CN116455431A - 一种定向自组网波束跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向自组网波束跟踪方法，首先，每个节点估算出邻居节点运动出其当前窄波束覆盖范围的时间，得到波束跟踪周期；其次，目标节点在波束跟踪周期达到前一刻，通过GPS和IMU组成的航迹估计系统，计算其与本节点之间的相对位置关系，进行新覆盖窄波束的判断与调整，当波束跟踪周期到达时，目标节点与本节点通过跟踪数据包交互，根据新的相对位置关系，更新波束跟踪周期和邻居列表信息；最后，针对新覆盖窄波束及其附近的k个偏离1°的窄波束分别进行接收信号测量，取信噪比最大的波束作为精确跟踪的波束方向。本发明适合在高机动且节点硬件条件有限的定向自组网中维护通信链路的稳定性。

Description

一种定向自组网波束跟踪方法

技术领域

本发明属于无线自组织网络通信技术领域，具体涉及一种定向自组网波束跟踪方法。

背景技术

无线自组织网络是一种节点自由移动、自主联结的自治系统，各节点相互连通即可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势，在很多应用场景中都有着极大的发展前景。

随着网络对通信速率、吞吐量等性能要求的提升，定向天线被广泛采用。毫米波高增益的多波束相控阵天线用于无线自组织网络时，天线的多波束能力可以使得每个节点同时与周围多个节点建立连接，且各个波束指向不同，实现空分复用，提升网络容量。同时，通过提高波束增益可提升节点对间的通信速率，并且定向窄波束也有利于提升网络的抗干扰、抗截获性能。然而，定向窄波束的能量汇聚要求通信双方必须波束对准才能正常通信。

在高机动节点自组织网络中，节点间相对位置快速变化，发送节点和接收节点之间已经互相对准的波束会因为相对运动将产生偏差。为了避免因运动而重新发起邻居发现过程，邻居节点必须在一定波束偏差范围之内发起控制帧交互，调整天线波束的方向，实现波束跟踪。若发现的邻居节点不能进行维护与跟踪，则会严重影响网络吞吐量。

现有的定向自组网波束跟踪方法中，有一类通过测量信号到达角、信道状态等信息来估计下一时刻目标的位置，该方法需要节点具备测角能力，对硬件条件有较高要求；还有一类基于智能算法、机器学习方法，根据前时刻目标的位置、速度等信息预测下一时刻目标的位置，该方法计算开销大，耗时长，在高机动节点中可能会出现更新不够及时的问题。因此在高机动且节点硬件条件有限的定向自组网中，需要设计专门的波束跟踪方法来维护通信链路的稳定性。

发明内容

针对现有定向自组网波束跟踪方法存在的弊端，本发明提供一种基于跟踪数据包的定向自组网波束跟踪方法，适合在高机动且节点硬件条件有限的定向自组网中维护通信链路的稳定性。

本发明保护一种定向自组网波束跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1，每个节点估算出邻居节点运动出其当前窄波束覆盖范围的时间，得到波束跟踪周期，其中/>为目标节点从本节点当前窄波束中心运动到其覆盖范围之外的时间，/>为时隙长度，d为两节点之间的当前距离，/>为主瓣最大增益处到增益下降3dB处的角度大小，/>为节点垂直于当前窄波束波瓣边缘的相对运动速度大小；

步骤2，目标节点在波束跟踪周期达到前一刻，通过GPS和IMU组成的航迹估计系统，计算其与本节点之间的相对位置关系，进行新覆盖窄波束的判断与调整，以及邻居列表信息的更新，其中邻居列表包含邻居节点ID及其所在波束位置、与该邻居节点之间的距离、该邻居节点的相对方位角和俯仰角、该邻居节点的运动速度的大小及方向；

步骤3，随后，当波束跟踪周期到达时，目标节点与本节点通过跟踪数据包交互，根据新的相对位置关系，更新波束跟踪周期和邻居列表信息；

步骤4，针对步骤2得到的新覆盖窄波束及其附近的k个偏离1°的窄波束分别进行接收信号测量，取信噪比最大的波束作为精确跟踪的波束方向。

进一步的，步骤3中的跟踪数据包交互具体包括以下步骤：

步骤3.1，当波束跟踪周期到达时，目标节点向本节点发送跟踪数据包，其中包含目标节点的ID、绝对位置信息和运动状态信息；

步骤3.2，本节点接收到目标节点发送的跟踪数据包后，向目标节点也发送跟踪数据包，同时结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N；

步骤3.3，目标节点接收到本节点发送的跟踪数据包，结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N。

进一步的，步骤4采用每个通信时隙开始的定时同步资源块进行，假设设定的定时同步资源块有n个OFDM符号，一个OFDM符号持续，，则定时同步资源块持续/>，一次波束切换时间记为/>，则允许波束在/>个方向上比较信噪比，即k = />。

本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述定向自组网波束跟踪方法。

本发明还保护一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述定向自组网波束跟踪方法的各个步骤。

本发明通过定时向邻居节点发送跟踪数据包来指导邻居节点调整波束指向，并利用时隙块资源通过波束偏移测量比较细化波束调整频次，消除累计误差，实现精确波束跟踪，适配于高机动灵活且能量有限的自组网。

附图说明

图1为目标节点相对于本节点的运动关系示意图；

图2为波束跟踪方法流程图；

图3为精确跟踪波束排布示意图。

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

定向自组网中的网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路。通常建链的两个节点之间在邻居发现阶段已经完成窄波束对准、时钟同步和邻居节点测距；与此同时，节点配备有GPS接收机提供绝对位置信息。

由于节点的机动性和定向波束的指向性，目标节点在一定时间后会超出原定向波束的覆盖范围。由于节点移动导致的通信链路断开分为两种情况，一种是目标节点朝远离本节点传播范围的方向运动，此时链路断开的原因是目标节点运动到本节点一跳邻居范围之外；另一种情况是目标节点从本节点的窄波束主瓣侧面运动出导致链路断开，参照图1所示。本发明考虑的波束跟踪主要针对第二种情况，因为第一种情况可以不将目标节点视为本节点的邻居节点，无需继续跟踪。

此处的目标节点和本节点是相对的两个概念，目标节点是指率先超出其邻居节点的原定向波束覆盖范围的节点，而该邻居节点称之为本节点。为实现较为准确地跟踪，就需要明确目标节点何时会超出本节点原定向波束的覆盖范围，然后让目标节点适时向本节点发出跟踪数据包。

若单纯通过节点之间的消息传递进行波束跟踪，可能会在跟踪过程中引入累计误差。为此，本发明将波束跟踪分成粗跟踪和精跟踪两个过程，其中粗跟踪通过消息传递预测目标在波束跟踪周期到达时的大致位置，精跟踪利用接收波束偏移消除累计误差及姿态变换等影响，实现精确跟踪。

本发明提出的一种定向自组网波束跟踪方法，如图2所示，包括以下步骤：

1、每个节点估算出邻居节点运动出其当前窄波束覆盖范围的时间，得到波束跟踪周期，其中/>为目标节点从本节点当前窄波束中心运动到其覆盖范围之外的时间，/>为时隙长度，d为两节点之间的当前距离，/>为主瓣最大增益处到增益下降3dB处的角度大小，/>为节点垂直于当前窄波束波瓣边缘的相对运动速度大小，参照图1。

对于波束跟踪周期，设置定时参数flag，初始令flag = N，每经过一个时帧flag自减1，率先达到flag = 0的节点即为目标节点，其邻居节点为本节点。

2、目标节点在波束跟踪周期达到前一刻（flag = 1时），通过GPS和IMU组成的航迹估计系统，计算其与本节点之间的相对位置关系，进行新覆盖窄波束的判断与调整，以及邻居列表信息的更新，其中邻居列表包含邻居节点ID及其所在波束位置、与该邻居节点之间的距离、该邻居节点的相对方位角和俯仰角、该邻居节点的运动速度的大小及方向。

本节点在波束跟踪周期达到前一刻的位置获取方式：从上一次跟踪数据包交互获取的本节点位置出发，根据其运动状态信息和间隔时间估算在波束跟踪周期达到前一刻的位置信息。此方法将本节点在此过程中的航迹近似用匀速直线运动进行估计。

基于本节点在波束跟踪周期达到前一刻的位置，以及目标节点基于GPS和IMU组成的航迹估计系统获取的自身位置信息，即可得到目标节点与本节点之间的相对位置关系，从而进行新覆盖窄波束的判断。

3、随后，当波束跟踪周期到达时，目标节点与本节点通过跟踪数据包交互，根据新的相对位置关系，更新波束跟踪周期和邻居列表信息。

跟踪数据包交互具体包括以下步骤：

⑴当波束跟踪周期到达时，目标节点向本节点发送跟踪数据包，其中包含目标节点的ID、绝对位置信息和运动状态信息；

⑵本节点接收到目标节点发送的跟踪数据包后，向目标节点也发送跟踪数据包，同时结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N；

⑶目标节点接收到本节点发送的跟踪数据包，结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N。

由于跟踪数据包中包含了节点的绝对位置信息和运动状态信息，其中绝对位置信息包含经度、维度和高度，运动状态信息包含运动速度大小和方向、方位角、俯仰角，从而更加便于相对位置关系的准确计算，以及新覆盖波束的判断。

4、针对步骤2得到的新覆盖窄波束及其附近的k个偏离1°的窄波束分别进行接收信号测量，取信噪比最大的波束作为精确跟踪的波束方向。

此步骤采用每个通信时隙开始的定时同步资源块进行，假设设定的定时同步资源块有6个OFDM符号，一个OFDM符号持续4us，则定时同步资源块持续24us，一次波束切换时间约为6us，则允许波束在24/6+1=5个方向上比较信噪比。

参照图3所示，粗跟踪的预估波束在1所在方位，则分别在2、3、4、5方位接收信号，这四个方位均布在方位1周围且均相差1°。比较这些方向接收信号的信噪比，取信噪比最大的一个波束作为精确跟踪的波束方向。

实施例2

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的定向自组网波束跟踪方法。

实施例3

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现实施例1所述的定向自组网波束跟踪方法的各个步骤。

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)

1.一种定向自组网波束跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，每个节点估算出邻居节点运动出其当前窄波束覆盖范围的时间，得到波束跟踪周期，其中/>为目标节点从本节点当前窄波束中心运动到其覆盖范围之外的时间，/>为时隙长度，d为两节点之间的当前距离，/>为主瓣最大增益处到增益下降3dB处的角度大小，/>为节点垂直于当前窄波束波瓣边缘的相对运动速度大小；

步骤2，目标节点在波束跟踪周期达到前一刻，通过GPS和IMU组成的航迹估计系统，计算其与本节点之间的相对位置关系，进行新覆盖窄波束的判断与调整，以及邻居列表信息的更新，其中邻居列表包含邻居节点ID及其所在波束位置、与该邻居节点之间的距离、该邻居节点的相对方位角和俯仰角、该邻居节点的运动速度的大小及方向；

步骤3，随后，当波束跟踪周期到达时，目标节点与本节点通过跟踪数据包交互，根据新的相对位置关系，更新波束跟踪周期和邻居列表信息；

步骤4，针对步骤2得到的新覆盖窄波束及其附近的k个偏离1°的窄波束分别进行接收信号测量，取信噪比最大的波束作为精确跟踪的波束方向。

2.根据权利要求1所述的定向自组网波束跟踪方法，其特征在于，步骤3中的跟踪数据包交互具体包括以下步骤：

步骤3.1，当波束跟踪周期到达时，目标节点向本节点发送跟踪数据包，其中包含目标节点的ID、绝对位置信息和运动状态信息；

步骤3.2，本节点接收到目标节点发送的跟踪数据包后，向目标节点也发送跟踪数据包，同时结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N；

步骤3.3，目标节点接收到本节点发送的跟踪数据包，结合自身导航信息更新邻居列表信息，根据其与目标节点之间的当前距离重新估算波束跟踪周期N。

3.根据权利要求1所述的定向自组网波束跟踪方法，其特征在于，步骤4采用每个通信时隙开始的定时同步资源块进行，假设设定的定时同步资源块有n个OFDM符号，一个OFDM符号持续，，则定时同步资源块持续/>，一次波束切换时间记为/>，则允许波束在个方向上比较信噪比，即k = />。

4.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1-3任意一项所述的定向自组网波束跟踪方法。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1-3任意一项所述的定向自组网波束跟踪方法的各个步骤。