CN112738914A - 一种一体化感知节点装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种一体化感知节点装置及其工作方法，主要解决无线自组网多跳传输场景下信息传输损耗严重的问题。本发明节点装置的阵列天线单元作为发射端和接收端，与信息处理单元双向数据交互，完成节点间数据的发送与接收，并接收来自天线控制单元的天线控制信号；信息处理单元与天线控制单元、数据接口双向数据交互，更新来自一体化路由单元的辅助数据包，且通过数据接口传输信息至上一层。节点装置各集成单元协同合作，通过天线控制单元控制算法获取当前节点发射波束的最佳模式。本发明从物理装置角度考虑调整组网节点定向发射波束模式，增强节点抗干扰能力和生存能力，提升了自组织网络多跳传输性能，可用于无线自组网通信系统中。

Description

一种一体化感知节点装置及其工作方法
技术领域
本发明属于无线自组网通信技术领域，特别涉及无线Mesh网络中的基础节点装置及工作方法，具体是一种一体化感知节点装置及其工作方法，可用于实现对无线自组网通信系统中多跳传输性能的提升。
背景技术
无线Mesh网络由无线Ad-hoc网络发展而来，整个网络不依赖于专用的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能动态地保持与其它节点的联系。Mesh网络通常由Mesh路由器和Mesh客户端两种节点构成，其各节点以多跳共享的方式自由接入信道，避免了传统局域网由于频繁的业务请求导致的网络拥塞问题。同时，其分布式网络结构和重新路由功能保证了网络中节点退网、入网情况下能够快速自我调整、恢复，可为节点之间建立高效传输路径提供有效支持，在军事方面和民事方面都具有广阔的应用前景，也是网络研究中的热点问题之一。
无线Mesh网虽具有可靠性高、自组织、自愈和、快速配置等诸多优点，但当数据信息经过多个组网节点装置转发时，却易导致信息遭受严重的损耗。目前为解决无线多跳场景的传输性能受损问题和提高组网节点的生存能力，研究人员大多从路由算法机制的优化方面去提升多跳网络通信性能，如设定最低能量阈值、设定节点稳定程度权值、优先选择最低跳数路径等，但其实现复杂度较高，且提升幅度有限。
为满足日益增长的移动组网通信需求，急需改善组网节点装置以提升传输性能，柳原静思曾在专利《CN200810174736.5》中涉及到了一种节点装置，他详细地叙述了该节点装置在树形广播系统中作为中继节点以配合完成信息传输路径选择的工作流程，并以模块化的方式说明了节点装置的具体结构。但该专利忽略了节点装置在物理实物方面应以何种方式发送信号的问题。在其后，于2015年李相义等人在专利《CN201511028189.6》中提出了一种无线自组网节点通信方法及节点，通过设定不同于节点接收频率的节点发射频率，从而避免对周围节点造成误唤醒等影响以降低组网的功耗。但该方法忽略了节点发射信号时的波束束宽及功率控制等因素，并未从根本上解决组网节点能量损耗大的情况。之后，虽有文章陆续提出对于节点装置的要求，但其思想落脚点大多都在于节点通信方法，并未考虑到节点装置的具体装置模型及其实现的工作算法，从而距离组网装置的物理应用实现仍具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种一体化感知节点装置及其工作方法，其通过改变节点装置阵列天线定向发射信息波束的模式来增强组网节点链路稳定程度、提高空间复用度、减小信道间同频干扰，进一步提升自组网的多跳传输性能。
本发明是一种一体化感知节点装置，具有数据发送和接收部分，具有对数据发送和接收的实时控制部分，其特征在于，发射端和接收端共存于阵列天线单元中，对发送和接收的实时控制部分包括一体化路由单元、信息处理单元、天线控制单元；其中，阵列天线单元作为一体化感知节点装置的第一个数据入口，与信息处理单元双向连接以实现节点间数据的接收和发送，并根据天线控制单元的天线控制信号完成对天线发射模式的调整；信息处理单元与数据接口双向连接，用于将接收数据包进行冗余处理后上传或根据待发送数据信息产生冗余数据包转发至阵列天线单元，并更新来自一体化路由单元的辅助数据包；天线控制单元与信息处理单元双向连接，根据天线控制单元中的控制算法确定阵列天线定向发射波束的最佳发射模式，同时产生天线控制信号发送至阵列天线单元。
本发明还是一种一体化感知节点装置的工作方法，在一体化感知节点装置上实现，具体是该装置各单元之间协作完成进行信号发射/转发时的工作流程，包括有以下步骤：
(1)判断当前节点活跃状态：根据本节点装置是否需要向其余节点发送/转发数据信息判断本节点是否处于活跃状态，即本节点装置的信息处理单元判断是否从数据接口收到待发送数据信息，若节点处于活跃状态，则执行步骤(2)；若节点处于不活跃状态，则反复执行步骤(1)。
(2)提取辅助信息，利用辅助数据包将其传送至信息处理单元：路由信息存储模块基于其自身存储的路由表信息，利用辅助信息提取模块提取所需辅助信息，并利用辅助数据包将这些辅助信息传送至信息处理单元，执行步骤(3)。
(3)更新辅助数据包，同时生成待发送冗余数据包：信息处理单元利用辅助信息处理模块更新辅助数据包中的当前节点可用频率信息，并将更新后的辅助数据包转发至天线控制单元；同时，信息处理单元将从数据接口接收到的上一层数据信息，利用冗余处理模块打包处理后插入频率冗余标签生成待发送冗余数据包，并将其转发至阵列天线单元，执行步骤(4)。
(4)判断辅助数据包新鲜程度：天线控制单元数值处理模块提取接收到的辅助数据包的序列号，以判断其是否为最新辅助数据消息，若数据包序列号小于单元记录的前一次接收到的辅助数据包序列号的大小，即该消息比前一次到达的消息旧、已经过期，则抛弃该信息，返回步骤(1)继续等待最新辅助数据包；否则，更新系统存储的辅助数据包序列号为当前序列号，并执行步骤(5)。
(5)依据控制算法判断天线定向发送波束的最佳模式：数值处理模块首先提取辅助数据包中的辅助信息，然后根据数值处理模块中的控制算法，计算获得当前节点天线定向发送波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并将上述三个参数发送至控制信号产生模块，执行步骤(6)。
(6)产生天线控制信号发送至阵列天线：控制信号产生模块根据获得的最佳束宽、最佳功率、最佳频率共同构成天线定向发送波束最佳模式，产生相应天线控制信号并发送至阵列天线单元，执行步骤(7)。
(7)调整阵列天线发射模式，发送待发送冗余数据包：根据天线控制信号，阵列天线进一步调整自身发射信号波束的束宽、功率、频率至控制信号中的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，按照该模式发送待发送冗余数据包，至此，该一体化感知节点装置完成一次信息数据的发射/转发。
(8)销毁接收到的旧天线控制信号，等待下一次任务的来临：阵列天线完成此次信息数据发射/转发任务后，销毁接收到的旧天线控制信号，清空状态后返回至步骤(1)，重新判断节点的活跃状态，若节点仍需要发送数据信息，则会重新收到新的天线控制信号。
本发明从物理装置角度解决了自组网节点多跳传输性能严重受损的技术问题。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
装置各单元采用模块化设计以改变天线定向发射波束模式：本发明将组网节点作为一种物理化的实际性基础装置，令其各单元采用模块化设计协同合作以改变天线定向发射波束模式，使该网络基础装置具有了集成性、可操作性和可扩展性，降低了组网节点装置的维修成本，有利于硬件物理节点装置的实现及其在自组网通信系统中实际地嵌入应用。
增强多跳传输链路中节点的抗干扰能力：本发明综合波束控制与频率控制方案，根据已知路由信息感知性地调整阵列天线定向发射波束的束宽、方位和频率，在限制波束束宽和频率方面有效地抑制了周围节点对于当前通信链路的信道间同频干扰，提高了多跳传输链路中节点的抗干扰能力，从而降低了传输数据信息的受损程度。
降低组网节点能耗提高网络生存能力：本发明采用自适应功率控制传输，考虑了最小发射功率与收发两端天线增益和剩余节点能量的关系，既保证了源节点到目的节点的链路稳定程度，又避免了某一节点的信号发射功率过大而导致节点能量的非必要性损耗以及其对周围节点信号产生强烈的干扰，降低了组网节点装置的能量损耗从而提高了自组织网络生存能力。
附图说明
图1是本发明提供的一体化感知节点装置的结构示意图；
图2是本发明中一体化路由单元结构示意图；
图3是本发明中信息处理单元结构示意图；
图4是本发明中天线控制单元结构示意图；
图5是本发明工作方法中使用的路由表格式示意图；
图6是本发明工作方法中使用的辅助数据包格式示意图；
图7是本发明工作方法中使用的频率冗余标签格式示意图；
图8是本发明提供的一体化感知节点装置工作流程示意图；
图9是本发明中阵列天线结构示意图及其各定向天线的波束方向示意图。
具体实施方式
实施例1：
无线mesh网络具有可靠性高、自组织、自愈和自配置、快速配置、可扩展性等特点，使其广泛应用于军事方面和民事方面，也是网络研究中的热点问题之一。随着时代的发展，人们对于无线mesh网络组网性能的需求日益提升，如提高链路稳定程度、提高组网节点生存能力、降低维修成本等。现有技术大多从路由算法机制的优化方面去提升多跳网络通信性能，但其实现复杂度较高，且提升幅度有限。本发明针对这种现状，另辟蹊径，探讨从物理基础装置角度考量节点装置的天线发射模式，提出了一种一体化感知节点装置及其工作方法。
本发明首先是一种一体化感知节点装置，具有数据发送和接收部分，具有对数据发送和接收的实时控制部分。参见图1，本发明的发射端和接收端共存于阵列天线单元中，对发送和接收的实时控制部分包括一体化路由单元、信息处理单元、天线控制单元。本发明中，阵列天线单元作为一体化感知节点装置的第一个数据入口，与信息处理单元双向链接以实现节点间数据的接收和发送，并根据天线控制单元的天线控制信号完成对天线发射波束束宽、功率、频率的调整；信息处理单元与数据接口双向链接，用于将接收数据进行冗余处理后上传至上一层-网络层，或根据待发送数据信息产生冗余数据包转发至阵列天线单元，更新来自一体化路由单元的辅助数据包转发至天线控制单元；天线控制单元与信息处理单元双向链接，用于根据控制算法确定阵列天线的最佳信号发射模式，同时产生天线控制信号发送至阵列天线单元。
本发明的思路是从物理基础装置角度考虑节点装置是如何进行数据的发送处理，通过装置的各集成单元协同合作来改变天线的发射模式，进一步提升自组网多跳传输性能。本发明使整体网络通信性能得到提升，保障了网络链路稳定程度、组网节点生存能力，降低了网络基础装置的维修成本。
本发明的节点装置各单元采用模块化设计，共同协作以控制自身阵列天线发射波束的束宽、功率、频率等参数，进一步完成以最佳天线发射模式发射波束的目的。其中，令天线采用最佳束宽、最佳功率、最佳频率发送定向波束的模式即为天线的最佳发射模式。该技术方案赋予该网络基础装置集成性、可操作性和可扩展性，更有利于硬件物理装置的实现及其在自组网通信系统中实际地嵌入应用。
实施例2：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1，本发明中每一个构成单元均是一个独立的集成单元，所有集成单元协同合作以实现对于天线发射波束束宽、功率、频率的控制。对各单元及各单元包括的基础模块分述如下：
(1)一体化路由单元：基于该单元中路由表存储的下一跳节点信息及当前节点状态信息，提取如下辅助信息：下一跳节点的位置、当前节点剩余能量，并且将这两个辅助信息通过辅助数据包传送至信息处理单元。
(2)信息处理单元：用于实现具体的信息处理过程，包括：对来自一体化路由单元的辅助数据包条件域中的当前节点可用频率信息进行更新后，将其转发至天线控制单元；对来自数据接口的上一层数据信息打包处理并插入冗余频率标签生成待发送冗余数据包后，将其转发至阵列天线单元；对来自阵列天线单元的数据信息进行冗余处理后，将其通过数据接口转发至上一层-网络层。
(3)天线控制单元：首先提取来自信息处理单元辅助数据包中的辅助信息：下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量、当前节点可用频率信息，其次根据设计好的控制算法确定阵列天线发射信号波束的最佳发射束宽、功率、频率，然后产生天线控制信号发送至阵列天线单元。
(4)阵列天线单元：用于实现节点间数据的接收和发送，其根据天线控制信号，令阵列天线调整自身发射信号波束的束宽、功率、频率，按照该信号发射模式发送待发送冗余数据包。
本发明的一体化路由单元，在系统存储的路由表中提取所需辅助信息后将其通过辅助数据包传输至信息处理单元，并经过信息处理单元的转发将辅助信息传递至天线控制单元。参见图2，图2是本发明的一体化路由单元结构示意图，该单元中按照信息传输方向依次连接集成有定时器模块、路由信息存储模块、辅助信息提取模块、辅助数据包产生模块，各个模块的具体作用分别是：
定时器模块：用于周期性地驱动路由信息存储模块，以催动路由机制实现网络路由表的信息更新。
路由信息存储模块：用于生成并存储网络路由表，并把生成的路由表信息发送给辅助信息提取模块。其中，所述路由表是依据现有路由机制形成的。
辅助信息提取模块：用于提取路由表中给出的下一跳节点的位置信息和当前节点剩余能量信息，并将提取的辅助信息发送给辅助数据包产生模块。
辅助数据包产生模块：基于辅助信息提取模块获得的数据来生成/更新辅助数据包，并将更新后的辅助数据包发送至信息处理单元。
本发明的信息处理单元，与天线控制单元双向数据交互，并接收来自一体化路由单元的辅助数据包信息，且信息处理单元还与数据接口双向数据交互，并通过数据接口传输数据信息至上一层——网络层。参见图3，图3是本发明的信息处理单元结构示意图，该信息处理单元中按照信息传输方向依次连接集成有冗余处理模块、冗余标签产生模块、辅助信息处理模块，各个模块的作用分别是：
冗余处理模块：用于对来自上一层的数据生成冗余数据包，将当前节点的频率冗余标签插入至该冗余数据包中，然后将其发送到阵列天线上；对来自阵列天线上接收到的冗余数据包，去除冗余数据包中的上一跳节点频率冗余标签后传输至上一层——网络层做进一步处理。当信息传输至网络层后，用户根据网络层的通信协议继续判断本节点是否为目的节点，若为目的节点，则继续消化接收到的数据信息即可，若本节点不是目的节点，则作为中继节点进行数据的转发。
冗余标签产生模块：用于根据从冗余处理模块接收到的上一跳节点的频率冗余标签判断当前节点可用频率，从而生成当前节点的频率冗余标签，并将其分别传输至冗余处理模块与辅助信息处理模块。
辅助信息处理模块：用于根据频率冗余标签更新辅助数据包中的当前节点可用频率信息，并将更新后的辅助数据包转发至天线控制单元。
本发明的天线控制单元，接收来自信息处理单元的辅助数据包，从中获取用于判断最佳天线发射模式的辅助信息，并通过天线控制信号将最佳天线发射模式信息传送至阵列天线单元。参见图4，所示天线控制单元的结构示意图，该单元中按照信息传输方向依次连接有数值处理模块、控制信号产生模块，各个模块的具体作用分别是：
数值处理模块：基于来自信息处理单元的辅助数据包中的辅助信息结合相应控制算法，判断出如下参数：阵列天线发射信号波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并将上述三个参数转发至控制信号产生模块。
控制信号产生模块：基于从数值处理模块获得的三个参数共同产生相应的天线控制信号传输，并将其发送至阵列天线，使得阵列天线可调整自身为最佳信号发射模式。
本发明的阵列天线单元即为阵列天线，该阵列天线采用全向接收定向发送模式，用于信号的接收和发送。其接收来自天线控制单元的天线控制信号，以调整自身发射信号模式。
本发明利用一体化路由单元的辅助信息提取模块提取下一跳节点位置信息是为了得知下一跳节点相对于当前节点的具体方位以及距离，提取当前节点剩余能量是为了判断当前节点是否因剩余能量偏低而拒绝转发信息以避免节点过早死亡。信息处理单元不仅做了将接收到的信息数据上传至网络层和将来自网络层的数据下发至阵列天线等基础工作，还设立了冗余频率标签，从而为节点选择当前节点发送频率提供辅助信息。本发明中所有集成单元协同合作以实现对于天线发射波束束宽、功率、频率的控制。
实施例3：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1-2。本发明中一体化路由单元位于网络层；信息处理单元位于链路层，且在媒质接入子层之上；天线控制单元位于链路层，且在媒质接入子层之上；阵列天线单元位于物理层，用于节点间数据的发送与接收。
经典五层网络模型包括应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，本发明通过说明一体化感知节点装置各集成单元在经典五层网络模型中的具体位置，便于读者理解该装置中各单元模块所负责执行的具体工作。
实施例4：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1-3，本发明一体化路由单元路由存储模块中存储的网络路由表的具体格式，参见图5，图5是路由表格式示意图，包括：
目的节点IP地址：其长度为4字节，用于记录目的节点的IP地址；
源节点IP地址：其长度为4字节，用于记录源节点的IP地址；
目的节点序列号：其长度为4字节，用于记录目的节点的序列号；
下一跳节点：其长度为8字节，用于记录下一跳节点的位置；
先驱列表：其长度为8字节，用于存储上游邻居节点信息；
当前节点状态信息字段：用于更新记录当前节点的剩余能量；
填充域：其长度为16字节，预留出各节点需添加的其它功能性信息。
本发明在原有路由表格式的基础上，利用路由表中预留字段添加了当前节点状态信息字段，为给天线控制单元提供节点剩余能量这一辅助信息做准备，因为天线控制单元需要依据该辅助信息计算确定最佳节点发射功率，以避免节点被多次作为中继节点使用而过早死亡。
实施例5：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1-4，本发明一体化路由单元辅助数据包产生模块中产生的辅助数据包的具体格式，参见图6，图6是辅助数据包格式示意图，包括：
类型域：其长度为1字节，用来标识辅助数据包的类型；
序号域：其长度为2字节，用于区分辅助数据包的新鲜程度，节点装置初始化时，序号字段置为0，每次更新时将字段模216加1处理；
条件域：其长度为6字节，均分为3个字，其中1字＝2字节＝16位。第一个字用于存储下一跳节点的位置信息；第二个字用于存储当前节点的剩余能量信息；第三个字用于存储当前可用的频率信息，装置初始化时该字节置零。
本发明通过设立辅助数据包来为天线控制单元提供所需辅助信息，辅助数据包中的类型域用于标识控制消息的类型，从而区别于其余数据包，其余数据包为非辅助数据包。本发明每产生一个新的辅助数据包，其就会具有新的序列号从而区别于旧的辅助数据包；条件域中的三个字节分别存储了三类辅助信息，将这三类辅助信息传输至天线控制单元后可计算获得节点装置的最佳信号发送模式。
实施例6：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1-5，本发明信息处理单元冗余标签产生模块中生成的频率冗余标签格式，参见图7，图7是频率冗余标签格式示意图，包括：
频率域：其长度为2字节，即为16位，用来表明节点装置天线发送波束的频率信息。本实施例发送频率为5.35GHz为例说明，可令其高8位存储高位数据5，令其低8位存储低位数据35。频率域中的当前节点频率信息获取途径具体是，根据从阵列天线上接收到的冗余数据包中摘除的上一跳节点的频率冗余标签，得知上一跳节点的使用频率以判断并记录当前节点可用频率信息。
序号域：其长度为2字节，用于标识频率冗余标签的新鲜程度，发送方的信息处理单元每产生一个新的频率冗余标签，该序号字段模216加1。
针对信息处理单元的频率冗余标签，其频率域中根据摘除的上一跳节点频率冗余标签判断并记录更新当前节点可用频率信息，具体方法如下所示，以双频率F1、F2为例：
若上一跳节点采用发射频率为F1，则当前节点可用频率信息更新为F2；
若上一跳节点采用发射频率为F2，则当前节点可用频率信息更新为F1；
若并无上一跳节点，即当前节点为源节点，则当前节点可用频率信息优选为F1。
本发明设立频率冗余标签，每一个节点发送的数据包中会有自身节点的频率冗余标签，当上一跳节点的数据包由被当前节点的阵列天线接收到并上传至信息处理单元后，信息处理单元摘除接收到数据包频率冗余频率，获得上一条节点采用发射频率信息，并以此判断出与该频率不一致的当前节点可用频率信息，从而达到双频乃至多频切换的目的。
实施例7：
一种一体化感知节点装置的工作方法，在上述的任一一体化感知节点装置上实现，具体是该装置各单元之间协作完成进行信号发射/转发时的工作流程，参见图8，图8是一体化感知节点工作流程示意图，包括有以下步骤：
(1)判断当前节点活跃状态：根据本节点装置是否需要向其余节点发送/转发数据信息判断本节点是否处于活跃状态，即本节点装置的信息处理单元判断是否从数据接口收到了待发送数据信息。若节点处于活跃状态，即本节点装置需要向其它节点装置发送数据信息，则进一步执行步骤(2)；若节点处于不活跃状态，则反复执行步骤(1)，直至本节点进入活跃状态。
(2)提取辅助信息，生成辅助数据包：一体化路由单元中路由信息存储模块基于其自身存储的路由表信息，利用辅助信息提取模块提取节点装置所需的辅助信息：下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量信息。并利用辅助数据包产生模块生成的辅助数据包将这些辅助信息传送至信息处理单元，进一步执行步骤(3)。
(3)更新辅助信息，同时生成待发送冗余数据包：信息处理单元辅助信息处理模块利用冗余处理模块提供的上一跳节点装置所用频率，更新来自一体化路由单元的辅助数据包中的当前节点可用频率信息，将其转发至天线控制单元；同时，信息处理单元对从数据接口接收到的上一层数据信息，利用冗余处理模块插入频率冗余标签生成待发送冗余数据包，并将其转发至阵列天线单元，在上述二者都完成后再进一步执行步骤(4)。
(4)判断辅助数据包新鲜程度：天线控制单元数值处理模块提取辅助数据包的序列号，以判断其是否为最新辅助数据消息。若数据包序列号小于单元存储的上次接收辅助数据包序列号的大小，即该消息比前一次到达的消息旧、已经过期，则抛弃该信息，返回步骤(1)并继续等待最新辅助数据包的来临；否则，若数据包序列号大于单元存储的上次接收辅助数据包序列号的大小，更新系统存储的辅助数据包序列号为当前序列号，并进一步执行步骤(5)。
(5)依据天线控制单元控制算法得出阵列天线的最佳信号发射模式：天线控制单元数值处理模块提取辅助数据包中的辅助信息：下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量信息、当前节点可用频率信息，根据数值处理模块中设计好的的控制算法，计算获得当前节点发射信号波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并将上述三个参数共同发送至控制信号产生模块，进一步执行步骤(6)。
(6)产生天线控制信号发送至阵列天线：天线控制单元控制信号产生模块根据获得的最佳束宽、最佳功率、最佳频率这三个参数来共同构成天线控制信号，并发送至阵列天线单元，进一步执行步骤(7)。
(7)调整阵列天线定向发射波束模式，发送待发送冗余数据包：根据从天线控制单元接收到的天线控制信号，阵列天线进一步调整自身发射信号波束的束宽、功率、频率至控制信号中的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并按照该信号发送模式发送待发送冗余数据包，至此，该一体化感知节点装置完成一次信号的发射/转发。
(8)销毁接收到的天线控制信号，等待下一次任务的来临：阵列天线单元销毁接收到的天线控制信号，清空状态后返回至步骤(1)，重新判断节点的活跃状态，若节点仍需要发送数据信息，则会重新收到新的天线控制信号，若节点不再需要发送数据信息，则保持沉默状态以节省节点能量。
本发明通过提出的一体化感知节点装置及其工作方法，令装置的各单元模块协同合作，控制装置自身阵列天线发射波束的束宽、功率、频率等参数完成以最佳信号发射模式，从而增强组网节点稳定程度、提高空间复用度、减小信道间同频干扰，从物理基础装置角度解决自组网节点多跳传输性能严重受损的技术问题。
实施例8：
一体化感知节点装置及其工作方法同实施例1-7，步骤(5)中所述利用天线控制单元的控制算法获取天线的最佳发射模式，具体包括如下步骤：
(5.1)确定节点装置阵列天线发送信息波束的最佳束宽。设定节点装置阵列天线可划分为8个定向发射波束方向，参见图9，图9是阵列天线结构示意图及其各定向天线的波束方向示意图。其两两相邻定向波束覆盖区域间的夹角为45°，则其覆盖范围可划分为8个覆盖子区域。需要注意的是覆盖不同子区域的定向天线波束的束宽、方向也不相同，例如图9所示的覆盖绝对子区域定向天线波束的夹角即为45°，覆盖相对子区域的两个定向天线共同构成发射信号的天线，其夹角即为90°。进一步判断下一跳节点与当前节点的相对位置，具体有如下步骤：
(5.1.1)若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某一定向天线覆盖的绝对子区域中时，则采用覆盖该绝对子区域的天线波束进行信号的发射。
(5.1.2)若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某两个相邻定向天线重叠覆盖形成的相对子区域中时，则采用覆盖该相对子区域的两个天线波束以MISO2*1的通信方式进行信号的发射。
在执行完步骤(5.1)，即获得最佳发射波束束宽后，进一步执行步骤(5.2)，获取该节点装置发送波束的最佳频率。
(5.2)确定节点装置阵列天线发送信息波束的最佳功率。节点的发射功率采用自适应功率传输，根据辅助数据包获取当前节点剩余能量
Figure BDA0002858156260000121
进一步判断节点剩余能量是否低于节点工作能量阈值，具体有如下步骤：
(5.2.1)低于节点工作能量阈值时：若当前节点剩余能量低于节点可工作能量阈值，则令节点发射功率为0，即不进行信号的发送处理。
(5.2.2)高于节点工作能量阈值时：若当前节点剩余能量可支撑节点继续工作，则计算出当前节点发送信息至下一跳节点的最小发射功率：为使接收端能够顺利接收到信息，信噪比需要满足不小于信噪比阈值，即
Figure BDA0002858156260000122
根据自由空间广播模型，得出最小发送功率Pmin为：
Figure BDA0002858156260000131
其中，Pn为有效噪声最小干扰功率；L表示系统的链路损耗；Gr和Gt为发送节点和接收节点天线的增益；d为本节点到下一跳节点之间的距离；ht hr分别为发送节点和接收节点的天线高度。
在执行完步骤(5.2)，即获得最佳发射功率后，进一步执行步骤(5.3)，获取该节点装置发送波束的最佳频率。
(5.3)确定节点装置阵列天线发送信息波束的最佳频率。根据辅助数据包中条件字段第三字节判断当前节点可用的频率信息，具体有如下步骤：
(5.3.1)若该字节信息为F1，则天线采用F1频率发送信息。
(5.3.2)若该字节信息为F2，则天线采用F2频率发送信息。
至此，全部完成了步骤(5)中所述利用天线控制单元中控制算法获去天线最佳发射模式的执行过程。
本发明提出一种控制算法，该控制算法是基于实施例7中节点装置工作方法步骤(1)-(4)基础上实现的。该控制算法能够调整当前节点发射波束的束宽、方位。具体是首先确定下一跳节点距离当前节点的相对位置，从而得到下一跳节点位于阵列天线定向波束的哪个覆盖子区域，然后选定覆盖该子区域的定向天线波束来传输信息。该控制算法能够确定发射波束的最佳功率，具体是依据自由空间广播模型获得接收端可稳定接收信息的最小发射功率，该最小发射功率即为阵列天线定向发送波束的最佳功率。本发明的该控制算法能够确定发射波束的最佳频率，具体是通过判断与其余节点发射信号频率不一致的当前节点可用频率，令其为阵列天线定向发射波束的最佳频率。本发明的该控制算法结构简单，通俗易懂且易于执行，通过利用该算法分别确定了一体化感知节点装置定向发射信号波束的束宽、功率、频率，进一步为本节点装置实现以最佳天线发射模式发送信号奠定了基础。
本发明的节点装置，其各个集成单元采用模块化设计，使该节点装置具有集成性、可操作性，在便于维修人员维修网络基础设备的同时，为该基础设备日后增加其余特殊功能提供可扩展性。本发明还提供了该节点装置的工作方法，说明各单元的各个模块之间是如何协同合作以改变天线发送定向波束的束宽、功率、频率，从而实现节点装置之间的定向数据发送，降低节点链路间的信道间同频干扰，在保证链路稳定程度的同时以最小发射功率发送数据信息，降低了节点能量损耗从而提高了组网节点装置的生存能力，进一步完成了对于自组网多跳传输性能的提升。
实施例9：
下面总体叙述整个发明内容：
一体化感知节点装置的总体构成同实施例1-8。
本发明首先是一种一体化感知节点装置，包括如下单元：
(1)一体化路由单元：参考图2，图2是本节点装置一体化路由单元结构示意图。该单元中设有定时器模块，用于周期性地驱动路由信息存储模块更新路由表中路径信息，辅助信息提取模块在来自路由信息存储模块的路由表中提取所需辅助信息，并将获得的辅助信息通过辅助数据包产生模块中的辅助数据包传送至信息处理单元。
(2)信息处理单元：参考图3，图3是本节点装置信息处理单元结构示意图。该单元中设置有冗余处理模块，与阵列天线单元双向连接处理以来自阵列天线的冗余数据包提交至上一层-网络层，并与数据接口双向连接以对来自数据接口的上一层数据信息进行打包处理并插入频率冗余标签后转发阵列天线单元；冗余标签处理模块与冗余处理模块双向链接，根据从阵列天线接收到的其它节点的发射频率信息生成/更新频率冗余标签，分别将其传送至冗余处理模块和辅助信息处理模块；辅助信息处理模块接收来自一体化路由单元的辅助数据包并对其进行更新处理，最后将更新后的辅助数据包转发至天线控制单元做进一步处理。
(3)天线控制单元：参考图4，图4是本节点装置天线控制单元结构示意图。该单元中数值处理模块与信息处理单元中辅助信息处理模块双向连接，提取来自信息处理单元辅助数据包中的辅助信息，根据本发明的控制算法确定阵列天线发射信号波束的最佳发射束宽、功率、频率，在控制信号产生模块中产生天线控制信号发送至阵列天线单元。
(4)阵列天线单元：该单元中阵列天线接收来自天线控制单元天线控制信号，依据该天线控制信号令阵列天线调整自身发射信号波束的束宽、功率、频率至控制信号中的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，按照该信号发射模式发送待发送冗余数据包，以实现节点装置间数据的接收和发送。
本发明还是一种一体化感知节点装置的工作方法，该工作方法基于本发明的一体化感知节点装置，其各单元协同合作以控制自身阵列天线定向发送波束的模式，本实施例提及的当前节点、下一跳节点等所有节点都是一体化感知节点装置。工作方法具体包括有如下步骤：
步骤一：判断当前节点是否处于活跃状态：根据当前节点是否需要向其余节点发送数据信息判断当前节点是否处于活跃状态，若当前节点并未处于活跃状态，则重新返回执行步骤一，再次进入活跃状态的判断。否则，即当前节点处于活跃状态时，则执行步骤二。
步骤二：利用一体化路由单元提取辅助信息，并将其转发至信息处理单元：当前节点中的一体化路由单元中的辅助信息提取模块基于来自路由信息存储模块提供的网络路由表，提取如下辅助信息：下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量，并将这些辅助信息通过辅助数据包转发至信息处理单元。然后，继续执行步骤三。
步骤三：利用信息处理单元更新辅助数据包，并将其转发至天线控制单元：当前节点信息处理单元冗余标签产生模块根据来自冗余数据包处理模块的上一跳节点频率冗余标签获得上一跳节点的发送频率信息，选取与该上一跳节点频率不一致的频率作为当前节点可用频率，并将其封装在当前节点的频率冗余标签中后传送至辅助信息提取模块，辅助信息处理模块更新辅助数据包中的当前节点可用频率信息后，将辅助数据包转发至天线控制单元。然后，继续执行步骤四。
步骤四：天线控制单元提取辅助数据包序列号，判断是否为最新数据消息：利用当前节点天线控制单元中数值处理模块提取从信息处理单元接收到的辅助数据包的序列号，对比辅助数据包序列号与天线控制单元中记录的上一次接收到辅助数据包的序列号，若接收到的辅助数据包序列号小于单元记录的上次接收辅助数据包序列号的大小，则该消息比前一次到达的消息旧，则返回步骤一继续等待最新辅助数据包，重新判断节点活跃状态。否则，即接收到的辅助数据包为最新辅助数据包，则进一步执行步骤五。
步骤五：天线控制单元数值处理模块计算天线定向发射波束的最佳模式：首先天线控制单元中数值处理模块需要在来自信息处理单元的最新辅助数据包中提取出如下辅助信息：下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量信息、当前节点可用频率信息。然后，执行以下步骤获取天线定向发射波束的最佳模式：
(5.1)确定当前节点天线定向发射波束的最佳束宽、方位：设定节点装置阵列天线划分为8个天线定向发射波束方向，则其波束覆盖范围可划分为8个覆盖子区域。参见图9，图9是阵列天线结构示意图及其各定向天线的波束方向示意图。天线波束覆盖区域进一步又可被划分为绝对子区域和相对子区域：绝对子区域是指在某一定向天线发射波束可覆盖的绝对区域内，本实施例中将绝对子区域范围的夹角设置为30°，覆盖该绝对子区域的定向天线发射波束的夹角设置为45°；相对子区域是指在某两个响铃定向天线发射波束可能重叠覆盖的相对区域内，本实施例中将相对子区域范围的夹角设置为15°，覆盖该相对子区域的定向天线发射波束的夹角设置为90°；然后，判断下一跳节点位于当前节点定向天线波束的哪一个覆盖区域：
若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某一定向天线覆盖的绝对子区域中时，则采用覆盖该绝对子区域的天线波束进行信号的发射。
若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某两个相邻定向天线重叠覆盖形成的相对子区域中时，则采用覆盖该相对子区域的两个定向天线波束以MISO2*1的通信方式进行信号的发射。
最终确定发射波束的定向天线不同，则定向发射波束的束宽、方位也不同。在执行完步骤(5.1)，即获得天线定向发射波束的最佳束宽、方位后，进一步执行步骤(5.2)，获取当前节点天线定向发射波束的最佳功率。
(5.2)确定当前节点阵列天线定向发射波束的最佳功率：本实例中节点的发射功率采用自适应功率传输。首先基于在最新辅助数据包中提取的辅助信息，获取当前节点剩余能量
Figure BDA0002858156260000161
然后，判断当前节点剩余能量是否低于节点工作能量阈值Eth：
若当前节点剩余能量
Figure BDA0002858156260000162
低于节点可工作能量阈值Eth，则令当前节点发射功率为0，即不进行信号的发送处理，以避免当前节点频繁被使用造成的节点过早死亡。
若当前节点剩余能量
Figure BDA0002858156260000163
不低于节点可工作能量阈值Eth，即当前节点剩余能量可支撑节点继续工作，则根据如下过程计算出当前节点发送波束信号到下一节点的最小能量值：为使接收端能够顺利接收到信号，收发端之间链路的信噪比需要满足不小于信噪比阈值，即
Figure BDA0002858156260000171
根据自由空间广播模型，可以得出当前节点在保障链路稳定的前提下可以设置的最小发送功率Pmin为：
Figure BDA0002858156260000172
该最小发送功率即为当前节点的最佳发射功率。其中，Pn为有效噪声最小干扰功率；L表示系统的链路损耗；Gr和Gt为发送节点和接收节点天线的增益；d为本节点到下一跳节点之间的距离；ht hr分别为发送节点和接收节点的天线高度。
在执行完步骤(5.2)，即获得最佳发射功率后，进一步执行步骤(5.3)，获取当前节点定向发射波束的最佳频率。
(5.3)确定当前节点阵列天线定向发射波束的最佳频率：根据辅助数据包中条件字段第三字节判断当前节点可用的频率信息：
若该字节信息为F1，则天线采用F1频率发送信息。
若该字节信息为F2，则天线采用F2频率发送信息。
至此，全部完成了步骤五中所述利用天线控制单元数值处理模块计算天线定向发射波束的最佳模式的全部过程。将获得的当前节点天线定向发射波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率三个参数发送至控制信号产生模块。然后，进一步执行步骤六。
步骤六：天线控制单元控制信号产生模块产生天线控制信号：天线控制单元控制信号产生模块根据从数值处理模块获得的最佳束宽、最佳功率、最佳频率这三个参数共同构成天线控制信号，并将其发送至阵列天线单元。然后，进一步执行步骤七。
步骤七：阵列天线单元根据天线控制信号调整天线定向发射波束模式：阵列单元单元，即阵列天线根据从天线控制单元控制信号产生模块获得的天线控制信号，调整自身天线定向发射波束的束宽、功率、频率至最佳，采用该最佳束宽、最佳功率、最佳频率的天线定向发射波束模式，将来自信息处理单元的待发送冗余数据包发送至下一跳节点，至此，当前节点，即一体化感知节点装置，完成了一次信息数据的发送。
步骤八：销毁旧的天线控制信号，等待下一个天线控制信号的来临：阵列天线完成此次信息数据的发送后，销毁已经被使用过的旧的天线控制信号，清空自身发送信息的状态后返回至步骤(1)，重新判断节点的活跃状态，若节点仍需要发送数据信息，则会重新收到新的天线控制信号。
简而言之，本发明的一体化感知节点装置及其工作方法，用于无线自组网通信系统中，主要解决自组织网络多跳传输性能受损严重的问题。
该节点装置包括：一体化路由单元、信息处理单元、天线控制单元、阵列天线单元，阵列天线单元作为本节点装置的发送端和接收端，接收来自其余节点的数据信息，与信息处理单元双向数据交互，还接收来自天线控制单元的天线控制信号；信息处理单元和天线控制单元双向数据交互，接收来自一体化路由单元的辅助数据包信息，还与数据接口双向数据交互，并通过数据接口传输数据信息至上一层。
本发明提供的节点装置工作方法，实现包括：判断当前节点是否处于活跃状态；利用一体化路由单元提取辅助信息，并将其转发至信息处理单元；利用信息处理单元更新辅助数据包，并将其转发至天线控制单元；天线控制单元提取辅助数据包序列号，判断是否为最新数据消息，即判断辅助数据包的新鲜程度；天线控制单元数值处理模块计算天线定向发射波束的最佳模式；天线控制单元控制信号产生模块产生天线控制信号；阵列天线单元根据天线控制信号调整天线定向发射波束模式；销毁旧的天线控制信号，等待下一个天线控制信号的来临。
本发明解决了自组织网络多跳传输性能受损严重的问题。本发明节点装置的阵列天线单元作为发射端和接收端，与信息处理单元双向数据交互，并接收天线控制单元的天线控制信号；信息处理单元和天线控制单元、数据接口双向数据交互，更新来自一体化路由单元的辅助数据包，且通过数据接口传输信息至上一层。本发明令各单元共同协作以调整天线定向发送波束束宽、功率、频率至天线控制单元数值处理模块控制算法计算获得的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，达到降低维修成本、增强链路稳定程度、降低组网节点能耗的目的，进一步实现自组网通信多跳传输性能的提升，用于无线自组网通信系统中。
以上所述仅为本申请的优选实例而已，并不限制于本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，比如发射波束束宽可以考虑为波束赋形技术、发射波束频率可扩展为多频切换、阵列天线划分的定向发射波束方向依据具体使用情况的增加等等。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种一体化感知节点装置，具有数据发送和接收部分，具有对数据发送和接收的实时控制部分，其特征在于，发射端和接收端共存于阵列天线单元中，对发送和接收的实时控制部分包括一体化路由单元、信息处理单元、天线控制单元；其中，阵列天线单元作为一体化感知节点装置的第一个数据入口，与信息处理单元双向连接以实现节点间数据的接收和发送，并根据天线控制单元的天线控制信号完成对天线发射模式的调整；信息处理单元与数据接口双向连接，用于将接收数据包进行冗余处理后上传或根据待发送数据信息产生冗余数据包转发至阵列天线单元，并更新来自一体化路由单元的辅助数据包；天线控制单元与信息处理单元双向连接，根据天线控制单元中的控制算法确定阵列天线定向发射波束的最佳发射模式，同时产生天线控制信号发送至阵列天线单元。
2.根据权利要求1所述的一体化感知节点装置，其特征在于，每一个构成单元均是一个独立的集成单元，所有集成单元协同合作以实现对于天线定向发射波束束宽、功率、频率的控制，对各单元及各单元包括的基础模块分述如下：
(1)一体化路由单元：基于该单元存储的网络路由表，提取出所需辅助信息，并将这些辅助信息通过辅助数据包传送至信息处理单元；
(2)信息处理单元：用于产生待发送冗余数据包和更新辅助数据包，且对来自阵列天线单元的数据信息进行冗余处理后将其通过数据接口转发至上一层；
(3)天线控制单元：用于根据该单元中的控制算法提取辅助数据包中的辅助信息，以确定阵列天线定向发射波束的最佳发射模式，然后产生天线控制信号发送至阵列天线单元；
(4)阵列天线单元：用于实现节点间数据的接收和发送，并根据天线控制信号，令阵列天线调整自身发射波束的束宽、功率、频率至最佳，按照该最佳发射模式发送待发送冗余数据包；
所述一体化路由单元，按照信息传输方向依次连接有定时器模块、路由信息存储模块、辅助信息提取模块、辅助数据包产生模块，具体分述如下：
定时器模块：用于周期性地驱动路由信息存储模块，以催动路由机制实现网络路由表的信息更新；
路由信息存储模块：用于生成并存储网络路由表，并把生成的路由表信息发送给辅助信息提取模块；
辅助信息提取模块：用于提取路由表中的辅助信息：即下一跳节点的位置信息、当前节点剩余能量信息，并将提取的辅助信息发送给辅助数据包产生模块；
辅助数据包产生模块：基于从辅助信息提取模块收到的辅助信息来生成/更新辅助数据包，并将更新后的辅助数据包发送至信息处理单元；
所述信息处理单元，按照信息传输方向依次连接有冗余处理模块、冗余标签产生模块、辅助信息处理模块，具体分述如下：
冗余处理模块：用于对来自数据接口的上一层数据信息打包生成冗余数据包，并将当前节点的频率冗余标签插入至该冗余数据包后，将其作为待发送冗余数据包发送至阵列天线单元；对来自阵列天线单元接收到的冗余数据包，去除冗余数据包中的上一跳节点频率冗余标签后传输至上一层——网络层。
冗余标签产生模块：用于根据从冗余处理模块接收到的上一跳节点的频率冗余标签判断当前节点可用频率，从而生成当前节点的频率冗余标签，并将其分别传输至冗余处理模块与辅助信息处理模块。
辅助信息处理模块：用于根据来自冗余标签产生模块的频率冗余标签更新辅助数据包中的当前节点可用频率信息，并将更新后的辅助数据包转发至天线控制单元。
所述天线控制单元，按照信息传输方向依次连接有数值处理模块、控制信号产生模块，具体分述如下：
数值处理模块：基于来自信息处理单元的辅助数据包中的辅助信息结合相应控制算法，判断出如下参数：阵列天线发射波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并将上述三个参数转发至控制信号产生模块；
控制信号产生模块：基于从数值处理模块接收到的三个参数共同产生相应的天线控制信号传输，并将其发送至阵列天线，使得阵列天线可调整自身定向发射天线模式为最佳发射模式。
3.根据权利要求1所述的一体化感知节点装置，其特征在于，一体化路由单元位于网络层；信息处理单元位于链路层，且在媒质接入子层之上；天线控制单元位于链路层，且在媒质接入子层之上；阵列天线单元位于物理层，控制节点间数据的发送与接收。
4.根据权利要求2所述的一体化感知节点装置，其特征在于，一体化路由单元路由信息存储模块中存储的网络路由表，包括：
目的节点IP地址：其长度为4字节，用于记录目的节点的IP地址；
源节点IP地址：其长度为4字节，用于记录源节点的IP地址；
目的节点序列号：其长度为4字节，用于记录目的节点的序列号；
下一跳节点：其长度为8字节，用于记录下一跳节点的位置；
先驱列表：其长度为8字节，用于存储上游邻居节点信息；
当前节点状态信息字段：用于更新记录当前节点的剩余能量信息；
填充域：其长度为16字节，预留出需添加的其它功能性信息。
5.根据权利要求2所述的一体化感知节点装置，其特征在于，一体化路由单元辅助数据包产生模块中生成的辅助数据包，包括：
类型域：其长度为1字节，用来标识辅助数据包的类型；
序号域：其长度为2字节，用于区分辅助数据包的新鲜程度，节点装置初始化时，序号域字段置为0，每次更新时将字段模216加1处理；
条件域：其长度为6字节，均分为3个字，其中1字＝2字节＝16位。第一个字用于存储下一跳节点的位置信息；第二个字用于存储当前节点的剩余能量信息；第三个字用于存储当前可用的频率信息，装置初始化时该字节置零。
6.根据权利要求2所述的一体化节点感知装置，其特征在于，信息处理单元冗余标签产生模块中生成的频率冗余标签，包括：
频率域：其长度为2字节，用来表明节点装置天线发送波束的频率信息，其根据从阵列天线上接收到的冗余数据包中摘除的上一跳节点的频率冗余标签，得知上一跳节点的使用频率以判断并记录当前节点可用频率信息；
序号域：其长度为2字节，用于标识频率冗余标签的新鲜程度，信息处理单元每产生一个新的频率冗余标签，该序号字段模216加1。
7.一种一体化感知节点装置的工作方法，在权利要求1-6上所述的任一一体化感知节点装置上实现，具体是该装置各单元之间协作完成进行信号发射/转发时的工作流程，包括有以下步骤：
(1)判断当前节点活跃状态：根据本节点装置是否需要向其余节点发射/转发数据信息判断本节点是否处于活跃状态，即本节点装置的信息处理单元判断是否从数据接口收到待发送数据信息，若节点处于活跃状态，则执行步骤(2)；若节点处于不活跃状态，则反复执行步骤(1)；
(2)提取辅助信息，利用辅助数据包将其传送至信息处理单元：路由信息存储模块基于其自身存储的路由表信息，利用辅助信息提取模块提取所需辅助信息，并利用辅助数据包将这些辅助信息传送至信息处理单元，执行步骤(3)；
(3)更新辅助数据包，同时生成待发送冗余数据包：信息处理单元利用辅助信息处理模块更新辅助数据包中的当前节点可用频率信息，并将更新后的辅助数据包转发至天线控制单元；同时，信息处理单元将从数据接口接收到的上一层数据信息，利用冗余处理模块打包处理后插入频率冗余标签生成待发送冗余数据包，并将其转发至阵列天线单元，执行步骤(4)；
(4)判断辅助数据包新鲜程度：天线控制单元数值处理模块提取接收到的辅助数据包的序列号，以判断其是否为最新辅助数据消息，若数据包序列号小于单元记录的前一次接收到的辅助数据包序列号的大小，即该消息比前一次到达的消息旧、已经过期，则抛弃该信息，返回步骤(1)继续等待最新辅助数据包；否则，更新系统存储的辅助数据包序列号为当前序列号，并执行步骤(5)；
(5)依据控制算法判断天线定向发送波束的最佳模式：数值处理模块首先提取辅助数据包中的辅助信息，然后根据数值处理模块中的控制算法，计算获得当前节点天线定向发送波束的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，并将上述三个参数发送至控制信号产生模块，执行步骤(6)；
(6)产生天线控制信号发送至阵列天线：控制信号产生模块根据获得的最佳束宽、最佳功率、最佳频率共同构成天线定向发送波束最佳模式，产生相应天线控制信号并发送至阵列天线单元，执行步骤(7)；
(7)调整阵列天线发射模式，发送待发送冗余数据包：根据天线控制信号，阵列天线进一步调整自身发射信号波束的束宽、功率、频率至控制信号中的最佳束宽、最佳功率、最佳频率，按照该模式发送待发送冗余数据包，至此，该一体化感知节点装置完成一次信息数据的发射/转发；
(8)销毁接收到的旧天线控制信号，等待下一次任务的来临：阵列天线完成此次信息数据发射/转发任务后，销毁接收到的旧天线控制信号，清空状态后返回至步骤(1)，重新判断节点的活跃状态，若节点仍需要发送数据信息，则会重新收到新的天线控制信号。
8.根据权利要求7所述的一体化感知节点装置的工作方法，其特征在于，步骤(5)中所述的依据控制算法判断天线定向发送波束的最佳模式，具体包括如下步骤：
(5.1)确定当前节点天线定向发射波束的最佳束宽、方位：设定节点装置阵列天线划分为8个定向发射波束方向，其两两相邻定向波束覆盖区域间的夹角为45°，则其覆盖范围可划分为8个覆盖子区域。判断下一跳节点位于当前节点天线定向发射波束的具体覆盖区域：
(5.1.1)若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某一定向波束覆盖的绝对子区域中时，则采用覆盖该绝对子区域的天线波束进行信号的发射；
(5.1.2)若下一跳节点的方向位置位于阵列天线中某两个相邻定向波束重叠覆盖形成的相对子区域中时，则采用覆盖该相对子区域的两个天线波束以MISO 2*1的通信方式进行信号的发射；
在执行完步骤(5.1)，即获得最佳发射波束束宽后，进一步执行步骤(5.2)；
(5.2)确定当前节点阵列天线定向发射波束的最佳功率：节点的发射功率采用自适应功率传输，首先须根据辅助数据包获取当前节点剩余能量
Figure FDA0002858156250000053
判断当前节点剩余能量是否低于节点工作能量阈值Eth：
(5.2.1)若当前节点剩余能量
Figure FDA0002858156250000054
低于节点可工作能量阈值Eth，则令节点发射功率为0，即不进行信号的发送处理；
(5.2.2)若当前节点剩余能量
Figure FDA0002858156250000052
不低于节点可工作能量阈值Eth，即当前节点剩余能量可支撑节点继续工作，则计算出当前节点发送信息至下一跳节点的最小发射功率：为使接收端能够顺利接收到信息，信噪比需要满足不小于信噪比阈值，即
Figure FDA0002858156250000051
根据自由空间广播模型，得出最小发送功率Pmin为：
Figure FDA0002858156250000061
该最小发送功率即为当前节点的最佳发射功率。其中，Pn为有效噪声最小干扰功率；L表示系统的链路损耗；Gr和Gt为发送节点和接收节点天线的增益；d为本节点到下一跳节点之间的距离；ht hr分别为发送节点和接收节点的天线高度；
在执行完步骤(5.2)，即获得最佳发射功率后，进一步执行步骤(5.3)；
(5.3)确定当前节点阵列天线定向发射波束的最佳频率：根据辅助数据包中条件字段第三字节判断当前节点可用的频率信息：
(5.3.1)若该字节信息为F1，则天线采用F1频率发送信息；
(5.3.2)若该字节信息为F2，则天线采用F2频率发送信息。
至此，全部完成了权利要求7中步骤(5)所述依据控制算法判断天线定向发送波束的最佳模式的执行过程。
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