CN109597059A - 用于双面阵雷达自组网的快速邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双面阵雷达自组网的快速邻居发现方法。利用雷达固有的扫描功能，首先获取邻居节点的粗略位置；然后根据粗略位置，依据双面阵相控阵雷达的双方向传输特点，分配邻居发现扫描区域；最后，充分利用双面相控阵雷达的优势，合理调度两个阵面协调工作，在扫描区间内进行深度扫描，通过二次握手的方式来实现全网的邻居发现。使用本发明的方法能够在双面阵雷达自组网背景下高效快速地实现邻居发现。

Description

用于双面阵雷达自组网的快速邻居发现方法

技术领域

本发明涉及雷达通信领域，具体地说，是一种快速邻居发现方法——基于扫描的双面相控阵雷达通信一体化节点邻居发现算法(SBA-DPAR,Scan Based Algorithm forDouble-Face Phased Array Radar)。

背景技术

邻居发现是获取全网拓扑信息、实现节点间通信的基础，而提高邻居发现过程的速度，是完成快速网络构建的关键。邻居发现按照传输模式可分为全向邻居发现和定向邻居发现。全向邻居发现使用全向天线进行传输，可以同时覆盖所有角度，发现过程比较简单，但传输距离较短，且容易受干扰，比如隐终端问题和暴露终端等问题。定向传输可以将能量集中到某一个方向，因此可以有更远的传输距离，同时也提高了空间的复用率，综合起来可以提高网络容量。但是，由于定向传输的方向性，使得同一时间扫描的角度范围有限，而且对于纯定向天线而言，只有收发波束相互对准且收发模式匹配才能发现彼此，因此，在不知道邻居的大致方位的情况下发现邻居的概率较低。

目前，很少有利用相控阵雷达的雷达扫描信息优势进行邻居发现，而利用双面阵相控阵雷达的两个波束进行邻居发现的研究几乎没有，现有的邻居发现算法并不能直接移植到双面阵相控阵雷达场景，也无法充分发挥其优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于双面阵雷达通信一体化系统组网的邻居发现方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于双面阵雷达自组网的快速邻居发现方法，首先利用雷达的扫描功能获取邻居节点的粗略位置，然后根据粗略位置与双面阵相控阵雷达的模型结构进行雷达扫描区域的分配，最后协调两个雷达阵面的工作模式与扫描区间进行深入扫描，并通过二次握手的方式来进行邻居发现。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明充分利用了双面阵雷达通信一体化系统的两个方向数据传输的特点，协调前后阵面工作用于邻居发现；充分利用前后两部天线各覆盖一半区域的特点，互斥地安排扫描范围并保证全部区域的覆盖。(2)邻居发现过程中充分利用了雷达固有的扫描功能所获得的粗略邻居信息，提高了邻居发现的速度。(3)本发明与整个系统结合紧密，邻居发现高效迅速。

附图说明

图1是本发明的SBA-DPAR算法主算法流程图。

图2是粗略的邻居角度区间。

图3是扫描区域序列。

图4是区域内深度扫描。

具体实施方式

本发明针对双面相控阵雷达通信一体化系统自组网，提供了一种组网建立时的邻居发现方法。该方法利用雷达固有的扫描功能，首先获取邻居节点的粗略位置；然后，根据粗略位置，依据双面阵相控阵雷达的双方向传输特点，分配邻居发现扫描区域；最后，充分利用双面相控阵雷达的优势，合理调度两个阵面协调工作，在扫描区间内进行深度扫描，通过二次握手的方式来实现全网的邻居发现。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

对于双面阵相控阵雷达模型的雷达自组网系统的邻居发现过程，做出如下的假设：

N_i是一个装有双面阵相控阵雷达的节点，节点方向角α；以节点方向为基准，在节点方向一侧的波束为前波束，记为F_i，在节点方向另一侧的波束是后波束，记为B_i；两个波束的波束宽度相同，均为θ；定义波束的方向为波束中心线与正北方向的夹角，将F_i、B_i的波束方向分别记为δ_F、δ_B。

两个波束均处于半双工工作模式，非收即发，并且两个波束的收发状态是相同的，即同收同发。

(1)假设在邻居发现过程结束前，节点的位移不会超出单一波束的覆盖范围，因此可以认为节点是静态的；

(2)每个节点有自身的唯一的节点ID，双面阵相控阵雷达模型的节点也有天线ID；

(3)节点装有GPS或其他定位系统，因此可以获取自身的位置信息；

(4)信息的传输通过波束的主瓣进行，忽略旁瓣的影响；

(5)系统以时分复用的方式进行工作，时隙长度相同，每个信息包可在一个时隙内发送完毕；

(6)网络中节点都在彼此一跳可达的范围内；

(7)成功发现邻居的充要条件是两个节点相互被彼此的波束覆盖，收发模式相匹配，且没有其他波束的干扰。

双面阵相控阵雷达可以扫描周边的节点的大概方位，但不能确定节点的具体位置，而雷达所确定的方向范围通常大于天线波束的角度范围，因此需要进一步通过邻居发现算法找到邻居的方位并完成握手。但是，利用雷达的扫描特性得到的邻居的大致范围以及邻居的数量，为扫描序列的生成以及算法停止的条件提供了很大的便利。邻居节点的大致范围可以极大缩小天线扫描的范围，而已知节点的数目，也可以在邻居节点达到门限时及时停止算法，尽快进入后续的通信阶段。

算法所需数据符号：

N_bi：节点i周围的一跳邻居的数目

λ_j：节点的第j个粗略邻居方位

θ_R：雷达粗略扫描的波束宽度的一半

θ：天线的主瓣宽度

数组记录节点i的前部天线所覆盖的邻居粗略方向角度区间

数组记录节点i的后部天线所覆盖的邻居粗略方向角度区间

数组中第k个元素的角度跨度

数组中第k个元素的角度跨度

前天线在中第k个扫描区域元素中的最大扫描次数

前天线在中第k个扫描区域元素中的最大扫描次数

SBA-DPAR算法主要分为以下几个模块：雷达扫描模块，扫描范围选择模块，深入扫描模块，握手交互与邻居表更新模块，其主要流程如图1所示。

(1)算法开始，进入雷达扫描模块。首先将节点i的雷达角度调整至0°，再利用节点配置的双面阵相控阵雷达进行扫描，得到邻居节点j的方位λ_j，将所有邻居节点的方位角存于数组同时得到周围的邻居节点的数目N_bi。

(2)进入扫描范围选择模块。该模块主要目的是数组中按照前部天线随机选择扫描范围，后部天线选择和前部天线相反的方向这一原则，为前后天线各选择一个扫描区域进行深入扫描。

(3)进入深入扫描模块。首先将扫描区域按照波束宽度依次划分为多个小的方位角范围。前部天线按照顺时针的顺序在扫描区域的各方位角范围内扫描。如果前后天线选择的扫描区域有重叠，即是二者的协同工作区域，后部天线选择的扫描方位角要避免与前部天线工作的方位角冲突；如果前后天线选择的扫描区域无重叠，则二者可以独立地在各自的扫描区域内调度扫描方位角。在扫描区域内选择方位角进行深入扫描时，发送和接收握手信息，直到发现邻居；

(4)在节点i接收到握手信息之后，进一步进行握手的过程，双方完成确认后，更新其邻居表以及相关的信息，认为发现该邻居。

(5)重复步骤(2)～(4)，直到达到算法的结束条件。

下面分别说明各模块的功能。

1.雷达扫描模块

邻居发现开始时，所有节点均将方向调至0°，以保证节点之间前后天线的扫描角度范围是统一的。在调整节点方向后，雷达开机，以节点i为例，前后雷达分别从正西分界线向东扫描，得到节点i周围所有邻居的方位角，以邻居j为例，记为λ_j。而雷达的粗略角度区间记为2θ_R，如图2所示，通过雷达扫描，可以确定节点j在图中的扇形区域内。

根据邻居大致位置信息，初始化前后天线的扫描区域序列，如图3所示。其中，位于两个天线分界线附近的邻居需要由两个天线共同发现，即粗略邻居方向角λ_j处于天线分界线前或分界线后θ_R的角度范围内，该扫描区域需要两个天线协同扫描。设置有序对数组分别按雷达扫描顺序存储节点i前后天线各自区间内的粗略邻居范围。其中值得注意的是，为了后续算法中收发天线协同工作，当扫描区域与南北方向线重叠时，将被分为两个不同的扫描区域存储于数组中。

2.扫描范围选择模块

初始化扫描区域序列后，需选择一个扫描区域进行深度扫描。算法将时间轴划分成若干个大小相同的时隙，又将每个时隙划分成两个微时隙，每个微时隙非收即发，并且同一时隙的两个微时隙分别用于不同的收发状态。为了使波束互相覆盖的节点处于不同的工作模式以完成收发匹配，规定天线的方向角δ∈[0,π)时，天线在第一个微时隙处于接收状态，第二个微时隙处于发送状态；δ∈[π,2π)时，天线在第一个微时隙处于发送状态，第二个微时隙处于接收状态。由于双面阵相控阵雷达模型中，前后天线的收发模式是一致的，因此规定由前部天线随机选择扫描区域，后部天线根据前部天线所选扫描区域的方向角所在区间来选择相应区间内的扫描区域。扫描区域选择的机制如算法1所示。

算法1扫描区域选择算法

3.邻居深入扫描模块

由雷达的先验信息分别获得前后天线的扫描区域序列后，正式进入邻居发现阶段。当两个天线未处于协同工作扫描区域时，两个天线是独立工作的，下面以前天线为例进行说明。

取雷达扫描模块输出的扫描区域的角度跨度，记为由于天线的主瓣宽度为θ，如图4所示，因此在该区域的最大扫描次数为

扫描区域数组中的元素是表示角度范围的有序数对，以第k个元素为例，首先判断该区间是否是协同工作区间。如果不是，则将天线依次对准方向：如果发现邻居节点，则停止扫描；如果处于协同工作区间，除了上述停止扫描条件外，如果其另一个天线发现了邻居，则两个协同扫描的天线均停止扫描。

在扫描过程中，天线在两个微时隙中的收发顺序由其方向角决定，如果天线的方向角δ≤π，则天线在第一个微时隙处于接收状态，第二个微时隙处于发送状态；如果天线的方向角δ＞π，则天线的收发顺序相反。由于前面过程对于天线的扫描区域的划分已经考虑到前后天线的同收同发问题，因此此部分天线只需按照上述规则进行收发模式选择，就可以达到天线同收同发的要求。

除了协同工作部分外，前后天线是独立工作的，而协同区域优先选择时，前后天线可同时结束协同部分的扫描，在其余区域的扫描中，两个天线的扫描次数是相互独立的，扫描结束时间也是相互独立的，如果其中一个天线扫描完毕，不必等待另一个天线扫描完毕，直接进入下一个扫描区域进行深入扫描。

4.握手交互与邻居表更新模块

天线在每个角度的扫描过程中，会进入握手交互与邻居表更新模块。每个方向的扫描过程会经历一个时隙，而为了完成收发双方的握手过程，将每个扫描时隙进一步分为两个微时隙。SBA-DPAR算法中的收发状态是确定的，即根据天线的方位角决定收发状态。由邻居深入扫描模块得知，当天线初始进入发送状态时，规定第一个微时隙向天线方向发送一个握手报文，其中包括自身的ID以及位置等信息；第二个微时隙从当前方向接收报文。而当天线初始进入接收状态时，会在第一个微时隙从当前方向接收报文，如果在该微时隙内接收到来自邻居的握手报文，则在第二个微时隙返回一个ACK，包含自身的ID以及位置信息；如果第一个微时隙之内没有接收到报文，则第二个微时隙不做任何操作。

完成上述的握手交互，收发双方的节点认为发现了对方。接下来进行信息的更新：在自身的邻居表中加入刚刚发现的邻居信息；将扫描区域从数组中删除，并进入下一扫描区域的选择；将邻居总数重复N_i减1。重复进行邻居发现的过程，直到网络中所有节点的邻居数目为0，或者到达规定的邻居发现时间。

Claims (2)

1.一种用于双面阵雷达自组网的快速邻居发现方法，其特征在于：首先利用雷达的扫描功能获取邻居节点的粗略位置，然后根据粗略位置与双面阵相控阵雷达的模型结构进行雷达扫描区域的分配，最后协调两个雷达阵面的工作模式与扫描区间进行深入扫描，并通过二次握手的方式来进行邻居发现。

2.根据权利要求1所述的快速邻居发现方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

(1)进入雷达扫描模块；首先将节点i的雷达角度调整至0°，再利用节点配置的双面阵相控阵雷达进行扫描，得到邻居节点j的方位λ_j，将所有邻居节点的方位角存于数组同时得到周围的邻居节点的数目N_bi；

(2)进入扫描范围选择模块；数组中按照前部天线随机选择扫描范围，后部天线选择和前部天线相反的方向这一原则，为前后天线各选择一个扫描区域进行深入扫描；

(3)进入深入扫描模块；首先将扫描区域按照波束宽度依次划分为多个小的方位角范围，前部天线按照顺时针的顺序在扫描区域的各方位角范围内收或发握手信息进行扫描；如果前后天线选择的扫描区域有重叠，即是二者的协同工作区域，后部天线选择的扫描方位角与前部天线工作的方位角一致；如果前后天线选择的扫描区域无重叠，则二者可独立地在各自的扫描区域内调度扫描方位角；在扫描区域内选择方位角进行深入扫描时，如果当前指向的方位角大于180度，则先等待接收握手信息，然后再发送握手信息；如果方位角小于180度，则先发送握手信息，再等待接收握手信息；

(4)在节点i接收到握手信息之后，进一步进行握手的过程，双方完成确认后，更新其邻居表以及相关的信息，认为发现该邻居。

(5)重复步骤(2)～(4)，直到发现所有邻居或超过设定的邻居发现时长，发现过程结束。