CN112533225B - 基于涡旋波束的全双工无线网络及其节点配对方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于涡旋波束的全双工无线网络，全双工无线网络由一个全双工中心控制节点和多个半双工终端节点所组成，全双工中心控制节点为空间基站，半双工终端节点为地面终端，空中基站配备有均匀环形天线阵列，均匀环形天线阵列设置为通过其发射的涡旋波束随距离传输的发散特性来辅助配对彼此隐藏的地面终端。本发明还提供了该基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法。本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络，利用涡旋波束的倒锥形传输随距离发散的特性，通过涡旋波束所形成的圆环区域中的终端节点与位于该圆环中心的终端节点之间的距离间隔，辅助进行全双工无线通信隐藏节点对的配对，缩短隐藏节点对的匹配时间，提高传输效率。

Description

基于涡旋波束的全双工无线网络及其节点配对方法
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体涉及一种全双工无线网络及其节点配对方法。
背景技术
1)空中基站
基站即公用移动通信基站，是在一定的无线电覆盖区中为移动设备提供接入服务的接口设备。基站包括宏基站、微基站、射频拉远、直放站和室内分布系统等，传统的基站大都是地面基站，部署在杆塔或室内，便于网络维护和管理优化。近年来，随着无人机、飞艇、低轨道卫星的蓬勃发展，出现了一种新型基站，即：空中基站。所谓空中基站，即把传统地面基站的无线通信设备部署在无人机、飞艇或者卫星上，从空中实现对地面移动终端的信号覆盖与双向传输。空中基站信号对地面的覆盖面积大，可替代多座地面基站，可以大幅节省投资并降低维护成本。搭建基于空中基站的空中无线网络还具有部署快捷、难以破坏等优点，近年来在军事及民用领域均得到广泛的应用。
2)OAM电磁波的传输
目前常用的无线通信技术，譬如移动通信、卫星通信以及广播电视等均基于平面电磁波理论，亦即球面波的远距离近似，其等相位面与传播轴垂直。而电磁波的轨道角动量(orbital angular momentum:OAM)特性使得电磁波的等相位面沿着传播方向呈螺旋上升的形态，这就让轨道角动量电磁波与常用的无线通信电磁波有所区别。对于携带轨道角动量的电磁波束，我们称之为涡旋波束(Vortex Electromagnetic Wave，Vortex EM Wave)，其一般形式可以写为：
Figure BDA0002867843410000011
A(r)表示电磁波的幅度值，r为观测点到波束中心轴线的径向距离，
Figure BDA0002867843410000024
为围绕波束轴线的方位角，l为轨道角动量的本征值，用来描述轨道角动量的状态，不同的本征值对应着不同的相位分布本征模态，习惯上称l为涡旋波束的模态。
均匀环形天线阵列(uniform circular arrays,UCA)能够被用来产生OAM电磁波束，这里的均匀天线阵列是由M个阵元构成的，阵元依次排列在成一个环形，各个相邻阵元的间隔也是相同的，如图1所示。以天线阵列的圆心为坐标原点，设第一个阵元的角度为0，则第m个阵元的角度为
Figure BDA0002867843410000021
Figure BDA0002867843410000022
令每个阵元传输的电磁波幅度相同，相邻阵元电磁波的相位相差
Figure BDA0002867843410000023
(N为正整数)，即可产生模态为l的涡旋波束。
涡旋波束的一个重要特点是波束随着距离的增加呈发散形态。整个波束呈现中空的倒锥形，波束中心存在凹陷，中心能量为零。且模态l的绝对值越大，倒锥形对应的圆心角越大，其对应的发散形态也越加明显，如图2A-图2D所示。
然而，尽管如此，若利用涡旋波束随距离增加而发散的特性，当空中基站具备涡旋波束发射能力后，就能够很好地通过涡旋波束的上述特性辅助隐藏终端配对(即寻找无法直接通信的两个终端节点)。令其所发射的涡旋波束圆心对准正在向基站传输数据的终端节点(称为“上行节点”)。随后，均匀环形天线阵列发送非零模(即模态l≠0)的涡旋波束，则该涡旋波束会覆盖以该上述上行节点为圆心的一个圆环区域。在这个圆环区域内接收并成功解调涡旋波束的终端节点即为被筛选出的，能够与上述上行节点配对形成全双工非对等传输的下行节点。所有满足配对条件的终端节点，称为“候选节点”，这个过程称为“候选节点筛选”过程。
3)全双工技术
全双工无线通信(即同时同频全双工)，是一项综合运用多重干扰抑制方法而实现节点间同时同频双向信息传输的新兴物理层技术由于全双工技术有望成倍地提升现有的半双工双向传输效率，近年来备受关注，逐渐成为当前信息领域的研究热点和重要发展方向。为了使无线信号能在相同的时频资源上进行收发，全双工无线通信面临的主要技术难点是“自干扰问题”，即：本地发射信号对本地接收信号所形成的大功率干扰。解决自干扰问题的两种关键技术手段分别为“主动干扰消除”和“被动干扰抑制”。前者通过在接收端重建发射信号副本，对自干扰信号(即接收到的本地发射信号)进行主动消除，方法包括：空域信号处理，射频回波抵消、基带干扰消除等。后者主要采用交叉极化、波束调整、吸收屏蔽等措施对收发天线进行隔离，实现自干扰信号的被动衰减。典型的点对点全双工无线通信系统如图3所示，经过在空间域、射频域和基带域的分阶段多步骤干扰消除和抑制，现有主流全双工试验系统通常可将自干扰信号强度有效衰减70-120dB，从而实现在特定功率范围与通信距离内可靠的点对点同信道双向传输。
全双工无线通信技术，解决了无线信号无法同时同频收发的难题，突破了长期制约通信系统容量提升的瓶颈，预计将实现无线网络吞吐量和频谱效率的成倍提升；同时成本可控、后向兼容性强。目前物理层传输技术经历了半个多世纪的快速发展，已进入了一个平台期或瓶颈期，较难取得新的重大突破；全双工无线通信技术另辟蹊径，转变了通信系统容量的增长方式，很可能会给未来的无线通信网络带来革命性的变化。例如：当蜂窝网节点具备了同时同频全双工能力后，FDD和TDD模式将逐步合二为一；双向中继传输可以得到更高效的应用，有限信道反馈不再是技术瓶颈。鉴于上述诸多优点，全双工无线通信已成为未来移动通信的重要候选技术之一。
现有技术公开了一种非对等全双工无线网络的工作场景。如图4所示，所谓非对等全双工无线网络，特指由一个全双工中心控制节点(或接入点)和多个半双工终端节点所组成的多用户通信系统；它是非对等全双工蜂窝小区、非对等全双工局域网、非对等全双工自组网等诸多星状拓扑无线网络的抽象模型。基本假设如下：1)全双工中心控制节点(如：蜂窝基站、无线接入点、网络簇头等)具备自干扰消除能力，可以在相同的频率上同时进行无线信号的发送和接收(即：工作在全双工模式下)；2)半双工终端节点不具备(或不使用)自干扰消除能力，在同一时间和频率上只能进行无线信号的发送或者接收；3)中心控制节点，可以根据网络运行状况而自适应选择其双工模式(全双工模式或半双工模式)；4)非对等全双工无线网络具有星状拓扑结构，中心控制节点能与所有终端节点直接通信，而终端节点之间则可能相互隐藏(即无法直接通信)。
现有技术中的非对等全双工网络面临的最大问题是终端之间的干扰与节点配对问题。具体来说，在星状拓扑的非对等全双工网络中，具有自干扰消除能力的中心控制节点，可以在相同的频率资源(或信道)上同时与两个半双工终端节点(一收一发)进行单向通信。此时，全双工通信的双向和速率(sum-rate)很大程度上取决于两个终端节点之间的同信道干扰强度。由于这两个半双工终端节点的数据接收和发射是同时在相同信道进行的，如果它们之间距离过近，那么两个节点之间的同信道干扰强度就会很大。如此便会导致发送终端节点所发射的信号在接收终端节点处与来自基站的同时同频的数据传输信号发生碰撞，造成接收终端节点处信号解调失败，影响全双工通信的双向和速率。
全双工网络中的最优化节点配对问题，就是如何在无线网络中选出一对具有较弱同信道干扰的发送终端节点和接收终端节点，使它们与中心控制节点所形成的全双工通信具有最大的双向和速率。解决上述问题，不仅需要测量各对可能的收发终端节点之间的无线信道状况，评估相应的同信道干扰强度，还必须确保在节点配对过程中不会产生过多的信令开销。
节点配对问题是在全双工无线网络环境下出现的新课题，无法通过任何现有的算法和协议来解决。目前一般采用分布式的节点自主配对方式或基于中心控制节点调度的集中式节点配对方式来解决节点配对问题，因此现有技术的主要困难来自于：1)在理想情况下，能够与中心控制节点一起建立全双工通信的两个终端节点应该是互相隐藏(hidden)的，彼此之间无法直接交互信息。因此，如果采用分布式的节点自主配对方式，当发送终端节点进行资源竞争和上行传输时，接收终端节点通常很难及时地获得相关信息，从而无法实施有效的信道测量和干扰评估。2)如果采用基于中心控制节点调度的集中式节点配对方式，则需要在全双工通信建立之前，对网络中可能的节点配对组合分别进行信道测量，并通过上行信道反馈相应的干扰评估结果；此时，反馈信息量会随着网络中节点数的增加而指数增长，信令开销过大，难以支持网络拓扑快速变化的应用场景。
鉴于上述问题均无法通过现有的MAC协议而解决，有必要设计一套新的全双工无线网络及其节点配对方法，以克服上述空中基站通信以及星状拓扑非对等全双工网络中存在的不足，实施有效的信道测量和干扰评估，以及支持网络拓扑快速变化的应用场景。
参考文献
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发明内容
本发明的目的在于提供一种基于涡旋波束的全双工无线网络及其节点配对方法，以实现分布式的节点间配对、多用户资源竞争以及非对等全双工双向传输。
为了实现上述目的，本发明基于现有的非对等全双工无线网络提供了一种基于涡旋波束的全双工无线网络，所述全双工无线网络由一个全双工中心控制节点和多个半双工终端节点所组成，其特征在于，所述全双工中心控制节点为空间基站，所述半双工终端节点为地面终端，空中基站配备有均匀环形天线阵列，所述均匀环形天线阵列设置为通过其发射的涡旋波束随距离传输的发散特性来辅助配对彼此隐藏的地面终端。
所述均匀环形天线阵列的天线阵面朝向地面。
另一方面，本发明提供一种基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其基于上文所述的全双工无线网络，包括：
S1：空中基站为各个地面终端分配候选节点指示响应的信道资源；
S2：建立非对等全双工通信；
步骤S2包括：
S21：有上行数据传输需求的地面终端竞争各个上行信道，并在每一个上行信道至多允许一个赢得竞争的地面终端作为上行节点来进行上行数据传输；
S22：每个上行节点向空中基站发送包含导频信号的上行传输信号，空中基站根据所述导频信号，利用均匀环形天线阵列的多个天线单元估计得到上行传输信号的到达方向；然后，空中基站利用上行传输信号的到达方向对均匀环形天线阵列进行二维线性调相，令涡旋波束的圆心对准所述上行节点；
S23：空中基站发送作为每个上行节点所对应的候选节点指示的涡旋波束，并将能够收到所述候选节点指示的至少一个地面终端作为与所述上行节点对应的候选节点；
S24：候选节点根据收到的候选节点指示，在各自对应的候选节点指示资源块上通过对应的编码方式向所述空中基站发送候选节点指示响应；
S25：空中基站根据收到的候选节点指示响应，确定所述候选节点指示响应所对应的各个候选节点，并从中为每个上行节点指定一个有下行传输需求的节点作为当前的下行节点；
S26：每个上行节点和其对应的下行节点同时开始进行非对等全双工双向传输。
所述步骤S1包括：
S11：空中基站在授权频带内划分出用于供所有地面终端发送候选节点指示响应的信道资源块，作为候选节点指示资源栅格，并初始化候选节点指示；随后，空中基站在候选节点指示资源栅格中为每一个地面终端分配一个对应的候选节点指示资源块；
其中，第i个地面终端被分配的第i个候选节点指示资源块表示为Ri＝<Ti,Fi,Ci>，Ti为第i个候选节点指示资源块的时隙范围，Fi为第i个候选节点指示资源块的频率范围，Ci为第i个候选节点指示资源块的编码方式；不同地面终端的候选节点指示资源块之间都是正交的；
S12：空中基站通过下行信令将分配好的信道资源信息通知给各个地面终端，所述信道资源信息包括候选节点指示资源栅格的各项参数以及每个地面终端的对应的候选节点指示资源块的各项参数；
S13：地面终端接收所述信道资源信息，以获得候选节点指示资源栅格的信息以及地面终端各自对应的候选节点指示资源块的位置信息。
在所述步骤S12中，在所述步骤S12中，所述信道资源信息还包括候选节点指示的信令格式、发送候选节点指示的信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间Δt以及发送候选节点指示的信道资源块与候选节点指示资源栅格的最高频率之差Δf；在所述步骤S13中，还获得所述候选节点指示的中心频率foam和带宽Δfoam；且在所述步骤S24中，候选节点根据收到的候选节点指示来执行同步过程，使得候选节点在完成同步过程后获得收到候选节点指示的时间，并且地面终端以该时刻为基准，经过信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间Δt后，发送候选节点指示响应。
在所述步骤S2中，所述基于涡旋波束的全双工无线网络在其授权频带上被划分为多个正交的信道；每一个信道上最多支持一对地面终端建立非对等全双工通信。
在所述步骤S21中，地面终端通过随机退避或CSMA的方式来竞争上行信道。
在所述步骤S23中，当空中基站覆盖的区域地形平坦时，涡旋波束的模态值l的绝对值为2或4，当空中基站覆盖的区域地形复杂时，涡旋波束的模态值l的绝对值为0或1。
在步骤S25中，所述空中基站指定当前的下行节点的方式是根据候选节点的信道条件选择、随机选择或者根据各个候选节点的下行数据缓存量的多少进行选择。
所述步骤S26包括：空中基站采用广播的形式来通知各个节点全双工通信开始，随后在同一个信道上同时接收来自一个上行节点的上行数据并向下发送来自上层网络的下行数据给该上行节点所对应的下行节点，以在不同的信道上建立多对上行节点和下行节点的非对等全双工通信；如果空中基站传输下行数据的结束时间早于上行节点的上行传输的结束时间，则空中基站广播忙音至上行传输结束。
本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络，利用涡旋波束的倒锥形传输随距离发散的特性，通过涡旋波束所形成的圆环区域中的终端节点与位于该圆环中心的终端节点之间的距离间隔，辅助进行全双工无线通信隐藏节点对的配对，缩短隐藏节点对的匹配时间，提高传输效率。
此外，本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，将信道资源正交地分配给各个终端节点，可以让终端节点同时在各自正交的候选节点指示资源块上发送候选节点指示响应，提升了终端节点发送候选节点指示响应的效率。
此外，本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，在涡旋波束的覆盖范围内，能够接收到涡旋波束并成功解调出候选节点指示的地面终端在检测到涡旋波束之后发送候选节点指示响应，且空中基站通过在各个候选节点指示资源块上检测候选节点指示响应，使得空中基站能够得知哪些地面终端为候选节点，从而方便快捷地筛选出彼此匹配的上行节点和下行节点，通过筛选获得的“候选节点”与上行节点都有一定的距离，能够满足与上行节点构成隐藏地面终端对的条件，地面终端就无需进行自主配对形成隐藏地面终端对，缩短了隐藏地面终端的匹配时间，提高了匹配效率。
附图说明
图1是均匀环形天线阵列的结构示意图。
图2A-图2D是相控阵天线产生的轨道角动量电磁波的结构示意图，其中图2A示出了模态l＝0的情况，图2B示出了模态l＝1的情况，图2C示出了模态l＝2的情况，图2D示出了模态l＝4的情况。
图3是点对点全双工无线通信的原理示意图。
图4是非对等全双工的无线网络示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的基于涡旋波束的全双工无线网络的系统模型图。
图6是根据本发明的一个实施例的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法的流程图。
图7是候选节点指示的信道资源块以及候选节点指示资源栅格的位置示意图。
图8是波束对准与候选节点筛选过程的原理示意图。
图9是非对等全双工双向传输启动的时序示意图。
图10是候选节点响应与非对等全双工传输的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络及其节点配对方法适用于各种星状拓扑全双工无线网络，例如星状拓扑的无线自组网、无线网状网、无线局域网、蜂窝微小区与地空通信网络，可以实现分布式的节点间配对、多用户资源竞争以及非对等全双工双向传输。
如图5所示为根据本发明的一个实施例的基于涡旋波束的全双工无线网络的系统模型图。所述全双工无线网络为非对等全双工无线网络，非对等全双工无线网络是指由一个全双工中心控制节点(或接入点)和多个半双工终端节点所组成的多用户通信系统。其中，全双工中心控制节点为空间基站，半双工终端节点为地面终端。
空中基站能够为地面终端提供无线数据接入服务，同时具有同时同频全双工通信能力(即：在同一频率上同时接收和发射信号)，因此能与地面终端组成非对等全双工无线网络。空中基站配备有均匀环形天线阵列，且均匀环形天线阵列的天线阵面朝向地面，因此能够向下发送涡旋波束。本发明的均匀环形天线阵列设置为通过其发射的涡旋波束随距离传输的发散特性来辅助配对彼此隐藏的地面终端。
地面终端只具备半双工通信能力(即：在同一时间和频率上只能进行无线信号的发送或者接收)。所有接入基站的地面终端用一个集合来表示，即E＝{终端i|i＝1,2,3,…N}，N表示接入基站的终端个数，i为接入基站的终端序号。向空中基站发送数据的地面终端称为“上行节点”(即上行传输终端节点)，从空中基站接收数据的地面终端称为“下行节点”，上行与下行节点的数据传输是在同一个信道上同时进行的。
如图6所示，基于上文所述的基于涡旋波束的全双工无线网络，所实现的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其具体步骤如下：
步骤S1：进行地面终端资源分配：空中基站为各个地面终端分配候选节点指示响应的信道资源，以供地面终端发送候选节点指示响应(即针对涡旋波束的响应信令)。
其中，这里称空中基站发送的涡旋波束为候选节点指示，称地面终端发送针对涡旋波束的响应信令为候选节点指示响应(即候选节点指示响应)，能够接收到涡旋波束的地面终端被称为“候选节点”。本发明选用涡旋波束作为候选节点指示，是因为空中基站可以利用涡旋波束传输随距离发散的特性，以上行节点为中心发送涡旋波束。这样就能通过涡旋波束所覆盖的圆环区域中的地面终端与上行节点之间的距离间隔，辅助进行彼此隐藏的地面终端的配对。
该步骤S1之所以分配特定的信道资源(即候选节点指示响应的信道资源)，其目的是为了提高候选节点指示响应时的响应效率。当涡旋波束到达地面终端时，基站并不知道哪些节点接收到了涡旋波束，所以需要通过涡旋波束的地面终端发送候选节点指示响应，来告知基站究竟是哪些节点收到了涡旋波束。由于涡旋波束覆盖到的地面终端可能有很多，若让它们采用竞争的方式发送候选节点指示响应，则不可避免地会发生很多碰撞，造成时间浪费。所以需要设计专门对于候选节点指示信令的响应方式来提高响应效率。
在步骤S1中，空中基站为各个地面终端分配候选节点指示响应的信道资源的方法为对空中基站设置的专用的信道资源块进行正交分配。由此，地面终端在收到并解调出基站发送的涡旋波束之后，就能根据它们在接入基站时被分配到的信道资源发送候选节点指示响应。由于各个地面终端之间分配的用于发射候选节点指示响应的信道资源是正交的，所以在同一时间可以有多个地面终端发送彼此正交的候选节点指示响应，这样就提升了响应效率，缩短了响应时间。
步骤S1的具体过程如下：
步骤S11(基站定义并分配信道资源)：空中基站在授权频带内划分出用于供所有地面终端发送候选节点指示响应的信道资源块，作为候选节点指示资源栅格，并初始化候选节点指示；随后，空中基站在候选节点指示资源栅格中为每一个地面终端分配一个对应的候选节点指示资源块。
如图7为候选节点指示的信道资源块以及候选节点指示资源栅格的位置示意图。如图7所示，空中基站在向不同的地面终端发送候选节点指示时所采用的信道资源块可以在授权频带内任意设置。候选节点指示资源栅格为图中尺寸为T×F的部分，候选节点指示的初始化包括设置候选节点指示的信令格式(即候选节点指示是承载于涡旋波束上的同步序列)以及发送候选节点指示的信道资源块的位置(该信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间为Δt，还有信道资源块与候选节点指示资源栅格的最高频率之差为Δf)，其中，T为整个候选节点指示资源栅格的持续时间，F为其占用的带宽，ΔT为候选节点指示资源栅格中每一个时隙的长度，ΔF为以每个频率单位的带宽，在OFDM系统中可以特指一个或几个子载波的带宽。候选节点指示资源栅格以(ΔT,ΔF)为单位划分成一个个的“候选节点指示资源单元”，并设资源栅格的起始时隙以及最高频率成分处为栅格原点，记为(0,0)。
空中基站会为每一个接入基站的地面终端分配一个对应的候选节点指示资源块，候选节点指示资源块是由候选节点指示资源栅格中的某一个或某几个“候选节点指示资源单元”构成的，且所有候选节点指示资源块均位于候选节点指示资源栅格中。所有的候选节点指示资源块构成一个集合，R＝<T,F,C>。其中，T＝(t0,t1,…,tn)为时隙集合，tk(k＝0,1,…,n)为候选节点指示资源栅格中的第k个时隙单元；F＝(f0,f1,…,fm)为频率集合，fj(j＝0,1,…,m)为候选节点指示资源栅格的第j个频率单元；C＝(c0,c1,…,cl)为编码方式集合，cq(q＝0,1,…,l)为节点指示资源栅格的第q个编码方式，编码方式可以是Huffman编码，也可以是算术编码或者L-Z编码。第i个地面终端被分配的第i个候选节点指示资源块可以用一个三元向量Ri＝<Ti,Fi,Ci>表示，其中，Ti为第i个候选节点指示资源块的时隙范围，Fi为第i个候选节点指示资源块的频率范围，Ci为第i个候选节点指示资源块的编码方式，Ti∈T,Fi∈F,Ci∈C，显然有Ri∈R。不同地面终端的候选节点指示资源块之间都是正交的，即每个资源块之间时间单元正交、频率单元正交且编码方式正交。亦即，每个地面终端有且只能拥有一个候选节点指示资源块，每个候选节点指示资源块也只能供一个终端使用。即，下列映射关系g为一一映射，
g:Ri→i,i＝1,2,…,N。
步骤S12(信道资源的基站通知)：空中基站通过下行信令将分配好的信道资源信息通知给各个地面终端，所述信道资源信息包括候选节点指示资源栅格的各项参数(包括候选节点指示资源栅格的中心频率和带宽，时隙的长度等)，以及每个地面终端所对应的候选节点指示资源块的各项参数(即构成上述候选节点指示资源块的一个或多个候选节点指示资源单元在所述候选节点指示资源栅格中的时频位置，以及候选节点指示资源块所采用的编码方式)。
除此之外，所述信道资源信息还包括候选节点指示的信令格式(即候选节点指示是承载于涡旋波束上的同步序列)以及候选节点指示的信道资源块的位置(包括信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间Δt，还有信道资源块与候选节点指示资源栅格的最高频率之差Δf)。之所以定义候选节点指示的信令格式为承载于涡旋波束上的同步序列，是因为地面终端在接收到候选节点指示之后需要进行同步过程。地面终端需要以同步所得时间为基准，经过Δt时间后发送候选节点指示响应。
步骤S13：地面终端接收所述信道资源信息，以获得所述信道资源信息中所包含的候选节点指示资源栅格的信息(即候选节点指示资源栅格每一个候选节点指示资源单元的频率范围和时隙范围)以及地面终端各自对应的候选节点指示资源块的位置信息；同时，在所述信道资源信息还包括候选节点指示的信令格式的情况下，还可以得知候选节点指示的中心频率foam和带宽Δfoam。
地面终端会将这些信息保存下来，由此，在之后的步骤中，当它们收到来自基站的涡旋波束之后，就会根据这些信息获得该地面终端自身所对应的候选节点指示资源块的位置信息。
需要注意的是，在步骤S12中，空中基站在发送信道资源信息时不采用涡旋波束，这是因为涡旋波束是同步序列(同步序列可以选择ZC序列也可以选择其他序列)，用于地面终端的筛选以及时间同步。当需要空中基站辅助进行彼此隐藏的地面终端配对时才发送涡旋波束。
步骤S2：建立非对等全双工通信；
当步骤S1中候选节点指示资源栅格分配完毕之后，地面终端与空间基站即可开始尝试建立非对等全双工双向传输。在所述步骤S2中，本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络在其授权频带上，可以划分出多个正交的信道(或频带)。本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络可以支持一对地面终端在一个信道上或者多对地面终端在多个彼此正交的信道上同时建立非对等全双工通信，但同一个信道上最多同时支持一对地面终端建立非对等全双工通信。该信道同时作为上行信道和下行信道。
非对等全双工通信的建立过程主要包括，上行信道竞争、上行通信与波束对准、候选节点筛选、候选节点响应、确定下行接收节点，以及非对等全双工传输共六个步骤。上行信道竞争是指，地面终端通过竞争(即地面终端向空中基站传输数据)来获得上行传输信道。候选节点筛选是指，空中基站通过发送作为候选节点指示的涡旋波束筛选出与上述上行节点有一定距离的，能够配对形成全双工非对等传输的地面终端，并将所有筛选出的地面终端作为候选节点。候选节点响应是指，候选节点根据收到的候选节点指示向空中基站发送响应信息。确定下行接收节点是指，基站从所有的候选节点中指定一个有下行传输需求的节点作为当前下行数据接收节点。非对等全双工传输是指，赢得上行信道竞争的上行节点和基站指定的接收下行数据的下行节点同时开始进行非对等全双工双向传输。这里的“非对等全双工”双向传输是指：空中基站使用同一个无线信道(或频率)同时向下行节点发送数据并且接收来自上行节点的数据。
步骤S2的步骤具体如下：
步骤S21(上行信道竞争)：有上行数据传输需求的地面终端竞争各个上行信道，并在每一个上行信道至多允许一个赢得竞争的地面终端作为上行节点来进行上行数据传输。在同一个信道，只允许一个地面终端赢得竞争，否则地面终端发生碰撞。
其中，地面终端通过随机退避的方式来竞争上行信道。随机退避是指若地面终端发生碰撞，则参与竞争的地面终端随机选择一个时间进行退避，然后重新竞争。
此外，地面终端也可以通过CSMA的方式来竞争上行信道。即，地面终端会发送一个上行传输请求，空中基站收到上行传输请求之后，向地面终端回复一个请求应答，同时通过请求应答通知其他地面终端停止上行信道竞争，该地面终端在收到请求应答之后被允许进行上行数据传输。
此外，所述步骤S21还可以包括：没有上行数据传输需求的地面终端以及所有竞争失败的地面终端转入接收模式，以等待接收所述候选节点指示。
步骤S22(上行通信与波束对准)：如图8所示，每个上行节点向空中基站发送包含导频信号的上行传输信号，空中基站根据所述导频信号，利用均匀环形天线阵列的多个天线单元进行Angle of Arrival(简称AoA)估计，得到上行传输信号的到达方向；然后，空中基站利估计得到的上行传输信号的到达方向对均匀环形天线阵列进行二维线性调相，实现涡旋波束的偏转，令涡旋波束的圆心对准所述上行节点。
导频信号用于实现同步，插入导频信号的总原则是在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小，这样便于在解调时易于滤除导频。AoA估计属于业内公知，具体过程不再赘述。
在步骤S22中，基站之所以进行波束对准过程，是为了在后续的下行节点匹配过程中，涡旋波束能够均匀地覆盖以如图8所示的上行节点为中心的圆环区域，确保该圆环区域中的各个候选节点到上行节点的距离大致相等，从而方便在之后的步骤中对地面终端进行筛选。
步骤S23(候选节点筛选)：空中基站发送作为每个上行节点所对应的候选节点指示的涡旋波束，并将能够收到所述候选节点指示的至少一个地面终端作为与所述上行节点对应的候选节点，从而筛选出与所述上行节点配对(即能够收到候选节点指示)的地面终端作为候选节点；
如图8所示，由于空中基站以当前对准的上行节点为中心发送一束模态值为l的涡旋波束，即上文第一部分所述的候选节点指示，候选节点指示的中心频率和带宽与上文步骤S13所述的相同，因此涡旋波束会覆盖如图8图阴影部分所示的，以上述上行节点为圆心的一个圆环区域。在涡旋波束的覆盖范围内，能够接收并成功解调出候选节点指示的地面终端为与所述上行节点配对的地面终端，这些地面终端被作为被筛选出的候选节点。候选节点可能会有多个，如图8所示，表示为阴影部分中的多个点。
在所述步骤S23中，空中基站通过波束成形算法以所述上行节点为中心发射一束模态值为l的涡旋波束，这里l可以根据基站覆盖范围内的地形状况进行选择。当空中基站覆盖的区域地形比较平坦时，终端之间的信道条件比较好，为了确保上下行终端之间的干扰尽量小，必须使他们之间的距离远一些，所以l倾向于选一个绝对值较大的数(例如模态值l的绝对值为2,4)；反之，如果空中基站覆盖的区域地形复杂，那么终端之间的信道条件就会变差，就可以选择发射一个绝对值较小的l所对应的涡旋波束(例如模态值l的绝对值为0,1)。这样，即便涡旋波束覆盖的区域小，所筛选出的地面终端距离上行节点较近，但由于终端之间的信道条件较差，所以终端之间的不会造成同信道干扰。
步骤S24(候选节点响应)：如图9和图10所示，候选节点根据收到的候选节点指示，在各自对应的候选节点指示资源块上通过对应的编码方式向所述空中基站发送候选节点指示响应，来告知空中基站自己成功收到了涡旋波束。
在所述步骤S24中，候选节点根据收到的候选节点指示来执行同步过程，使得候选节点在完成同步过程后获得收到候选节点指示的时间，并且地面终端以该时刻为基准，经过信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间Δt后，发送候选节点指示响应。这里的候选节点指示响应承载的具体内容可以是信道自身的身份标识。
步骤S25(确定下行接收节点)：空中基站根据收到的候选节点指示响应，确定所述候选节点指示响应所对应的各个候选节点，并从中为每个上行节点指定一个有下行传输需求的节点作为当前的下行节点；
其中，由于候选节点指示响应是地面终端在预先前定义好的候选节点指示资源块上发送的，且由于不同地面终端所对应的候选节点指示资源块之间是正交的，所以当空中基站在某个候选节点指示资源块上检测出来自终端节点的信号之后，通过一一映射关系g:Ri→i，就可以确定发送候选节点指示响应的终端节点所对应的编号i，从而得知哪些节点是候选节点。
在步骤S25中，空中基站指定当前的下行节点的方式可以是根据候选节点的信道条件选择或者随机选择，也可以是根据各个候选节点的下行数据缓存量的多少进行选择，譬如优先选择具有较多下行数据缓存的终端节点。
之所以可以选择在涡旋波束覆盖范围内的节点作为最终的下行节点，是因为涡旋波束覆盖的是上行节点周围的一个圆环区域，而在这个圆环区域内的节点都与传输上行数据的节点有一定的距离。这样就能保证基站选择的接收下行数据的终端节点与传输上行数据的节点能够构成隐藏终端对(即这两个终端节点之间是无法直接通信的)，不会造成同信道干扰。
步骤S26(非对等全双工传输)：每个上行节点和其对应的下行节点同时开始进行非对等全双工双向传输。
所述步骤S26具体包括：空中基站采用广播的形式来通知各个节点全双工通信开始。空中基站在广播全双工通信启动信令后，在同一个信道上同时接收来自一个上行节点的上行数据并向下发送来自上层网络的下行数据给该上行节点所对应的下行节点，以在不同的信道上建立多对上行节点和下行节点的非对等全双工通信。
这里，空中基站可以支持多对隐藏终端节点对在不同的信道上同时进行非对等全双工传输，但同一时间在同一个信道上只能有一对隐藏终端节点对(即一对上行节点和下行节点)。
此外，所述步骤S26还包括：如果空中基站传输下行数据的结束时间早于上行节点的上行传输的结束时间，则空中基站广播忙音至上行传输结束，以防止上行数据传输节点的隐藏节点进行上行信道竞争，在空中基站处引发碰撞。如果终端节点的上行传输的结束时间早于基站传输下行数据的结束时间，就不需要忙音。这是因为此时基站仍在向下传输数据，所有终端节点都能监测到来自空中基站的信号，此时终端节点会认为信道忙，继续监听信道，直至非对等全双工下行传输结束，信道恢复空闲。当此次非对等全双工双向传输结束后，各个终端节点重新进行上行信道竞争，并重新执行全双工通信建立流程。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，其基于一种基于涡旋波束的全双工无线网络，所述全双工无线网络由一个全双工中心控制节点和多个半双工终端节点所组成，所述全双工中心控制节点为空中基站，所述半双工终端节点为地面终端，所述空中基站配备有均匀环形天线阵列，所述均匀环形天线阵列设置为通过其发射的涡旋波束随距离传输的发散特性来辅助配对彼此隐藏的地面终端；
所述基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法包括：
步骤S1：空中基站为各个地面终端分配候选节点指示响应的信道资源；
步骤S2：建立非对等全双工通信；
所述步骤S2包括：
步骤S21：有上行数据传输需求的地面终端竞争各个上行信道，并在每一个上行信道至多允许一个赢得竞争的地面终端作为上行节点来进行上行数据传输；
步骤S22：每个上行节点向空中基站发送包含导频信号的上行传输信号，空中基站根据所述导频信号，利用均匀环形天线阵列的多个天线单元估计得到上行传输信号的到达方向；然后，空中基站利用上行传输信号的到达方向对均匀环形天线阵列进行二维线性调相，令涡旋波束的圆心对准所述上行节点；
步骤S23：空中基站发送作为每个上行节点所对应的候选节点指示的涡旋波束，并将能够收到所述候选节点指示的至少一个地面终端作为与所述上行节点对应的候选节点；
步骤S24：候选节点根据收到的候选节点指示，在各自对应的候选节点指示资源块上通过对应的编码方式向所述空中基站发送候选节点指示响应；
步骤S25：空中基站根据收到的候选节点指示响应，确定所述候选节点指示响应所对应的各个候选节点，并从中为每个上行节点指定一个有下行传输需求的节点作为当前的下行节点；
步骤S26：每个上行节点和其对应的下行节点同时开始进行非对等全双工双向传输。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，所述均匀环形天线阵列的天线阵面朝向地面。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11：空中基站在授权频带内划分出用于供所有地面终端发送候选节点指示响应的信道资源块，作为候选节点指示资源栅格，并初始化候选节点指示；随后，空中基站在候选节点指示资源栅格中为每一个地面终端分配一个对应的候选节点指示资源块；
其中，第i个地面终端被分配的第i个候选节点指示资源块表示为
Figure 868810DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 591915DEST_PATH_IMAGE004
为第i个候选节点指示资源块的时隙范围，
Figure 484916DEST_PATH_IMAGE006
为第i个候选节点指示资源块的频率范围，
Figure 510641DEST_PATH_IMAGE008
为第i个候选节点指示资源块的编码方式；不同地面终端的候选节点指示资源块之间都是正交的；
步骤S12：空中基站通过下行信令将分配好的信道资源信息通知给各个地面终端，所述信道资源信息包括候选节点指示资源栅格的各项参数以及每个地面终端的对应的候选节点指示资源块的各项参数；
步骤S13：地面终端接收所述信道资源信息，以获得候选节点指示资源栅格的信息以及地面终端各自对应的候选节点指示资源块的位置信息。
4.根据权利要求3所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，在所述步骤S12中，所述信道资源信息还包括候选节点指示的信令格式、发送候选节点指示的信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间
Figure 105570DEST_PATH_IMAGE010
以及发送候选节点指示的信道资源块与候选节点指示资源栅格的最高频率之差
Figure 380169DEST_PATH_IMAGE010
；
在所述步骤S13中，还获得所述候选节点指示的中心频率
Figure 517890DEST_PATH_IMAGE012
和带宽
Figure 104729DEST_PATH_IMAGE014
；且
在所述步骤S24中，候选节点根据收到的候选节点指示来执行同步过程，使得候选节点在完成同步过程后获得收到候选节点指示的时间，并且地面终端以该时间为基准，经过信道资源块距候选节点指示资源栅格的时间
Figure 937687DEST_PATH_IMAGE010
后，发送候选节点指示响应。
5.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述基于涡旋波束的全双工无线网络在其授权频带上被划分为多个正交的信道；每一个信道上最多支持一对地面终端建立非对等全双工通信。
6.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，在所述步骤S21中，地面终端通过随机退避或CSMA的方式来竞争上行信道。
7.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，在所述步骤S23中，当空中基站覆盖的区域地形平坦时，涡旋波束的模态值
Figure 877961DEST_PATH_IMAGE016
的绝对值为2或4，当空中基站覆盖的区域地形复杂时，涡旋波束的模态值
Figure 994821DEST_PATH_IMAGE016
的绝对值为0或1。
8.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，在步骤S25中，所述空中基站指定当前的下行节点的方式是根据候选节点的信道条件选择、随机选择或者根据各个候选节点的下行数据缓存量的多少进行选择。
9.根据权利要求1所述的基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法，其特征在于，所述步骤S26包括：空中基站采用广播的形式来通知各个节点全双工通信开始，随后在同一个信道上同时接收来自一个上行节点的上行数据并向下发送来自上层网络的下行数据给该上行节点所对应的下行节点，以在不同的信道上建立多对上行节点和下行节点的非对等全双工通信；
如果空中基站传输下行数据的结束时间早于上行节点的上行传输的结束时间，则空中基站广播忙音至上行传输结束。
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