所述waic子网内的信息跳转使用adhoc网络技术；无线节点与传感器的通讯采用带ack响应的dcf通信机制；所述飞机waic网络系统架构的调制解调技术使用ofdm机制。
53.在本实施例中，所述高速内部子网还用于所述飞机的电子飞行操作数据传输。
54.在本实施例中，所述高速外部子网用于所述飞机的结构健康监测、主动振动控制、语音和视频数据传输、与外部机组的通信和外部成像。
55.在本实施例中，应用所述低速内部子网的部件包括：机舱压力控制及反馈、烟雾传感器和门位置传感器。
56.在本实施例中，应用所述低速外部子网的部件包括：温度传感器、压力传感器、湿度传感器、腐蚀检测传感器传感器、结构传感器和接近传感器。
57.本实施例根据民用飞机无线通信替代部分有线通信的应用需求，将waic网络应用场景分为四种：高速内部(hi)、高速外部(ho)、低速内部(li)、低速外部(lo)；
58.本实施例的hi、ho、li、lo四种应用场景，每种应用场景可包含多个无线多跳子网，每个子网内有一个网关与主干网afdx连接，子网内最多允许128个无线节点，最大允许跳数为3跳；
59.本实施例在afdx网络中设置一个系统网络管理器，其负责对hi、ho、li、lo四种应用场景下的网络管理及时间同步；
60.本实施例的waic子网络无线通信频段为4200mhz～4400mhz，根据hi、ho、li、lo四种场景通信速率要求不同，将频段按需进行划分，保证四个场景下的子网不存在同频干扰；
61.本实施例的同一个应用场景下多个子网使用相同频段，通过系统网络管理器定时向同一应用场景下的子网网关发起时间同步，网关再向子网内的所有节点通过泛洪方式发起时间同步，再通过tdma方式保证同一应用场景下的节点分时使用频段；
62.本实施例的各子网内节点之间多跳传输使用adhoc网络技术，底层单点之间通信协议使用带ack响应的dcf通信机制，调制解调技术使用ofdm机制；
63.本实施例在同一个应用场景下的所有节点根据收发数据信息统一预分配发送时间，子网内节点根据预配置信息及发送时刻发送数据，保证信道资源的互斥访问；
64.本实施例waic网络系统设计时，根据所有的数据流信息，按照tdma调度算法，将每一个节点的收发数据进行预分配，并生成配置文件烧写在无线节点中；
65.本实施例waic网络系统运行时，系统网络管理器根据系统要求分别向hi、ho、li、lo四种应用场景下网关定时发起时间同步，通过网关将该场景下所有节点进行同步；
66.本实施例各无线节点根据预分配的发送时间点及发送数据配置信息依次将所有待发送数据发送到目标端，等待下一个同步周期开始，执行相同的操作。
67.本实施例提供一种民用飞机waic网络系统架构设计，可解决目前waic网络无协议标准，导致无法开展协议开发及产品研制的问题。同时，该架构充分考虑飞机现有afdx网络架构及系统应用需求，通过频分复用将hi、ho、li、lo四种应用场景划分不同频段，在同一场景下多个子网内众多节点通过时间同步、tdma及带宽预分配技术避免同频段下无线节点传输竞争，使用adhoc网络及dcf通信机制保证多跳有连接的可靠传输，从而保证全机waic网络下所有无线通信节点数据传输的可靠性及传输延迟的确定性，该架构可满足民用飞机对使用无线通信的要求，为开展协议开发及产品研制奠定基础。
68.如图1所示，本实施例法首先按照飞机系统需求，将waic网络系统架构划分为环控系统子网(li)、起落架系统子网(lo+ho)及信息系统子网(hi)，每个子网通过独立网关与afdx网络连接，afdx网络中设置有系统网络管理器。此为waic网络系统应用的一个场景，在此架构下的数据传输如下：
69.飞机全机设备上电，位于afdx网络的系统管理管理器周期(200ms)向环控系统网关节点广播发送同步消息；
70.环控系统网关节点接到同步消息后，通过无线网络向自己子网内的无线节点以泛洪方式广播发送同步消息；
71.各无线节点接收到同步消息后，将自身时钟清零，并检查配置表中预定义的消息发送偏移时刻，一旦到自身节点的发送时刻，则将所有待发送数据发送出去；
72.接收数据节点根据配置表判断该消息是否自己所要的，如果不是自己需要的，则将该消息根据目的地址和路由信息，转发到下一个节点；如果是自己所需要的，则将该数据上传给应用层。
73.根据系统网络管理器的周期运行，环控系统子网内各节点周期发送待传输数据；
74.对于起落架系统和信息系统，操作方式和上述类似，但由于三个应用场景各自频段不同，所以系统网络管理器可以独立的对三个子网进行独立的管理。
75.本实施例可解决目前waic网络无协议标准，导致无法开展协议开发及产品研制的问题。同时，该架构充分考虑飞机现有afdx网络架构及系统应用需求，通过频分复用将hi、ho、li、lo四种应用场景划分不同频段，在同一场景下多个子网内众多节点通过时间同步、tdma及带宽预分配技术避免同频段下无线节点传输竞争，使用adhoc网络及dcf通信机制保证多跳有连接的可靠传输，从而保证全机waic网络下所有无线通信节点数据传输的可靠性及传输延迟的确定性，该架构可满足民用飞机对使用无线通信的要求。
76.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。