CN109639473A - 一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法。利用双面相控阵雷达通信一体化系统能够同时双方向收发的优势，采用集中式时隙调度策略，以全网拓扑信息为基础，引入了特殊冲突模型、虚拟节点模型以及虚拟拓扑，高效调度时间与波束两种无线资源，完成数据全到全广播共享。本发明能够避免网内多节点收发冲突，减少全到全广播的冗余重复传输。

Description

一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法

技术领域

本发明属于雷达通信领域，具体是一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法。

背景技术

雷达通信一体化系统借助雷达的相控阵天线实现通信。多个雷达通信一体化系统组成无线自组织网能够实现雷达数据的共享。在网内进行无线资源调度，既要调度通信时隙，也要调度双面阵相控阵天线的波束，其实时性、有效性、可靠性决定着战场信息是否能及时传递，是整个雷达通信一体化无线自组织网的核心。尤其是对于定向传输而言，虽然定向传输机制相比于全向传输而言减少了冲突，但与此同时也带来了波束相互对准难度较大等问题。因此需要合理地协调波束和时隙的调度关系，设计适合于指定场景的资源调度算法，才能保证实际场景的一对一、一对多、多对多等各种类型通信业务的正常展开。

由于定向传输的特殊性，会导致通信性能的下降甚至无法完成通信，常见的问题主要有定向传输隐终端问题、盲节点问题以及旁瓣干扰等，都会对组网通信带来不利影响。而目前的大多数时隙调度策略都是针对全向天线而言的，没能考虑以上定向传输下的特殊冲突条件，而关于定向天线信道接入的策略研究较少，并且多数是针对单波束定向天线而言的，并且没有针对双面阵相控阵雷达一体化系统而设计的协议，而其他协议并不能很好的移植到双面阵相控阵雷达一体化系统中，更不能发挥一体化系统的优势。

对于海上舰队协同作战的战场环境而言，完成战场态势共享、紧急业务传递、战场命令分发等任务，需要较强的实时性，这就要求系统具有低时延的通信功能。系统中的通信功能主要分为点到点通信、一点到多点通信(广播)、多点到多点通信。其中，多点到多点通信中的全对全通信最为复杂，对时延的影响最大。一般而言，要实现全对全通信可以采用洪泛的方法，但是，由于战场环境的特殊性，对于节点的能耗也做出了较高的要求，另外，一旦采用洪泛的方法，就会产生过多的冗余传输，降低了信道带宽的利用率。因此，一个低时延、低冗余传输率的全对全通信算法对于双面阵雷达自组网系统有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法。

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全对全通信算法，步骤如下：

(1)获取初始的节点位置信息，进入虚拟拓扑转换模块，将实际网络节点

分解为虚拟网络节点，并将实际网络拓扑转化为虚拟拓扑，由此获取虚拟邻

接矩阵G；

(2)信息矩阵更新模块根据各个虚拟节点所拥有的信息对信息矩阵I_T进行更新；将信息矩阵I_T与目标信息矩阵I_D进行比较，如果二者相同，则通信目的完成，算法结束；如果二者不同，则通信未完成，还需进行节点间的信息传输过程，继续执行步骤(3)；

(3)调度矩阵更新模块根据信息矩阵I_T以及邻接矩阵G对当前可调度链路矩阵L_T进行更新，得到T时隙时可着色链路；

(4)链路着色与选择模块对各个链路进行冲突判定，根据链路的冲突关系对链路进行着色，输出着色组；选择包含链路数量最多的着色分组，输出T时隙的着色序列M_T；

(5)通信执行模块根据着色序列M_T进行通信，进入下一时隙，并返回步骤(1)信息矩阵更新模块。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明适用于具有两个方向定向通信能力的节点组成的无线自组织网，能够同时调度通信时隙和通信波束两种无线链路资源，避免网内多节点收发冲突，减少全到全广播的冗余重复传输，能够高效且实时地完成数据全网共享。

附图说明

图1是本发明MGAB主算法流程图。

图2是本发明可通链路判断图。

图3是本发明虚拟拓扑转换图。

具体实施方式

本发明主要针对使用双面相控阵的雷达通信一体化系统无线自组织网，无线节点使用双面相控阵天线进行组网，可以在两个方向定向传输数据。由于定向传输带来信号广播实现困难这一问题，通过无线资源调度，将所有节点所拥有的信息进行全网共享，同时达到尽可能地减少所用时延、控制冗余传输等目的。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在MGAB算法设计中，假设在完成一次全对全通信的过程中节点位置的改变不影响全网的拓扑形态与彼此通信情况变化，也就是认为网络拓扑是静止的；其次，由于该算法是集中式调度算法，认为全网节点的位置信息和数量是已知的。

算法所需数据符号：

G：虚拟邻接矩阵G用来描述虚拟拓扑中各个节点的互通关系；

I_T：信息矩阵I_T记录第T个时隙时各个节点所拥有的信息；

I_D：目标信息矩阵I_D记录通信的目标，也就是通信完成时各个节点应该拥有的信息，用来作为算法结束的条件；

L_T：调度矩阵L_T用于记录第T个时隙时的可调度链路；

M_T：调度序列M_T用于记录第T个时隙时进行通信的链路与信息包；

MGAB算法的主算法流程如图1所示。主算法由图1中的多个子模块组成：虚拟拓扑转换模块、信息矩阵更新模块、调度矩阵更新模块、链路着色与选择模块以及通信执行模块。下面分别说明：

1、虚拟拓扑转换模块

首先定义虚拟节点模型。为全网的节点从0开始编号，记第i个节点为N_i，那么，N_i在通信之前所拥有的数据包记为D_i。将同一节点的两个天线视为虚拟节点，同样对其进行编号处理，记为S_j。虚拟节点与实际节点编号的对应关系如下所示。

i＝jmod2

获取初始信息后，需要对初始信息进行一定的处理。首先，对于给定的全网节点位置信息，将其转换成虚拟拓扑图，转换方法如下：

(1)将实际节点转换为虚拟节点。每个实际节点拥有自身的节点信息，其中包括：节点编号、位置信息、天线参数和节点方向。位置信息即节点所在位置的坐标，天线参数主要包括波束宽度θ和最大传输距离d，节点方向α决定两个波束的扫描区间。将实际节点转换为虚拟节点主要是节点编号、位置信息和节点方向的设置：根据公式(1)，将实际节点N_i转换为S_j和S_j+1；S_j和S_j+1的位置信息与N_i相同；再根据天线的前后位置决定虚拟节点的节点方向，前部天线转化来的节点S_j的方向仍然是α，后部天线转化来的节点S_j+1的方向是与S_j的方向相反。

(2)进行链路判定过程，生成虚拟拓扑图。全网节点数目为N，由所有节点最多形成N×N条链路。因此，设置一个N×N的零矩阵Z，作为初始的邻接矩阵。然后，依次判断Z中的每条链路是否为可通信链路，判断方法如图2所示，i、j分别是两个转换完毕的虚拟节点，半圆形范围是它们的波束扫描范围，当且仅当i和j彼此在对方的通信距离内且在对方的波束扫描区间内，链路(i,j)和链路(j,i)是可通链路。Z中所有可通链路置为1，即可得到虚拟拓扑的邻接矩阵G。

(3)经过上面的过程，可将实际初始拓扑转化为算法所需的虚拟拓扑。图3(a)是实际节点的初始状态，空心半圆代表节点的前部天线，实心半圆代表节点的后部天线，根据前面的方法对节点进行重新编号与链路判断，得到图3(b)中的虚拟拓扑，其中图中虚线即根据链路判定方法得到的虚拟可通链路。根据虚拟拓扑可以得到图3(c)中的虚拟拓扑邻接矩阵。

2、信息矩阵更新模块

将每个虚拟节点所拥有的信息记录于信息矩阵I_T中，使其他节点避免传输该节点已经拥有的信息，造成资源的浪费。在算法开始前生成初始信息矩阵I₀。其中，由于同一个节点的两个天线，即一个实际节点的两个虚拟节点所拥有的信息是相同的，因此在初始时隙，2i号虚拟节点与2i+1号虚拟节点均拥有i号信息，赋值为1，即I₀(2i,i)和I₀(2i+,i)的值均为1，其余元素的值为0，表示他们不拥有指定的信息。此外，在每次信息矩阵更新的过程中，2i号虚拟节点与2i+1号虚拟节点的变化是同步的，这也是由于二者属于同一个实际节点。

为了给算法设置结束条件，引入目标信息矩阵I_D，记录通信完成时各个节点应该拥有的信息号。当算法判断I_T与I_D相同时，代表通信目的已经达成，算法结束。

3、调度矩阵更新模块

由于算法是以链路为单位进行调度的，因此引入三维矩阵L_T以记录T时隙时可调度的链路。L_T(i,j,k)＝1表示在第T个时隙，节点i向节点j传输k号信息包；反之，L_T(i,j,k)＝0表示T时隙时节点i向节点j不可传输k号信息包。

调度矩阵L_T是算法的核心矩阵，由邻接矩阵G和信息矩阵I_T生成，其计算过程如算法1所示。

算法1调度矩阵L_T生成算法伪代码

其主要思想是，首先两个通信节点i、j需要在彼此的通信范围内，也就是在邻接矩阵G(i,j)的值为1；其次，为了避免冗余传输，需要根据信息矩阵I_T中的信息判断发送节点i要发送的信息k是否是接收节点j所未获得的，如果接收节点j已经拥有信息k，那么这条信息将不再被重复发送，即调度链路L_T(i,j,k)的值为0，这样就可以避免信息的冗余传输。

4、链路着色与选择模块

本模块功能是将可调度链路分组，并输出一组调度方案。设置集合C用于存储已经着色的链路。着色的过程如算法2所示。

算法2链路着色与选择步骤

首先按照节点序号由小到大的顺序，将时隙T的调度矩阵L_T中的调度链路进行冲突判定，判定过程依据邻接矩阵G与本发明的冲突模型判定方法。然后依次对未着色的链路进行着色。通过着色，得到若干个不同颜色的链路分组，每个分组中的链路互不冲突，可以在同一时隙同时调度。最后选择包含链路数目最多的分组进行输出，即可得到调度序列M_T。

5、通信执行模块

此部分过程，主要是根据着色输出的调度序列M_T进行实际通信，并对收到的信息进行处理。其中，若2i号节点接收到k号信息，则2i+1号节点的信息做同样的变化，即I_T(2i,k)＝I_T(2i+1,k)＝1。

Claims (7)

1.一种用于双面阵雷达自组网的全对全通信算法，其特征在于步骤如下：

(1)获取初始的节点位置信息，进入虚拟拓扑转换模块，将实际网络节点分解为虚拟网络节点，并将实际网络拓扑转化为虚拟拓扑，由此获取虚拟邻接矩阵G；

(2)信息矩阵更新模块根据各个虚拟节点所拥有的信息对信息矩阵I_T进行更新；将信息矩阵I_T与目标信息矩阵I_D进行比较，如果二者相同，则通信目的完成，算法结束；如果二者不同，则通信未完成，还需进行节点间的信息传输过程，继续执行步骤(3)；

(3)调度矩阵更新模块根据信息矩阵I_T以及邻接矩阵G对当前可调度链路矩阵L_T进行更新，得到T时隙时可着色链路；

(4)链路着色与选择模块对各个链路进行冲突判定，根据链路的冲突关系对链路进行着色，输出着色组；选择包含链路数量最多的着色分组，输出T时隙的着色序列M_T；

(5)通信执行模块根据着色序列M_T进行通信，进入下一时隙，并返回步骤(1)信息矩阵更新模块。

2.根据权利要求1所述的全对全通信算法，其特征在于：所述步骤(1)中，首先定义虚拟节点模型，全网的节点从0开始编号，记第i个节点为N_i，N_i在通信之前所拥有的数据包为D_i；将同一节点的两个天线视为虚拟节点，同样对其进行编号处理，记为S_j；虚拟节点与实际节点编号的对应关系如下

获取初始信息后，将给定的全网节点位置信息转换成虚拟拓扑图，转换方法如下：

(a)将实际节点转换为虚拟节点；每个实际节点拥有自身的节点信息，其中包括：节点编号、位置信息、天线参数和节点方向；位置信息即节点所在位置的坐标，天线参数包括波束宽度θ和最大传输距离d，节点方向α决定两个波束的扫描区间；将实际节点转换为虚拟节点时节点编号、位置信息和节点方向的设置：根据公式(1)，将实际节点N_i转换为S_j和S_j+1；S_j和S_j+1的位置信息与N_i相同；再根据天线的前后位置决定虚拟节点的节点方向，前部天线转化来的节点S_j的方向仍然是α，后部天线转化来的节点S_j+1的方向与S_j的方向相反；

(b)进行链路判定过程，生成虚拟拓扑图；全网节点数目为N，设置一个N×N的零矩阵Z，作为初始的邻接矩阵；然后，依次判断Z中的每条链路是否为可通信链路，Z中所有可通链路置为1，即可得到虚拟拓扑的邻接矩阵G；

3.根据权利要求2所述的全对全通信算法，其特征在于，所述判断Z中的每条链路是否为可通信链路的方法为：i、j分别是两个转换完毕的虚拟节点，半圆形范围是它们的波束扫描范围，当且仅当i和j彼此在对方的通信距离内且在对方的波束扫描区间内，链路(i,j)和链路(j,i)是可通链路。

4.根据权利要求1所述的全对全通信算法，其特征在于，所述步骤(2)中，将每个虚拟节点所拥有的信息记录于信息矩阵I_T中，在算法开始前生成初始信息矩阵I₀；在初始时隙，2i号虚拟节点与2i+1号虚拟节点均拥有i号信息，赋值为1，即I₀(2i,i)和I₀(2i+,i)的值均为1，其余元素的值为0，表示它们不拥有指定的信息；在每次信息矩阵更新的过程中，2i号虚拟节点与2i+1号虚拟节点的变化是同步的；目标信息矩阵I_D记录通信完成时各个节点应该拥有的信息号，当判断I_T与I_D相同时，代表通信目的已经达成，算法结束。

5.根据权利要求1所述的全对全通信算法，其特征在于，所述步骤(3)中，三维矩阵L_T记录T时隙时可调度的链路，L_T(i,j,k)＝1表示在第T个时隙，节点i向节点j传输k号信息包；反之，L_T(i,j,k)＝0表示T时隙时节点i向节点j不可传输k号信息包；

可调度链路矩阵L_T由邻接矩阵G和信息矩阵I_T生成，其计算过程如下：首先两个通信节点i、j需要在彼此的通信范围内，即在邻接矩阵G(i,j)的值为1；其次，根据信息矩阵I_T中的信息判断发送节点i要发送的信息k是否是接收节点j所未获得的，如果接收节点j已经拥有信息k，那么这条信息将不再被重复发送，即调度链路L_T(i,j,k)的值为0。

6.根据权利要求1所述的全对全通信算法，其特征在于，所述步骤(4)中，设置集合C用于存储已经着色的链路，着色的过程如下：首先按照节点序号由小到大的顺序，对时隙T的调度矩阵L_T中的调度链路进行冲突判定，判定过程依据邻接矩阵G与冲突模型判定方法；然后依次对未着色的链路进行着色；通过着色，得到若干个不同颜色的链路分组，每个分组中的链路互不冲突，可以在同一时隙同时调度；最后选择包含链路数目最多的分组进行输出，即可得到调度序列M_T。

7.根据权利要求6所述的全对全通信算法，其特征在于，所述对时隙T的调度矩阵L_T中的调度链路进行冲突判定的方法为：对于L_T中的任一链路记录L_T(i,j,k)＝1，如果i或j已在集合C中的链路中出现，则认为出现冲突；否则不冲突。