CN115334489B - 一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，在网节点通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，主动发送用于邻居发现的广播信号；待入网节点通过数字阵列天线在天线覆盖区域内的形成密集全景波束覆盖，监听在网节点发送的广播信号，接收到在网节点的广播信号后，与该在网节点进行握手交互，完成握手交互后，将节点状态变更为在网节点。待入网节点通过数字阵列天线形成空间密集全景波束覆盖，将定向天线邻居发现的双端扫描搜索降低为单端扫描搜索，在不影响平台隐身能力以及系统抗截获、抗干扰能力的前提下，大大缩短了邻居发现时间。

Description

一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信领域，涉及一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法。
背景技术
传统无线通信网络，通过固定的网络基站执行用户接入、用户数据转发等操作。移动互联网就是典型的传统无线通信网络。此类无线通信网络，对于人口相对密集的地区，可以通过大量建设基站以供正常通信，而对于偏远地区或者在紧急救援情景下时，可能会由于没有基站的覆盖，导致通信困难，在空间上限制了信息传播。
无线自组织网络是一种无中心的自组织网络，不需要物理基站，而是各主机相互连通，主机即可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势。在物联网、无线城市、智能家居、机器人通讯、紧急救援时快速构建通讯网络等应用场景都有着极大的发展前景。
基于全向天线的无线自组织网络，各个节点均采用全向辐射的天线，在进行邻居发现时，各个节点只需要在时隙和频率上匹配，即可进行信息交互，无需考虑天线空间的定向特性，但是各个节点的发射信号在全空域覆盖，既不利于节点的隐身，也不利于提升节点间的通信速率。
利用高增益定向天线进行空中高机动节点的无线自组网，可以提升空中节点的隐身能力、抗截获能力、抗干扰能力，并通过天线波束的高增益提升节点间的通信速率。但是高增益窄波束同时给网络的初始建立带来难题，两个节点需要通过空中扫描搜索对方以建立链路，当双端节点都采用高增益窄波束时，需要搜索的波位数量成平方关系增长，特别对于高机动空中节点的自组织网络，节点的高机动特性给波束调度带来了更多难题，因此，在设计波位搜索策略时还需要考虑节点的机动飞行带来的影响，避免节点邻居发现时间过长，影响网络的建立时间。
发明内容
针对现有基于高增益窄波束天线的定向自组织网络在无线自组网的邻居发现阶段建链过程中，双端节点均需扫描大量空间波位，建链时间过长的问题，本发明提出一种基于数字阵列天线的高机动组网邻居发现方法，提升自组织网络的邻居发现效率，缩短网络建立时间，以适应高机动平台自组网时网络快速时变的场景需求。
一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，具备高机动特性的空基节点通过高增益的多波束相控阵天线进行自组网通信，每个节点同时与周围多个节点建立高速定向通信链路；
在网节点通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，主动发送用于邻居发现的广播信号，其中在网节点是指自组网中已经与其它平台节点建立连接的节点，或者在初始组网时主动发起邻居发现的节点；
待入网节点通过数字阵列天线在天线覆盖区域内的形成密集全景波束覆盖，监听在网节点发送的广播信号，接收到在网节点的广播信号后，与该在网节点进行握手交互，完成握手交互后，将节点状态变更为在网节点，其中待入网节点是指尚未与其它节点建立链接的节点。
进一步的，当在网节点的波束用于发送广播信号时，切换至特定工作频率，降低接收端对信号的捕获解调难度。
进一步的，广播信号采用直接序列扩频体制信号。
进一步的，待入网节点B与在网节点A的链路建立过程包括以下步骤：
步骤1，在网节点A通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，并在当前波位发送广播信号，并在该波位等待既定时间，若在既定等待时间内未接收到任何待入网节点的反馈信息，则进入下一波位，继续发送广播信号；
步骤2，待入网节点B接收到在网节点A的广播信号后，根据多个波束接收到的广播信号，通过和差波束测角进行波束到达角估计，定位在网节点A的空间位置；
步骤3，待入网节点B根据接收到的扩频体制广播信号，计算节点A和节点B之间的通信距离L1；
步骤4，待入网节点B根据广播信号中的发射波束EIRP值，结合自身接收天线增益，和接收到的信号强度，计算出信号的空间传输损耗，进而计算出节点A和节点B之间的估算距离L2；
步骤5，待入网节点B根据测量计算的通信距离L1和估算距离L2，判断接收到的广播信号是否为在网节点A的天线副瓣发出的信号；
若通信距离L1与估算距离L2的差值在设定阈值范围内，则该广播信号不是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=0；
若通信距离L1与估算距离L2的差值超出设定阈值范围，则该广播信号是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=1；
步骤6，待入网节点B调度发射波束指向在网节点A，发送反馈信息，并等待接收网节点A的确认信息；
步骤7，在网节点A接收到待入网节点B的反馈信息后，根据反馈信息中的天线副瓣发出标志确定是否调整发射波束指向；
若天线副瓣发出标志=0，则维持发射波束指向不变；
若天线副瓣发出标志=1，则解析反馈信息中的节点B位置信息，若反馈信息中携带有节点B的有效位置信息，则调整波束主瓣指向待入网节点B，并发送确认信息；若反馈信息中没有，则进入下一波位，继续发送广播信号；
步骤8，待入网节点B接收到确认信息后，将节点状态变更为在网节点，与在网节点A建立业务链路。
进一步的，广播信号中包含但不限于以下内容：节点编号、节点类型、节点运动速度、节点运动方向、节点时间基准参数、节点当前扫描波位编号、节点发射波束EIRP值、节点发射波束宽度。
进一步的，反馈信息中包含但不限于以下内容：在网节点编号、节点编号、节点类型、节点运动速度、节点运动方向、节点时间基准参数、节点发射波束EIRP值、节点发射波束宽度、天线副瓣发出标志。
进一步的，接收波束形状为梅花状空域覆盖，波束按照预设电平值重叠覆盖，7个梅花波束完成对广播信号波束到达角的精准估计。
本发明的有益效果：
1、基于本发明提出的基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，在网节点主动发送用于邻居发现的广播信号，待入网节点通过数字阵列天线形成空间密集全景波束覆盖，将定向天线邻居发现的双端扫描搜索降低为单端扫描搜索，在不影响平台隐身能力以及系统抗截获、抗干扰能力的前提下，大大缩短了邻居发现时间；
2、本发明在邻居广播信号采用直接序列扩频体制信号，支持测距功能，可在传输信息的同时进行节点间距离测量，用于消除天线副瓣对邻居发现的影响；
3、本发明设计的高增益窄波束下邻居发现的信息交互流程及交互内容，通过邻居发现过程中的信息交互，进一步提升邻居发现效率。
附图说明
图1为天线覆盖范围内的密集全景波束覆盖示意图；
图2为发射端空间扫描波位顺序图/接收端空间密集全景覆盖图；
图3为和差波束测角的梅花波束示意图；
图4为邻居发现交互流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，具备高机动特性的空基节点通过高增益的多波束相控阵天线进行自组网通信，每个节点同时与周围多个节点建立高速定向通信链路。
待入网节点B通过数字阵列天线在天线覆盖区域内形成密集全景波束覆盖，如图1所示。本实施例中，待入网节点B的天线可扫描覆盖±45°的锥形区域，高增益波束宽度为10°时，接收端需形成61个波束在覆盖区域内形成密集全景覆盖，如图2所示。
在网节点A通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，主动发送用于邻居发现的广播信号，其中在网节点是指自组网中已经与其它平台节点建立连接的节点，或者在初始组网时主动发起邻居发现的节点。
待入网节点的波束按照既定策略轮询扫描天线覆盖区域内的波位，搜寻在网节点发送的广播信号，接收到在网节点的广播信号后，与该在网节点进行握手交互，完成握手交互后，将节点状态变更为在网节点。
通过在网节点主动发送用于邻居发现的广播信号，待入网节点通过数字阵列天线形成空间密集全景波束覆盖，将定向天线邻居发现的双端扫描搜索降低为单端扫描搜索，在不影响平台隐身能力以及系统抗截获、抗干扰能力的前提下，大大缩短了邻居发现时间。
下面对待入网节点B与在网节点A的链路建立过程进行展开介绍。
1、在网节点A按照既定策略（例如按照图2所示的由中心向外的螺旋扫描策略）轮询扫描天线覆盖区域内的波位，发送广播信号，并在该波位等待既定时间，用于接收待入网节点B的反馈信息，若既定等待时间内未接收到任何待入网节点的反馈信息，则进入下一波位，继续发送广播信号。此处的既定时间根据节点间的最大通信距离设定，例如节点间最大通信距离为500km，则既定等待时间设定10ms。
当在网节点的波束用于发送广播信号时，切换至特定工作频率，使得接收端可以该特定工作频率下搜寻广播信号，降低接收端对信号的捕获解调难度。
本实施例中，参照表1，在网节点A发送的广播信号至少包括以下内容：节点A编号、节点A类型、节点A运动速度、节点A运动方向、节点A时间基准参数、节点A当前扫描波位编号、节点A发射波束EIRP值、节点A发射波束宽度。
EIRP值是卫星通信和无线网络中的重要参数之一，中文全称有效全向辐射功率，也称为等效全向辐射功率，是地球站或卫星的天线发送出的功率P和该天线增益G的乘积，即EIRP=P*G，表征了发送功率和天线增益的联合效果。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
2、待入网节点B通过数字阵列天线在天线覆盖区域内形成61个波位的密集全景波束覆盖，如图2所示，在全景波束覆盖区域内，只要在网节点A发射广播信号，待入网节点B就能够接收到。
数字阵列天线的每个天线阵元对应独立接收通道，每个通道下变频后进行A/D数字化，FPGA中采用数字波束形成，根据天线需要覆盖的空域范围和波束宽度，确定需要生成的接收波束数量N，实现天线接收覆盖区域的全景波束覆盖。此为现有技术，此处简单介绍，不做赘述。
待入网节点B接收到在网节点A的广播信号后，根据多个波束接收到的广播信号，通过和差波束测角进行波束到达角估计，定位在网节点A的空间位置，并标记接收到最强信号的接收波束编码。和差波束测角属于现有技术，此处亦不做赘述。
待入网节点B的波束形状优选梅花状进行空域覆盖，如图3所示，波束按照预设电平值重叠覆盖。通过多个和差波束对进行联合优化测角，提升角度估计精度，本实施例优选图3所示的7个梅花波束。
3、广播信号采用直接序列扩频体制信号，从而支持测距功能，待入网节点B根据接收到的广播信号，即可计算节点A和节点B之间的通信距离L1。
4、待入网节点B根据广播信号中的发射波束EIRP值，结合自身接收天线增益，和接收到的信号强度，计算出信号的空间传输损耗，再通过电磁波空间传输损耗公式计算出节点A和节点B之间的估算距离L2。
5、待入网节点B根据通信距离L1和估算距离L2，判断接收到的广播信号是否为在网节点A的天线副瓣发出的信号；
若通信距离L1与估算距离L2的差值在设定阈值范围内，则该广播信号不是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=0；
若通信距离L1与估算距离L2的差值超出设定阈值范围，则该广播信号是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=1；
6、待入网节点B调度发射波束指向在网节点A，发送反馈信息，并等待接收网节点A的确认信息。
本实施例中，参照表2，待入网节点B的反馈信息至少包含以下内容：在网节点A编号、节点B编号、节点B类型、节点B运动速度、节点B运动方向、节点B时间基准参数、节点B发射波束EIRP值、节点B发射波束宽度、天线副瓣发出标志。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE003
7、在网节点A接收到待入网节点B的反馈信息后，根据反馈信息中的天线副瓣发出标志确定是否调整发射波束指向；
若天线副瓣发出标志=0，则维持发射波束指向不变；
若天线副瓣发出标志=1，则解析反馈信息中的节点B位置信息，若反馈信息中携带有节点B的有效位置信息，则调整波束主瓣指向待入网节点B，并发送确认信息；若反馈信息中没有，则进入下一波位，继续发送广播信号。
本发明在邻居广播信号设计上支持测距功能，可在传输信息的同时进行节点间距离测量，用于消除天线副瓣对邻居发现的影响。
本实施例中，参照表3，确认信息至少包含以下内容：在网节点A编号、待入网节点B编号、确认完成邻居发现标志，其中确认完成邻居发现标志=1表示确认完成，确认完成邻居发现标志=0表示未完成。
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE005
8、待入网节点B接收到确认信息（确认完成邻居发现标志=1）后，将节点状态变更为在网节点，与在网节点A建立业务链路。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，具备高机动特性的空基节点通过高增益的多波束相控阵天线进行自组网通信，每个节点同时与周围多个节点建立高速定向通信链路，其特征在于，
在网节点通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，主动发送用于邻居发现的广播信号，其中在网节点是指自组网中已经与其它平台节点建立连接的节点，或者在初始组网时主动发起邻居发现的节点；
待入网节点通过数字阵列天线在天线覆盖区域内的形成密集全景波束覆盖，监听在网节点发送的广播信号，接收到在网节点的广播信号后，与该在网节点进行握手交互，完成握手交互后，将节点状态变更为在网节点，其中待入网节点是指尚未与其它节点建立链接的节点；
当在网节点的波束用于发送广播信号时，切换至特定工作频率，降低接收端对信号的捕获解调难度，广播信号采用直接序列扩频体制信号；
待入网节点B与在网节点A的链路建立过程包括以下步骤：
步骤1，在网节点A通过高增益定向波束按照既定规则扫描空间波位，并在当前波位发送广播信号，并在该波位等待既定时间，若在既定等待时间内未接收到任何待入网节点的反馈信息，则进入下一波位，继续发送广播信号；
步骤2，待入网节点B接收到在网节点A的广播信号后，根据多个波束接收到的广播信号，通过和差波束测角进行波束到达角估计，定位在网节点A的空间位置；
步骤3，待入网节点B根据接收到的扩频体制广播信号，计算节点A和节点B之间的通信距离L1；
步骤4，待入网节点B根据广播信号中的发射波束EIRP值，结合自身接收天线增益，和接收到的信号强度，计算出信号的空间传输损耗，进而计算出节点A和节点B之间的估算距离L2；
步骤5，待入网节点B根据测量得到的通信距离L1和估算距离L2，判断接收到的广播信号是否为在网节点A的天线副瓣发出的信号；
若通信距离L1与估算距离L2的差值在设定阈值范围内，则该广播信号不是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=0；
若通信距离L1与估算距离L2的差值超出设定阈值范围，则该广播信号是在网节点A的天线副瓣发出的信号，天线副瓣发出标志=1；
步骤6，待入网节点B调度发射波束指向在网节点A，发送反馈信息，并等待接收网节点A的确认信息；
步骤7，在网节点A接收到待入网节点B的反馈信息后，根据反馈信息中的天线副瓣发出标志确定是否调整发射波束指向；
若天线副瓣发出标志=0，则维持发射波束指向不变；
若天线副瓣发出标志=1，则解析反馈信息中的节点B位置信息，若反馈信息中携带有节点B的有效位置信息，则调整波束主瓣指向待入网节点B，并发送确认信息；若反馈信息中没有，则进入下一波位，继续发送广播信号；
步骤8，待入网节点B接收到确认信息后，将节点状态变更为在网节点，与在网节点A建立业务链路。
2.根据权利要求1所述的基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，其特征在于，广播信号中包含但不限于以下内容：节点编号、节点类型、节点运动速度、节点运动方向、节点时间基准参数、节点当前扫描波位编号、节点发射波束EIRP值、节点发射波束宽度。
3.根据权利要求1所述的基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，其特征在于，反馈信息中包含但不限于以下内容：在网节点编号、节点编号、节点类型、节点运动速度、节点运动方向、节点时间基准参数、节点发射波束EIRP值、节点发射波束宽度、天线副瓣发出标志。
4.根据权利要求1所述的基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，其特征在于，确认信息包含但不限于以下内容：在网节点编号、待入网节B编号、确认完成邻居发现标志，其中确认完成邻居发现标志=1表示确认完成，确认完成邻居发现标志=0表示未完成。
5.根据权利要求1所述的基于全景波束的高机动平台自组网邻居发现方法，其特征在于，接收波束为梅花状进行空域覆盖，波束按照预设电平值重叠覆盖。
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