CN115884398B - 基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，将可用的频率带宽依据最小带宽限制划分为N个频段F={f_1,f_2,…,f_n,…,f_N‑1,f_N}，其中f_n为第n个频段的中心频率序号；频率分配方法包括：1、节点i入网后生成其三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，通过定向多波束天线进行邻居发现并构建其邻居表；2、节点i为其各个邻居节点分配频率；3、节点i获取各邻居节点频率信息，判断是否存在频率复用，若存在，计算同频波束的方位角α，判断α是否小于等于干扰角度，若是，节点i随机选择复用频率邻居节点k下的波束进行频率调整。本发明降低了波束之间的干扰，保证了节点之间的通信质量。

Description

基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法

技术领域

本发明涉及自组网资源分配技术领域，尤其涉及基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法。

背景技术

自组织网络由节点的动态连接形成，每个节点之间都是平等的。节点既可以作为客户接收来自其他节点的消息，又可以作为信源向外发送消息，同时还可以作为路由节点进行中继和转发。

传统自组网进行数据收发时使用全向天线，这种天线覆盖面广，但针对特定方向上的有效功率却不大，容易造成功率浪费，还会给周围其他节点的通信带来干扰，降低网络容量和通信质量。随着天线技术的发展，定向天线应用于自组网网络中，极大地提高了网络容量，减少了干扰问题，提高了安全性，并增大了通信距离。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。

在任何无线网络中，频率分配都是一个至关重要的问题。频率资源分配主要目标是充分有效地利用频谱资源，降低链路之间干扰。从网络的结构上，根据系统中是否存在动态频谱管理的中心控制实体，频率资源分配方式可以分为集中式和分布式。集中式频率分配，由基站或者网络接入点构成的中心实体控制频谱的分配和接入过程，并且汇集网络中的每个节点感测到的频谱信息，再将频谱的分配映射图传输给各个节点。分布式频谱分配，不需要中心基础架构，在不能构建集中式结构的场合中，每个次级用户根据局部的频谱策略进行频谱分配和接入。在无中心移动自组网中，应采用分布式频率资源分配。

在频率资源的分配方案中，通常需要考虑：1、通信链路两端收发节点所分配的频率资源匹配；2、用于高机动自组织网络的频谱资源是固定的，并且频谱资源有限，当波束覆盖区域重叠时，频率分配的调整；3、节点建链波束在一定方向角范围内使用不同频带，在保持网络节点之间连通的情况下，最小化节点间的干扰。

在高机动自组网频率分配方面，移动Ad-hoc网络中无线跳频频率资源分配机制研究[J].通信技术,2019,52(03):646-652.古稀林,王超,冯志先,姜永广.以移动Ad-hoc网络中无线跳频频率资源规划为研究背景，针对组网场景复杂多变、多频表混合使用、频表中频点数量不统一、子网间存在频率间隔要求等问题，基于网络拓扑抽象出三种基本组网场景，并定义节点集、子网集、组网集，实现对复杂组网场景统一描述，在此基础上，构建频率规划求解模型，实现多节点、多子网、多频表资源协同规划，降低了频率资源统筹规划难度，提升了频率规划效率；并且从理论上回答了在给定频率资源和约束条件下，能否为网络拓扑中所有子网分配出频率资源的问题。

2017年12年12日授权公告的发明专利申请CN104703283B公开了一种Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，包括最优化频率分配方法和动态频率改变机制两部分内容，其中最优化频率分配算法根据输入信息(包括“干扰图”和限制条件等)计算出最优的频率分配结果，动态频率改变机制在已经完成频率分配的基础上，完成某个特定的节点改变频率的要求，并且不会影响到其他节点，可以实现在给定最小频率间隔限制和总频段带宽限制的条件下，对节点进行以总的频率间隔最大为优化目标的频率分配，即最大限度保障通信质量；同时，在完成频率分配、网络进入工作状态后，当某个节点当前所使用的频率因外界环境变化而无法使用时，节点可以进行改变，且改变后仍然满足限制条件。

2021年11月16日授权公告的发明专利申请CN112423304B公开了一种多无人机调度通信频段分配方法，首先获取无人机的特征参数和待执行任务的特征参数，根据无人机的特征参数和待执行任务的特征参数计算无人机的任务执行指数；再将待执行任务分配给任务执行指数最高的无人机，将调度服务器的通信频谱资源划分为多个频段，对无人机的身份验证通过后，为无人机设定用于获取待执行任务的通信频段，提高了无人机的任务执行的效率和可靠度，以及提高无人机与调度服务器之间的通信效率。

然而，上述高机动自组网频率分配技术均未考虑多波束天线波束与波束之间的约束关系，可能导致信道产生巨大干扰而无法保障正常通信，从而影响节点之间的通信质量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，无需获取全网的频率使用情况，即可实现频率资源使用均匀分布，降低波束之间的干扰，保证节点之间的通信质量，并预防同频波束重叠而导致通信障碍等问题。

基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，将可用的频率带宽依据最小带宽限制划分为N个频段F={f_1,f_2,…,f_n,…,f_N-1,f_N}，其中f_n为第n个频段的中心频率序号，每个频段作为频率资源分配的最小单位；频率分配方法包括以下步骤：

步骤1，节点i入网后生成其三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，通过定向多波束天线进行邻居发现并构建其邻居表，节点i的邻居表包含邻居节点编号j、邻居节点坐标(X_j，Y_j，Z_j)、邻居节点使用频率f_ij，f_ij表示节点i与邻居节点j之间通信使用的中心频率序号，f_ij∈F，i≠j；此处的节点i泛指新入网节点，节点j泛指该新入网节点的邻居节点，而非特定节点；

步骤2，节点i为其各个邻居节点分配频率；

步骤3，节点i获取各邻居节点频率信息，判断是否存在频率复用，若存在，则顺序执行步骤4，若不存在，则结束频率分配；

步骤4，计算同频波束的方位角α，判断α是否小于等于干扰角度，若是，则顺序执行步骤5，若否，则结束频率分配，其中干扰角度为组网系统已知参数；

步骤5，节点i随机选择复用频率邻居节点k下的波束进行频率调整，具体过程为：

节点i及其邻居节点k通过计算波束方位角得到各自频率优先级信息表，其中频率优先级信息表包含频率序号、频率优先级，节点i将其频率优先级信息表发送给邻居节点k；

邻居节点k利用节点i的频率优先级信息表和自身频率优先级信息表，计算连接权值β，选择连接权值β最大的频率f_p作为通信频率并反馈给节点i，当出现多个频率的连接权值相等时，随机选择一个；至此节点i与其邻居节点k之间完成协商，切换至选择的频率上进行通信，即令f_ik=f_p，此处的节点k泛指复用频率的邻居节点，f_p泛指选择的通信频率。

进一步的，频率优先级判定方法为：将节点i与其邻居节点k之间的通信波束定义为主波束，并根据主波束所在阵面判定频率优先级；

首先，节点i选择一空闲频率，优先级设置为最高P4；

其次，与主波束所在阵面的相邻阵面中的波束使用过的频率，优先级设置为次高P3；

再次，与主波束在同阵面或对立阵面，大于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为劣等P2；

最后，与主波束在同阵面或对立阵面，小于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为最差P1；若主波束下有频率，该频率优先级设置为最差P1。

进一步的，根据频率优先级等级P1、P2、P3、P4，频率优先级信息表之间出现10种不同的匹配情况，连接权值设置原则为：

当收发节点可匹配的频带优先级都为P4时，则连接权值β=β₁₀；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P3时，则连接权值β=β₈；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P2时，则连接权值β=β₅；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P1时，则连接权值β=β₁；

当发送节点优先级为P4/P3的频带与接收节点优先级为P3/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₉；

当发送节点优先级为P4/P2的频带与接收节点优先级为P2/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₇；

当发送节点优先级为P4/P1的频带与接收节点优先级为P1/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₄；

当发送节点优先级为P3/P2的频带与接收节点优先级为P2/P3的频带匹配时，则连接权值β=β₆；

当发送节点优先级为P3/P1的频带与接收节点优先级为P1/P3的频带匹配时，则连接权值β=β₃；

当发送节点优先级为P2/P1的频带与接收节点优先级为P1/P2的频带匹配时，则连接权值β=β₂；β₁₀＞β₉＞β₈＞β₇＞β₆＞β₅＞β₄＞β₃＞β₂＞β₁。

本发明在常规频率分配技术的基础上，设置频率调整环节，无需获取全网的频率使用情况，即可实现频率资源使用均匀分布，降低波束之间的干扰，保证节点之间的通信质量，并预防同频波束重叠而导致通信障碍等问题。

附图说明

图1是可用频率带宽划分示意图；

图2是节点35所在网络示意图；

图3是基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法主体流程图；

图4是节点35与其邻居节点22的频率匹配情况示意图。

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

本实施例结合具体示例，对本发明提出的基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法进行展开阐述。

将可用的频率带宽依据最小带宽限制划分为N个频段F={f_1,f_2,…,f_n,…,f_N-1,f_N}，其中f_n为第n个频段的中心频率序号，如图1所示，每个频段作为频率资源分配的最小单位。

参照图2所示，节点35入网后生成其三维坐标(X₃₅,Y₃₅,Z₃₅)，通过定向多波束天线进行邻居发现并构建其邻居表。

节点35的邻居有节点7、节点17、节点22、节点34，假定节点35为邻居节点7分配频率f₁，为邻居节点17分配频率f₂，为邻居节点22分配频率f₃，为邻居节点34分配频率f₃，此部分可以按照现有频率分配方法进行。

邻居节点的频率分配结束后，进入频率调整环节。从图2可以看出，节点22和节点34存在频率复用，进而计算同频波束的方位角α，判断α是否小于等于干扰角度，如图3所示。

本实施例提供的同频波束的方位角α计算方式为，通过节点35、节点22、节点34之间的距离结合余弦定理求得，具体公式如下。

若求得的同频波束的方位角α＞干扰角度，则无需调整频率，结束频率分配。

若求得的同频波束的方位角α≤干扰角度，使得信道产生巨大干扰而无法保障正常通信，则节点35从节点22和节点34中随机选择一个，进行频率调整。

干扰角度为组网系统已知参数，由当前组网系统所使用的频率以及通信过程中容许的误码率等因素来确定。

本实施例假定选择节点22进行频率调整：

1、节点35及其邻居节点22通过计算波束方位角得到各自频率优先级信息表，频率优先级信息表包含频率序号及其频率优先级。

频率优先级判定方法为：将节点i与其邻居节点k之间的通信波束定义为主波束，并根据主波束所在阵面判定频率优先级；

首先，节点i选择一空闲频率，优先级设置为最高P4；

其次，与主波束所在阵面的相邻阵面中的波束使用过的频率，优先级设置为次高P3；

再次，与主波束在同阵面或对立阵面，大于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为劣等P2；

最后，与主波束在同阵面或对立阵面，小于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为最差P1；若主波束下有频率，该频率优先级设置为最差P1。

2、节点35将其频率优先级信息表发送给邻居节点22；

3、邻居节点22利用节点35的频率优先级信息表和自身频率优先级信息表，通过则连接权值β选择通信频率，并将选择的频率f_p反馈给节点。

根据频率优先级等级P1、P2、P3、P4，频率优先级信息表之间出现10种不同的匹配情况，通过连接权值β来区分，选择连接权值β最大的频率f_p，当出现多个频率连接权值相等时，随机选择一个频率。

本实施例假定节点35与节点22之间的频率匹配情况如图4所示，

节点35优先级为P4的频带f₄与节点22优先级为P4的频带f₄匹配，连接权值β=β₁₀；

节点35优先级为P3的频带f₂与节点22优先级为P4的频带f₂匹配，连接权值β=β₉；

节点35优先级为P2的频带f₁与节点22优先级为P4的频带f₁匹配，连接权值β=β₇；

节点35优先级为P1的频带f₃与节点22优先级为P1的频带f₃匹配，连接权值β=β₁；由于β₁₀＞β₉＞β₇＞β₁，因此，节点35与节点22切换至频率f₄进行通信。

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 (3)

1.基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，其特征在于，将可用的频率带宽依据最小带宽限制划分为N个频段F={f_1,f_2,…,f_n,…,f_N-1,f_N}，其中f_n为第n个频段的中心频率序号，每个频段作为频率资源分配的最小单位；频率分配方法包括以下步骤：

步骤1，节点i入网后生成其三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，通过定向多波束天线进行邻居发现并构建其邻居表，节点i的邻居表包含邻居节点编号j、邻居节点坐标(X_j，Y_j，Z_j)、邻居节点使用频率f_ij，f_ij表示节点i与邻居节点j之间通信使用的中心频率序号，f_ij∈F，i≠j；

步骤2，节点i为其各个邻居节点分配频率；

步骤3，节点i获取各邻居节点频率信息，判断是否存在频率复用，若存在，则顺序执行步骤4，若不存在，则结束频率分配；

步骤4，计算同频波束的方位角α，判断α是否小于等于干扰角度，若是，则顺序执行步骤5，若否，则结束频率分配，其中干扰角度为组网系统已知参数；

步骤5，节点i随机选择复用频率邻居节点k下的波束进行频率调整，具体过程为：

节点i及其邻居节点k通过计算波束方位角得到各自频率优先级信息表，其中频率优先级信息表包含频率序号、频率优先级，节点i将其频率优先级信息表发送给邻居节点k；

邻居节点k利用节点i的频率优先级信息表和自身频率优先级信息表，计算连接权值β，选择连接权值β最大的频率f_p作为通信频率并反馈给节点i，当出现多个频率的连接权值相等时，随机选择一个；至此节点i与其邻居节点k之间完成协商，切换至选择的频率上进行通信，即令f_ik=f_p。

2.根据权利要求1所述基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，其特征在于，频率优先级判定方法为：将节点i与其邻居节点k之间的通信波束定义为主波束，并根据主波束所在阵面判定频率优先级；

首先，节点i选择一空闲频率，优先级设置为最高P4；

其次，与主波束所在阵面的相邻阵面中的波束使用过的频率，优先级设置为次高P3；

再次，与主波束在同阵面或对立阵面，大于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为劣等P2；

最后，与主波束在同阵面或对立阵面，小于干扰角度的其他波束使用过的频率，优先级设置为最差P1；若主波束下有频率，该频率优先级设置为最差P1。

3.根据权利要求2所述基于定向多波束天线的高机动自组网动态频率分配方法，其特征在于，根据频率优先级等级P1、P2、P3、P4，频率优先级信息表之间出现10种不同的匹配情况，连接权值设置原则为：

当收发节点可匹配的频带优先级都为P4时，则连接权值β=β₁₀；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P3时，则连接权值β=β₈；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P2时，则连接权值β=β₅；

当收发节点可匹配的频带优先级都为P1时，则连接权值β=β₁；

当发送节点优先级为P4/P3的频带与接收节点优先级为P3/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₉；

当发送节点优先级为P4/P2的频带与接收节点优先级为P2/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₇；

当发送节点优先级为P4/P1的频带与接收节点优先级为P1/P4的频带匹配时，则连接权值β=β₄；

当发送节点优先级为P3/P2的频带与接收节点优先级为P2/P3的频带匹配时，则连接权值β=β₆；

当发送节点优先级为P3/P1的频带与接收节点优先级为P1/P3的频带匹配时，则连接权值β=β₃；

当发送节点优先级为P2/P1的频带与接收节点优先级为P1/P2的频带匹配时，则连接权值β=β₂；β₁₀＞β₉＞β₈＞β₇＞β₆＞β₅＞β₄＞β₃＞β₂＞β₁。

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