CN115361676A - 一种基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法，在网节点采用低副瓣高增益窄波束，按照既定规则扫描天线覆盖区域内的波位，主动发送用于邻居发现的广播信息；在网节点在发送广播信息过程中，采用距离渐进扩展的方式进行空间波束资源分配，待入网节点监听在网节点发送的广播信息，被动接收到在网节点的广播信息。在网节点采用低副瓣高增益窄波束天线发射邻居发现广播信息，待入网节点通过距离渐进扩展的方式的逐步扩展搜索区域，优先寻找近距离节点快速加入网络。

Description

一种基于波束宽度自适应调整的定向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，涉及一种基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法。
背景技术
无线自组织网络大多采用低频段的全向天线进行组网，各个节点在进行邻居发现时，只需要在设定的频率和时隙上发送入网请求信号，但是各个节点发射信号在全空域覆盖，造成发射能量的浪费，不利于提升节点间的通信速率。为了提升节点间的通信速率，国内外逐步采用高频段的定向天线来替代低频段全向天线，但定向天线的引入，给网络邻居发现带来困难。
对于节点位置相对固定的地面节点自组网，节点多采用扇区型定向天线，按照一定的方位进行搜索发现邻居节点。对于高机动空中平台的三维空间无线自组网，若采用全向天线，一是破坏了节点的隐身特性，二是限制了节点间的通信速率，因此多采用高频段高增益的定向波束天线进行组网。
空中节点的高机动性需要天线具备快速灵活的波束扫描跟踪能力，同时为提升节点的隐身能力，发射天线还需要具备低副瓣特性，相控阵天线具备波束快速跟踪、低副瓣加权的优点，且可同时形成多个波束，同时与空中多个节点进行组网。
此外，空中节点的高机动性也导致节点在空中的位置分布具备随机性，节点都处于最远通信距离的概率是极低的。因此，自组织网络的设计既要考虑适配节点间的最远通信距离，更要考虑节点近距离时如何进一步优化提升性能，特别在邻居发现阶段，如果按照最远通信距离进行波束的空间扫描搜索，则双端节点都需要高增益窄波束，且空中扫描波位数量巨大，邻居发现时间长，不利于网络的快速建立。
发明内容
针对现有技术采用高频段高增益窄波束相控阵天线进行空间高机动节点无线自组网邻居发现阶段，进行邻居发现的双端节点均需扫描大量空间波位、建链时间过长的技术缺陷，本发明提供了一种基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法，不破坏在网节点隐身特性的前提下，在网节点仍采用低副瓣高增益窄波束发送邻居发现广播信息，待入网节点按照距离渐进扩展的方式，通过逐步收窄波束宽度，由近及远搜索接收在网节点的邻居发现广播信息，优先搜索近距离的在网节点，从而尽快加入网络。
一种基于波束宽度自适应调整的定向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窄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，
在网节点采用低副瓣高增益窄波束，按照既定规则扫描天线覆盖区域内的波位，主动发送用于邻居发现的广播信息;在网节点在发送广播信息过程中，采用距离渐进扩展的方式进行空间波束资源分配，具体是以节点间的最远通信距离为限将搜索半径划分为L1、L2、L3、...、LM且L1＜L2＜L3＜...＜LM，其中LM等于最远通信距离；对应不同的搜索半径设定不同的波束宽度θ1、θ2、θ3、...θM且θ1＞θ2＞θ3＞θM；
待入网节点监听在网节点发送的广播信息，被动接收到在网节点的广播信息；
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；待入网节点是指尚未与其它节点建立链接的节点。
进一步的，根据划分的搜索半径以及节点间的邻居发现广播信息的通信速率，计算每个搜索半径下接收端天线对应的波束宽度。
进一步的，邻居发现的具体过程为：
在网节点采用低副瓣高增益窄波束按照既定规则扫描天线覆盖区域内的波位，循环发送邻居发现广播信息；
待入网节点根据第一搜索半径L1，调整相控阵天线的幅相加权系数，将波束宽度调整为θ1，在接收天线覆盖区域内按照既定规则进行波位扫描；
待入网节点调整相控阵天线的幅相加权系数，将波束宽度缩窄为θ2，仍在接收天线覆盖区域内按照既定规则进行波位扫描，在第二搜索半径L2范围内监听在网节点发送的邻居发现广播信息；
以此类推，待入网节点逐步调整相控阵天线的幅相加权系数，使得波束宽度逐步缩小为θM，搜索半径逐步扩大至LM；
待入网节点在每个搜索半径下进行在网节点搜索，若发现在网节点，则与其建立链路，将自身状态调整为在网节点；若未发现在网节点，则上述搜索过程，直至发现在网节点。
进一步的，节点间的邻居发现广播信息的通信速率选择邻居发现广播信息的最大通信速率；邻居发现广播信息的最大通信速率，由在网节点的发射波束EIRP值、待入网节点的接收波束最大增益值、自组网支持的节点间的最远通信距离、邻居发现广播信息的解调门限计算得到。
进一步的，待入网节点通过和差波束对在网节点进行波束到达角测量，定位在网节点的空间位置，然后调度低副瓣高增益的发射波束，向在网节点发送反馈信息。
本发明有益效果：
1、在网节点采用低副瓣高增益窄波束天线发射邻居发现广播信息，待入网节点通过距离渐进扩展的方式的逐步扩展搜索区域，优先寻找近距离节点快速加入网络；
2、在近距离搜索时，扩大接收天线的波束宽度，减少空间搜索波位数量，大大缩短邻居发现时间。
3、天线采用数模混合波束形成方式，支持多波束同时输出，具备和差波束测角能力，待入网节点在收到在网节点的邻居发现广播信息同时，可快速对在网节点进行波束到达角测量，确定其方位，以调整高增益窄波束向其发射反馈信息。
附图说明
图1为按照对数关系划分搜索半径示意图；
图2为按照对数距离扩展的扫描搜索波束覆盖图；
图3为按照等间距扩展划分搜索半径示意图；
图4为按照等间距扩展的扫描搜索波束覆盖图。
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
本实施例中，待入网节点搜索半径采用对数关系进行划分方式，以对本发明提出的基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法进行具体阐述。
假设，定向自组网采用20GHz频段，节点支持的最远通信距离为LM=500km，单个天线扫描覆盖范围为±60°、发射波束的EIRP值为30dBW、接收波束最大增益为24dB（对应波束宽度约为7.5°），接收端采用极化码信道编码后的解调门限Eb/N0=5dB，在考虑时分通信体制和一定雨衰、天线罩损耗、解调损失情况下，根据通信链路传输模型，可计算得出节点间的最远距离下的最大通信速率约为1Mbps。
将定向自组网支持的节点间的最远通信距离LM=500km，按照对数关系划分为4个搜索半径区间，搜索半径分别为L1=62.5km、L2=125km、L3=250km、L4=500km，如图1所示。
在保持1Mbps通信速率不变的情况下，通信距离每增加一倍，接收波束增益需提高6dB，则对应的波束宽度变为原先的一半，从而可分别计算出在不同搜索半径下的波束宽度值分别为θ1=60°、θ2=30°、θ3=15°、θ4=7.5°，对应的空间波束扫描波位示意图如图2所示，空间搜索波位数量随着波束变窄逐渐增多。
搜索半径为L1=62.5km时，波束宽度为θ1=60°，通常在这个半径范围内，节点的出现概率较高。为提升发现概率，采用波束较大的交叠覆盖，设计7个空间波位。
搜索半径扩展到L2=125km时，波束宽度缩小为θ2=30°，此时实现±60°的圆锥区域覆盖约需要19个波位。
搜索半径进一步扩大到L3=250km时，波束宽度缩小为θ2=15°，需要扫描搜索的波位数量约为63个。
以上在计算波束数量时，未考虑相控阵天线在大角度扫描时的波束展宽特性；在通信速率设计上，也可以根据传输内容降低速率，而不采取最大通信速率，这样可以使得空间搜索的波束数量可以进一步减少。
实施例2
区别于实施例1，待入网节点搜索半径采用等间距扩展方式进行划分，以对本发明提出的基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法进行具体阐述
将定向自组网支持的节点间的最远通信距离LM=500km，按照等间距关系划分为5半径区间，半径分别为L1=100km、L2=200km、L3=300km、L4=400km、L5=500km，如图3所示。
在保持1Mbps通信速率不变的情况下，分别计算出在不同搜索半径下的波束宽度值分别为θ1=48°、θ2=20°、θ3=12.5°、θ4=9.5°、θ5=7.5°，对应的空间波束扫描波位示意图如图4所示，空间搜索波位数量随着波束变窄逐渐增多。
搜索半径为L1=100km时，波束宽度为θ1=48°，通常在这个半径范围内的节点出现概率较高。为提升发现概率，采用波束较大的交叠覆盖，设计7个空间波位。
搜索半径扩展到L2=200km时，波束宽度缩小θ2=20°，此时实现±40°的圆锥区域覆盖约需要30个波位；
搜索半径进一步扩大到L3=300km时，波束宽度缩窄为θ3=12.5°，需要扫描搜索的波位数量约为88个。
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，比如在三维立体交通领域的基于定向天线的空中交通工具自组织网络，都应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于波束宽度自适应调整的定向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窄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，
在网节点采用低副瓣高增益窄波束，按照既定规则扫描天线覆盖区域内的波位，主动发送用于邻居发现的广播信息；在网节点在发送广播信息过程中，采用距离渐进扩展的方式进行空间波束资源分配，具体是以节点间的最远通信距离为限将搜索半径划分为L1、L2、L3、...、LM且L1＜L2＜L3＜...＜LM，其中LM等于最远通信距离；对应不同的搜索半径设定不同的波束宽度θ1、θ2、θ3、...θM且θ1＞θ2＞θ3＞θM；
待入网节点监听在网节点发送的广播信息，被动接收到在网节点的广播信息；
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；待入网节点是指尚未与其它节点建立链接的节点。
2.根据权利要求1所述的基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，根据划分的搜索半径以及节点间的邻居发现广播信息的通信速率，计算每个搜索半径下接收端天线对应的波束宽度。
3.根据权利要求2所述的基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，具体过程为：
在网节点采用低副瓣高增益窄波束按照既定规则扫描天线覆盖区域内的波位，循环发送邻居发现广播信息；
待入网节点根据第一搜索半径L1，调整相控阵天线的幅相加权系数，将波束宽度调整为θ1，在接收天线覆盖区域内按照既定规则进行波位扫描；
待入网节点调整相控阵天线的幅相加权系数，将波束宽度缩窄为θ2，仍在接收天线覆盖区域内按照既定规则进行波位扫描，在第二搜索半径L2范围内监听在网节点发送的邻居发现广播信息；
以此类推，待入网节点逐步调整相控阵天线的幅相加权系数，使得波束宽度逐步缩小为θM，搜索半径逐步扩大至LM；
待入网节点在每个搜索半径下进行在网节点搜索，若发现在网节点，则与其建立链路，将自身状态调整为在网节点；若未发现在网节点，则上述搜索过程，直至发现在网节点。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于波束宽度自适应调整的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，天线采用数模混合波束形成方式，支持多波束同时输出，使得待入网节点通过和差波束对在网节点进行波束到达角测量，定位在网节点的空间位置，然后调度低副瓣高增益的发射波束，向在网节点发送反馈信息。
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