CN116761187B - 一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，将节点间距离分为近距离、中距离和远距离，不同距离节点采用不同的发射波束角度和接收波束角度；对每天面120°的总扫描区域进行远、中、近距离角度分区；作为接收机的新节点采用时分方式分别进行远中近距离节点的邻居发现，将一个侦听周期划分为120°波束侦听时段和60°波束侦听时段；作为发射机的在网节点在同一时刻使用多个波束分别扫描不同距离角度区域的波分复用扫描方案，或同一时刻将多个波束依次集中扫描不同波位区域的时分依次扫描方案。本发明充分利用宽、窄扫描波束的特性，在保证扫描成功率的同时，提升了新节点发现速度。
Description
技术领域
本发明属于波束扫描技术领域，具体涉及一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法。
背景技术
无人机节点具有高机动、低成本、强隐蔽等特点，广泛运用于现代军事、民用领域。由于无人机较快的移动速度导致节点的整体分布范围也在高速变化，因此为实现无人机网络中各节点设备的数据互通与计划协作，高效的组网技术显得尤为重要。而自组织网络凭借部署简单、抗毁性强、灵活性强等特点被广泛应用于解决此类场景下的组网问题，但是自组织网络的分布式特点以及网络覆盖范围大为网络中的节点接入问题带来一定的挑战。
在早期的无人机自组织网络研究工作中，研究人员普遍沿用了自组网领域的典型接入协议IEEE 802.11 DCF，无人机节点采用全向的通信方式竞争和接入信道。近年来，随着军事数据链系统中对节点隐身性能的追求，传输距离远、隐蔽性能强、空间复用度高的定向窄波束技术被运用到无人机网络中。窄波束的使用使得空间内的波位扫描策略能够更加灵活，让具有策略的空间波束扫描方法成为可能。
目前，多种先进的航空数据链已具备在空中平台之间构建自组织网络的能力，类似场景下现有方案包括高整合数据链（High Integration Data Link, HIDL）、多功能高级数据链（Multifunction Advanced Data Link, MADL），机间数据链（Intra-Flight DataLink, IFDL）、通用战术数据链Link16等。研究人员虽然已经对窄波束条件下的网络特性有了初步的认识，并进行了一些基础的研究，但仍缺少针对较大范围内分布的高机动节点的波束扫描策略。
现有的波束管理策略大多是按照5GNR中指定的规则实施的。在5GNR中，为了实现波束对准并具有所需的端到端性能，引入了波束管理操作，在空闲模式和已连接模式下，波束管理操作都是必要的。
目前，波束管理作为NR中保证通信质量的关键技术已写入38系列标准，但仍有许多细节仍待商榷。标准38.912将NR中的波束管理定义为一组一、二层的过程，用以获取和维护一系列TRP（TRP是gNB的传输点）和UE间BPL进行UL和DL的发送和接收。然而，在这类标准下的波束扫描策略是一种覆盖整个空间范围的操作，在一段时间间隔内以一种预定的方式进行波束的发送、接收；这也就意味着，对于整个天面来说，扫描方法不能够根据节点间的距离及分布条件进行动态调整，从而导致一些空间中的无效区域也处于扫描图案中，从而延长了整个天面的波位扫描时间。因此，当考虑大尺度情况下的地球曲率影响时，研究一种高效的扫描空间内有效波位的波束扫描策略具有很强的现实意义。
发明内容
为此，本发明根据高机动节点间的距离差异以及不同节点距离的有效波束扫描区域差异，提供一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法。
本发明保护一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，将节点间距离分为0-150km近距离、150-300km中距离和300-500km远距离，对于近距离节点，采用14°发射波束、120°接收波束，对于中距离节点，采用14°发射波束、60°接收波束，对于远距离节点，采用7°发射波束、60°接收波束；
对每天面120°的总扫描区域进行分区，将远距离节点出现的波位所组成的区域称为远距离角度区域，中距离节点出现的波位所组成的区域除远距离角度区域之外的区域称为中距离角度区域，剩余区域称为近距离角度区域；远、中、近距离角度区域均可能出现近距离节点，远、中距离角度区域均可能出现中距离节点，远距离节点只出现在远距离角度区域；
作为接收机的新节点采用时分方式分别进行远、中、近距离节点的邻居发现，将一个侦听周期划分为120°波束侦听时段和60°波束侦听时段，120°波束侦听时段采用一个120°波束侦听，60°波束侦听时段采用4个60°波束侦听；
作为发射机的在网节点在同一时刻使用多个波束分别扫描不同距离角度区域的波分复用扫描方案，或同一时刻将多个波束依次集中扫描不同波位区域的时分依次扫描方案。
进一步的，波分复用扫描方案采用1个波束扫描近距离角度区域，1个波束扫描中距离角度区域，2个波束扫描远距离角度区域。
进一步的，时分依次扫描方案，全部波束先扫描近距离角度区域，再扫描中距离角度区域，最后扫描远距离角度区域；或者，全部波束先扫描近距离节点出现的全天面范围，再扫描远距离节点出现的远距离角度区域。
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，实现上述针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，以及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针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法的各个步骤。
本发明根据高机动节点间的距离差异以及不同节点距离时的有效波束扫描区域差异，提出了一种适用于不同情况下的波束扫描方案，充分利用宽、窄扫描波束的特性，在保证扫描成功率的同时，提升了新节点发现速度。
附图说明
图1为远、中、近距离角度区域波位分布示意图；
图2为远、中、近距离节点与远、中、近距离角度区域对应关系示意图；
图3为接收机时序示意图；
图4为4个60°宽波束覆盖全120°扫描区域示意图；
图5为修正后的4个60°宽波束覆盖全120°扫描区域示意图；
图6为全部波束先扫描近距离节点出现的全天面范围时的波位分布示意图。
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
假设不同距离的节点有着相同的链路速率需求下限100Kbps。对于波束扫描方案，基本需求是保证能够达到基本的链路速率，即链路速率需求下限100Kbps。
当使用宽波束进行发送和接收时，每次扫描都能够覆盖大部分波位，从而有效节省扫描时间，但也存在导致速率较慢，需要多次惯导定位后才能够确认对方方向等问题。
当使用窄波束进行发送与接收时，链路速率能够得到有效提升，并且能够直接知晓对方的具体方向，但此时每个天面上的波位数量会增加较多，从而导致每轮扫描时间变长。
因此，基于以上考虑，依托节点间距离可变特性与扫描波束可变特性，本发明选择针对不同距离节点使用不同的扫描策略，在保证链路速率的前提下，尽可能地节省扫描时间。
首先，针对0-150km的近距离节点进行分析。由于近距离节点间的速率需求较易达成，因此主要考虑使用宽波束的扫描方案。根据波位分布关系可知，当波束张宽时，同一天面上的波位呈现指数级下降，经过分析考虑使用14°发、120°收的扫描策略。经过链路预算可以得到链路速率的计算结果，可知此时满足链路速率的要求。
然后，针对150-300km的中距离节点进行分析。此时由于距离较远，需要收紧波束张角来满足速率需求。根据链路预算，此时7°发、120°收，恰好满足速率要求。然而，根据波位在天面上的分布特性，波位数量随着张角变大指数级下降且当张角大于一定角度后下降不再明显。为此，本发明选择缩小一定的接收波束角度并展大发射波束的角度，以便减小波位数量，使用14°发，60°收的扫描策略。同样的，依据链路预算可知，此时亦能够满足链路速率要求。
最后，考虑300-500km远距离节点的情况。根据链路预算结果，此时仅能考虑窄发窄收这一种方案；但同样根据链路预算结果，使用7°发、7°收时会有较大的速率溢出，因此本发明选择在接收端展大“窄”这一概念，考虑使用7°发、60°收进行波位扫描。
综上，本发明结合不同节点间的距离提出的总体波束角度组合如下表1所示。
表1
| 距离 | 0-150km | 150-300km | 300-500km |
| 发射波束角度 | 14° | 14° | 7° |
| 接收波束角度 | 120° | 60° | 60° |
与此同时，根据天面级分析的仿真内容可知，远距离节点只会出现在俯仰角±7°的范围内，而中距离节点只会出现在俯仰角±14°的范围内。根据这一特性，本发明将每天面120°的总扫描区域进行分区并对不同分区使用不同宽度波束进行扫描，以便减少不同波位区域的所需扫描波束并加快扫描速度。结合波束角度组合，可以得到波位分布如图1所示。
参照图1，将远距离节点出现的中间波位所组成的区域称为远距离角度区域，共37个7°波位；远距离区域两边的两个小区域一起被称为中距离角度区域，共14个14°波位；两边剩余的大部分区域只可能出现近距离节点，因此称为近距离角度区域，共20个14°波位。
根据各节点距离与空间位置的分布关系可知，近距离节点可能出现在整个天面波束扫描区域，即远、中、近距离角度区域都可能出现近距离节点，也就是120°波束覆盖范围；中距离节点只能出现在远、中距离区域组成的俯仰角±14°角度区域；远距离节点受地球曲率影响，只能分布在俯仰角±7°所对应的远距离角度区域。各距离节点与各波位区域的对应关系如图2所示。
上述内容是节点处于不同距离情况下的理想波束宽度设计，但在实际邻居发现过程中，新节点与在网节点并不知道对方的距离与角度信息，因此，握手双方需要有一种固定的扫描模式，即波束分配方案。
由于接收机（即新节点）不同情况下使用的接收波束角度分别为120°与60°，难以同时使用两种不同宽度波束与其他节点握手，因此接收机采用时分方式分别进行远、中、近节点邻居发现。而对于发射机（即在网节点），分别考虑在同一时刻使用多个波束分别扫描不同距离角度区域的波分复用扫描方案，或同一时刻将多个波束依次集中扫描不同波位区域的时分依次扫描方案。
方案一、发射机在同一时刻使用多个波束分别对不同距离角度区域进行扫描
考虑到不同距离角度区域的波位数量，使用1个波束扫描近距离角度区域，1个波束扫描中距离角度区域，2个波束扫描远距离角度区域。
握手情况分析：
1、远距离新节点只可能出现在远距离角度区域，发射波束角度为7°，此时新节点只能通过60°波束对准才能接收到握手信号。
2、中距离新节点可能出现在远距离角度区域和中距离角度区域。若出现在远距离角度区域，则发射波束角度为7°，新节点无接收波束宽度要求，只需波束对准既可完成握手；若出现在中距离角度区域，则发射波束角度为14°，新节点只能通过60°接收波束对准才能接收到握手信号。
3、近距离新节点可能出现在整个120°波束范围内。根据链路预算结果可知，不论近距离节点出现在哪个区域，只要收发双方波束对准速率即可满足要求，但当近距离节点出现在近距离角度区域时，接收方若使用60°波束是无法完成波束对准的，因此出现在近距离角度区域的近距离节点必须使用120°波束才能完成握手。
因此，对于新节点而言，单独使用120°宽接收波束存在链路速率不足的情况（节点距离大于300km、节点距离大于150km但是出现在中距离区域波位的两种情况），单独使用60°接收波束存在波束无法对准的情况。
为此，作为接收机的新节点采用时分方式分别进行远中近距离节点的邻居发现，将一个侦听周期划分为120°波束侦听时段和60°波束侦听时段，如图3所示。120°波束侦听时段采用一个120°波束侦听，60°波束侦听时段采用4个60°波束侦听。假设4个60°宽接收波束不能覆盖全120°扫描区域，考虑使用多个60°波束覆盖远距离区域和中距离区域以避免接收波束扫描。
接收节点交替使用120°与60°宽波束进行侦听，每次侦听时间根据发射机各区域波束扫描周期决定，由远距离区域37个波位，中距离区域14个波位，近距离20个波位可知，发射机在两个时帧（320ms）内一定能扫描一轮各区域波位，即320ms内一定有某些时刻发射节点的发射波束是对准接收节点的，因此将接收节点的不同宽度波束侦听时间设置为320ms，每隔320ms进行一次接收波束宽度转换，如此波束组合与时序方案可缩短多数节点的握手时间且保证全部节点都能有握手机会。
若4个60°宽波束可以覆盖全120°扫描区域，如图4所示，则接收机不需要时分进行不同角度波束切换，只需固定使用4个60°宽波束即可满足各类情况下的邻居发现，且能缩短各种情况下接收message1所需要的时间。
本实施例对图4所示的4个60°波位的覆盖情况进行修正，得到图5所示波位分布。通过计算，可知此时4个60°的波位能够覆盖整个120°天面95.2%的范围，可以认为实现全面覆盖，能够让接收方一直使用4个60°的宽波束去接收来自发射方的信息。
方案二、发射机采用时分依次扫描方案，全部波束先扫描近距离角度区域，再扫描中距离角度区域，最后扫描远距离角度区域。握手情况分析同方案一。
相比于方案一，本方案的优点在于，理想情况下扫描时间大大降低。在整个天面内，相对于远距离节点，近距离节点是最为重要的，并且近距离角度区域也分布着较多的波位，因此采用先近后远的依次扫描策略，因此能够在同一时刻将全部的扫描波束用来扫描同一天面上的波位区域，一定程度上提升了波束扫描的时间。
方案三、发射机采用时分依次扫描方案，全部波束先扫描近距离节点出现的全天面范围，再扫描远距离节点出现的远距离角度区域。
在此种扫描方案，近距离节点出现的范围是整个天面范围，仍然用14°波位去覆盖，此时需要37个波位（区别于图1，此处整个天面均用14°波位去覆盖），如图6所示。由于中距离节点也是使用14°波束扫描的，因此，在对近距离节点进行全天面的波束扫描时已经覆盖中距离节点可能存在的所有范围。根据设计的接收机时序状态（参照图3），那么一定能在接收机的一个周期内满足中距离节点的中距离区域的速率需求，因此不需要对中距离节点设计额外的扫描方法。而远距离区域则与之前一致，需要37个7度波位进行覆盖。综上，此种扫描方案共有74个波位等待扫描。
此种扫描方案的主要优点是，能够优先并有效的发现整个天面的全部近距离节点。方案二中的近距离节点可能分布在波位区域的近、中、远三个距离角度区域，因此若想要确保发现全部的近距离节点，需要等待三种波位区域全部扫描完成才能够实现。而在近距离节点优先的扫描策略中，则会首先扫描完全部的近距离节点，再去扫描远距离节点出现的远距离角度区域，省去了近距离节点在中、远距离区域所造成的等待时间。
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所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法。
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所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法的各个步骤。
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 (6)
1.一种针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，其特征在于，将节点间距离分为0-150km近距离、150-300km中距离和300-500km远距离，对于近距离节点，采用14°发射波束、120°接收波束，对于中距离节点，采用14°发射波束、60°接收波束，对于远距离节点，采用7°发射波束、60°接收波束；
对每天面120°的总扫描区域进行分区，将远距离节点出现的波位所组成的区域称为远距离角度区域，中距离节点出现的波位所组成的区域除远距离角度区域之外的区域称为中距离角度区域，剩余区域称为近距离角度区域；远、中、近距离角度区域均可能出现近距离节点，远、中距离角度区域均可能出现中距离节点，远距离节点只出现在远距离角度区域；
作为接收机的新节点采用时分方式分别进行远、中、近距离节点的邻居发现，将一个侦听周期划分为120°波束侦听时段和60°波束侦听时段，120°波束侦听时段采用一个120°波束侦听，60°波束侦听时段采用4个60°波束侦听；
作为发射机的在网节点在同一时刻使用多个波束分别扫描不同距离角度区域的波分复用扫描方案，或同一时刻将多个波束依次集中扫描不同波位区域的时分依次扫描方案。
2.根据权利要求1所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，其特征在于，波分复用扫描方案采用1个波束扫描近距离角度区域，1个波束扫描中距离角度区域，2个波束扫描远距离角度区域。
3.根据权利要求1所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，其特征在于，时分依次扫描方案，全部波束先扫描近距离角度区域，再扫描中距离角度区域，最后扫描远距离角度区域。
4.根据权利要求1所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法，其特征在于，时分依次扫描方案，全部波束先扫描近距离节点出现的全天面范围，再扫描远距离节点出现的远距离角度区域。
5.一种计算机设备，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1-4任意一项所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法。
6.一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1-4任意一项所述的针对大范围分布高机动节点的波束扫描方法的各个步骤。
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