CN110225565A - 一种基于多波束方向性天线的动中组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多波束方向性天线的动中组网方法，包括通过属台入网协议、先验性逐跳路由协议、基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议进行组网，所述的属台入网协议包括同步搜索，网络信息获取、上级时间节点挑选、入网申请信号发送和MAC地址授予；所述的先验性逐跳路由协议包括以下几部分：单向链路质量定义、参数数据收集和决策机制和路由相关的链路质量定义；路由信息扩散机制：节点之间链路信息通过勤务时隙上的信令或数传子帧的信令小时隙进行扩散；数据业务的路由决策；所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议为一种单频点或双频点的固定信令时隙分配的多维多路无线信道接入协议。本发明能克服现有的微波接力机可移动性低、抗干扰能力弱且传输距离短的问题。

Description

一种基于多波束方向性天线的动中组网方法

技术领域

本发明涉及无线自组织网通信领域，更具体地，涉及一种基于多波束方向性天线的动中组网方法。

背景技术

宽带微波传输设备是综合多种无线传输手段，为分布在地面、海上、空中的各类机动用户提供随遇接入服务，主要作用有：为战役战术级作战部队、电子信息系统和其它通信系统提供公用的综合业务信息交换平台，增强指挥控制、情报侦察、预警探测、通信和电子对抗等综合电子信息系统整体作战能力，达成战役/战术电子信息系统与战略综合电子信息系统的无缝连接。业务种类包括话音、数据、传真、固定和移动IP业务、LAN业务、静态和动态图像、野战视频会议等。

现役微波设备的使用方式主要为以下三种：(1)点对点应用；(2)接力中继应用，这种应用方法根据节点之间的距离和克服诸如阻挡的不良传输条件，为了保证传输质量，接力链路可以是单跳，也可以是多跳。接力机可以构成最大16个接力段的点对点传输链路；(3)组网应用，网络可按照栅格状布局，网络节点的核心设备是多功能交换机。接力机用于连接各多功能交换机，构成无线信息通道，保证在野战和电磁干扰的实战环境下整个通信网络信息和联络的无线电沟通。接力机的技术条件保证，只要作适当的频率计划，它可以满足在一个节点上多个接力机向多个方向传输的电磁兼容性。另外，接力机在网络应用时，也可用于入口交换机与节点多功能交换机之间的无线连接。

目前微波接力机存在的问题主要表现在以下几点：

1.定向天线需要对准才能使用，所以微波接力车只能做到驻停通，而且在通信信道建立之前，还需要经过一系列漫长的天线校正对准过程，这种准备时间随微波接力车上的微波接力机的数量增多而急剧加大。

2.一辆微波接力车上需配备多台微波接力机才能实现组网应用，微波接力机必须成对配置，才能实现某个方向上的微波通信。

3.微波接力机的组网拓扑必须固定，如果某台微波接力车被摧毁或失效，整个微波网络可能面临瘫痪，网络抗毁性差。

采用方向性天线进行信号收发可以获得明显的天线增益，在远距离高速数据传输和提升数据传输抗干扰能力方面有着重大意义，是军用微波通信领域的一个主流发展方向。这种方式还可以实现信道在空间上的分离，进一步增加空间复用度,提高网络容量。由于定向天线可以在特定方向上形成波束,而不会干扰到其它方向上节点的接收,并且节点如果使用定向接收,也不会听到邻居节点的干扰，使得在一个节点的全向干扰范围内,允许两对或更多的节点同时进行信号发送与接收,从而可以获得更大的网络吞吐量。

但是在组网方面，使用高度方向性天线进行信号收发将给通信协议设计带来巨大的挑战。高性能的移动多跳自组网的组网通信协议设计本来就是一个技术难点，目前相关的研究绝大部分都是基于全向性天线；少量的基于方向性天线的组网技术研究也是基于全向性天线进行信令交互+方向性天线数据传输的设计思路；全部使用方向性天线进行信号收发将给节点入网、节点移动性支持、网络路由维护和业务信道接入等方面的信令交互体系设计带来很大的难度，目前相关的通信协议设计也没有公开发表的材料进行借鉴，属于一个全新的技术课题，本方法针对此课题进行设计。

发明内容

针对现有的微波接力机可移动性低、抗干扰能力弱且传输距离短的问题，本发明提出一种基于多波束方向性天线的动中组网方法，本发明采用的技术方案是：

一种基于多波束方向性天线的动中组网方法，通过属台入网协议、先验性逐跳路由协议、基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议进行组网，

所述的属台入网协议包括同步搜索，网络信息获取、上级时间节点挑选、入网申请信号发送和MAC地址授予；

所述的先验性逐跳路由协议包括以下几部分：单向链路质量定义；路由信息扩散机制；数据业务的路由决策；

所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议为一种单频点或双频点的固定信令时隙分配的多维多路无线信道接入协议。

优选的，所述的属台入网协议流程如下：

S21：主台开机同时配置一个网络节点最大节点数量N，其中N∈R且N为5的倍数；

S22：属台开机后的M根天线以M+1倍窗口在频点1上慢搜索网络其它在 网节点发送的同步信号，M∈R；

S23：如果在规定搜索时间内未搜索到同步信号，属台随机调整一下TOD(Timeofdate)值，然后继续搜索，直至捕获到一个同步跳或搜索时间达到上限；

S24：判断捕获的同步跳网络是否已满，网络已满，则放弃接入并提示用户；如果网络未满，则启动入网流程；

S25：获取该同步跳的TON(time ofnet)、同步跳网络最大节点数量参数，根据同步跳的TON、该同步跳网络最大节点数量参数N实现属台网络与同步跳网络跳同步。

优选的，所述的先验性逐跳路由协议包括：单向链路质量定义、路由信息扩散机制、数据业务的路由决策机制；

所述的单向链路质量定义如下：

单向链路质量分为8种，用3个比特表示，0-7分别表示为不可通、S信令正确接收、其它6种业务速率可通；其中所述的不可通定义：过去连续3个勤务时隙中，15轮信号全部错误接收的次数大于1；

所述的路由信息扩散机制在节点之间链路信息通过勤务时隙上的信令或数传子帧的信令小时隙进行扩散，其具体机制如下：节点会向1跳邻居节点通知自身邻居节点链路信息，从而实现两个相邻节点之间的收发链路关系的2跳局部扩散；网络节点之间的路由跳数关系是全网扩散的，其中路由跳数基于排他性原则进行计算；

所述的数据业务的路由决策机制基于速率优先和跳数最小的原则，具体如下：设发送节点和目的节点的路由跳数为Z，则

若Z＝1且只有单径传输、或不存在速率优先的2跳路由，则直接发送数据；

若Z＝1但存在速率优先的2跳路由，则挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z＝2，则在所有的2跳路由中挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z>2，放弃目前的表路由算法，转而采用逐跳和最小跳数的路由方式，即只计算出下一跳的接收节点，后续的路由则由该中继节点继续决策。

优选的，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议流程如下：

S31：设主台开机设置的网络节点规模值为N，每个节点被主台授予MAC地址后，记为X，数传子帧中的每个信令时隙划分为10个小信令时隙，这些小 时隙将以Y个小时隙组成一个信令分配周期，按MAC地址固定分配给每个节点使用；

S32：每个入网节点维护自身和1跳邻居节点之间的发天线编号信息和对方的收天线信息；

S33：对于每个入网节点的固定分配的信令小时隙，若该节点业务发送需求，则根据目的节点挑选出对应的发送天线，在本时隙上向该节点发送RTS信令或CTS信令；

S34：对应每个入网节点的非固定分配的信令小时隙，则根据发送节点挑选出对应的接收天线，在本时隙等待对方可能发送的信号，建立通信链路；

S35：在通信链路的建立时，发送节点发送一个业务传输数据量，接收节点收到后根据目前已有的天线收发情况进行该业务的传输时间和频点的安排。

优选的，所述的入网流程包括以下步骤：

S241.属台继续接收信息，对周围节点发送的信号进行监听；本过程可以获得的信息包括：网络其他N-1个节点的运行状态、该属台的1跳收邻居节点的列表、该属台的1跳收邻居节点公告的节点之间链路质量和路由信息；

S242.选择一个属台上级时间节点，挑选和主台跳数最小且接收信号质量最好的节点为属台上级时间节点；

S243.向属台上级节点时间发送入网申请信号机制：挑选3组发生收信号最好的天线组合，在网络运行维护时隙上向该节点发送入网申请信号；

S244.重复上述过程，直至发送信号次数达到上限，或者收到属台上级时间节点发送的接收答复；

S245.等待属台上级节点发送的MAC地址授予信令；

S246.等待时间达到上限后，申请节点将回到属台入网协议的S22的状态。

优选的，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议中，下一跳的决策因素优先级依次为：和目的节点跳数最小、和自己链路质量最好、业务负荷状态最低、MAC地址最小。

优选的，所述的组网方法中信令系统的信令时隙颗粒度为0.1毫秒、数传时隙颗粒度为1毫秒，勤务时隙出现频度设定为200毫秒/个。

优选的，所述的组网方法还包括节电网络时间同步维护机制，其中节电网络时间同步维护机制包括以下步骤：

S41：网络主台开机后，时间等级一直为最高级，并在本机的固定分部勤务时隙上周期性广播一个时间基准；网络主台的收窗口的时间基准将在网络运行过程中一直保持不变，同时信号发送时间基准也一直保持不变；

S42：接收到0级时间基准的节点把自己的时间级别设置为1，同步策略采用‘两路信息交换’的双向时间校准技术来实现本身的固定分配信令时隙的发送时间基准保持和主台一致；

S43：随后时间基准依照网络拓扑逐跳向外扩散，每个时间等级为i的节点向等级为i+1的节点进行授时和校正，最后完成全网属台与网络主台之间的信令信号的发送时间同步；

S44：在数据业务的收发过程中，接收方的信号接收窗口时间基准延续当前的信令信号的发送基准，同时发送方，包括主台，将根据自身的接收方之间在信令信号交互过程中获得的路径传输时延信息，提前发送信号，

优选的，数传帧接入信令间隙和传输时隙时，一个数传帧颗粒度为10毫秒，包括8个数传时隙和2个接入信令时隙。

优选的，所述速率优先的路由计算方法如下：

设待传输数据量单位1，这些比特的单跳路由的传输时间为T＝1/V；2跳路由的传输时间为T1＝1/V1+1/V2，传输时间值最小的路由就是速率优先路由。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

较高的信号收发增益外，在组网通信性能方面也允许多路业务并行无干扰传输，在网络节点业务满负荷状态情况下，整个网络业务并行平均传输路数达到了7至8路，因此虽然物理层波形最高速率为54Mbps，但网络吞吐量却可以达到约100Mbps的量级。另外在节点移动性方面，随着节点性的增强，节点移动性不会导致节点之间链路质量剧烈动荡，且网络的相关信令系统可以实现对网络的具体拓扑变化信息进行快速的全网收敛。

附图说明

图1为本发明提供的基于多波束方向性天线的动中组网方法的流程图；

图2为本发明提供的基于多波束方向性天线的动中组网方法中单跳路由与2跳路由的示意图；

图3为本发明本发明提供的基于多波束方向性天线的动中组网方法的移动自组织网络仿真系统的组成模块示意图；

图4为实施例2中微波天线的中心频率处3dB波束交叠图；

图5为实施例2中最佳天线收发组合；

图6为实施例2中20个节点网络的节点地理位置分布情况；

图7为实施例2中20节点网络的网络开通时间仿真结果；

图8为实施例2中20个节点网络的节点迟入网时间仿真结果；

图9为实施例2中不同移动模型下的单跳分组平均时延值；

图10为实施例2中不同移动模型下的网络吞吐量。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种基于多波束方向性天线的动中组网方法，如图1-10所示，通过属台入网协议、先验性逐跳路由协议、基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议进行组网，

所述的属台入网协议包括同步搜索，网络信息获取、上级时间节点挑选、入网申请信号发送和MAC地址授予；

所述的先验性逐跳路由协议包括以下几部分：单向链路质量定义；路由信息扩散机制；数据业务的路由决策；

所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议为一种单频点或双频点的固定信令时隙分配的多维多路无线信道接入协议。

其中，所述的属台入网协议流程如下：

S21：主台开机同时配置一个网络节点最大节点数量N，其中N∈R且N为5的倍数；

S22：属台开机后的M根天线以M+1倍窗口在频点1上慢搜索网络其它在网节点发送的同步信号，M∈R；

S23：如果在规定搜索时间内未搜索到同步信号，属台随机调整一下TOD值， 然后继续搜索，直至捕获到一个同步跳或搜索时间达到上限；

S24：判断捕获的同步跳网络是否已满，网络已满，则放弃接入并提示用户；如果网络未满，则启动入网流程；

S25：获取该同步跳的TON、同步跳网络最大节点数量参数，根据同步跳的TON、该同步跳网络最大节点数量参数N实现属台网络与同步跳网络跳同步。

其中，所述的先验性逐跳路由协议包括：单向链路质量定义、路由信息扩散机制、数据业务的路由决策机制；

所述的单向链路质量定义如下：

单向链路质量分为8种，用3个比特表示，0-7分别表示为不可通、S信令正确接收、其它6种业务速率可通；其中所述的不可通定义：过去连续3个勤务时隙中，15轮信号全部错误接收的次数大于1；

所述的路由信息扩散机制在节点之间链路信息通过勤务时隙上的信令或数传子帧的信令小时隙进行扩散，其具体机制如下：节点会向1跳邻居节点通知自身邻居节点链路信息，从而实现两个相邻节点之间的收发链路关系的2跳局部扩散；网络节点之间的路由跳数关系是全网扩散的，其中路由跳数基于排他性原则进行计算；

所述的数据业务的路由决策机制基于速率优先和跳数最小的原则，具体如下：设发送节点和目的节点的路由跳数为Z，则

若Z＝1且只有单径传输、或不存在速率优先的2跳路由，则直接发送数据；

若Z＝1但存在速率优先的2跳路由，则挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z＝2，则在所有的2跳路由中挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z>2，放弃目前的表路由算法，转而采用逐跳和最小跳数的路由方式，即只计算出下一跳的接收节点，后续的路由则由该中继节点继续决策。

其中，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议流程如下：

S31：设主台开机设置的网络节点规模值为N，每个节点被主台授予MAC地址后，记为X，数传子帧中的每个信令时隙划分为10个小信令时隙，这些小时隙将以Y个小时隙组成一个信令分配周期，按MAC地址固定分配给每个节点使用；

S32：每个入网节点维护自身和1跳邻居节点之间的发天线编号信息和对方 的收天线信息；

S33：对于每个入网节点的固定分配的信令小时隙，若该节点业务发送需求，则根据目的节点挑选出对应的发送天线，在本时隙上向该节点发送RTS信令或CTS信令；

S34：对应每个入网节点的非固定分配的信令小时隙，则根据发送节点挑选出对应的接收天线，在本时隙等待对方可能发送的信号，建立通信链路；

S35：在通信链路的建立时，发送节点发送一个业务传输数据量，接收节点收到后根据目前已有的天线收发情况进行该业务的传输时间和频点的安排。

其中，所述的入网流程包括以下步骤：

S241.属台继续接收信息，对周围节点发送的信号进行监听；本过程可以获得的信息包括：网络其他N-1个节点的运行状态、该属台的1跳收邻居节点的列表、该属台的1跳收邻居节点公告的节点之间链路质量和路由信息；

S242.选择一个属台上级时间节点，挑选和主台跳数最小且接收信号质量最好的节点为属台上级时间节点；

S243.向属台上级节点时间发送入网申请信号机制：挑选3组发生收信号最好的天线组合，在网络运行维护时隙上向该节点发送入网申请信号；

S244.重复上述过程，直至发送信号次数达到上限，或者收到属台上级时间节点发送的接收答复；

S245.等待属台上级节点发送的MAC地址授予信令；

S246.等待时间达到上限后，申请节点将回到属台入网协议的S22的状态。

其中，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议中，下一跳的决策因素优先级依次为：和目的节点跳数最小、和自己链路质量最好、业务负荷状态最低、MAC地址最小。

其中，所述的组网方法中信令系统的信令时隙颗粒度为0.1毫秒、数传时隙颗粒度为1毫秒，勤务时隙出现频度设定为200毫秒/个。

其中，所述的组网方法还包括节电网络时间同步维护机制，其中节电网络时间同步维护机制包括以下步骤：

S41：网络主台开机后，时间等级一直为最高级，并在本机的固定分部勤务时隙上周期性广播一个时间基准；网络主台的收窗口的时间基准将在网络运行过程中一直保持不变，同时信号发送时间基准也一直保持不变；

S42：接收到0级时间基准的节点把自己的时间级别设置为1，同步策略采用‘两路信息交换’的双向时间校准技术来实现本身的固定分配信令时隙的发送时间基准保持和主台一致；

S43：随后时间基准依照网络拓扑逐跳向外扩散，每个时间等级为i的节点向等级为i+1的节点进行授时和校正，最后完成全网属台与网络主台之间的信令信号的发送时间同步；

S44：在数据业务的收发过程中，接收方的信号接收窗口时间基准延续当前的信令信号的发送基准，同时发送方，包括主台，将根据自身的接收方之间在信令信号交互过程中获得的路径传输时延信息，提前发送信号，

其中，数传帧接入信令间隙和传输时隙时，一个数传帧颗粒度为10毫秒，包括8个数传时隙和2个接入信令时隙。

其中，所述速率优先的路由计算方法如下：

设待传输数据量单位1，这些比特的单跳路由的传输时间为T＝1/V；2跳路由的传输时间为T1＝1/V1+1/V2，传输时间值最小的路由就是速率优先路由。

实施例2

本实施例提供一种通过不同的业务模型和网络拓扑模型来考察网络的组网时间、拓扑变化的收敛时间、网络吞吐量、分组的端到端时延等指标，最后综合分析整个网络的通信性能。

所述的模型包括以下的模块：

网络节点开机模型：提供网络节点规模和节点对应的开机时间，其中全部开机模型是指所有网络节点都会开机，部分开机模型是指只有部分节点开机(主要测试本方法中最大网络节点参数和实际入网节点不符时的性能；

网络节点初始分布模型：在仿真刚开始，要进行网络拓扑的初始设置。通信网络中的用户分布模型主要有4种：内场测试时的单跳全通网、矩形区间均匀分布和手动配置坐标；

节点移动模型：主要模拟实际环境中节点的移动，实现通信网络拓扑的动态变化，包括静止模型和Move-stop模型；

业务负载模型：模拟通信网络中不同的业务情况，满负载模型表示节点内存的业务数据量无穷大、均匀产生模型表示节点周期性产生恒定大小的数据包、On/off模型表示在ON期间生成数据包，每个包大小可以按照某种分布函数来 确定。为了使在ON期间包到达服从泊松过程，包间隔可以由指数函数来确定；

路由模型：本文提供的先验型逐跳路由协议；

信道接入模型：本文提供的基于方向性天线的多维多路信道接入协议；

无线信道模型：基于方向性天线，无线收发机实现天线对齐和信号接收等功能；

数据统计模块：进行仿真过程各项数据的性能统计。

下面简单介绍几种模型的实现情况：

a.节点初始分布模型

网络由X个移动节点组成,依次为0，1，…,X-1，它们随机地分布在M千米×N千米的矩形区域中，通过无线链路进行通信。为简化程序编写，这里约定两个节点之间的链路关系只跟彼此之间的距离有关系。给出了一个均匀分布在80千米×80千米的矩形区域的20个节点网络。

b.节点移动模型

移动进程模型主要负责模拟节点的移动，目前已提出了多种用户移动性模型，如Random Waypoint模型、Random Direction模型和Gauss-Markov模型等。这里考虑采用第一种节点移动模型，节点首先从有限二维区域中以均匀分布方式来随机选择一个点作为目的地，然后再从区间[0，Max_Speed]中以均匀分布方式来随机产生一个移动速度，节点就以这个速度向目的地直线运动，到达目的地后驻停一段时间，其中该驻停时间值是在区间[0，Max_Time]中以均匀分布方式来随机产生的。然后在选择一个目的地，依次轮回直到仿真时间结束。

c.节点模型的进程模块

网络中的每个节点通过它的IP地址唯一标识，所有节点都具有相同的节点模型。模型模拟了OSI的标准协议栈，为方便代码编写，网络仿真过程中一些不相关的环节进行了一定程度的简化。而节点模型由以下各进程模块组成：

src模块：主要功能是产生数据业务流，根据设定的分组大小和到达间隔分布产生数据包，到达间隔时间可以在仿真期间灵活选择，分组产生后立即发送到下层application模块；

application模块：主要功能是为上层引入的分组数据包设置一个随机的目的地址，并根据内部通信接口ICI格式向路由层产生一个服务请求分组，与ICI一起被发送到routing模块；

routing模块：节点模型的核心，主要功能是接收来自应用层的PDU数据包并执行路由算法，各类不同的路由算法和不同的链路费用度量都可以在该层次上进行测试和比较；

wlan-mac模块：主要功能是用来仿真链路层随机接入信道协议；

wlan-rx和Wlan-tx模块：主要功能是定义物理层模型，模拟方向性天线在无线信道上发送和接收分组；

sink模块：主要功能是接收来自application模块处理过的分组数据包，记录各种端到端统计量后丢弃该数据包；

mobility模块：主要功能是根据预先定义的移动模式改变当前节点的位置。

在天线收发模型方面，天线的收发增益方向图具体如下图4：

为简化对节点移动过程的天线对齐过程的仿真代码撰写，假定天线信号收发角度都为12度，仿真过程中天线的收发方向性不会随着节点移动而发生变化，且30×30＝900种天线收发组合中的最佳组合示意图如下图5：即发方天线的发射区域和接方天线的接收区域的交叉面积最大化。

通过分析上述通信协议中关于天线对齐过程的内容可以看出，协议中预留了较大比例的时隙资源用于周期性的天线对齐，如20个网络节点规模时，周期为4秒。在这样的时间段内，即使收发节点都处于移动状态，只要不是那种极端大角度机动方式(如在原地快速打转)，虽然节点移动会导致信号收发的交叉面积减少，但基本上可以保证一个周期时间段内信号的接收质量不会发生明显降低。而在本文的仿真过程中，节点仅考虑直线移动方式，因此节点的移动性仅会在大时间尺度上导致通信距离变化而造成信号收发质量变化，不会在小尺度时间上造成链路通信质量剧烈变化。仿真中设定了4个统计量：网络平均开通时间、网络节点平均迟入网时间、单跳平均分组时延和网络吞吐量。

a.网络平均开通时间

网络组网时间是指整个网络的节点在较短的时间段内先后密集开机，然后从最后一个节点开机为时间起始点，然后统计整个网络拓扑和路由完成收敛的时间，即网络中任意的两个节点之间都建立的数据传输路由。

仿真场景说明：给出了一个均匀分布在80千米×80千米的矩形区域的20个节点网络，以网络主台开机为时间起始点，剩余的19个属台在随后的10秒时间内先后随机开机，其中信令小时隙的传输半径为40千米。某次仿真时的网络节点位置分布情况如下图6所示(红色大点为网络主台)。

下图7给出了100次的仿真结果，从图中的结果可以看出，在一个80千米×80千米的矩形区域中，在信令信号半径为40千米的情况下，整个网络的信令信号最大跳数为3～4跳。考虑网络节点开机后对同步信号的搜索、天线对齐、上级时间节点的挑选、向主台申请MAC地址和拓扑信息的全网扩散等环节耗费的时间，整个网络开通时间大概为[5，8]秒。

b.网络节点迟入网时间

网络节点迟入网时间是指网络完成开通后，又有一个新的节点开机，从而新节点开机为时间起始点，统计该节点和网络其它已经入网节点都建立起数据路由的时间。

基于前面相同的仿真场景，设18个节点已经完成网络开通，随后第19个节点开机，则该节点的迟入网时间的仿真结果如下图8所示：

如图8中的结果可以看出，考虑网络节点开机后对同步信号的搜索、上级时间节点的挑选、向主台申请MAC地址和迟入网节点的拓扑信息的全网扩散等环节耗费的时间，整个网络开通时间大概为[2，5]秒。

c.单跳平均分组时延和网络吞吐量

为了测试本文提供的通信协议的数据传输性能，这里假定物理层采用OFDM体制，通信带宽为22MHz，载波频率为5GHz，天线发送功率为10瓦，天线收增益和发增益各为10dB，除了1Mbps速率档的信令波形外，其它数传波形的速率和通信半径设定具体下表所示：

编号	波形速率	通信半径	备注
				0	1Mbps	40千米	信令波形
1	2Mbps	35千米	数传波形
				2	4Mbps	30千米	数传波形
3	8Mbps	25千米	数传波形
				4	16Mbps	20千米	数传波形
5	32Mbps	15千米	数传波形
				6	54Mbps	10千米	数传波形

表1风险预测和应对措施表

首先仿真单跳平均传输时延性能，在数据仿真过程中，每个节点分组业务流的到达时间间隔服从均匀分布参数，设为1秒，每个分组业务大小固定为512字节，仿真时间设为1分钟，每包数据的目的节点在其它节点中随机挑选一个。节点移动模型为RandomWaypoint模型，无线链路全部为双向对称链路，网络支持如下的7种波形和通信半径见上表，其中第一种为小时隙信令波形，剩余的6种为数据传输方案。

由于分组业务大小仅为512字节，因此每个分组数据的业务传输时间非常短， 因此节点的移动性不会导致本业务性能发生变化。下图9给出了仿真结果，从结果中可以看出，由于业务传输时的RTS信号和CTS信号的发送是无冲突，且20个节点时信令周期为10毫秒，因此在网络业务较低的情况下，每个分组数据的单跳传输时延在区间[0，10]毫秒内呈均匀分布特性。

下面仿真网络业务吞吐量性能，在数据仿真过程中每个网络节点都处于满负荷状态，即待传输业务的数据量无限大，而每个分组业务大小固定为512字节，且每个节点的仿真时间设为1分钟，每包数据的目的节点在其它节点中随机挑选一个。下图10给出了相关的仿真结果：

如图10的仿真结果可以看出，由于微波设备使用了高度方向性天线进行信号收发，因此除了获得较高的信号收发增益外，在组网通信性能方面也允许多路业务并行无干扰传输，在网络节点业务满负荷状态情况下，整个网络业务并行平均传输路数达到了7至8路，因此虽然物理层波形最高速率为54Mbps，但网络吞吐量却可以达到约100Mbps的量级。另外在节点移动性方面，随着节点性的增强，网络吞吐量略微有所下降，但考虑到节点通信半径达到几十千米，因此节点移动性不会导致节点之间链路质量剧烈动荡，且网络的相关信令系统可以实现对网络的具体拓扑变化信息进行快速的全网收敛，因此节点移动性对网络吞吐量性能的影响不是很明显。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，通过属台入网协议、先验性逐跳路由协议、基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议进行组网，

所述的属台入网协议包括同步搜索，网络信息获取、上级时间节点挑选、入网申请信号发送和MAC地址授予；

所述的先验性逐跳路由协议包括以下几部分：单向链路质量定义；路由信息扩散机制；数据业务的路由决策；

所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议为一种单频点或双频点的固定信令时隙分配的多维多路无线信道接入协议。

2.根据权利要求1所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的属台入网协议流程如下：

S21：主台开机同时配置一个网络节点最大节点数量N，其中N∈R且N为5的倍数；

S22：属台开机后的M根天线以M+1倍窗口在频点1上慢搜索网络其它在网节点发送的同步信号，M∈R；

S23：如果在规定搜索时间内未搜索到同步信号，属台随机调整一下TOD值，然后继续搜索，直至捕获到一个同步跳或搜索时间达到上限；

S24：判断捕获的同步跳网络是否已满，网络已满，则放弃接入并提示用户；如果网络未满，则启动入网流程；

S25：获取该同步跳的TON、同步跳网络最大节点数量参数，根据同步跳的TON、该同步跳网络最大节点数量参数N实现属台网络与同步跳网络跳同步。

3.根据权利要求1所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的先验性逐跳路由协议包括：单向链路质量定义、路由信息扩散机制、数据业务的路由决策机制；

所述的单向链路质量定义如下：

单向链路质量分为8种，用3个比特表示，0-7分别表示为不可通、S信令正确接收、其它6种业务速率可通；其中所述的不可通定义：过去连续3个勤务时隙中，15轮信号全部错误接收的次数大于1；

所述的路由信息扩散机制在节点之间链路信息通过勤务时隙上的信令或数 传子帧的信令小时隙进行扩散，其具体机制如下：节点会向1跳邻居节点通知自身邻居节点链路信息，从而实现两个相邻节点之间的收发链路关系的2跳局部扩散；网络节点之间的路由跳数关系是全网扩散的，其中路由跳数基于排他性原则进行计算；

所述的数据业务的路由决策机制基于速率优先和跳数最小的原则，具体如下：设发送节点和目的节点的路由跳数为Z，则

若Z＝1且只有单径传输、或不存在速率优先的2跳路由，则直接发送数据；

若Z＝1但存在速率优先的2跳路由，则挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z＝2，则在所有的2跳路由中挑选一个速率优先路由进行数据发送；

若Z>2，放弃目前的表路由算法，转而采用逐跳和最小跳数的路由方式，即只计算出下一跳的接收节点，后续的路由则由该中继节点继续决策。

4.根据权利要求1所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议流程如下：

S31：设主台开机设置的网络节点规模值为N，每个节点被主台授予MAC地址后，记为X，数传子帧中的每个信令时隙划分为10个小信令时隙，这些小时隙将以Y个小时隙组成一个信令分配周期，按MAC地址固定分配给每个节点使用；

S32：每个入网节点维护自身和1跳邻居节点之间的发天线编号信息和对方的收天线信息；

S33：对于每个入网节点的固定分配的信令小时隙，若该节点业务发送需求，则根据目的节点挑选出对应的发送天线，在本时隙上向该节点发送RTS信令或CTS信令；

S34：对应每个入网节点的非固定分配的信令小时隙，则根据发送节点挑选出对应的接收天线，在本时隙等待对方可能发送的信号，建立通信链路；

S35：在通信链路的建立时，发送节点发送一个业务传输数据量，接收节点收到后根据目前已有的天线收发情况进行该业务的传输时间和频点的安排。

5.根据权利要求2所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的入网流程包括以下步骤：

S241.属台继续接收信息，对周围节点发送的信号进行监听；本过程可以获得 的信息包括：网络其他N-1个节点的运行状态、该属台的1跳收邻居节点的列表、该属台的1跳收邻居节点公告的节点之间链路质量和路由信息；

S242.选择一个属台上级时间节点，挑选和主台跳数最小且接收信号质量最好的节点为属台上级时间节点；

S243.向属台上级节点时间发送入网申请信号机制：挑选3组发生收信号最好的天线组合，在网络运行维护时隙上向该节点发送入网申请信号；

S244.重复上述过程，直至发送信号次数达到上限，或者收到属台上级时间节点发送的接收答复；

S245.等待属台上级节点发送的MAC地址授予信令；

S246.等待时间达到上限后，申请节点将回到属台入网协议的S22的状态。

6.根据权利要求4所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的基于高度方向性天线的多维多路并行信道接入协议中，下一跳的决策因素优先级依次为：和目的节点跳数最小、和自己链路质量最好、业务负荷状态最低、MAC地址最小。

7.根据权利要求1所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的组网方法中信令系统的信令时隙颗粒度为0.1毫秒、数传时隙颗粒度为1毫秒，勤务时隙出现频度设定为200毫秒/个。

8.根据权利要求1所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述的组网方法还包括节电网络时间同步维护机制，其中节电网络时间同步维护机制包括以下步骤：

S41：网络主台开机后，时间等级一直为最高级，并在本机的固定分部勤务时隙上周期性广播一个时间基准；网络主台的收窗口的时间基准将在网络运行过程中一直保持不变，同时信号发送时间基准也一直保持不变；

S42：接收到0级时间基准的节点把自己的时间级别设置为1，同步策略采用‘两路信息交换’的双向时间校准技术来实现本身的固定分配信令时隙的发送时间基准保持和主台一致；

S43：随后时间基准依照网络拓扑逐跳向外扩散，每个时间等级为i的节点向等级为i+1的节点进行授时和校正，最后完成全网属台与网络主台之间的信令信号的发送时间同步；

S44：在数据业务的收发过程中，接收方的信号接收窗口时间基准延续当前的信令信号的发送基准，同时发送方，包括主台，将根据自身的接收方之间在信令信号交互过程中获得的路径传输时延信息，提前发送信号。

9.根据权利要求7所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，数传帧接入信令间隙和传输时隙时，一个数传帧颗粒度为10毫秒，包括8个数传时隙和2个接入信令时隙。

10.根据权利要求3所述的基于多波束方向性天线的动中组网方法，其特征在于，所述速率优先的路由计算方法如下：

设待传输数据量单位1，这些比特的单跳路由的传输时间为T＝1/V；2跳路由的传输时间为T1＝1/V1+1/V2，传输时间值最小的路由就是速率优先路由。