CN109450511B - 一种星型自组织网络的多天线自主切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种星型自组织网络的多天线自主切换方法，其特征在于，步骤包含：步骤1、在网主节点周期性广播入网消息；步骤2、一个从节点入网；步骤3、选择与主节点天线通信能量高、信噪比强的网内从节点天线；步骤4、选择与从节点天线通信能量高、信噪比强的主节点天线；步骤5、通过循环步骤2～步骤4，主节点和每个从节点均都确定一次天线；步骤6、主从节点在精同步时隙确定业务时隙通信天线，维持网络进入下一周期。该技术能够解决星型自组织网络拓扑结构动态变化导致的性能下降的问题，该方法具有拓扑适应性好、网络重组能力强的特点，保证链路持续可用同时提高了星型自组织网络的网络利用率。

Description

一种星型自组织网络的多天线自主切换方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地涉及一种星型自组织网络的多天线自主切换方法。
背景技术
在无线环境下的自组织网络技术中，星型网络是一种网络结构较为简单，易于实现的自组织网络，在卫星间组网、无人船间组网、弹间组网以及无人机间等多飞行器间组网领域广泛应用。星型自组织网络完成建网后，由于实际任务的需要，网络节点不断移动网络拓扑发生快速变化，这经常会引发网络利用率低和性能下降的问题。如果不能保证节点移动状态下的链路持续可用和网络拓扑的鲁棒能力，那么整个星型网络的性能就会受到很大的影响。目前，解决由于网络拓扑动态变化而导致的自组网链路中段、网络利用率低和性能下降等问题的研究还不多，下面我们针对现有的一些方法作简要介绍。
文献1（刘强，郝琦. 基于定向天线的移动自组网接入控制协议[J].北京交通大学学报，2017，41（02）：72-78.）提出一种基于定向天线的移动自组网接入控制协议，相较于本发明，该方法适应拓扑变化的能力不高，网络扩展能力弱于本发明。文献2（齐小刚，张权.认知无线电网络中一种基于主用户活动性预测的拓扑控制方法[J].南京大学学报，2018，54（4）：849-854.）提出一种基于主用户活动行为的链路可用时间预测方法，提高了对链路可用时间预测结果的准确性。但是，该方法网络拓扑变化的适应性低于本发明的能力，且网络利用率弱于本发明。专利1（星型自组织网络的开机布网方法及装置，201710807080.5，黄宇斌.2017），提出一种星型自组织网络的开机布网方法，该方法中设计的节点具备自主切换为中心节点或接入节点的功能，但其应用范围低于本发明所能达到的范围，而且本发明的网络拓扑适应性和网络利用率更优秀。专利2（星型自组织网络中心节点变更方法，201711115206.9，黄宇斌，马原东，高小燕.2017），提出一种基于网络节点数量和拓扑变化频率的星型自组织网络中心节点变更方法，但是该方法网络拓扑的鲁棒能力弱于本发明，且通信效率弱于本发明。专利3（基于中心节点控制的快速组网方法，201710278454.9，张冰，罗佳韵，张奭，罗盛，张昊，于欣.2017），针对现有组网碰撞概率大的问题，提出一种基于中心节点控制的快速组网方法，但是该方法占用的资源较多且网络利用率不高。
以上众多研究中，尚未发现关于星型自组织网络中天线自主切换的设计方法。从提高网络节点组网性能和网络利用率的角度出发，本发明提出的星型自组织网络天线自主切换设计方法，所能达到的应用范围更广，可以解决由于网络动态变换而导致的链路不稳和网络性能下降的问题，同时具有拓扑适应性好、网络重组能力强的特点，综合提高了星型自组织网络的链路持续能力和网络利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星型自组织网络天线自主切换的设计方法，以解决现有星型网络中，由于星型自组织网络拓扑结构不断变化而导致的链路不稳和网络性能下降的问题，本发明方法具有拓扑适应性好、网络重组能力强的特点，保证链路持续同时提高了星型自组织网络的网络利用率。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种星型自组织网络天线自主切换设计方法，包括如下步骤：
步骤1、在网主节点周期性广播入网消息；
步骤2、一个从节点入网；
步骤3、选择与主节点天线通信能量高、信噪比强的网内从节点天线；
步骤4、选择与从节点天线通信能量高、信噪比强的主节点天线；
步骤5、通过循环步骤2～步骤4，主节点和每个从节点均都确定一次天线；
步骤6、维持网络。
优选地，所述步骤1中，只有主节点占用广播时隙，主节点在广播时隙内周期性广播入网消息，以表明网络中存在主节点。
优选地，所述步骤2中，从节点加入主节点的星型网络时，经历侦听阶段、入网请求阶段、网络维持阶段。
优选地，星型自组织网络节点时隙结构划分包括：广播时隙、勤务时隙、精同步时隙和业务时隙；
所述步骤3在广播时隙内完成，所述步骤4在精同步时隙内完成；
主从节点在精同步时隙确定业务时隙通信天线，维持网络进入下一周期。
优选地，步骤3中，主节点的每个天线根据从节点天线数量发送多次广播消息，从节点的每一个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得所有从节点的天线分别接收完每个主节点发送的一次广播消息，并比较每个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；对该过程循环多次，选择标记最多的天线作为本次时隙周期通信的天线。
优选地，所述步骤4进一步包含：
步骤4.1、标记最多的从节点天线在精同步时隙连发与主节点个数相等的时隙消息；
步骤4.2、主节点使用每个天线各接收一次标记最多的从节点天线发出的信号；
步骤4.3、通过比较信号能量和链路信噪比，选择信号能量强、信噪比大的主节点天线。优选地，所述步骤6中，网络中的从节点在接下来的每个指令周期的精同步时隙发送精同步请求信息，实现与主节点精确校时功能，并以此保持网络中从节点与主节点网络时间的精确同步。
本发明所述技术方案一种星型自组织网络多天线自主切换设计方法，该技术相较于现有技术具有的优点是，能够解决星型自组织网络拓扑结构动态变化导致的性能下降的问题，该方法具有拓扑适应性好、网络重组能力强的特点，保证链路持续可用同时提高了星型自组织网络的网络利用率。
附图说明
图1是星型网络多天线示意图；
图2 是星型自组织网络时隙结构划分图；
图3 是主节点广播时隙图；
图4 是精同步时隙主从节点消息交互图；
图5是本发明的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明考虑如图1所示的星型自组织网络多天线示意图，图中包括1个主节点和N（不小于64）个从节点，主节点标记为0，从节点标记为1～N，每个节点都具有A、B、C三根天线，根据不同时刻的网络拓扑变化主从节点自主选择通信天线。如附图2所示，本发明星型自组织网络节点时隙结构划分包括：广播时隙、勤务时隙、精同步时隙和业务时隙。
如附图5所示，本发明步骤包含：
步骤1、在网主节点周期性广播入网消息；只有主节点可以占用广播时隙，主节点在广播时隙内周期性广播入网消息，表明网络中存在主节点。
步骤2、一个从节点入网；从节点要加入该主节点的星型网络，需要经历侦听阶段、入网请求阶段、网络维持阶段，不是本发明的核心内容这里略过，默认从节点经过该步骤成功入网。
步骤3、选择与主节点天线通信能量高、信噪比强的网内从节点天线；
如附图3所示，所述步骤3进一步包含：
步骤3.1、主节点天线A发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.2、主节点天线B发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.3、主节点天线C发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.4、循环上述3.1到3.3的步骤n次；
步骤3.5、选择标记最多的天线作为本次时隙周期通信的天线。
步骤4、选择与从节点天线通信能量高、信噪比强的主节点天线；
主节点天线确定是在如图4所示的精同步时隙，从节点在精同步时隙和业务时隙均使用步骤3确定的通信天线（在附图中以从节点天线B为例），从节点在精同步时隙连发三个时隙消息，主节点分别使用A、B、C天线各接收一次，通过比较信号能量和链路信噪比，选择信号能量强、信噪比大的天线（在附图中以主节点天线A为例），在精同步应答和业务时隙与该从节点通信时，使用此时确定的天线。
步骤5、通过循环步骤2～步骤4，主节点和每个从节点均都确定一次天线；
步骤6、主从节点在精同步时隙确定业务时隙通信天线，维持网络进入下一周期。
在步骤6中，网络维持的具体过程为，网络中的从节点需要在接下来的每个指令周期的精同步时隙发送精同步请求信息，实现与主节点精确校时功能，并以此保持网络中从节点与主节点网络时间的精确同步，此部分不是本发明重点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求。

Claims (3)

1.一种星型自组织网络的多天线自主切换方法，其特征在于，步骤包含：
步骤1、在网主节点周期性广播入网消息；
步骤2、一个从节点入网；
步骤3、选择与主节点天线通信能量高、信噪比强的网内从节点天线；
步骤4、选择与从节点天线通信能量高、信噪比强的主节点天线；
步骤5、通过循环步骤2～步骤4，主节点和每个从节点均都确定一次天线；
步骤6、维持网络；
星型自组织网络节点时隙结构划分包括：广播时隙、勤务时隙、精同步时隙和业务时隙；
所述步骤3在广播时隙内完成，所述步骤4在精同步时隙内完成；
主从节点在精同步时隙确定业务时隙通信天线，维持网络进入下一周期；
步骤3包含以下内容：
步骤3.1、主节点天线A发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.2、主节点天线B发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.3、主节点天线C发送三次广播消息，从节点的三个天线在每个接收时隙切换一次天线，使得三个天线分别接收完一次广播消息，并比较三个从节点天线接收信号的信号能量和信噪比，选择信号能量高、信噪比强的天线并记录；
步骤3.4、循环上述3.1到3.3的步骤多次；
步骤3.5、选择标记最多的天线作为本次时隙周期通信的天线；
所述步骤4进一步包含：
步骤4.1、标记最多的从节点天线在精同步时隙连发与主节点天线个数相等的时隙消息；
步骤4.2、主节点使用每个天线各接收一次标记最多的从节点天线发出的信号；
步骤4.3、通过比较信号能量和链路信噪比，选择信号能量强、信噪比大的主节点天线；
所述步骤6中，网络中的从节点在接下来的每个指令周期的精同步时隙发送精同步请求信息，实现与主节点精确校时功能，并以此保持网络中从节点与主节点网络时间的精确同步。
2.如权利要求1 所述的一种星型自组织网络的多天线自主切换方法，其特征在于，所述步骤1中，只有主节点占用广播时隙，主节点在广播时隙内周期性广播入网消息，以表明网络中存在主节点。
3.如权利要求1 所述的一种星型自组织网络的多天线自主切换方法，其特征在于，所述步骤2中，从节点加入主节点的星型网络时，经历侦听阶段、入网请求阶段、网络维持阶段。
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