CN103338065B - 基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，在无线自组织网络中的每个节点上均配置四路180度自适应定向智能天线；节点之间的通信方法为：在节点之间各不同的发射和接收方向上，每个节点各自选择与其某个发射或接收方向所对应的一路定向智能天线进行通信。本发明，与常规的节点配备全向天线与其周边相邻节点进行广播式通信相比，基于智能天线的定向通信，有助于降低节点之间信号发射功率，适合于相邻节点较少的无线自组织网络。

Description

基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法

技术领域

本发明涉及无线自组织网络，具体涉及基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法。

背景技术

在无线自组织网络中，用于各个节点之间的通信信号覆盖和功率消耗具有以下几种特点：

（1）节点对其相邻节点的全向信号覆盖。

这种方式，无线自组织网络在网络拓扑形成并稳定之前，各个节点对于其相邻节点的方向性是无法判断的，所以在节点发射信号时会以全向方式向其周围广播。在该节点与其相邻节点建立连接之后，仍然会以全向方式继续进行信号收发，但是以两个节点之间的点到点连接来看，仅仅只利用到了全向中一个方向上的信号能量，其余方向上的信号能量均被浪费。这种情况，对于处于链状拓扑结构中的节点尤为明显。

（2）节点与其相邻节点之间距离的差异化。

无线自组织网络中的某些节点可能会存在多个相邻节点，某节点到其不同的相邻节点的距离、路径会有所不同，但是该节点在全向发射信号时，只能按照最大的功率发射以便与其所有相邻节点实现通信。但是这个较大功率的信号对于某些距离、路径较短的相邻节点就会显得过大，或多或少地存在功率浪费的问题。

（3）节点的不稳定性和移动性影响其网络拓扑结构。

节点会在正常、休眠状态下切换，也会变成失效，这些不稳定性会带来该节点与其相邻节点之间连接关系的变化；某些情况下节点也会被移动位置，这样也会改变其与相邻节点之间的连接关系。整个网络拓扑结构会随着节点中这些情况的发生而改变，而在节点之间的信号覆盖和功率消耗也会随之而变化。

目前研究的无线自组织网络中，基本上都是配备了单路全向天线的节点，其信号发射、接收都是全向进行，这种无线信道的使用模式，无法以节能、高效的方式，良好的应对上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是无线自组织网络中，各个节点之间的通信信号功率消耗较大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，在无线自组织网络中的每个节点上均配置四路180度自适应定向智能天线；在节点之间各不同的发射和接收方向上，每个节点各自选择与其某个发射或接收方向所对应的一路定向智能天线进行通信。

在上述方法中，节点之间的通信方法包括以下步骤：

每个节点的四路智能天线全部在各自定向的方向上发射节点探测信号；每个节点的四路智能天线均尝试接收来自其他节点的节点探测信号；

节点接收到来自于相邻节点所发射的探测信号后，将其两路接收天线中的接收指标进行比对，选择指标较优的一路天线作为其该节点与对应发射节点通信的主天线；

该节点计算出其各个相邻节点的某一组两根智能天线信号在该节点的主天线上所形成的相位差；

该节点通过其主天线向其各个相邻节点发射包含了该节点中那一组两根智能天线相位差的回波信号；

全网中每个节点都完成其相邻节点的节点探测和回波；

如果收到了来自于多个相邻节点的探测信号，该节点按照接收到探测信号的时间顺序，对其多个相邻节点按照时分模式来确定通信顺序；

全网中所有节点均通过其某两路智能天线接收到来自于其相邻节点所发射的回波信号；

节点从其接收的回波信号中提取出其某一组两根智能天线到达对应的相邻节点主天线的相位差；

节点通过这一组两根智能天线进行波束赋形，定向发射给对应相邻节点的主天线；

对应相邻节点的主天线接收来自该节点的两路波束赋形信号，实现定向接收；

上述步骤中，各个节点按照时分模式依次进行上述通信过程。

在上述方法中，上行接收和下行发射包括以下步骤：

接收天线的辐射单元接收到信号后进行射频组件放大、转换，然后进行某两路智能天线信号的比对、处理，再输入基带接收机，基带接收机中基于DSP的算法处理器根据这两根智能天线辐射单元上来波的幅度、相位关系，计算并预测出有用信号的方向，叠加、合成后得到最大的接收信号，生成一个最佳的来波方向；同时，基于DSP的算法处理器根据上行接收信号计算出的来波方向，生成有用信号方向与干扰信号方向，在波束形成中分解到四根智能天线的某两路中，并激励这两根智能天线单元的信号发射，从而实现波束赋形后的定向发射。

在上述方法中，节点所配置的四路智能天线，工作频段为2.4GHz，按照正方形来部署，其相邻两根天线间距应为信号波长的1/2。

本发明，与常规的节点配备全向天线与其周边相邻节点进行广播式通信相比，基于智能天线的定向通信，有助于降低节点之间信号发射功率，适合于相邻节点较少的无线自组织网络。

附图说明

图1为本发明中发射节点的四根天线部署示意图；

图2为本发明中上行接收机制的示意图；

图3为本发明中下行发射机制的示意图。

具体实施方式

对于无线自组织网络中的某个节点而言，其相邻节点处于不同的方向和距离，在网络拓扑建立之前均不可知，如果该节点周围存在比较多的相邻节点，采用传统模式的全向天线、以能达到最远覆盖范围的最大功率进行发射，将是比较简单的信号覆盖方式。但是，对于其中距离较近的相邻节点，按照此最大功率来发射会有所浪费。此外，如果该节点只有较少相邻节点，并且该网络所处无线信道环境中存在明显多径效应的情况下，仍然采用这种没有方向性的最大信号覆盖，信号发射功率只会在与较少相邻节点的方向上得到有效利用，其他方向上大都被浪费。

为此，本发明提供了一种基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，网络中的每个节点均配置四路180度的自适应定向智能天线，节点与其周边相邻节点之间的信号发射和接收，都通过覆盖其通信方向的那一路智能天线来实现，即在节点之间各不同的发射和接收方向上，每个节点各自选择与其某个发射或接收方向所对应的一路定向智能天线进行通信。与常规的节点配备全向天线与其周边相邻节点进行广播式通信相比，本发明提供的方案，有助于降低节点之间信号发射功率，适合于相邻节点较少的无线自组织网络。下面对本发明做出详细的说明。

本发明提供的方法，节点之间通信的全过程如下：

（1）每个节点的四路智能天线全部在各自定向的方向上发射节点探测信号；

（2）每个节点的四路智能天线均尝试接收来自其他节点的节点探测信号；

（3）节点接收到来自于相邻节点所发射的探测信号后，将其两路接收天线中的接收指标进行比对，选择指标较优的一路天线作为其该节点与对应发射节点通信的主天线；

（4）该节点计算出其各个相邻节点的某一组两根智能天线信号在该节点的主天线上所形成的相位差；

（5）该节点通过其主天线向其各个相邻节点发射包含了该节点中那一组两根智能天线相位差的回波信号；

（6）全网中每个节点都完成其相邻节点的节点探测和回波；

（7）如果收到了来自于多个相邻节点的探测信号，该节点按照接收到探测信号的时间顺序，对其多个相邻节点按照时分模式来确定通信顺序；

（8）全网中所有节点均通过其某两路智能天线接收到来自于其相邻节点所发射的回波信号；

（9）节点从其接收的回波信号中提取出其某一组两根智能天线到达对应的相邻节点主天线的相位差；

（10）节点通过这一组两根智能天线进行波束赋形，定向发射给对应相邻节点的主天线；

（11）对应相邻节点的主天线接收来自该节点的两路波束赋形信号，实现定向接收；

以上过程，各个节点按照时分模式依次进行上述通信过程。

在本发明提供的方法中，各个节点配置的四根180度自适应定向智能天线处于有一定间隔距离的空间位置,通过对这四根天线的两两组合,分别实现对该节点周围平面上四个90度扇形方向的信号覆盖，在某节点所接收的相邻节点上行信号时，该信号到达其四根天线中某一组相邻两根天线的时间/相位不同。在已知这两根天线的空间分布情况这一前提下，可根据这两根相邻天线接收到的信号之间的时间差/相位差，从而计算出该上行信号的波达方向。

本实施例中，节点所配置的四路智能天线，按照正方形来部署，如图1所示，相邻两根天线间距应为信号波长的1/2波长，以ISM频段中较高的2.4GHz为例，其波长为125mm，半波长在60mm也就是6cm左右，也就是一个边长6cm的正方形，基本上与网络节点的大小匹配。如果是较低频段的915MHz，最小的半波长也会在16cm,已经明显大于一般的网络节点，物理尺寸并不适合部署实施。因此本方法采用四路天线，可以适用于2.4GH及以上频段组网频率的无线自组织网络。这样，对于某一节点周围同一平面中不同方位的接收节点，均可通过其四根发射天线1、2、3、4，分别形成四个信号覆盖角度，对该节点平面上四个不同方位上的不同接收节点分时依次进行波束赋形。在下行发送时，在波束发射方向(以上行的波达方向作为下行的波束发射方向)上可以根据推算出信号从四根智能天线中相邻两根天线到达接收节点的波程差，以及因波程差造成的信号时间/相位差，通过控制智能天线上激励信号的时延，可以抵消波程差造成的时间/相位差，使得在对应的波达方向上实现这两路信号同相叠加，形成预期的波束。

信号的接收和发射波束赋形是依据节点所配备的某一组两根天线的空间结构、系统指标要求和所接收到的用户信号来进行的。某节点通过其四路智能天线对来自其相邻节点的上行信号均采用了赋形波束，提高系统性能是非常直接的。但是，在其相邻节点并没有发射、仅处于接收的情况下，又是其相邻节点处于移动状态时，该节点不可能知道其相邻节点所处的方位，此时只能使用全部四路天线以全向方式进行发射,进行节点探测、回波接收等。在对应的信号发射接收方向和收发天线关系建立之后，才会采用本方法进行通信。

对于由M个阵元组成的自适应智能天线，理论上，自适应智能天线阵的价值是能产生（M-1）倍的天线放大，可带来10lgM的SNR改善，消除扇形失真的影响，并且它的（M-1）倍的分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小10lgM。这不但表明可以延长节点电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着节点可以和信号微弱的相邻节点建立正常的通信链路。对节点发射而言，总功率被分配到M个天线上，又由于采用波束赋形可以使所需总功率下降，因此，每个天线通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。本方法中M为4，原有单根全向收发天线的总功率被分配到4个天线上，并通过定向波束赋形集中了主波瓣能量。

本发明中，相邻节点之间的上、下行通信机制如图2、图3所示。

首先请参见图2，接收天线的辐射单元接收到信号经过射频组件放大、转换后，在回波接收中进行某两路智能天线信号的比对、处理，然后输入基带接收机。其中基于DSP的算法处理器根据这两根智能天线辐射单元上来波的幅度、相位关系，计算并预测出有用信号的方向，叠加、合成后得到最大的接收信号，生成一个最佳的来波方向。

再请参见图3，基于DSP的算法处理器按根据上行接收信号计算出的来波方向，生成有用信号方向与干扰信号方向，在波束形成中分解到四根智能天线的某两路中，并激励这两根智能天线单元的信号发射，从而实现波束赋形后的定向发射。

以相邻节点A与B之间的双向点到点通信为例，节点A、B均配备四根智能天线，在节点发射及接收信号时，均通过四根智能天线中的某两根相邻天线工作。

下面是节点A与节点B之间“节点探测回波接收”、“波束赋形定向发射”的具体过程：

节点探测回波接收步骤如下：

A1、节点A的四根智能天线均以定向发射模式向其周围方向发射节点探测信号；

A2、节点B通过其某两路智能天线接收到来自于节点A的某一组两根智能天线的定向发射信号，根据接收信号质量，选择较优的一路作为其主天线；

A3、节点B计算出节点A的这一组两根智能天线信号在节点B的主天线上所形成的相位差；

A4、节点B通过其主天线向节点A发射包含了节点A中那一组两根智能天线相位差的回波信号。

波束赋形定向发射：

B1、节点A通过其某两路智能天线接收到来自于节点B的回波信号；

B2、节点A从节点B的回波信号中提取出这一组两根智能天线到达节点B主天线的相位差；

B3、节点A通过这一组两根智能天线以定向发射模式进行波束赋形；

B4、节点B的主天线接收来自节点A的两路波束赋形信号，实现定向接收；

这样，节点A的这两根智能天线所发射的两路定向信号，其主瓣就可以集中于节点B的主天线进行接收。

以上是节点A对节点B进行的波束赋形，反之，节点B对节点A进行的波束赋形也是同样的过程。

节点之间通过四路定向智能天线，按照某一种方向与其周边相邻节点进行信号发射和接收，基于这一个方向，发射和接收节点分别启用其四路天线中的某一路，只在这一路天线上进行发射和接收。在相邻节点数量较少、多径效应比较明显的情况下，节点采用基于四路智能天线的定向发射和接收的通信方式，损耗功率会比基于单天线的全向发射功率要小。

本发明，对无线自组织网络其原有的组网协议和信号处理不作修改，只是在节点上增加了四根智能天线，在节点的固件中增加各路天线接收功率的统计、天线工作状态的切换与选择（四路中选择两路接收到信号的、两路接收中选择一路为主天线）以及对通信收发过程中波束赋形和定向发射的控制处理。由于无线自组织网络对节点成本和功耗的要求，电路配置和电源功率都不会很高，在实现本方法之后，需要将电路配置进行适当提高，以满足发射功率计算、天线状态的切换与选择以及波束赋形相关计算和处理能力的要求。对于无线自组织网络的节点，在其单点发射、多点接收的情况下，需要根据该节点与多个相邻节点的具体数量和通信指标（如发射功率、接收灵敏度等），按照时分模式来依次与来各个相邻节点进行通信。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，其特征在于，

在无线自组织网络中的每个节点上均配置四路180度自适应定向智能天线；

节点之间的通信方法为：在节点之间各不同的发射和接收方向上，每个节点各自选择与其某个发射或接收方向所对应的一路定向智能天线进行通信；

节点之间的通信方法包括以下步骤：

每个节点的四路智能天线全部在各自定向的方向上发射节点探测信号，每个节点的四路智能天线均尝试接收来自其他节点的节点探测信号；

节点接收到来自于相邻节点所发射的探测信号后，将其两路接收天线中的接收指标进行比对，选择指标较优的一路天线作为其该节点与对应发射节点通信的主天线；

该节点计算出其各个相邻节点的某一组两根智能天线信号在该节点的主天线上所形成的相位差；

该节点通过其主天线向其各个相邻节点发射包含了该节点中那一组两根智能天线相位差的回波信号；

全网中每个节点都完成其相邻节点的节点探测和回波；

如果收到了来自于多个相邻节点的探测信号，该节点按照接收到探测信号的时间顺序，对其多个相邻节点按照时分模式来确定通信顺序；

全网中所有节点均通过其某两路智能天线接收到来自于其相邻节点所发射的回波信号；

节点从其接收的回波信号中提取出其某一组两根智能天线到达对应的相邻节点主天线的相位差；

节点通过这一组两根智能天线进行波束赋形，定向发射给对应相邻节点的主天线；

对应相邻节点的主天线接收来自该节点的两路波束赋形信号，实现定向接收；

上述步骤中，各个节点按照时分模式依次进行上述通信过程。

2.如权利要求1所述的基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，其特征在于，上行接收和下行发射包括以下步骤：

接收天线的辐射单元接收到信号后进行射频组件放大、转换，然后进行某两路智能天线信号的比对、处理，再输入基带接收机，基带接收机中基于DSP的算法处理器根据这两根智能天线辐射单元上来波的幅度、相位关系，计算并预测出有用信号的方向，叠加、合成后得到最大的接收信号，生成一个最佳的来波方向；同时，基于DSP的算法处理器根据上行接收信号计算出的来波方向，生成有用信号方向与干扰信号方向，在波束形成中分解到四根智能天线的某两路中，并激励这两根智能天线单元的信号发射，从而实现波束赋形后的定向发射。

3.如权利要求1所述的基于四路智能天线的无线自组织网络通信方法，其特征在于，节点所配置的四路智能天线，工作频段为2.4GHz，按照正方形来部署，其相邻两根天线间距为信号波长的1/2。