定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法技术

本发明专利技术提出了一种定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，利用本发明专利技术可以实现在同样的扫描序列下更快的实现波束对准和通信节点的可靠保密传输。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信成员以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，在宽波束扫描状态下接收对端成员的扫描消息，转入宽波束初跟状态，完成宽波束跟踪消息的发送与接收，根据宽波束初跟状态转移规则，判断是否转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；在窄波束初跟状态下，通信成员根据波束和消息的控制时序，采用宽波束辅助窄波束完成波束对准，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断是否转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于采用波束宽度可调的定向天线的通信成员之间波束对准的一种时序控制方法。
技术介绍
天线性能是影响无线网络通信距离和范围的一个重要因素。近年来，定向天线技术开始在无线通信中广泛应用。采用了定向天线的通信系统，可以成倍的扩展通信容量，多种多址技术的有效结合，可以最大限度的利用有限的频谱资源。与节点使用全向天线的网络相比，由于定向天线只需把信号能力集中在某个特定的方向，其本身就具有很好节能特性。与普通的全向天线相比，定向天线在某一方向上信号良好，能达到很远的通信距离，而在其他方向上，信号强度则极低，具有很好的抗截获特性，并减少干扰。在相同场景下，节点使用定向天线后，与使用全向天线相比，网络传输能力提高。随着通信技术的发展，人们对于无线网络通信距离和范围的要求也越来越高。与全向天线信号覆盖区域相比，定向天线信号覆盖区域被模型化为指向某个方向且具备一定角度的立体管道模型，使得网络拓扑构件问题更加复杂。首先，由于信号主要覆盖一定角度的区域，这就有可能减少节点的邻居数，使得网络自动构建拓扑的难度增加。其次，由于定向天线增益的方向性，节点使用相同的发射功率，其覆盖距离比全向天线更远，这又可能使得节点间的干扰增大。采用定向天线的自组网拓扑控制比全向天线网络更为复杂。在采用定向天线通信的系统中，定向天线发送数据前先将波束主瓣对准目标端,因其主瓣很窄，天线稍有偏差就可能使得目标端超出主瓣范围，使接收信号中断，所以定向天线对准是一项非常困难的工作。针对定向天线对准困难的问题，现有技术将GPS技术、数字罗盘技术和PWM控制电机技术应用于定向天线自动对准的控制系统。它是根据GPS来获取天线的目标指向的地理坐标。采用两点确定一条直线原理，根据两个地理坐标，计算天线的目标指向。利用了GPS接收机和电子罗盘的性能，由单片机进行数据处理和定向伺服控制解决在车载条件下有向天线的定向问题。但是，自适应天线算法较复杂，运算量和存储量一般较大，对硬件的处理速度和存储单元要求较高。通信双方达到互相通信的前提条件是：两个通信成员彼此均处于对方的定向波束覆盖范围内，即波束互相对准。在无任何先验信息且无其他辅助手段的前提下，若想实现通信波束指向对方，必须进行以本节点为中心的全空域扫描。在同样的空域扫描图案和波束对准算法下，波束对准时间与其采用的定向波束宽度有关。对于采用了波束宽度可调的定向天线的通信成员来说，采用宽波束辅助窄波束完成波束对准，则可大大降低波束对准时间，提升系统性能和效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种波束对准时间快，波束宽度可控,能够避免循环死锁情况发生的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法。为实现该目的，本专利技术提供的一种定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于包括如下步骤：当扫描周期到来时，利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信成员根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接收对端成员的扫描消息，转入宽波束初跟状态，完成宽波束跟踪消息的发送与接收，并根据宽波束初跟状态转移规则，判断是否转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；通信成员在宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成宽波束跟踪消息的接收，则转入波束切换状态，否则转回宽波束扫描状态；在波束切换状态下，通信成员完成波束切换操作，根据波束切换状态转移规则，判断是否转入宽波束初跟或窄波束初跟状态；在波束切换状态下，若上一个状态为窄波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整波束宽度为宽波束，若上一个状态为宽波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整波束宽度为窄波束；在窄波束初跟状态下，通信成员根据波束和消息的控制时序，采用窄波束完成窄波束初跟操作，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断是否转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程；在窄波束初跟状态持续了窄波束初跟时长T3后，若未完成窄波束跟踪消息的接收，则转回波束切换状态，否则转入波束跟踪状态，完成波束对准过程。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果。波束对准时间快。本专利技术利用定向天线组建网络，通信成员借助定向通信技术可以实现以最快的波束对准时间,捕获其它通信成员信息。采用当扫描周期到来时，通信成员根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接收对端成员的扫描消息，采用窄波束完成窄波束初跟操作，大大降低了波束对准时间，提升了系统性能和效率。因为在宽波束辅助窄波束完成波束对准时，对于波束宽度为10°的圆锥窄波束，全空域排列需要856个波束，而对于波束宽度为25°的圆锥宽波束，全空域排列仅需146个波束，不足原来的1/5，因此，若采用25°的宽波束辅助10°的窄波束进行波束对准，最大对准时间仅为原来的1/5甚至更低，比单独采用窄波束对准的时间更快。比单独的用通信窄波束进行波束对准的时间更快。波束宽度可控。本专利技术在宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成宽波束跟踪消息的接收，则转入波束切换状态，否则转回宽波束扫描状态；在波束切换状态下，通信成员完成波束切换操作，根据波束切换状态转移规则，判断是否转入宽波束初跟或窄波束初跟状态；在波束切换状态下，若上一个状态为窄波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整波束宽度为宽波束，若上一个状态为宽波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整波束宽度为窄波束，使得有向天线的主瓣(MainLobe)对准所需要接收的信号；整个过程切换自如，波束宽度可控。能够避免循环死锁情况的发生。本专利技术利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信双方根据波束对准规则，确定本节点采用的扫描序列；当扫描周期到来时，通信成员进入宽波束扫描状态，采用宽波束进行宽波束扫描操作，并根据宽波束扫描状态转移规则，判断转入宽波束初跟状态；在宽波束初跟状态下，通信成员采用宽波束完成宽波束初跟操作，并根据宽波束初跟状态转移规则，判断转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；在波束切换状态下，通信成员完成波束切换操作，并根据波束切换状态转移规则，判断转入宽波束初跟或窄波束初跟状态，波束切换简单，复杂度较低，运算量小，易于实现，无须判定用户信号到达方向。在窄波束初跟状态下，通信成员采用窄波束完成窄波束初跟操作，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程，可有效保证通信双方实时同步的执行波束对准的时序控制，及时发现异常情况，并可避免循环死锁。通信成员可通过消息的接收以及定时器的时间控制检测到异常情况，及时转到其他状态，避免循环死锁情况的发生，并继续执行波束对准操作。利用本专利技术组建定向通信网络，实现通信节点的可靠传输和隐蔽通信。本专利技术适用于采用了波束宽度可调的定向天线的通信成员之间，通过宽波束辅助窄波束完成波束对准的时序控制。附图说明图1是本专利技术定向天线通信成员间波束对准的时序控制的状态转移示意图。图2是本专利技术在宽波束扫描状态下给定通信成员的宽波束扫描操作的流程图。图3是本专利技术在宽波束初跟状态下给定通信成员宽波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于包括如下步骤：当扫描周期到来时，利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信成员根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接收对端成员的扫描消息，转入宽波束初跟状态，完成宽波束跟踪消息的发送与接收，并根据宽波束初跟状态转移规则，判断是否转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；在窄波束初跟状态下，通信成员根据波束和消息的控制时序，采用宽波束辅助窄波束完成波束对准，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断是否转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程。

【技术特征摘要】
1.一种定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于包括如下步骤：当扫描周期到来时，利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信成员根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接收对端成员的扫描消息，转入宽波束初跟状态，完成宽波束跟踪消息的发送与接收，并根据宽波束初跟状态转移规则，判断是否转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；在窄波束初跟状态下，通信成员根据波束和消息的控制时序，采用宽波束辅助窄波束完成波束对准，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断是否转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程。2.如权利要求1所述的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于：通信成员根据扫描序列设置波束指向及波束宽度，发送扫描消息,等待对端的扫描消息；对于接收到扫描消息的成员，则回复一个扫描消息。3.如权利要求1所述的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于：在宽波束扫描状态下的通信成员，若接收过对端成员的扫描消息，则转入宽波束初跟状态；在宽波束初跟状态下，通信成员采用宽波束完成宽波束跟踪消息的发送与接收。4.如权利要求1所述的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于：在波束对准过程中，通信成员包含四种状态，分别为宽波束扫描状态、宽波束初跟状态、波束切换状态和窄波束初跟状态。5.如权利要求1所述的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于：在宽波束扫描状态下，通信成员根据波束对准规则，确定本节点采用的扫描序列，当扫描周期到来时，通信成员进入宽波束扫描状态。6.如权利要求1所述的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李莹，王昭，王辛果，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51