CN102355290A - 基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送、接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线移动通信领域，提供了一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送、接收方法，所述数据发送方法包括：a1，从要发送的数据包中获取目标地址信息；a2，根据获取的目标地址信息在发射节点所覆盖的所有覆盖节点中确定目标节点；a3，根据确定的目标节点和发射节点所覆盖的其他覆盖节点确定期望角度和干扰角度；a4，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；a5，根据自适应波束成型的权值向量将数据包加权后发送给目标节点。在本发明提供的基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法能提高节点覆盖范围、通信质量和通信效率，有效降低通信盲区。

Description

基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送、接收方法

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，尤其涉及一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送、接收方法。

背景技术

当今的信息社会正从个人计算机时代进入到互联网时代，在这个时代，用户能够随时随地根据需求使用各种电子平台来访问所需要的各种信息。无线网络成为互联接入的最简单解决方案，无线领域在过去十几年间迅速发展，用户数量急剧增加。由于频率资源有限，众多的用户造成了大量的干扰，从而严重地影响了网络的性能。另外，随着网络业务的快速增长，特别是语音、视频等多媒体业务的应用日益增多，对无线网络的容量和带宽提出了更高的要求。因此，如何最小化网络干扰以及提高网络容量和带宽是当前无线网络的重大课题。

现有的无线通信大多数都是采用全向天线和扇形天线(即定向天线)，全向天线在各个方向上增益完全相同，具有360度的水平辐射模式，非常有利于无线节点的安装，并且能够保证节点的有效通信，避免盲区问题。另外，由于全向天线技术比较成熟，价格也相对便宜，促使了全向天线的大规模应用。然而，在点对点通信的时候，全向天线把宝贵的能量大部分耗费在无效的方向上，并且信号的覆盖范围比定向天线和智能天线的小很多。图1示出了全向天线与智能天线的覆盖范围，如图1所示，采用全向天线，数据包需要跳转更多次才能到达目的地，从而导致了更长的端到端延迟。

相对于全向天线，定向天线的能量比较集中，增益比较高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强，可以实现信道在空间上的分离，增加空间复用，提高网络容量。当节点需要在某个方向上长期通信时，使用定向天线不但能够保证通信质量而且节省在无效方向上的能量。但是定向天线比较适用于网络节点移动性比较低的情况，它不能够根据信号的方向灵活地改变天线的方向，并且使用定向天线将会出现盲区问题，如图2所示。节点A和B正在通信，但是节点B的旁瓣增益很小，无法接收到节点C的数据包。智能天线不仅具备了定向天线的所有优点，而且天线形成的波束能够灵活地根据期望角度和干扰角度的改变而改变。

智能天线的使用带来了诸多优点，但是由于其方向性也带来了“盲区”(Deafness)现象，这种现象是使用智能天线时最常见的问题，除了天线的主瓣方向外，其他方面的增益非常小，无法正常收发数据包。因此，在本发明中，我们提出了一个解决盲区问题的方案

综上所述，现有技术无法解决节点覆盖范围、通信质量和通信效率与通信盲区之间的矛盾。

发明内容

本发明实施例的目的旨在解决现有技术存在的天线覆盖范围、通信质量和通信效率与通信盲区之间的问题，提供一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法和一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法，能提高节点覆盖范围、通信质量和通信效率，有效降低通信盲区。

本发明实施例是这样实现的，一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法，包括下述步骤：

步骤a1，从要发送的数据包中获取目标地址信息；

步骤a2，根据获取的目标地址信息在发射节点所覆盖的所有覆盖节点中确定目标节点；

步骤a3，根据确定的目标节点和发射节点所覆盖的其他覆盖节点确定期望角度和干扰角度；

步骤a4，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

步骤a5，根据自适应波束成型的权值向量将数据包加权后发送给目标节点。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法，包括下述步骤：

步骤b1中，目标节点接收到包含至少两个信号成份的数据包；

步骤b2中，根据各信号成份中的下一跳地址与目标节点的地址确定期望角度和干扰角度；

步骤b3中，根据确定的期望角度和干扰角度计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

步骤b4中，根据自适应波束成型的权值向量处理接收到的数据包。

在本发明实施例中，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号，实现了一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法，能提高节点覆盖范围、通信质量和通信效率，有效降低通信盲区。

附图说明

图1是现有技术提供的全向天线与智能天线的覆盖范围的示意图；

图2是现有技术提供的使用智能天线时出现的“盲区”问题的示意图；

图3是本发明实施例提供的基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法的实现流程图；

图4是本发明实施例提供的按圆周循环查找发射节点所覆盖的所有覆盖节点的示意图；

图5是本发明实施例提供的基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法的实现流程图；

图6是本发明实施例提供的仿真场景图；

图7是本发明实施例提供的接收节点使用不同天线时的误码率仿真图；

图8是本发明实施例提供的接收节点使用不同天线时的吞吐量仿真图；

图9是本发明实施例提供的在多跳场景下使用全向天线和智能天线时的端到端延迟；；

图10是本发明实施例提供的在多跳场景下使用全向天线和智能天线时的信噪比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号，实现了一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法。

图3示出了本发明实施例提供的基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法的实现流程，详述如下：

在步骤S301中，从要发送的数据包中获取目标地址信息；

在步骤S302中，根据获取的目标地址信息在发射节点所覆盖的所有覆盖节点中确定目标节点；

在步骤S303中，根据确定的目标节点和发射节点所覆盖的其他覆盖节点确定期望角度和干扰角度；

在步骤S304中，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

在步骤S305中，根据自适应波束成型的权值向量将数据包加权后发送给目标节点。

在本发明实施例中，发射节点的智能天线从MAC层获取要发送的数据包，通过物理层向目标节点发送数据包。

具体地，步骤S302包括：

步骤S3021，在发射节点的覆盖范围内，将所有覆盖节点的地址与目标地址相比较；

在步骤S3022，如果有一个覆盖节点的地址与数据包中获取的目标地址相同，则确定该覆盖节点为目标节点；

在步骤S3023这，如果所有覆盖节点的地址与数据数据包中获取的目标地址均不相同，则根据最短路径准则选择其中的一个覆盖节点作为下一跳的目标节点。

步骤S303包括：

步骤S3031，将确定的目标节点相对于发射节点的角度作为期望角度；

步骤S3032，将发射节点所覆盖的其他覆盖节点相对于发射节点的角度均作为干扰角度。

在本发明实施例中，在步骤S302和步骤S303中，可是按圆周循环查找发射节点智能天线所覆盖的所有覆盖节点的信息，这样做能最有效地避免“盲区”，但会牺牲一定的通信效率；另外，也可以预先将该发射节点智能天线所覆盖的所有覆盖节点的信息存储到覆盖节点信息表中，这里就从存储的覆盖节点信息表中查找发射节点所覆盖的所有覆盖节点的信息，这样做能提高通信效率，但更新该覆盖节点信息表的频率决定了出现“盲区”的概率，该覆盖信息费更新的越频繁，则越能避免出现“盲区”。这里，节点的信息至少包括节点地址和角度，该节点地址在全网络中唯一，该角度则在该智能天线覆盖范围内唯一。更新覆盖节点信息表时，也是通过按按圆周循环查找智能天线所覆盖的所有目标节点的信息。

具体地，按圆周循环查找发射节点智能天线所覆盖的所有覆盖节点的信息时，将RTS(Request To Send，请求发送)连续地按照圆周顺序定向发送，直到扫描完智能天线周围360度的所有区域。下面以一个例子来详细说明，如图4所示，假设将智能天线周围360度的区域均分为8个扇区。初始时，智能天线从扇区1开始发送RTS，并接对应目标节点返回的CTS(Clear To Send，允许发送)。接着，按照圆周顺序循环发送RTS，直至完成第8个扇区的RTS发送和CTS接收。这样，就可以的得到该智能天线所覆盖的所有目标节点的信息，包括节点地址和角度。

另外，为了减少不必要的根据确定的期望角度和干扰角度计算自适应波束成型的权值向量的次数，作为本发明的一个优先实施例，在步骤S303之后，该基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法还包括：

步骤S3041，判断所确定的期望角度和干扰角度与上一次使用的期望角度和干扰角度是否相同，如果相同则保持原来的自适应波束成型的权值向量不变，进入步骤S305，否则进入步骤S304。

图5示出了本发明实施例提供的基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法的实现流程，详述如下：

在步骤S501中，目标节点接收到包含至少两个信号成份的数据包；

在步骤S502中，根据各信号成份中的下一跳地址与目标节点的地址确定期望角度和干扰角度；

在步骤S503中，根据确定的期望角度和干扰角度计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

在步骤S504中，根据自适应波束成型的权值向量处理接收到的数据包。

在本发明实施例中，接收到的数据包中包含的至少两个信号成份中仅有一个信号成份为期望信号，其余的信号成份均为干扰信号。

具体地，步骤S502包括：

步骤S5021，如果信号成份的下一跳地址与目标节点的地址相同，则确定该信号成份为期望信号，发射该信号成份的发射节点相对于目标节点的角度则为期望角度；

步骤S5022，如果信号成份的下一跳地址与目标节点的地址不相同，则确定该信号成份为干扰信号，发射该信号成份的发射节点相对于目标节点的角度则为干扰角度。

在本发明实施例中，可以根据发射节点坐标估算出发射节点相对于目标节点的角度，也可以根据接收到的信号成份中包含的特征码估算发射节点相对于目标节点的角度。

为了减少不必要的计算自适应波束成型权值向量的次数，作为本发明的一个优先实施例，在步骤S502之后，该基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法还包括：

步骤S5031，判断所确定的期望角度和干扰角度与上一次使用的期望角度和干扰角度是否相同，如果相同则保持原来的自适应波束成型的权值向量不变，进入步骤S504，否则进入步骤S503。

我们通过一个实验得到了当接收节点使用不同天线时的误码率图，仿真场景如图6所示，在网络中只有三个节点，分别为：干扰节点jam、接收节点rx和发射节点tx，目的是为了测试全向天线、定向天线以及智能天线的抗干扰能力。干扰节点jam和发射节点tx同时向接收节点rx发送数据包，发射节点tx和接收节点rx固定不动，而干扰节点jam沿着预先设置好的轨迹运动，先慢慢地接近接收节点rx，再慢慢地远离接收节点接收节点rx。通过仿真得到的误码率如图7所示，可以很明显的看出当使用智能天线时，误码率是最低的，只有当干扰节点经过发射节点和接收节点中间的时候才有误码率，其它时候的误码率都为零，这是因为自适应波束形成算法在干扰方向形成零陷，抑制了干扰信号。定向天线只在期望方向上形成主瓣，在干扰方向上无法抑制干扰信号，因此当干扰节点比较靠近接收节点时，对接收节点造成了一些干扰，误码率有所上升。全向天线在各个方向上的增益都是相同的，所以干扰节点的逐渐接近，误码率也随着逐渐上升。

从图8可以看到，智能天线的吞吐量是最高的，因为它的误码率是最低的，也就是说它受到的干扰是最少的。从图9和图10可以看到，误码率和吞吐量刚好成反比，当误码率低时，吞吐量则高，当误码率高时，吞吐量则低，甚至为零。这是因为智能天线能够在期望信号方向形成主瓣获得很高的天线增益，在干扰方向形成零陷，天线增益很小，抑制干扰信号，降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力，削弱多径干扰，也可以实现信道在空间上的分离，增加空间复用，提高网络容量。

在本发明实施例中，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号，实现了一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法，能提高节点覆盖范围、通信质量和通信效率，有效降低通信盲区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据发送方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤a1，从要发送的数据包中获取目标地址信息；

步骤a2，根据获取的目标地址信息在发射节点所覆盖的所有覆盖节点中确定目标节点；

步骤a3，根据确定的目标节点和发射节点所覆盖的其他覆盖节点确定期望角度和干扰角度；

步骤a4，根据确定的期望角度和干扰角度来计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

步骤a5，根据自适应波束成型的权值向量将数据包加权后发送给目标节点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，更优地，所述步骤a2包括：

步骤a21，在发射节点的覆盖范围内，将所有覆盖节点的地址与目标地址相比较；

在步骤a22，如果有一个覆盖节点的地址与数据包中获取到的目标地址相同，则确定该覆盖节点为目标节点；

在步骤a23，如果所有覆盖节点的地址与数据数据包中获取的目标地址均不相同，则根据最短路径准则选择其中的一个覆盖节点作为下一跳的目标节点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a3包括：

步骤a31，将确定的目标节点相对于发射节点的角度作为期望角度；

步骤a32，将发射节点所覆盖的其他覆盖节点相对于发射节点的角度均作为干扰角度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a2和步骤a3中，按圆周循环查找发射节点所覆盖的所有覆盖节点的信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先将发射节点所覆盖的所有覆盖节点的信息存储到覆盖节点信息表中，所述步骤a2和步骤a3从存储的覆盖节点信息表中查找发射节点所覆盖的所有覆盖节点的信息。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤a3之后，所述方法还包括：

步骤a41，判断所确定的期望角度和干扰角度与上一次使用的期望角度和干扰角度是否相同，如果相同则保持原来的自适应波束成型的权值向量不变，进入步骤a5，否则进入步骤a4。

7.一种基于智能天线技术的无线多跳网络数据接收方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤b1中，目标节点接收到包含至少两个信号成份的数据包；

步骤b2中，根据各信号成份中的下一跳地址与目标节点的地址确定期望角度和干扰角度；

步骤b3中，根据确定的期望角度和干扰角度计算自适应波束成型的权值向量，使主瓣对准期望信号，零点对准干扰信号；

步骤b4中，根据自适应波束成型的权值向量处理接收到的数据包。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，更优地，所述步骤b2包括：

步骤b21，如果信号成份的下一跳地址与目标节点的地址相同，则确定该信号成份为期望信号，发射该信号成份的发射节点相对于目标节点的角度则为期望角度；

步骤b22，如果信号成份的下一跳地址与目标节点的地址不相同，则确定该信号成份为干扰信号，发射该信号成份的发射节点相对于目标节点的角度则为干扰角度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据发射节点坐标估算出发射节点相对于目标节点的角度或根据接收到的信号成份中包含的特征码估算发射节点相对于目标节点的角度。

10.如权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于，所述在步骤b2之后，该方法还包括：

步骤b31，判断所确定的期望角度和干扰角度与上一次使用的期望角度和干扰角度是否相同，如果相同则保持原来的自适应波束成型的权值向量不变，进入步骤b4，否则进入步骤b3。

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