CN114222311A - 一种多面相控阵雷达通信定向波束组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多面相控阵雷达通信定向波束组网系统和方法，在现有四面相控阵雷达系统工作机制下，采用同频时分方式，利用部分多面相控阵系统辅阵面及部分多面相控阵系统主阵面与感知任务分时占用时间资源，发射定向窄波束通信信号，完成群组节点间数据通信组网，以达成多节点通过高速率、高带宽、低时延的数据传输进行实时数据共享感知、同步分析以及高效数据通信的目。
Description
技术领域
本发明属于雷达共享数据感知及无线通信交叉技术领域，具体涉及一种多功能四面相控阵雷达移动通信的定向波束组网系统和方法。
背景技术
国内的某些特殊场景使用的移动多面相控阵雷达通信系统常以四个天线阵面固定装载于载具的四个方向完成（90°×4）的360°全向覆盖，用以全方位的进行目标检测感知。任务需求下，除本节点完成感知分析工作外，还需要在通信共享群组内甚至群组间多节点间完成共享感知分析任务。
为达到群组节点间的共享感知分析目的，群组节点间需要建立无线数据链路进行数据互传共享。通常会在节点上装载专有通信设备，将本节点传感器感知数据、分析结果发送至群组其它节点进行数据汇聚，达成信息共享目的。或者在不装载专有通信设备情况下，将本节点传感器感知数据、分析结果数据调制在传感器射频波束里发送至群组其它节点进行数据汇聚，达成信息共享目的。
多天线阵面传感器发射功率大接收增益高，跟踪目标多，担任的各种感知任务综合性强。这就要求群组各节点之间具备高速率、低时延的数据传输通道。
装载专有通信设备的解决方案，为避免传感器自身发射接收射频干扰，需要选择与传感器工作频率不同的频段工作，并以全向覆盖方式与其它节点通信完成数据传输，这样出现在区域内的无线射频频率较多，不利于任务区域内的无线频谱静默管理，比较容易被干扰、被侦测。如果选择与传感器工作频率一致的频段进行通信，由于传感器是定向全方位扫描工作，极易产生感知与通信的频率互扰。并且由于通信系统与感知系统分离，资源不易协调，可靠性、利用率都比较低。
如果使用不装载专用通信设备的方案，采用感知与通信共用波形的方式，则数据链路带宽有限，能够传输的数据率较低。对于多天线传感器感知这样的大数据量交换汇聚，共享数据分析的系统网络，难以达到预期。另外，传感器感知任务与数据通信业务工作机制差异导致数据通信可用资源有限，不能满足高速率、低时延的数据传输需求。
发明内容
本发明目的在于实现一种多面相控阵雷达通信定向波束组网系统和方法，在现有四面相控阵雷达系统工作机制下，采用同频时分方式，利用部分多面相控阵系统辅阵面及部分多面相控阵系统主阵面与感知任务分时占用时间资源，发射定向窄波束通信信号，完成群组节点间数据通信组网，以达成多节点通过高速率、高带宽、低时延的数据传输进行实时数据共享感知、同步分析以及高效数据通信的目的。
系统组网中，考虑单簇存在10个通信节点，每个节点具备四个天线阵面，每阵面提供一个可捷变定向10°窄波束，可捷变指向范围是90°范围内、或120°范围内。节点均为TDMA同步通信系统，全网同步时钟参考北斗时钟输入。
以节点指向方向为参考，左前天线阵面定义为阵面1，则顺时针方向依次为阵面2、阵面3、阵面4。如图1所示，以系统基准时钟T时刻为参考点，T~（T+X ms）是阵面1、3的通信周期窗口，这个周期内阵面1、3进行通信。与此同时，阵面2、4处于感知状态。（T+Xms）~(T+100ms) 是阵面2、4的通信周期窗口，这个周期内阵面2、4进行通信。与此同时，阵面1、3处于感知状态。相背阵面由于背波干扰问题，需要保持同收同发。其中，X取值范围由感知与通信任务需求灵活配置划分，默认50ms：50ms。在此100ms工作周期内，感知与通信任务分别占用时间资源进行分时工作，达到避免同频干扰问题。
为使群组各节点间能够保持工作同步且系统通信及感知资源规律可控，系统设计为T时刻以及T+n×100ms，为通信工作周期开始时刻。
本系统网络是网络节点数量较小、系统时延要求极为敏感、网络拓扑变化急剧（100ms感知通信调度周期）、且同一时刻无全向无线资源的网络。需要针对系统特性设计专有的先验式表驱动路由协议，节点之间需要周期性地交换各种控制信息，通过分布式计算来更新和建立自己的网络拓扑图。
遵循上述系统设计约束条件，各节点按阵面的覆盖方向、分时进行多跳通信。如图2所示，按照不同调度周期内的节点间拓扑关系和路由连接情况考虑，在（T，T+50ms）的通信周期内，阵面1、3进行通信，将这个周期内的通信定义为路由域A；在（T+50ms，T+100ms）的通信周期内，阵面2、4进行通信，将这个周期内的通信定义为路由域B。为区别分析这两种通信周期，我们把阵面1、3通信的50ms定义为奇数通信窗口，阵面2、4通信的50ms定义为偶数通信窗口。
每个节点在入网后，先从本地一体化调度模块获取本节点位置及运动方向信息，通过广播控制消息向邻节点通告，全网每个节点都需要周期性的广播通告自己的拓扑信息和路由信息。在邻居发现过程中，节点分别遵循路由域A和路由域B的周期，标定本节点与邻居节点的拓扑关系、路由信息，维护两套路由信息表。在业务数据传输过程中，系统资源分配协议模块会根据源节点、下一跳、目的节点信息，在路由域A和路由域B的路由表中，分别选取一条最佳路径，遵循路由域A和路由域B的时序，调取对应的路由信息表项，逐段完成业务资源的协商占用，进行数据传输。双路由域的路由数据创建生成过程如图3所示：
在此机制下，同一数据流从源节点到目的节点传输，不同路由域经过的路由不同，跳数、时延均不相同。需要经过从源节点到目的节点的分段、串接——添加重组标签——传输——删除标签——数据重组过程。
本发明的关键技术点是：
1、四面阵多天线传感器感知与通信同频时分工作方式的资源划分及全网节点感知及通信调度周期同步机制设计。
2、通信周期内，遵循四面阵多天线传感器感知与通信同频时分工作方式的资源划分及全网节点感知与通信调度周期同步机制，双路由域网络切换工作方式设计。
3、双路由域工作方式下，群组节点通过定向窄波束完成邻节点发现进行感知与通信共享网络建立流程。
4、多节点互通链路分布在双域路由情况下，在同一时刻的互通路由选择。
本发明涉及的一种多面相控阵雷达通信定向波束组网系统，包括：多天线传感器节点、一体化调度模块、高速数据传输及调制解调模块、网络管理模块；每个节点具备多个天线阵面，在传感器主阵面中选取部分辅阵面，作为通信用天线，即通信辅阵天线，提供一个可捷变定向窄波束；通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块，完成基础无线通信功能；多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块；传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块。
可捷变定向窄波束为可捷变定向10°窄波束，可捷变指向范围是90°范围内、或120°范围内。
节点均为TDMA同步通信系统，全网同步时钟参考北斗时钟输入。
为使群组各节点间能够保持工作同步且系统通信及感知资源规律可控，系统设计为T时刻以及T+n×100ms，为通信工作周期开始时刻。
当每个节点具备四个天线阵面时，以节点指向方向为参考，左前天线阵面定义为阵面1，则顺时针方向依次为阵面2、阵面3、阵面4，定义一个感知与通信调度周期为100ms。如图1所示，以系统基准时钟T时刻为参考点，T~（T+X ms）是阵面1、3的通信周期窗口，这个周期内阵面1、3进行通信。与此同时，阵面2、4处于感知状态。（T+Xms）~(T+100ms) 是阵面2、4的通信周期窗口，这个周期内阵面2、4进行通信。与此同时，阵面1、3处于感知状态。
相背阵面由于背波干扰问题，需要保持同收同发。其中，X取值范围由感知与通信任务需求灵活配置划分，默认感知50ms：通信50ms。在此100ms工作周期内，感知与通信任务分别占用时间资源进行分时工作，达到避免同频干扰问题。
本发明涉及的一种多面相控阵雷达通信定向波束组网方法，步骤如下：
步骤1、节点传感器感知与通信共用天线阵面，感知与通信占用不同的天线阵面阵列。
步骤1.1、在传感器阵面中选取部分阵列，作为通信用天线，即通信辅阵天线。
步骤1.2、通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块完成基础无线通信功能。
步骤1.3、与多个通信辅阵天线连接的多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块。
步骤1.4、传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块。
步骤1.5、对通信辅阵天线进行时分调度以及节点间控制消息交互、共享数据传输。
步骤2、节点传感器感知任务与通信任务采用时分方式占用不同时间周期，避免感知射频与通信射频的相互干扰。
步骤2.1、一体化调度模块编制感知任务与通信任务的工作时间周期，控制感知与通信的工作时序。
步骤2.2、感知任务根据任务需求遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成节点间感知协同。
步骤2.3、网络管理模块根据通信业务需求完成网络内节点间系统资源协商，制定通信工作时序上报一体化调度模块，遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成通信数据共享。
步骤3、适应四面阵天线系统感知与通信调度约束的双域路由划分
按照阵面的通信方向和时间窗口，将系统网络划分成两个域：阵面1、3方向的通信周期定义为路由域A，阵面2、4的通信周期定义为路由域B。节点通过阵面波束作为网络接口，通过轮询进行节点间的分组控制消息交互，在各自的覆盖方向和通信时间内分别构建两张网络，路由协议过程产生的所有数据结构表，使用Domain ID做路由域区分。MAC层按照路由域切换时序，分别调用这两张网络生成的节点路由表，完成系统资源分配和业务传输调度。
见图5，实际传输过程中，可能存在以上情况：即节点1与节点2通过路由域A进行通信，节点2与节点3通过路由域B进行通信，此时节点1中的路由表是没有节点3路由信息的，节点1无法与节点3进行通信。
要解决上述问题，实现方案是在转发TC消息的时候，对不同路由域的TC消息也进行转发，从而计算路由信息的时候包含不同路由域的路由条目。跨路由域的路由信息，由于传输时存在延时，需要先缓存到本地，等待路由域切换以后再进行转发，因此计算路由时对于跨域路由路径代价要设置一定的惩罚值，使路由选择时优先选择本域的路由条目。
步骤4、获取本地节点信息并广播
每个节点在入网后，先从本地一体化调度模块获取本节点位置及运动方向信息，通过广播控制消息向邻节点通告，全网每个节点都需要周期性的广播通告自己的拓扑信息和路由信息。
步骤5、通信射频采用定向窄波束指向，完成节点间的邻居发现、拓扑维护、网络建立过程。使用定向波束感知邻居节点，完成N次检测控制消息交互进行邻居节点有效性确认。使用多路径转发节点（MPR）选举机制，确定拓扑控制消息的扩散转发路径。利用扩散的拓扑控制消息，节点间协同计算生成节点本地拓扑信息表项，路由信息表项。节点轮询进行控制消息交互，以便完成充分的邻节点感知发现，窄波束通信网络建立过程如下图4所示：
步骤5.1、节点间通过感知信息获取全网其它节点先验信息，网络管理模块根据先验信息通过一体化调度模块控制天线阵面发送指向波束向邻节点完成邻节点侦测。
步骤5.2、邻节点互相侦测完成邻节点发现及有效邻节点确认过程。
在邻居发现过程中，节点分别遵循路由域A和路由域B的周期，标定本节点与邻居节点的拓扑关系、路由信息，维护两套路由信息表。
步骤5.3、全网邻节点间进行重要转发邻节点推举，通过重要转发邻节点做拓扑信息的转发及洪泛抑制，并由全网节点协同完成拓扑数据、路由数据的建立。
步骤5.4、通过周期性执行以上过程，进行全网拓扑的更新维护、节点间路由信息的维护，确保网络的健壮稳定。
其中，各路由域中路由表项选取原则及路由度量方法为：无线多跳网络的性能依赖于路由协议的有效性。路由协议的重要组成部分是路由度量（Routing Metric）。由于路由度量首先考虑路径的质量然后决定最优的端到端路径。路由度量起着关键作用来实现所需的性能。为了使设计的路由度量能够提升网络性能，反映网络状态，需要考虑以下因素：
（1）、路径长度（跳数）：较多的跳数会增加端到端的延时和减少流的吞吐量，因此路由度量应保证路径权重值随着路径长度的增大而增大。
（2）、链路容量：随着节点间距离的增大，链路容量下降。应权衡路径长度和链路容量的关系。
（3）、丢包率：重传会影响使用该链路的流的吞吐量和延时，因此路由度量必须反映链路的包丢失率。
（4）、干扰：无线网络中的邻居节点共享带宽。路由度量应该能够同时反映流内干扰和流间干扰。流间干扰表示不同数据流之间的干扰；流内干扰表示同一个数据流中相邻节点间的干扰。
（5）、无环路由：无线多跳网络中的路由度量需要保证在计算路由的时候不会形成环路。
（6）、资源消耗：能量消耗是各种无线网络设计中的一个重要考虑因素。在这种网络中，系统资源生存期（空闲释放）限制了网络中节点的传输能力。在路由协议中，如果选择的路径中含有不可靠链路，即存在资源繁忙的转发节点，它将会产生较大的延时由于较高的重传率，最终导致系统资源的耗尽。部分节点的资源能力耗尽也会影响网络的连通性。
多径路由切换和修复方法为：
（1）路由切换
当采用逐跳转发的方式传输业务的时候就不存在路由切换的问题，因为逐跳转发本身就是路由协议根据网络状况更新路由表，数据包根据目的地址查询路由表进行转发。当采用多径源路由传输业务的时候，源节点需要根据拓扑的变化情况，及时更新源路由信息。多径计算模块需要根据网络拓扑的变化重新计算源到目的的多条路径，并把计算的多路径信息返回给路由切换模块。路由切换模块把此返回的路径信息和当前正在使用的路径作对比，进一步决定是否进行路由切换。当多径计算模块返回的路径和当前正在使用的路径不相同时，则要进行路径切换。
（2）路由修复
当采用单径逐跳转发的时候，不存在路由修复的问题，因为每个节点根据自己感知的拓扑变化情况更新路由表，数据包根据目的地址查表转发。当采用多径源路由转发的时候，由于数据包转发经过的中间节点是在源节点已经确定的，数据包根据携带的源路由信息进行转发，所以当数据包到达中间节点后，网络拓扑可能已经变化，携带的路径信息可能已经过时，不适应当前的网络拓扑。这时，当前中间节点就会向源节点回复目的节点不可达，源路由失败的 ICMP 报文。为了减少数据包的重发进而增加网络负载，提高网络的可靠性，当数据包携带的源路由信息失效的时候，我们根据数据包的目的地址，查询路由表，采用查表逐跳转发的方式。因为中间节点能够比源节点更快的感知拓扑变化情况从而更快的更新路由，逐跳转发能够更快的适应网络拓扑的变化，具有更强的自适应性。
步骤6、网络管理模块控制通信射频以定向窄波束空分方式，达成系统资源（时隙）的复用。在业务数据传输过程中，系统资源分配协议模块会根据源节点、下一跳、目的节点信息，在路由域A和路由域B的路由表中，分别选取一条最佳路径，遵循路由域A和路由域B的时序，调取对应的路由信息表项，逐段完成业务资源的协商占用，进行数据传输。
步骤6.1、首先，本系统是多节点对等网络，节点间组网存在多跳链路，那么在多跳网络中节点两跳之外的时隙复用是不会产生资源冲突的，可有效提高信道利用率，增大网络吞吐量。因此，系统资源分配过程中，设计支持两跳外时隙重复使用。
步骤6.2、由于系统的网络节点是依据全网探测通信调度周期同步工作的，因此同一节点不同的路由域是工作在两个时间段内，因此时隙资源可复用，不会产生冲突，不同路由域的时隙号可以被重复申请。
步骤6.3、同一节点相同路由域内，不同的阵面是不同的发射接收方向，因此时隙资源也应该支持空分复用。但系统阵面存在限制条件，即定向波束的背波干扰，因此限制同一时隙内，相背阵面不能做到任意复用，必须保持同收同发。
步骤6.4、为实现这一空分复用原则，在一个阵面方向的时隙分配过程中标记该时隙的收发状态，同时在相背阵面的对应时隙，参照标记收发状态。即已分配的时隙状态会影响相背阵面时隙的使用状态，需参照已分配的收发状态进行分配使用。
本发明的有益效果是：
本发明可以使多节点的群组之间，通过同频段的定向窄波束完成自组织网络的建立，建网过程及通信过程有效降低被干扰、被侦测概率；系统工作过程有效降低网络系统内感知任务与通信任务的同频干扰问题；同时配合高速率传输调制解调以及高效系统资源分配机制，为群组节点间提供实时可更新的高速率、高带宽、低时延的数据传输通道，达成节点间高速数据共享感知及分析的目的。
附图说明
图1 感知通信调度周期划分
图2 路由域划分
图3 双路由域网络路由数据建立产生过程
图4 双路由域网络建立过程
图5 跨域路由通信的情形
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明涉及的一种多面相控阵雷达通信定向波束组网系统，包括：多天线传感器节点、一体化调度模块、高速数据传输及调制解调模块、网络管理模块；每个节点具备多个天线阵面，在传感器主阵面中选取部分辅阵面，作为通信用天线，即通信辅阵天线，提供一个可捷变定向窄波束；通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块，完成基础无线通信功能；多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块；传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块。
可捷变定向窄波束为可捷变定向10°窄波束，可捷变指向范围是90°范围内、或120°范围内。
节点均为TDMA同步通信系统，全网同步时钟参考北斗时钟输入。
当每个节点具备四个天线阵面时，以节点指向方向为参考，左前天线阵面定义为阵面1，则顺时针方向依次为阵面2、阵面3、阵面4，定义一个感知与通信调度周期为100ms。如图1所示，以系统基准时钟T时刻为参考点，T~（T+X ms）是阵面1、3的通信周期窗口，这个周期内阵面1、3进行通信。与此同时，阵面2、4处于感知状态。（T+Xms）~(T+100ms) 是阵面2、4的通信周期窗口，这个周期内阵面2、4进行通信。与此同时，阵面1、3处于感知状态。
相背阵面由于背波干扰问题，需要保持同收同发。其中，X取值范围由感知与通信任务需求灵活配置划分，默认感知50ms：通信50ms。在此100ms工作周期内，感知与通信任务分别占用时间资源进行分时工作，达到避免同频干扰问题。
为使群组各节点间能够保持工作同步且系统通信及感知资源规律可控，系统设计为T时刻以及T+n×100ms，为通信工作周期开始时刻。
本发明涉及的一种多面相控阵雷达通信定向波束组网方法，步骤如下：
步骤1、节点传感器感知与通信共用天线阵面，感知与通信占用不同的天线阵面阵列。
步骤1.1、在传感器阵面中选取部分阵列，作为通信用天线，即通信辅阵天线。
步骤1.2、通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块完成基础无线通信功能。
步骤1.3、与多个通信辅阵天线连接的多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块。
步骤1.4、传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块。
步骤1.5、对通信辅阵天线进行时分调度以及节点间控制消息交互、共享数据传输。
步骤2、节点传感器感知任务与通信任务采用时分方式占用不同时间周期，避免感知射频与通信射频的相互干扰。
步骤2.1、一体化调度模块编制感知任务与通信任务的工作时间周期，控制感知与通信的工作时序。
步骤2.2、感知任务根据任务需求遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成节点间感知协同。
步骤2.3、网络管理模块根据通信业务需求完成网络内节点间系统资源协商，制定通信工作时序上报一体化调度模块，遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成通信数据共享。
步骤3、适应四面阵天线系统感知与通信调度约束的双域路由划分
按照阵面的通信方向和时间窗口，将系统网络划分成两个域：阵面1、3方向的通信周期定义为路由域A，阵面2、4的通信周期定义为路由域B。节点通过阵面波束作为网络接口，通过轮询进行节点间的分组控制消息交互，在各自的覆盖方向和通信时间内分别构建两张网络，路由协议过程产生的所有数据结构表，使用Domain ID做路由域区分。MAC层按照路由域切换时序，分别调用这两张网络生成的节点路由表，完成系统资源分配和业务传输调度。
见图5，实际传输过程中，可能存在以上情况：即节点1与节点2通过路由域A进行通信，节点2与节点3通过路由域B进行通信，此时节点1中的路由表是没有节点3路由信息的，节点1无法与节点3进行通信。
要解决上述问题，实现方案是在转发TC消息的时候，对不同路由域的TC消息也进行转发，从而计算路由信息的时候包含不同路由域的路由条目。跨路由域的路由信息，由于传输时存在延时，需要先缓存到本地，等待路由域切换以后再进行转发，因此计算路由时对于跨域路由路径代价要设置一定的惩罚值，使路由选择时优先选择本域的路由条目。
步骤4、获取本地节点信息并广播
每个节点在入网后，先从本地一体化调度模块获取本节点位置及运动方向信息，通过广播控制消息向邻节点通告，全网每个节点都需要周期性的广播通告自己的拓扑信息和路由信息。
步骤5、通信射频采用定向窄波束指向，完成节点间的邻居发现、拓扑维护、网络建立过程。使用定向波束感知邻居节点，完成3次检测控制消息交互进行邻居节点有效性确认。使用多路径转发节点（MPR）选举机制，确定拓扑控制消息的扩散转发路径。利用扩散的拓扑控制消息，节点间协同计算生成节点本地拓扑信息表项，路由信息表项。节点轮询进行控制消息交互，以便完成充分的邻节点感知发现，窄波束通信网络建立过程如下图4所示：
步骤5.1、节点间通过感知信息获取全网其它节点先验信息，网络管理模块根据先验信息通过一体化调度模块控制天线阵面发送指向波束向邻节点完成邻节点侦测。
步骤5.2、邻节点互相侦测完成邻节点发现及有效邻节点确认过程。
在邻居发现过程中，节点分别遵循路由域A和路由域B的周期，标定本节点与邻居节点的拓扑关系、路由信息，维护两套路由信息表。
步骤5.3、全网邻节点间进行重要转发邻节点推举，通过重要转发邻节点做拓扑信息的转发及洪泛抑制，并由全网节点协同完成拓扑数据、路由数据的建立。
步骤5.4、通过周期性执行以上过程，进行全网拓扑的更新维护、节点间路由信息的维护，确保网络的健壮稳定。
其中，各路由域中路由表项选取原则及路由度量方法为：无线多跳网络的性能依赖于路由协议的有效性。路由协议的重要组成部分是路由度量（Routing Metric）。由于路由度量首先考虑路径的质量然后决定最优的端到端路径。路由度量起着关键作用来实现所需的性能。为了使设计的路由度量能够提升网络性能，反映网络状态，需要考虑以下因素：
（1）、路径长度（跳数）：较多的跳数会增加端到端的延时和减少流的吞吐量，因此路由度量应保证路径权重值随着路径长度的增大而增大。
（2）、链路容量：随着节点间距离的增大，链路容量下降。应权衡路径长度和链路容量的关系。
（3）、丢包率：重传会影响使用该链路的流的吞吐量和延时，因此路由度量必须反映链路的包丢失率。
（4）、干扰：无线网络中的邻居节点共享带宽。路由度量应该能够同时反映流内干扰和流间干扰。流间干扰表示不同数据流之间的干扰；流内干扰表示同一个数据流中相邻节点间的干扰。
（5）、无环路由：无线多跳网络中的路由度量需要保证在计算路由的时候不会形成环路。
（6）、资源消耗：能量消耗是各种无线网络设计中的一个重要考虑因素。在这种网络中，系统资源生存期（空闲释放）限制了网络中节点的传输能力。在路由协议中，如果选择的路径中含有不可靠链路，即存在资源繁忙的转发节点，它将会产生较大的延时由于较高的重传率，最终导致系统资源的耗尽。部分节点的资源能力耗尽也会影响网络的连通性。
多径路由切换和修复方法为：
（1）路由切换
当采用逐跳转发的方式传输业务的时候就不存在路由切换的问题，因为逐跳转发本身就是路由协议根据网络状况更新路由表，数据包根据目的地址查询路由表进行转发。当采用多径源路由传输业务的时候，源节点需要根据拓扑的变化情况，及时更新源路由信息。多径计算模块需要根据网络拓扑的变化重新计算源到目的的多条路径，并把计算的多路径信息返回给路由切换模块。路由切换模块把此返回的路径信息和当前正在使用的路径作对比，进一步决定是否进行路由切换。当多径计算模块返回的路径和当前正在使用的路径不相同时，则要进行路径切换。
（2）路由修复
当采用单径逐跳转发的时候，不存在路由修复的问题，因为每个节点根据自己感知的拓扑变化情况更新路由表，数据包根据目的地址查表转发。当采用多径源路由转发的时候，由于数据包转发经过的中间节点是在源节点已经确定的，数据包根据携带的源路由信息进行转发，所以当数据包到达中间节点后，网络拓扑可能已经变化，携带的路径信息可能已经过时，不适应当前的网络拓扑。这时，当前中间节点就会向源节点回复目的节点不可达，源路由失败的 ICMP 报文。为了减少数据包的重发进而增加网络负载，提高网络的可靠性，当数据包携带的源路由信息失效的时候，我们根据数据包的目的地址，查询路由表，采用查表逐跳转发的方式。因为中间节点能够比源节点更快的感知拓扑变化情况从而更快的更新路由，逐跳转发能够更快的适应网络拓扑的变化，具有更强的自适应性。
步骤6、网络管理模块控制通信射频以定向窄波束空分方式，达成系统资源（时隙）的复用。在业务数据传输过程中，系统资源分配协议模块会根据源节点、下一跳、目的节点信息，在路由域A和路由域B的路由表中，分别选取一条最佳路径，遵循路由域A和路由域B的时序，调取对应的路由信息表项，逐段完成业务资源的协商占用，进行数据传输。
步骤6.1、首先，本系统是多节点对等网络，节点间组网存在多跳链路，那么在多跳网络中节点两跳之外的时隙复用是不会产生资源冲突的，可有效提高信道利用率，增大网络吞吐量。因此，系统资源分配过程中，设计支持两跳外时隙重复使用。
步骤6.2、由于系统的网络节点是依据全网探测通信调度周期同步工作的，因此同一节点不同的路由域是工作在两个时间段内，因此时隙资源可复用，不会产生冲突，不同路由域的时隙号可以被重复申请。
步骤6.3、同一节点相同路由域内，不同的阵面是不同的发射接收方向，因此时隙资源也应该支持空分复用。但系统阵面存在限制条件，即定向波束的背波干扰，因此限制同一时隙内，相背阵面不能做到任意复用，必须保持同收同发。
步骤6.4、为实现这一空分复用原则，在一个阵面方向的时隙分配过程中标记该时隙的收发状态，同时在相背阵面的对应时隙，参照标记收发状态。即已分配的时隙状态会影响相背阵面时隙的使用状态，需参照已分配的收发状态进行分配使用。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种多面相控阵雷达通信定向波束组网系统，其特征在于，该系统包括：多天线传感器节点、一体化调度模块、高速数据传输及调制解调模块、网络管理模块；每个节点具备多个天线阵面，在传感器主阵面中选取部分辅阵面，作为通信用天线，即通信辅阵天线，提供一个可捷变定向窄波束；通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块，完成基础无线通信功能；多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块；传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，可捷变定向窄波束为可捷变定向10°窄波束，可捷变指向范围是90°范围内、或120°范围内；节点均为TDMA同步通信系统，全网同步时钟参考北斗时钟输入；为使群组各节点间能够保持工作同步且系统通信及感知资源规律可控，系统设计为T时刻以及T+n×100ms，为通信工作周期开始时刻。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当每个节点具备四个天线阵面时，以节点指向方向为参考，左前天线阵面定义为阵面1，则顺时针方向依次为阵面2、阵面3、阵面4，定义一个感知与通信调度周期为100ms；以系统基准时钟T时刻为参考点，T~（T+X ms）是阵面1、3的通信周期窗口，这个周期内阵面1、3进行通信；与此同时，阵面2、4处于感知状态；（T+Xms）~(T+100ms) 是阵面2、4的通信周期窗口，这个周期内阵面2、4进行通信；与此同时，阵面1、3处于感知状态；相背阵面由于背波干扰问题，需要保持同收同发；其中，X取值范围由感知与通信任务需求灵活配置划分，默认感知50ms：通信50ms；在此100ms工作周期内，感知与通信任务分别占用时间资源进行分时工作，达到避免同频干扰问题。
4.一种多面相控阵雷达通信定向波束组网方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤1、节点传感器感知与通信共用天线阵面，感知与通信占用不同的天线阵面阵列；
步骤2、节点传感器感知任务与通信任务采用时分方式占用不同时间周期，避免感知射频与通信射频的相互干扰；
步骤3、适应四面阵天线系统感知与通信调度约束的双域路由划分
按照阵面的通信方向和时间窗口，将系统网络划分成两个域：阵面1、3方向的通信周期定义为路由域A，阵面2、4的通信周期定义为路由域B；节点通过阵面波束作为网络接口，通过轮询进行节点间的分组控制消息交互，在各自的覆盖方向和通信时间内分别构建两张网络，路由协议过程产生的所有数据结构表，使用Domain ID做路由域区分；MAC层按照路由域切换时序，分别调用这两张网络生成的节点路由表，完成系统资源分配和业务传输调度；
步骤4、获取本地节点信息并广播
每个节点在入网后，先从本地一体化调度模块获取本节点位置及运动方向信息，通过广播控制消息向邻节点通告，全网每个节点都需要周期性的广播通告自己的拓扑信息和路由信息；
步骤5、通信射频采用定向窄波束指向，完成节点间的邻居发现、拓扑维护、网络建立过程；使用定向波束感知邻居节点，完成N次检测控制消息交互进行邻居节点有效性确认；使用多路径转发节点选举机制，确定拓扑控制消息的扩散转发路径；利用扩散的拓扑控制消息，节点间协同计算生成节点本地拓扑信息表项，路由信息表项；节点轮询进行控制消息交互，以便完成充分的邻节点感知发现；
步骤6、网络管理模块控制通信射频以定向窄波束空分方式，达成系统资源的复用；在业务数据传输过程中，系统资源分配协议模块会根据源节点、下一跳、目的节点信息，在路由域A和路由域B的路由表中，分别选取一条最佳路径，遵循路由域A和路由域B的时序，调取对应的路由信息表项，逐段完成业务资源的协商占用，进行数据传输。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1、在传感器阵面中选取部分阵列，作为通信用天线，即通信辅阵天线；
步骤1.2、通信辅阵天线后端连接高速数据传输及调制解调模块完成基础无线通信功能；
步骤1.3、与多个通信辅阵天线连接的多个高速数据传输及调制解调模块接入网络管理模块；
步骤1.4、传感器阵面连接波束赋形模块，与网络管理模块共同受控于感知与通信一体化调度模块；
步骤1.5、对通信辅阵天线进行时分调度以及节点间控制消息交互、共享数据传输。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2具体为：
步骤2.1、一体化调度模块编制感知任务与通信任务的工作时间周期，控制感知与通信的工作时序；
步骤2.2、感知任务根据任务需求遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成节点间感知协同；
步骤2.3、网络管理模块根据通信业务需求完成网络内节点间系统资源协商，制定通信工作时序上报一体化调度模块，遵循一体化调度模块制定的工作时序策略完成通信数据共享。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5具体为：
步骤5.1、节点间通过感知信息获取全网其它节点先验信息，网络管理模块根据先验信息通过一体化调度模块控制天线阵面发送指向波束向邻节点完成邻节点侦测；
步骤5.2、邻节点互相侦测完成邻节点发现及有效邻节点确认过程；
在邻居发现过程中，节点分别遵循路由域A和路由域B的周期，标定本节点与邻居节点的拓扑关系、路由信息，维护两套路由信息表；
步骤5.3、全网邻节点间进行重要转发邻节点推举，通过重要转发邻节点做拓扑信息的转发及洪泛抑制，并由全网节点协同完成拓扑数据、路由数据的建立；
步骤5.4、通过周期性执行以上过程，进行全网拓扑的更新维护、节点间路由信息的维护，确保网络的健壮稳定。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中，各路由域中路由表项选取原则及路由度量方法为：无线多跳网络的性能依赖于路由协议的有效性；路由协议的重要组成部分是路由度量；由于路由度量首先考虑路径的质量然后决定最优的端到端路径；路由度量起着关键作用来实现所需的性能；为了使设计的路由度量能够提升网络性能，反映网络状态，需要考虑以下因素：
（1）、路径长度，即跳数：较多的跳数会增加端到端的延时和减少流的吞吐量，因此路由度量应保证路径权重值随着路径长度的增大而增大；
（2）、链路容量：随着节点间距离的增大，链路容量下降；应权衡路径长度和链路容量的关系；
（3）、丢包率：重传会影响使用该链路的流的吞吐量和延时，因此路由度量必须反映链路的包丢失率；
（4）、干扰：无线网络中的邻居节点共享带宽；路由度量应该能够同时反映流内干扰和流间干扰；流间干扰表示不同数据流之间的干扰；流内干扰表示同一个数据流中相邻节点间的干扰；
（5）、无环路由：无线多跳网络中的路由度量需要保证在计算路由的时候不会形成环路；
（6）、资源消耗：能量消耗是各种无线网络设计中的一个重要考虑因素；在这种网络中，系统资源生存期限制了网络中节点的传输能力；在路由协议中，如果选择的路径中含有不可靠链路，即存在资源繁忙的转发节点，它将会产生较大的延时由于较高的重传率，最终导致系统资源的耗尽；部分节点的资源能力耗尽也会影响网络的连通性。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中，多径路由切换和修复方法为：
（1）路由切换
当采用逐跳转发的方式传输业务的时候就不存在路由切换的问题，因为逐跳转发本身就是路由协议根据网络状况更新路由表，数据包根据目的地址查询路由表进行转发；当采用多径源路由传输业务的时候，源节点需要根据拓扑的变化情况，及时更新源路由信息；多径计算模块需要根据网络拓扑的变化重新计算源到目的的多条路径，并把计算的多路径信息返回给路由切换模块；路由切换模块把此返回的路径信息和当前正在使用的路径作对比，进一步决定是否进行路由切换；当多径计算模块返回的路径和当前正在使用的路径不相同时，则要进行路径切换；
（2）路由修复
当采用单径逐跳转发的时候，不存在路由修复的问题，因为每个节点根据自己感知的拓扑变化情况更新路由表，数据包根据目的地址查表转发；当采用多径源路由转发的时候，由于数据包转发经过的中间节点是在源节点已经确定的，数据包根据携带的源路由信息进行转发，所以当数据包到达中间节点后，网络拓扑可能已经变化，携带的路径信息可能已经过时，不适应当前的网络拓扑；这时，当前中间节点就会向源节点回复目的节点不可达，源路由失败的 ICMP 报文；为了减少数据包的重发进而增加网络负载，提高网络的可靠性，当数据包携带的源路由信息失效的时候，我们根据数据包的目的地址，查询路由表，采用查表逐跳转发的方式；因为中间节点能够比源节点更快的感知拓扑变化情况从而更快的更新路由，逐跳转发能够更快的适应网络拓扑的变化，具有更强的自适应性。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6具体为：步骤6.1、首先，本系统是多节点对等网络，节点间组网存在多跳链路，那么在多跳网络中节点两跳之外的时隙复用是不会产生资源冲突的，可有效提高信道利用率，增大网络吞吐量；因此，系统资源分配过程中，设计支持两跳外时隙重复使用；
步骤6.2、由于系统的网络节点是依据全网探测通信调度周期同步工作的，因此同一节点不同的路由域是工作在两个时间段内，因此时隙资源可复用，不会产生冲突，不同路由域的时隙号可以被重复申请；
步骤6.3、同一节点相同路由域内，不同的阵面是不同的发射接收方向，因此时隙资源也应该支持空分复用；但系统阵面存在限制条件，即定向波束的背波干扰，因此限制同一时隙内，相背阵面不能做到任意复用，必须保持同收同发；
步骤6.4、为实现这一空分复用原则，在一个阵面方向的时隙分配过程中标记该时隙的收发状态，同时在相背阵面的对应时隙，参照标记收发状态；即已分配的时隙状态会影响相背阵面时隙的使用状态，需参照已分配的收发状态进行分配使用。
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2021
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