CN109347524A - 一种自组网内同步波束选择装置及定向天线自组网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组网内同步波束选择装置及定向天线自组网，属于通信技术领域。本发明自组网内同步波束选择装置包括FPGA、射频收发模块、天线选择开关、全向天线和由N个定向天线组成的覆盖360°的天线阵列，天线选择开关用于在全向天线和天线阵列之间进行选择；射频收发模块用于实现一路射频发射通道和两路射频接收通道，FPGA用于实现基带处理模块和协议控制模块。本发明能够实现在无外同步或无指北信息的条件下进行基于定向天线的自组网。

Description

一种自组网内同步波束选择装置及定向天线自组网

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种自组网内同步波束选择装置及定向天线自组网。

背景技术

移动自组网是由一组具有无线通信能力的节点构成的临时性无中心系统。传统的移动自组网进行数据收发时使用全向天线，这种天线覆盖面广，但对某特定方向上的有效功率却不大，容易造成功率浪费，还会对其他周围节点的通信带来干扰，降低了网络容量和通信质量。随着天线技术的发展，在移动自组网中采用定向天线，就能极大提高网络容量、减少干扰、提高安全性并增大通信距离。

但是，现有的基于定向天线的自组网设备需要依赖于外同步信息和指北信息。目前，现有基于定向天线的自组网方案在无外同步或无指北信息时无法正常组网，这极大地制约了自组网方案的使用条件。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种自组网内同步波束选择装置及定向天线自组网，能够实现在无外同步或无指北信息的条件下进行基于定向天线的自组网。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自组网内同步波束选择装置，其包括FPGA、射频收发模块、天线选择开关、全向天线和由N个定向天线组成的覆盖360°的天线阵列，所述天线选择开关用于在全向天线和天线阵列之间进行选择；所述射频收发模块用于实现一路射频发射通道和两路射频接收通道，所述射频收发模块包括ADC/DAC模块、变频模块及本振模块，所述本振模块用于为变频模块提供本振信号；所述FPGA用于实现基带处理模块和协议控制模块；

信号接收时，通过协议控制模块控制天线选择开关将全向天线和天线阵列的信号分别输入给两路射频接收通道，然后送入基带处理模块，所述基带处理模块对信号进行解调，并将解调后的信号送入协议控制模块；在每路射频接收通道内，信号依次经过变频模块的下变频和ADC/DAC模块的模数转换；

信号发射时，基带处理模块在协议控制模块的控制下产生基带信号并发送给射频发射通道内的ADC/DAC模块，所述ADC/DAC模块对信号进行数模转换，并将转换后的信号发送给变频模块进行上变频，所述协议控制模块根据之前收到的解调信号控制天线选择开关在全向天线和天线阵列之中进行择一选择，上变频后的信号通过被选天线进行发射。

具体的，所述射频收发模块包括一个本振模块以及两组ADC/DAC模块和变频模块，两路射频接收通道与两组ADC/DAC模块和变频模块一一对应，射频发射通道对应于一组ADC/DAC模块和变频模块，所述本振模块分别为两组内的变频模块提供本振信号。

此外，本发明还提供一种定向天线自组网，其包括作为自组网节点的M个如上所述的自组网内同步波束选择装置，每个节点维护有本地时间计数器、邻居节点-波束指向对应表、本机同步参数列表、本机同步跳数和本机网络编号，每个节点具有一个不同的节点编号，所述本机同步参数列表包括目的节点和同步参数两个字段，本机同步跳数的初始值为0，本机同步参数列表初始时为空，本机网络编号的初始值为本节点的节点编号；所述本地时间计数器用于将一个TDMA周期划分为控制部分和数据部分，其中控制部分划分为L个时隙，每个时隙包含M个子时隙；每个节点在控制部分维护并更新邻居节点-波束指向对应表，在数据部分根据邻居节点-波束指向对应表，选择邻居节点对应的波束进行数据通信；在控制部分，每个节点的工作方式如下：

（1）本地时间计数器值到达控制部分子时隙起始时刻时，判断当前子时隙的序号是否等于本节点的节点编号，若是则执行步骤（2），否则执行步骤（3）；

（2）本节点在当前子时隙通过全向天线发送信令帧，然后回到步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；信令帧中包含源节点字段、网络编号字段、同步跳数字段、目的节点字段、同步参数字段、时间戳字段和校验码字段，其中，源节点字段的值为发送信令帧的本节点的节点编号，网络编号字段的值为同步起始节点的网络编号，同步跳数字段的值为本节点距离同步起始节点的跳数，同步参数字段的值为用于时钟同步的参数值，时间戳字段的值为本节点的本地时间计数器值，目的节点字段的值为顺次指定的本机同步参数列表中目的节点的节点编号，若本机同步参数列表中没有可指定的目的节点，则将目的节点字段置为无效值；

（3）顺次指定一个新的定向天线，通过全向天线和当前指定的定向天线同时接收信令帧；

（4）如果全向天线成功收到信令帧，则转入步骤（5），否则，如果定向天线成功收到信令帧，则解析源节点字段，并更新邻居节点-波束指向对应表，增加新的邻居节点-波束指向对应关系，然后转入步骤（5）；如果定向天线和全向天线均未成功收到信令帧，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

（5）解析信令帧中的网络编号字段，如果网络编号字段的值大于本机网络编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；否则，解析时间戳字段，将本地时间计数器的值设置为时间戳字段的值，并将本节点的的网络编号更改为网络编号字段的值，然后转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段的值等于本机网络编号，则解析同步跳数字段，如果同步跳数字段的值大于本节点的本机同步跳数值，则判断源节点字段值对应的节点是否在本机同步参数列表列出的目的节点中，如果在，则将本机同步参数列表中相应目的节点所对应的同步参数值更新为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差，如果不在，则在本机同步参数列表中增加新条目，该条目的目的节点为信令帧中源节点字段的值，同步参数为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差；转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值等于本节点的本机同步跳数值，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值，则解析目的节点字段的值，如果目的节点字段值等于本节点的节点编号，则解析时间戳字段和同步参数字段的值，并计算D值：

D=0.5×(同步参数字段值+时间戳字段值－本地时间计数器值)，

然后将本地时间计数器的值调整为本地时间计数器原始值与D值的和，并将本节点的本机同步跳数调整为同步跳数字段值加1，接着转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值且目的节点字段值不等于本节点的节点编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明为每个自组网设备都配备了两种天线，一个全向天线和多个覆盖360°方向的定向天线，多个定向天线可以是一副多波束天线，也可以是一个相控阵天线。这样，通过全向天线收发可以实现网络内同步，通过全向天线发送、定向天线侦听则可以实现波束选择。

2、本发明通过对各节点控制部分子时隙工作方式的特殊设计，实现了一种用于进行自组网的控制协议，使得各节点之间能够在无外同步或无指北信息的情况下进行正常组网。

附图说明

图1是本发明实施例中自组网内同步波束选择装置的一种原理框图；

图2是本发明实施例中的一种时隙划分示意图；

图3是本发明实施例中的一种信令帧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种自组网内同步波束选择装置，其包括FPGA、射频收发模块、天线选择开关、全向天线和由N个定向天线组成的覆盖360°的天线阵列，所述天线选择开关用于在全向天线和天线阵列之间进行选择；所述射频收发模块用于实现一路射频发射通道和两路射频接收通道，所述射频收发模块包括ADC/DAC模块、变频模块及本振模块，所述本振模块用于为变频模块提供本振信号；所述FPGA用于实现基带处理模块和协议控制模块。

具体来说，所述射频收发模块包括一个本振模块以及两组ADC/DAC模块和变频模块，两路射频接收通道与两组ADC/DAC模块和变频模块一一对应，射频发射通道对应于一组ADC/DAC模块和变频模块，所述本振模块分别为两组内的变频模块提供本振信号。

信号接收时，如图1中实线连接线所示，通过协议控制模块控制天线选择开关将全向天线和天线阵列的信号分别输入给两路射频接收通道，然后送入基带处理模块，所述基带处理模块对信号进行解调，并将解调后的信号送入协议控制模块；在每路射频接收通道内，信号依次经过变频模块的下变频和ADC/DAC模块的模数转换。

信号发射时，如图1中虚线连接线所示，基带处理模块在协议控制模块的控制下产生基带信号并发送给射频发射通道内的ADC/DAC模块，所述ADC/DAC模块对信号进行数模转换，并将转换后的信号发送给变频模块进行上变频，所述协议控制模块根据之前收到的解调信号控制天线选择开关在全向天线和天线阵列之中进行择一选择，上变频后的信号通过被选天线进行发射。

一种定向天线自组网，包括32个自组网节点，每个节点的定向天线数量均为16，16个定向天线构成360°覆盖，每个定向天线对应一个波束。其中，每个节点维护有本地时间计数器、邻居节点-波束指向对应表、本机同步参数列表、本机同步跳数和本机网络编号，每个节点具有一个不同的节点编号，所述本机同步参数列表包括目的节点和同步参数两个字段，本机同步跳数的初始值为0，本机同步参数列表初始时为空，本机网络编号的初始值为本节点的节点编号；所述本地时间计数器用于将一个TDMA周期划分为控制部分和数据部分，其中控制部分划分为4个时隙，每个时隙包含32个子时隙；每个节点在控制部分维护并更新邻居节点-波束指向对应表，在数据部分根据邻居节点-波束指向对应表，选择邻居节点对应的波束进行数据通信；在控制部分，每个节点的工作方式如下：

（1）本地时间计数器值到达控制部分子时隙起始时刻时，判断当前子时隙的序号是否等于本节点的节点编号，若是则执行步骤（2），否则执行步骤（3）；

（2）本节点在当前子时隙通过全向天线发送信令帧，然后回到步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；信令帧中包含源节点字段、网络编号字段、同步跳数字段、目的节点字段、同步参数字段、时间戳字段和校验码字段，其中，源节点字段的值为发送信令帧的本节点的节点编号，网络编号字段的值为同步起始节点的网络编号，同步跳数字段的值为本节点距离同步起始节点的跳数，同步参数字段的值为用于时钟同步的参数值，时间戳字段的值为本节点的本地时间计数器值，校验码可以采用CRC校验值，目的节点字段的值为顺次指定的本机同步参数列表中目的节点的节点编号，若本机同步参数列表中没有可指定的目的节点，则将目的节点字段置为无效值；

（3）顺次指定一个新的定向天线，通过全向天线和当前指定的定向天线同时接收信令帧；

（4）如果全向天线成功收到信令帧，则转入步骤（5），否则，如果定向天线成功收到信令帧，则解析源节点字段，并更新邻居节点-波束指向对应表，增加新的邻居节点-波束指向对应关系，然后转入步骤（5）；如果定向天线和全向天线均未成功收到信令帧，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

（5）解析信令帧中的网络编号字段，如果网络编号字段的值大于本机网络编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；否则，解析时间戳字段，将本地时间计数器的值设置为时间戳字段的值，并将本节点的的网络编号更改为网络编号字段的值，然后转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段的值等于本机网络编号，则解析同步跳数字段，如果同步跳数字段的值大于本节点的本机同步跳数值，则判断源节点字段值对应的节点是否在本机同步参数列表列出的目的节点中，如果在，则将本机同步参数列表中相应目的节点所对应的同步参数值更新为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差，如果不在，则在本机同步参数列表中增加新条目，该条目的目的节点为信令帧中源节点字段的值，同步参数为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差；转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值等于本节点的本机同步跳数值，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值，则解析目的节点字段的值，如果目的节点字段值等于本节点的节点编号，则解析时间戳字段和同步参数字段的值，并计算D值：

D=0.5×(同步参数字段值+时间戳字段值－本地时间计数器值)，

然后将本地时间计数器的值调整为本地时间计数器原始值与D值的和，并将本节点的本机同步跳数调整为同步跳数字段值加1，接着转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值且目的节点字段值不等于本节点的节点编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自组网内同步波束选择装置，其特征在于：包括FPGA、射频收发模块、天线选择开关、全向天线和由N个定向天线组成的覆盖360°的天线阵列，所述天线选择开关用于在全向天线和天线阵列之间进行选择；所述射频收发模块用于实现一路射频发射通道和两路射频接收通道，所述射频收发模块包括ADC/DAC模块、变频模块及本振模块，所述本振模块用于为变频模块提供本振信号；所述FPGA用于实现基带处理模块和协议控制模块；

信号接收时，通过协议控制模块控制天线选择开关将全向天线和天线阵列的信号分别输入给两路射频接收通道，然后送入基带处理模块，所述基带处理模块对信号进行解调，并将解调后的信号送入协议控制模块；在每路射频接收通道内，信号依次经过变频模块的下变频和ADC/DAC模块的模数转换；

信号发射时，基带处理模块在协议控制模块的控制下产生基带信号并发送给射频发射通道内的ADC/DAC模块，所述ADC/DAC模块对信号进行数模转换，并将转换后的信号发送给变频模块进行上变频，所述协议控制模块根据之前收到的解调信号控制天线选择开关在全向天线和天线阵列之中进行择一选择，上变频后的信号通过被选天线进行发射。

2.根据权利要求1所述的自组网内同步波束选择装置，其特征在于：所述射频收发模块包括一个本振模块以及两组ADC/DAC模块和变频模块，两路射频接收通道与两组ADC/DAC模块和变频模块一一对应，射频发射通道对应于一组ADC/DAC模块和变频模块，所述本振模块分别为两组内的变频模块提供本振信号。

3.一种定向天线自组网，其特征在于：包括作为自组网节点的M个如权利要求1所述的自组网内同步波束选择装置，每个节点维护有本地时间计数器、邻居节点-波束指向对应表、本机同步参数列表、本机同步跳数和本机网络编号，每个节点具有一个不同的节点编号，所述本机同步参数列表包括目的节点和同步参数两个字段，本机同步跳数的初始值为0，本机同步参数列表初始时为空，本机网络编号的初始值为本节点的节点编号；所述本地时间计数器用于将一个TDMA周期划分为控制部分和数据部分，其中控制部分划分为L个时隙，每个时隙包含M个子时隙；每个节点在控制部分维护并更新邻居节点-波束指向对应表，在数据部分根据邻居节点-波束指向对应表，选择邻居节点对应的波束进行数据通信；在控制部分，每个节点的工作方式如下：

（1）本地时间计数器值到达控制部分子时隙起始时刻时，判断当前子时隙的序号是否等于本节点的节点编号，若是则执行步骤（2），否则执行步骤（3）；

（2）本节点在当前子时隙通过全向天线发送信令帧，然后回到步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；信令帧中包含源节点字段、网络编号字段、同步跳数字段、目的节点字段、同步参数字段、时间戳字段和校验码字段，其中，源节点字段的值为发送信令帧的本节点的节点编号，网络编号字段的值为同步起始节点的网络编号，同步跳数字段的值为本节点距离同步起始节点的跳数，同步参数字段的值为用于时钟同步的参数值，时间戳字段的值为本节点的本地时间计数器值，目的节点字段的值为顺次指定的本机同步参数列表中目的节点的节点编号，若本机同步参数列表中没有可指定的目的节点，则将目的节点字段置为无效值；

（3）顺次指定一个新的定向天线，通过全向天线和当前指定的定向天线同时接收信令帧；

（4）如果全向天线成功收到信令帧，则转入步骤（5），否则，如果定向天线成功收到信令帧，则解析源节点字段，并更新邻居节点-波束指向对应表，增加新的邻居节点-波束指向对应关系，然后转入步骤（5）；如果定向天线和全向天线均未成功收到信令帧，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

（5）解析信令帧中的网络编号字段，如果网络编号字段的值大于本机网络编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；否则，解析时间戳字段，将本地时间计数器的值设置为时间戳字段的值，并将本节点的的网络编号更改为网络编号字段的值，然后转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段的值等于本机网络编号，则解析同步跳数字段，如果同步跳数字段的值大于本节点的本机同步跳数值，则判断源节点字段值对应的节点是否在本机同步参数列表列出的目的节点中，如果在，则将本机同步参数列表中相应目的节点所对应的同步参数值更新为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差，如果不在，则在本机同步参数列表中增加新条目，该条目的目的节点为信令帧中源节点字段的值，同步参数为本地时间计数器值与信令帧中时间戳字段值的差；转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值等于本节点的本机同步跳数值，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值，则解析目的节点字段的值，如果目的节点字段值等于本节点的节点编号，则解析时间戳字段和同步参数字段的值，并计算D值：

D=0.5×(同步参数字段值+时间戳字段值－本地时间计数器值)，

然后将本地时间计数器的值调整为本地时间计数器原始值与D值的和，并将本节点的本机同步跳数调整为同步跳数字段值加1，接着转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙；

如果网络编号字段值等于本机网络编号、同步跳数字段值小于本节点的本机同步跳数值且目的节点字段值不等于本节点的节点编号，则转入步骤（1）等待控制部分的下一子时隙。