CN113285793A - 一种基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法，具有全向天线和相控阵定向天线的中心节点同时对多个具有全向天线节点进行管控，按照中心节点和其他节点的业务需求情况分配时隙，实现按需分发数据和星状组网，中心节点通过相控阵定向天线与边缘节点平板定向天线进行大容量数据传输的同时，也能通过全向天线与边缘节点平板定向天线能够并行交互网络管理信息，实现业务数据与网络管理消息并发交互，以提高系统效率。本发明通过充分利用全向天线、相控阵定向天线、平板定向天线的优势，采用业务数据与网络管理消息并发交互的方式，能够有效降低系统的成本，减少管理时隙开销，提高系统效率。

Description

一种基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法

技术领域

本发明涉及时分多址(TDMA)网络动态管理应用技术领域，尤其是一种混合双工多址接入方法，涉及了多波束控制以及时分、空分和频分资源动态调整。

背景技术

基于定向通信的组网工作模式通常可以分为两类，分别是：锁链方式和TDMA方式。采用锁链式接入方法的节点一般采用机械扫描的平板定向天线，成员间的窄波束始终处于对准状态，连接关系固定，网络拓扑结构无法动态灵活地调整，成员间以频分全双工方式实现信息可靠传输。采用时分多址方式，需要成员间在指定的时间进行波束对准和数据传输，节点一般采用相控阵定向天线实现成员间快速的波束对准，能实现较复杂的网络拓扑，但为了维护网络拓扑，需要用部分时隙来传输网络管理类消息，影响网络的传输效率。为了支持更多的使用场景，通常采用阵面较小的半双工模式相控阵定向天线，定向通信系统的传输效率较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法，具有全向天线和相控阵定向天线的中心节点可以同时对多个具有全向天线节点进行管控，按照中心节点和其他节点的业务需求情况分配时隙，实现按需分发数据和星状组网(如图1所示)。中心节点通过相控阵定向天线与边缘节点平板定向天线进行大容量数据传输的同时，也能通过全向天线与边缘节点平板定向天线能够并行交互网络管理信息，实现业务数据与网络管理消息并发交互，以提高系统效率；同时该方案仅在中心节点采用相控阵定向天线，全系统成本也较低。

全网分为管理链路和数传链路两部分。管理链路采用全向对定向工作模式，中心节点通过全向天线接收汇聚边缘节点发送的管理消息(包括入网、网络运维消息)，并将决策信息通过全向天线下发给所有边缘节点，实现网络动态管控。数传链路采用定向对定向工作模式，中心节点根据各边缘节点业务需求，动态调整传输资源(波束资源、时隙资源)，分时与不同边缘节点间完成大容量数据传输。

全向天线具有覆盖范围广的优势，传输网络管理消息能保证全网互联互通；相控阵定向天线传输速率高，波束切换快，但只能以半双工方式工作；平板定向天线传输速率高，成本低，能够以全双供方式工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

[步骤1]：

建网阶段：为了提高覆盖范围，中心节点通过全向天线广播管理消息，管理消息包括分配的入网时隙信息和网络运维信息；边缘节点持续监听入网管理消息，解析入网管理消息后在入网时隙竞争接入中心网络，完成入网或迟入网，同时在接入过程中实现自动IP地址分配；

[步骤2]：

网络运行阶段：边缘节点完成入网后，按照更新的时隙表与中心节点不断交互管理和业务数据，边缘节点间交互业务数据通过中心节点转发；

全网的时隙分为固定分配时隙和动态分配时隙，固定分配时隙是建网前预先规划的，中心节点和边缘节点在固定时隙交互维护网络运行需要的管理信息、节点状态信息和业务请求信息；动态分配时隙是根据各节点业务请求动态计算，用于传输业务数据；

为了充分利用各类天线优势，系统在任意时隙工作在以下2种模式，模式A：在下行链路，中心节点相控阵定向天线定向发射，边缘节点平板定向天线定向接收；在上行链路，边缘节点平板定向天线发送，中心节点全向天线接收；模式B：在下行链路，中心节点全向天线发射，边缘节点平板定向天线定向接收；边缘节点平板定向天线定向发射，中心节点相控阵定向天线定向接收；

在网络运行的任意时隙，中心节点和边缘节点同时以模式A或者模式B的方式工作，使得上行链路和下行链路同时传输业务数据和管理消息，与传统的半双工TDMA工作模式比，提高了系统的工作效率。

在网络运行过程中，为了让多数边缘节点接收到网络管理消息，在M1时隙中，中心节点在下行链路按照图4的工作原理通过全向天线向所有边缘节点发送业务网络管理消息，网络管理消息分为两类：

一类是面向比特的管理消息，在链路层逐比特规定链路管理信息，以实现链路状态管理维护，链路管理信息包括链路状态、平台导航位置、上行链路速率值信息，通过周期性快速更新链路管理消息能够降低系统开销，并快速报告和响应链路变化；

另一类是基于IP的管理消息，运用不同的IP分组实现入网/退网、时隙分配、成员维护、中心节点切换、路由计算功能，基于IP的管理消息是按需触发，采用标准的IP格式封装和网络协议，能够与外网互联互通。为了高效传输大容量业务数据，在B1、B4时隙中，中心节点在下行链路根据时隙表通过相控阵定向天线向指定的边缘节点发送基于IP的业务数据；

中心节点在下行链路通过复接器将基于IP的管理消息和面向比特的管理消息组成混合管理消息数据包，经过编码调制后在M1时隙通过全向天线发送；基于IP的业务数据包经过编码调制后在B1、B4时隙通过定向天线发送。

[步骤3]

退网阶段：边缘节点拟退网时，向中心节点发起申请，中心节点接受退网申请后重新分配时隙，完成边缘节点退网；如果中心节点拟退网，则广播中心节点退网公告信息，完成退网。

所述时隙格式为上行链路时隙种类包括W1时隙、S3时隙、B1时隙、B3时隙和P3时隙，其时隙构成见图所示。W1时隙用于边缘节点进行入网，有大导频以便中心节点捕获到新的边缘节点，长度为1个标准时隙；S3时隙用于周期更新链路状态信息，长度为1/3个标准时隙；B1时隙用于传输大容量业务信息，长度为1个标准时隙；B3时隙用于快速响应数据传输业务，增加各成员传输机会，长度为1/3个标准时隙；P3时隙用于传输优先级业务消息，长度为1/3个标准时隙；W1、S3属于管理时隙，B1、B3、P3属于业务数据传输时隙；

所述时隙格式为下行链路数据都是中心节点发给全部或者任意边缘节点，时隙类型包括B1时隙、B4时隙和管理信息M1时隙，B1时隙用于传输大容量业务信息长度为1个标准时隙；B4时隙分为单播B4和广播B4时隙，长度均为1/4个标准时隙,单播B4时隙用于传输单播业务数据；广播B4时隙用于传输广播业务数据，采用轮询方式；M1时隙用于维护链路及网络状态，能够传输遥测、遥控信息，长度为1个标准时隙，M属于管理时隙，B1、B4属于业务数据传输时隙。

本发明的有益效果在于通过充分利用全向天线、相控阵定向天线、平板定向天线的优势，采用业务数据与网络管理消息并发交互的方式，能够有效降低系统的成本，减少管理时隙开销，提高系统效率。

附图说明

图1为本发明TDMA网络架构示意图。

图2为本发明上行链路时隙格式示意图。

图3为本发明下行链路时隙格式示意图。

图4为本发明下行链路结构示意图。

图5为本发明时隙功能和时隙分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具有全向天线和相控阵定向天线的中心节点可以同时对多个具有全向天线节点进行管控，按照中心节点和其他节点的业务需求情况分配时隙，实现按需分发数据和星状组网。该方法使得中心节点通过相控阵定向天线与边缘节点平板定向天线进行数据传输的同时，也能通过全向天线与边缘节点平板定向天线能够并行交互网络管理信息。全系统在工作过程中，即能够以类似半双工方式进行大容量数传，也能够以类似全双工方式实现上下行并发传输，避免网络管理开销对业务数据传输的影响。通过充分利用全向天线、相控阵定向天线、平板定向天线的优势，采用业务数据与网络管理消息并发交互的方式，能够有效降低系统的成本，减少管理时隙开销，提高系统效率。

图1为本发明原理示意图，展示系统整体工作原理。如图1所示，中心节点具有定向相控阵扫描天线和全向天线，其他节点具有定向机械扫描平板定向天线。全系统采用以TDMA为主的混合多址接入方式，系统支持以下2种工作模式，模式A：在下行链路，中心节点相控阵定向天线定向发射，边缘节点平板定向天线定向接收；在上行链路，边缘节点平板定向天线发送，中心节点全向天线接收；模式B：在下行链路，中心节点全向天线发射，边缘节点平板定向天线定向接收；边缘节点平板定向天线定向发射，中心节点相控阵定向天线定向接收。

图2和图3为本发明中上行和下行时隙资源格式示意图。

如图2所示，上行链路时隙种类包括W1时隙、S3时隙、B1时隙、B3时隙和P3时隙，其时隙构成如图2所示。W1时隙用于边缘节点进行入网，有大导频以便中心节点捕获到新的边缘节点；S3时隙用于周期更新链路状态信息；B1时隙用于传输大容量业务信息；B3时隙用于快速响应数据传输业务，增加各成员传输机会；P3时隙用于传输优先级业务消息。W1、S3属于管理时隙，B1、B3、P3属于业务数据传输时隙。

如图3所示，下行链路数据都是中心节点发给全部或者任意边缘节点。时隙类型包括B1时隙、B4时隙、和管理信息M1时隙。B1时隙用于传输大容量业务信息；B4时隙可以分为单播B4和广播B4时隙，单播B4时隙用于传输单播业务数据；广播B4时隙用于传输广播业务数据，采用轮询方式；M1时隙用于维护链路及网络状态，包括遥测、遥控信息。M属于管理时隙，B1、B4属于业务数据传输时隙。

图4为全网网络下行链路传输内容和架构，管理消息包括基于IP网络化消息和面向比特的管理消息，通过复接器组成管理消息。其中，网络化信道主要传输基于IP的管理消息，包括时隙分配表、网络成员维护、入网退网；面向比特的管理信道主要发送统计的物理层信道参数，以便能进行快速的链路维护，管理消息通过全向天线发送。下行链路网络化管理信道和面向比特的管理信道的带宽按照一定比例分配。

图5为全网时隙分配和时隙功能示意图，可作为时隙分配的示例。若干个时隙组成一个时元，每个时元至少固定包含一个入网时隙，每个时元中每隔若干时隙会固定分配M时隙用于中心节点广播管理消息，以及S3消息用于边缘节点上报状态信息，其余时隙为动态分配时隙，由中心节点根据用户的请求动态调整。

具体步骤如下：

[步骤1]：

建网阶段：为了提高覆盖范围，中心节点在M时隙通过全向天线广播入网管理消息，其中包含分配的入网时隙信息。边缘节点持续监听入网管理消息，解析入网管理消息后在入网时隙W1时隙竞争接入中心网络，完成入网或迟入网，同时在接入过程中实现自动IP地址分配。

[步骤2]：

网络运行阶段：边缘节点完成入网后，按照更新的时隙表与中心节点不断交互管理和业务数据，边缘节点间交互业务数据通过中心节点转发。

全网的时隙分为固定分配时隙和动态分配时隙。固定分配时隙是建网前预先规划的，中心节点和边缘节点在固定时隙交互网络运行必要的管理信息、节点状态信息和业务请求信息；动态分配时隙是根据各节点业务请求动态计算的。

在网络运行的任意时隙，中心节点和边缘节点均以模式A或者模式B的方式工作，使得上行链路和下行链路同时传输业务数据和管理消息，与传统的半双工TDMA工作模式比，提高了系统的工作效率。

如图5所示，系统在建网前规划了部分固定时隙(图中标记字母和虚线)，保障网络运行必要的管理信息的交互。在M时隙采用模式B方式：为了提高覆盖范围，中心节点在M时隙的下行链路通过全向天线广播网络管理消息，边缘节点通过定向天线在M时隙的下行链路接收中心节点发送的管理消息；同时为了提高传输速率，边缘节点通过定向平板定向天线在对应B3时隙的上行链路发送业务数据，中心节点运用定向相控阵定向天线在B3时隙的上行链路接收业务数据。在S3时隙采用模式A方式：边缘节点通过定向平板定向天线在已分配S3时隙的上行链路向中心节点定时发送心跳消息，报告边缘节点的状态管理信息，中心节点通过全向天线在S3时隙的上行链路接收边缘节点发送的心跳消息；同时中心节点运用定向相控阵定向天线在对应B4时隙的下行链路发送业务数据，边缘节点通过定向平板定向天线在B4时隙的下行链路接收业务数据。在W1时隙采用模式A：边缘节点通过定向平板定向天线在W1时隙的上行链路向中心节点定时发送入网请求消息，中心节点通过全向天线在W1时隙的上行链路接收边缘节点发送的入网请求消息；同时中心节点运用定向相控阵定向天线在对应B4时隙的下行链路发送业务数据，边缘节点通过定向平板定向天线在B4时隙的下行链路接收业务数据。其余的时隙都是动态分配时隙，中心节点根据边缘节点的业务请求动态更新分配时隙，必须以模式A或者模式B的方式分配时隙。

在网络运行过程中，中心节点通过全向天线向边缘节点发送的网络管理信息分为两类：

一类是面向比特的管理消息，主要实现链路状态管理维护，包括链路状态、平台导航位置、上行链路速率值信息的周期性快速更新，能够降低系统开销，快速报告和响应链路变化；

一类是基于IP的管理消息，实现入网/退网、时隙分配、成员维护、中心节点切换、路由计算功能，基于IP的管理消息主要是按需触发，采用标准的IP格式封装和网络协议，能够与外网互联互通。

中心节点在下行链路通过复接器将基于IP的管理消息和面向比特的管理消息组成混合管理消息数据包，经过编码调制后在M1时隙通过全向天线发送；基于IP的业务数据包经过编码调制后在B1、B4时隙通过定向天线发送。

[步骤3]

退网阶段：边缘节点拟退网时，向中心节点发起申请，中心节点接受退网申请后重新分配时隙，完成边缘节点退网。如果中心节点拟退网，则广播中心节点退网公告信息，完成退网。

Claims (3)

1.一种基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

[步骤1]：

建网阶段：中心节点通过全向天线广播管理消息，管理消息包括分配的入网时隙信息和网络运维信息；边缘节点持续监听入网管理消息，解析入网管理消息后在入网时隙竞争接入中心网络，完成入网或迟入网，同时在接入过程中实现自动IP地址分配；

[步骤2]：

网络运行阶段：边缘节点完成入网后，按照更新的时隙表与中心节点不断交互管理和业务数据，边缘节点间交互业务数据通过中心节点转发；

全网的时隙分为固定分配时隙和动态分配时隙，固定分配时隙是建网前预先规划的，中心节点和边缘节点在固定时隙交互维护网络运行需要的管理信息、节点状态信息和业务请求信息；动态分配时隙是根据各节点业务请求动态计算，用于传输业务数据；

系统在任意时隙工作在以下2种模式，模式A：在下行链路，中心节点相控阵定向天线定向发射，边缘节点平板定向天线定向接收；在上行链路，边缘节点平板定向天线发送，中心节点全向天线接收；模式B：在下行链路，中心节点全向天线发射，边缘节点平板定向天线定向接收；边缘节点平板定向天线定向发射，中心节点相控阵定向天线定向接收；

在网络运行的任意时隙，中心节点和边缘节点同时以模式A或者模式B的方式工作；

在网络运行过程中，为了让多数边缘节点接收到网络管理消息，在M1时隙中，中心节点在下行链路通过全向天线向所有边缘节点发送业务网络管理消息，网络管理消息分为两类：

一类是面向比特的管理消息，在链路层逐比特规定链路管理信息，以实现链路状态管理维护，链路管理信息包括链路状态、平台导航位置、上行链路速率值信息，通过周期性快速更新链路管理消息能够降低系统开销，并快速报告和响应链路变化；

另一类是基于IP的管理消息，运用不同的IP分组实现入网/退网、时隙分配、成员维护、中心节点切换、路由计算功能，基于IP的管理消息是按需触发，采用标准的IP格式封装和网络协议，能够与外网互联互通。为了高效传输大容量业务数据，在B1、B4时隙中，中心节点在下行链路根据时隙表通过相控阵定向天线向指定的边缘节点发送基于IP的业务数据；

中心节点在下行链路通过复接器将基于IP的管理消息和面向比特的管理消息组成混合管理消息数据包，经过编码调制后在M1时隙通过全向天线发送；基于IP的业务数据包经过编码调制后在B1、B4时隙通过定向天线发送；

[步骤3]

退网阶段：边缘节点拟退网时，向中心节点发起申请，中心节点接受退网申请后重新分配时隙，完成边缘节点退网；如果中心节点拟退网，则广播中心节点退网公告信息，完成退网。

2.根据权利要求1所述的基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法，其特征在于：

所述时隙格式为上行链路时隙种类包括W1时隙、S3时隙、B1时隙、B3时隙和P3时隙，其时隙构成见图所示。W1时隙用于边缘节点进行入网，有大导频以便中心节点捕获到新的边缘节点，长度为1个标准时隙；S3时隙用于周期更新链路状态信息，长度为1/3个标准时隙；B1时隙用于传输大容量业务信息，长度为1个标准时隙；B3时隙用于快速响应数据传输业务，增加各成员传输机会，长度为1/3个标准时隙；P3时隙用于传输优先级业务消息，长度为1/3个标准时隙；W1、S3属于管理时隙，B1、B3、P3属于业务数据传输时隙。

3.根据权利要求1所述的基于全向定向天线通信的混合双工多址接入方法，其特征在于：

所述时隙格式为下行链路数据都是中心节点发给全部或者任意边缘节点，时隙类型包括B1时隙、B4时隙和管理信息M1时隙，B1时隙用于传输大容量业务信息长度为1个标准时隙；B4时隙分为单播B4和广播B4时隙，长度均为1/4个标准时隙,单播B4时隙用于传输单播业务数据；广播B4时隙用于传输广播业务数据，采用轮询方式；M1时隙用于维护链路及网络状态，能够传输遥测、遥控信息，长度为1个标准时隙，M属于管理时隙，B1、B4属于业务数据传输时隙。

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