CN108183344B - 一种定向天线及其发送和接收数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向天线及其发送和接收数据的方法，包括阵列天线，阵列天线由多个定向天线组成，阵列天线通过收发通道连接有射频处理模块，其中每个定向天线通过一个收发通道与射频处理模块双向连接；射频处理模块上连接有基带信号处理板，基带信号处理板上连接有MAC层。该定向天线能够实现更远的通信范围，降低了其MAC层的开销。该定向天线采用全定向发送，降低了信道冲突概率，增加了MAC层邻居节点发现机制。其接收机制采用多导频的方式，能够实现全向和定向接收的切换，降低了其他方向的干扰。

Description

一种定向天线及其发送和接收数据的方法

技术领域

本发明属于智能天线技术领域；涉及一种定向天线，还涉及该定向天线发送数据的方法，还涉及该定向天线接收数据的方法。

背景技术

MAC层，即媒体访问控制层，属于数据链路层的下半部分。MAC层的主要功能是控制网络节点对于无线信道的使用权，需要完成节点组网、时隙分配、路由选择等功能，是报文在信道上发送和接收的直接控制者。通常来说，MAC层协议分为竞争型和调度型协议；前者是采用竞争的方式获取信道使用权，通过重传机制来解决碰撞问题；后者是通过将无线信道资源按照时域、频域和码域分为不同的子信道，分配给不同的网络节点。

现有的基于智能天线的MAC协议(D-MAC，Directional MAC)是以CSMA/CA协议为基础的。它通过维护一个DNAV表来记录当前节点周围一段时间内无线信道资源的占用情况。通信一开始首先通过DNAV表(Directional Network Allocation Vector，定向的网络分配矢量)查询目标节点方向上信道资源占用情况；如果没有查询到目标节点的信息，首先侦听信道，如果信道空闲，则继续侦听一段时间IFS，如果在这段时间内信道仍然空闲，则立即全向发送RTS；如果一开始就查询到了目标节点的信息，并且目标节点方向的信道资源已经被释放，发送节点就开始侦听信道，如果信道空闲，则继续侦听一段时间IFS，如果在这段时间内信道仍然空闲，立即定向发送RTS；当收到CTS，就可以定向发送数据，如果在规定的时间内没有收到CTS或者碰撞，则需要继续侦听信道；接收节点全向接收RTS，收到之后定向回复CTS，如果在规定的时间内收到数据包(定向接收)，那么发送节点立即定向回复ACK(Acknowledgement)；如果在规定的时间内没有收到数据包或者碰撞，接收节点将回到空闲状态；发送节点在发完数据包之后开始定向接收，如果在规定时间内没有收到ACK，则随机退避一段时间，退避结束后开始重传这一包数据，直到传输成功(收到ACK)或者超过重传次数；如果在规定时间内收到了ACK，发送节点开始随机退避一段时间退避结束后进入空闲状态或者发送下一包。

现有的D-MAC存在以下一些问题：定向和全向的选择，由于全向发送的覆盖范围小于定向通信的覆盖范围，现有的D-MAC协议中必然存在同一通信过程中全向和定向覆盖范围不同而造成冲突的问题；MAC层开销太大，采用定向天线很大程度上降低了空间碰撞的概率，这样再使用RTS-CTS握手机制相比之下带来的开销超过了性能上的提升；全向发送广播覆盖范围太小，现有的DMAC中广播的发送是采用常规的全向发送，这势必会产生广播覆盖范围小于定向通信的范围

发明内容

本发明提供了一种定向天线，该定向天线能够实现更远的通信范围，降低了其MAC层的开销。

本发明还提供了上述定向天线发送数据的方法，该定向天线采用全定向发送，降低了信道冲突概率，增加了MAC层邻居节点发现机制。

本发明还提供了上述定向天线接收数据的方法，其接收机制采用多导频的方式，能够实现全向和定向接收的切换，降低了其他方向的干扰。

本发明的技术方案是：一种定向天线，包括阵列天线，阵列天线由多个定向天线组成，阵列天线通过收发通道连接有射频处理模块，其中每个定向天线通过一个收发通道与射频处理模块双向连接；射频处理模块上连接有基带信号处理板，基带信号处理板上连接有MAC层。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中阵列天线包括至少3个定向天线，且定向天线构成能够覆盖360°的平面或立体型阵列。

本发明还提供了一种定向天线发送数据的方法，包括以下步骤：步骤S1，发送节点在全向模式下侦听信道，信道为空闲时，根据目标节点的MAC地址查询目标节点的有效位置信息；步骤S2，查询到有效位置信息，且对应方向的信道空闲，则立即定向发送数据包，数据包包含导频段和数据帧。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤2中查询到有效位置信息，且对应方向的信道被占用，则执行步骤S1。

其中步骤2中没有查询到有效位置信息，发送节点发起节点发现过程，接收节点发现成功后，发送节点向接收节点发送数据包。

其中节点发现过程的具体过程是：发送节点在一个方向上定向发送请求发送信号，在时间T内接收到该方向上接收节点发送的允许发送信号，则接收节点发现成功；若接受节点发现不成功，则发送节点向下一个发现定向发送请求发送信号；若发送节点所有方向上均未发现成功，则延迟数据发送，并且更新MAC地址，执行步骤S1。

本发明还提供了一种定向天线接收数据的方法，包括以下步骤：

步骤S1，接收节点接收到请求发送信号、数据包或单播帧；

步骤S2，接受节点接收到请求发送信号时，信道空闲则定向发送允许发送信号，在时间t内接收节点收到数据包，向发送节点定向回复接收完成信号，若在时间t内接收节点未收到数据包或信道忙，则接收节点进入空闲状态；接受节点收到数据包，更新MAC地址，然后向发送节点定向回复接收完成信号；接收节点收到单播帧，且其目标地址为该接收节点，则向发送节点定向回复接收完成信号。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤S2中发送节点在时间T内收到接收完成信号，则发送节点进入空闲状态；若发送节点在时间T内未收到接收完成信号，则发送节点重新发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为多个定向天线组成阵列天线，且多个定向天线能够构成覆盖360°的平面或立体型阵列，实现多个定向天线能够全向发送的目的；该天线能够提高覆盖范围，通过更新节点信息，取消握手机制，有效降低了MAC层的开销；全向改为定向，通过减少信号的覆盖角度来有效降低碰撞概率。

本发明的有益效果还在于：通过定向发送数据包，且数据包的格式为导频段+数据帧；能够在接收节点实现全向接收到定向接收的快速切换，从而降低其他方向上的干扰；并且通过位置查询，取消了握手机制，降低了MAC层的开销；定向发送相比于全向发送能够成倍提高信号发送的覆盖范围，并且定向发送的覆盖角度减小，有效降低信号碰撞的概率。

本发明的有益效果还在于：接收节点在接收到信号数据时，接收节点向发送节点回复信号，并且接收节点进入空闲，不再继续接收，降低了接收节点的开销。

本发明的有益效果还在于：接受节点接收到数据信息时，更新接收节点MAC地址，并且发送节点进入空闲状态；通过更新用户节点的位置信息，降低系统开销。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中定向天线发送数据的流程示意图；

图3为本发明中定向天线接收数据的流程示意图；

图4为本发明中物理层控制帧的格式示意图；

图5为本发明中数据包的帧格式示意图；

图6为本发明中包含用户MAC地址的DNAV表；

图7为本发明中MAC层帧格式的结构示意图；

图8为本发明中物理信道时隙结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种定向天线，如图1所示，其物理层包括阵列天线、射频处理模块、基带信号处理板，还包括MAC层；其中阵列天线由至少3个定向天线组成，且定向天线组成能够覆盖360°的平面或立体型阵列，优选的阵列天线为矩形阵列、圆形阵列、桶状阵列、椭圆阵列或由两个非平行线阵列构成，优选的定向天线采用低方向性天线单元，实现能够接收较大范围的入射信号。

其中阵列天线中的每一个定向天线均通过一个收发通道与射频处理模块双向连接，即每一个定向天线能够通过其与射频处理模块双向连接的收发通道进行信号传递，避免了全向天线会产生的碰撞问题，同时能够在功率相同的情况下，实现更大的通信范围。

其中射频处理模块与基带信号处理板双向连接，基带信号处理板与MAC层双向连接。

该定向天线的数据发送流程为：网络层将数据下发至MAC层，MAC经过相应处理后发送到基带信号处理板，基带信号处理部分将数据进行编码调制，然后发送到射频处理模块，射频处理模块处理之后经过收发通道发送到阵列天线，阵列天线发送数据。

该定向天线的数据接收流程为：阵列天线接收到信号之后通过收发通道发送到射频处理模块，射频处理模块将信号处理之后发送到基带信号处理板，基带信号处理板将信号解调解码之后发送到MAC层，MAC层处理之后将数据上传至网络层。

本发明提供了一种定向天线的数据发送和接收方法，首先将所有全向发送改为定向发送，发送的数据包如图4所示，其数据帧前增加导频段；然后物理层按照MAC层给定的方向通过该方向位置上的定向天线发送数据包；其中MAC层取消了现有的DMAC协议上的RTS(请求发送信号)-CTS(允许发送信号)过程(即握手机制)，通过节点发现机制，降低了冲突概率，接收机采用多导频的方式从全向切换到定向接收。

如图2所示，其数据发送方法的具体步骤包括：

步骤S1，当有数据需要发送时，发送节点首先在全向模式下侦听信道，如果信道空闲，则继续侦听一段时间IFS(帧间隔)，如果在IFS时间内信道仍然空闲，那么查询到接收节点的MAC地址，具体的根据如图6所示的DNAV表查询接收节点的MAC地址。

步骤S2，如果查询到接收节点的有效位置信息，并且其对应方向上信道空闲，立即定向发送数据包，并且同时启动定时器DATATimer，超时时间为DATATimerOut。如果查询到接收节点的有效位置信息，但是当前信道被占用，因此根据DNAV表中的NAV值延迟一段时间，然后执行步骤S1。如果没有查询到接收节点的有效位置信息，则发送节点发起节点发现过程，并且在节点发现成功之后，发起数据传输。

步骤S3，节点发现过程的具体过程是：a发送节点在一个方向上定向发送一个RTS，并且启动定时器CTSTimer，如果在该定时器的时间长度T内未收到CTS。按照顺时针或逆时针选择该方向的相邻方向，也可以采用其他规则限定方向的选择，在选定下一个方向之后重复进行a过程，若发送方向超过360°覆盖之后所有定向天线还未收到CTS，则节点发现失败，随机退避一段时间之后，发送节点进入空闲状态。

步骤S3中发送节点收到发送的RTS被相对应的接受节点接收之后，接收节点计算出RTS的DOA(波达方向)，同样发送节点收到接受节点发送的CTS之后，发送节点计算出CTS的DOA，发送节点和接受节点更新相应的DNAV表。

其中DNAV表的更新操作由每次收到MAC包触发；节点发现过程只发生在用户位置信息无效的时候，正常的数据通信可以持续更新用户位置信息，因此无需周期性发现邻居节点。

如图3所示，接收节点为空闲状态，且物理层为全向接收状态，当接收节点接收数据包的具体步骤包括：

S1，接收节点接收到RTS，因此首先更新发送节点的DNAV表，并且查询信道状态，如果信道空闲，则立即发送CTS，且波束指向RTS来波方向，同时启动定时器CTSTimer，如果在定时器的时间t内收到数据包则立即定向回复ACK(接收完成)；如果在t时间内未收到数据包则接收节点进入空闲状态。

S2，接收节点接收到数据包，首先更新发送节点的DNAV表，并且对接收到的数据进行相应处理，同时定向回复ACK；接收节点接收到单播帧，并且其目的地址为该接受节点的地址，则定向回复ACK。

S3，在S1和S2中，如果发送节点在T时间内收到ACK，则随机退避一段时间，退避结束后进入空闲状态；如果发送节点在T时间内未收到ACK或者侦听到碰撞，则发送节点随机退避一段时间，退避结束之后重新传送数据包，直到在T时间内收到ACK或者超过重传次数或取消传送数据包。

其中接收节点处于空闲状态下物理层处于全向接收状态，当物理层检测到有用信号，则立即将接收波束调整到检测到同步或者功率最大的方向上，天线从全向到定向的切换时间采用在接收到的数据包之前增加导频段的方式预留。

本发明一种定向天线数据的发送和接收方法的优选实施例方式为：

本发明的硬件平台包括一个阵列天线，与阵列天线相对应的多个收发通道，收发通道与射频处理模块连接，射频处理模块与基带信号处理板连接，基带信号处理板与MAC层连接。该阵列天线包含至少3个定向天线，定向天线的空间位置使得阵列天线构成平面或者立体型结构，如矩形阵列、圆形阵列、桶形阵列或两个非平行阵列等结构，定向天线采用低方向性天线单元，以接收较大范围的入射信号。

本发明优选的物理信道时隙结构如图8所示，有物理信号PHY Signal(包括时隙前导Preamble、参考信号Reference Signal)和M个传输数据的资源块(Resource Block，RB)构成。时隙前导用于做自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)等。参考信号由多个基本的参考信号结构构成，每个基本参考信号都构成一个独立的导频，共同完成同步、信道估计等，其中Reference Signal 1全向接收，在Reference Signal 2-n期间完成从全向接收到定向接收的切换，从Resource Block部分开始定向接收。其中RB#0～RB#M-1，用于承载物理传输信息，包括物理层信息(PHY Information)以及来自高层的传输块(TransportBlock)，也就是MAC帧。

如图7所示，MAC层帧格式中帧控制字段用于说明帧类型、分片信息以及重传标志，持续期表示当前通信还需持续的时间也就是NAV域(见图6所示DNAV表)，目的地址和源地址分别为接收节点和发送节点的MAC地址。如图5所示数据包的帧中序号字段包括EMAC帧序号和分片序号。

当MAC层有数据发送时，会经过如图2和3以及上述数据接收和发送的流程将各种帧下发到物理层，同时会告知物理层应该发往的扇区号。物理层收到MAC层数据之后，首先检测目的地址。如果目的地址是广播地址，物理层将在给定的扇区上定向发送，然后按照某一规则完成至少360°的覆盖范围的发送，一种可行的方案是每次顺时针旋转90°，然后定向发送，每次定向发送的波束宽度为90°，这样一共定向发送4次，基本上完成360°覆盖；如果目的地址是单播地址，物理层直接按照MAC层指定的扇区定向发送。每个MAC帧中都包含一个NAV域，表示当前通信还要持续的时间，物理层每次发送结束之后，都要保持天线指向一段时间，改时间为最近一次发送的MAC帧中的NAV值，当保持扇区指向的时间超过NAV时就立即调整为全向侦听。

空闲状态下，物理层处于全向接收状态，物理层会持续检测射频模块接收到的信号功率。如果功率低于信道状态检测阈值，说明信道空闲，此时可以进行收发操作；如果功率大于信道状态检测阈值但小于低阶调制能够解调的最低功率门限，说明信道忙，不能进行收发操作；一旦功率大于低阶调制能够解调的最低功率门限和信道状态检测阈值，物理层就会尝试同步，如果找到有用信号，那么物理层会立即将射频接收通道切换到找到有用信号的扇区或者信号功率最大的扇区，完成从全向接收到定向接收的切换，这样导频之后的数据将以定向接收增益接收处理。数据经过物理层解调解码之后立即上报给MAC层，而后物理层立即恢复为全向接收的状态。

Claims (4)

1.一种定向天线，其特征在于，包括阵列天线，阵列天线由多个定向天线组成，阵列天线通过收发通道连接有射频处理模块，其中每个定向天线通过一个收发通道与射频处理模块双向连接；射频处理模块上连接有基带信号处理板，基带信号处理板上连接有MAC层；

所述的定向天线的发送数据的方法，包括以下步骤：

步骤S1，发送节点在全向模式下侦听信道，信道为空闲时，根据目标节点的MAC地址查询目标节点的有效位置信息；

步骤S2，查询到有效位置信息，且对应方向的信道空闲，则立即定向发送数据包，数据包包含导频段和数据帧；

当查询到有效位置信息，且对应方向的信道被占用，则执行步骤S1；

当没有查询到有效位置信息，发送节点发起节点发现过程，接收节点发现成功后，发送节点向接收节点发送数据包；

步骤S3，所述节点发现过程的具体过程是：发送节点在一个方向上定向发送请求发送信号，在时间T内接收到该方向上接收节点发送的允许发送信号，则接收节点发现成功；若接受节点发现不成功，则发送节点向下一个发现定向发送请求发送信号；若发送节点所有方向上均未发现成功，则延迟数据发送，并且更新MAC地址，执行步骤S1。

2.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述阵列天线包括至少3个定向天线，且定向天线构成能够覆盖360°的平面或立体型阵列。

3.一种如权利要求1或2所述定向天线接收数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，接收节点接收到请求发送信号、数据包或单播帧；

步骤S2，接受节点接收到请求发送信号时，信道空闲则定向发送允许发送信号，在时间t内接收节点收到数据包，向发送节点定向回复接收完成信号，若在时间t内接收节点未收到数据包或信道忙，则接收节点进入空闲状态；接受节点收到数据包，更新MAC地址，然后向发送节点定向回复接收完成信号；接收节点收到单播帧，且其目标地址为该接收节点，则向发送节点定向回复接收完成信号。

4.根据权利要求3所述的接收数据的方法，其特征在于，所述步骤S2中发送节点在时间T内收到接收完成信号，则发送节点进入空闲状态；若发送节点在时间T内未收到接收完成信号，则发送节点重新发送。