本發(fā)明是關于采用波束寬度可調(diào)的定向天線的通信成員之間波束對準的一種時序控制方法。

背景技術：

天線性能是影響無線網(wǎng)絡通信距離和范圍的一個重要因素。近年來，定向天線技術開始在無線通信中廣泛應用。采用了定向天線的通信系統(tǒng)，可以成倍的擴展通信容量，多種多址技術的有效結合，可以最大限度的利用有限的頻譜資源。與節(jié)點使用全向天線的網(wǎng)絡相比，由于定向天線只需把信號能力集中在某個特定的方向，其本身就具有很好節(jié)能特性。與普通的全向天線相比，定向天線在某一方向上信號良好，能達到很遠的通信距離，而在其他方向上，信號強度則極低，具有很好的抗截獲特性，并減少干擾。在相同場景下，節(jié)點使用定向天線后，與使用全向天線相比，網(wǎng)絡傳輸能力提高。隨著通信技術的發(fā)展，人們對于無線網(wǎng)絡通信距離和范圍的要求也越來越高。與全向天線信號覆蓋區(qū)域相比，定向天線信號覆蓋區(qū)域被模型化為指向某個方向且具備一定角度的立體管道模型，使得網(wǎng)絡拓撲構件問題更加復雜。首先，由于信號主要覆蓋一定角度的區(qū)域，這就有可能減少節(jié)點的鄰居數(shù)，使得網(wǎng)絡自動構建拓撲的難度增加。其次，由于定向天線增益的方向性，節(jié)點使用相同的發(fā)射功率，其覆蓋距離比全向天線更遠，這又可能使得節(jié)點間的干擾增大。采用定向天線的自組網(wǎng)拓撲控制比全向天線網(wǎng)絡更為復雜。

在采用定向天線通信的系統(tǒng)中，定向天線發(fā)送數(shù)據(jù)前先將波束主瓣對準目標端,因其主瓣很窄，天線稍有偏差就可能使得目標端超出主瓣范圍，使接收信號中斷，所以定向天線對準是一項非常困難的工作。針對定向天線對準困難的問題，現(xiàn)有技術將GPS技術、數(shù)字羅盤技術和PWM控制電機技術應用于定向天線自動對準的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)GPS來獲取天線的目標指向的地理坐標。采用兩點確定一條直線原理，根據(jù)兩個地理坐標，計算天線的目標指向。利用了GPS接收機和電子羅盤的性能，由單片機進行數(shù)據(jù)處理和定向伺服控制解決在車載條件下有向天線的定向問題。但是，自適應天線算法較復雜，運算量和存儲量一般較大，對硬件的處理速度和存儲單元要求較高。

通信雙方達到互相通信的前提條件是：兩個通信成員彼此均處于對方的定向波束覆蓋范圍內(nèi)，即波束互相對準。在無任何先驗信息且無其他輔助手段的前提下，若想實現(xiàn)通信波束指向?qū)Ψ剑仨氝M行以本節(jié)點為中心的全空域掃描。在同樣的空域掃描圖案和波束對準算法下，波束對準時間與其采用的定向波束寬度有關。對于采用了波束寬度可調(diào)的定向天線的通信成員來說，采用寬波束輔助窄波束完成波束對準，則可大大降低波束對準時間，提升系統(tǒng)性能和效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種波束對準時間快，波束寬度可控,能夠避免循環(huán)死鎖情況發(fā)生的定向天線通信成員間波束對準的時序控制方法。

為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供的一種定向天線通信成員間波束對準的時序控制方法，其特征在于包括如下步驟：當掃描周期到來時，利用定向天線組建時分多址接入TDMA網(wǎng)絡，通信成員根據(jù)消息發(fā)送規(guī)則發(fā)送不同的消息，以本節(jié)點為中心的全空域掃描進入寬波束掃描狀態(tài)，根據(jù)本地的掃描序列采用寬波束進行波束掃描操作，在寬波束掃描狀態(tài)下接收對端成員的掃描消息，轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)，完成寬波束跟蹤消息的發(fā)送與接收，并根據(jù)寬波束初跟狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷是否轉(zhuǎn)入寬波束掃描狀態(tài)或者波束切換狀態(tài)；通信成員在寬波束初跟狀態(tài)持續(xù)了寬波束初跟時長T1后，若已完成寬波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)回寬波束掃描狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，通信成員完成波束切換操作，根據(jù)波束切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷是否轉(zhuǎn)入寬波束初跟或窄波束初跟狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，若上一個狀態(tài)為窄波束初跟狀態(tài)，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，則調(diào)整波束寬度為寬波束，若上一個狀態(tài)為寬波束初跟狀態(tài)，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，則調(diào)整波束寬度為窄波束；在窄波束初跟狀態(tài)下，通信成員根據(jù)波束和消息的控制時序，采用窄波束完成窄波束初跟操作，并根據(jù)窄波束初跟狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷是否轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)或者完成全部波束對準過程；在窄波束初跟狀態(tài)持續(xù)了窄波束初跟時長T3后，若未完成窄波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)回波束切換狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)入波束跟蹤狀態(tài)，完成波束對準過程。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果。

波束對準時間快。本發(fā)明利用定向天線組建網(wǎng)絡，通信成員借助定向通信技術可以實現(xiàn)以最快的波束對準時間,捕獲其它通信成員信息。采用當掃描周期到來時，通信成員根據(jù)消息發(fā)送規(guī)則發(fā)送不同的消息，以本節(jié)點為中心的全空域掃描進入寬波束掃描狀態(tài)，根據(jù)本地的掃描序列采用寬波束進行波束掃描操作，在寬波束掃描狀態(tài)下接收對端成員的掃描消息，采用窄波束完成窄波束初跟操作，大大降低了波束對準時間，提升了系統(tǒng)性能和效率。因為在寬波束輔助窄波束完成波束對準時，對于波束寬度為10°的圓錐窄波束，全空域排列需要856個波束，而對于波束寬度為25°的圓錐寬波束，全空域排列僅需146個波束，不足原來的1/5，因此，若采用25°的寬波束輔助10°的窄波束進行波束對準，最大對準時間僅為原來的1/5甚至更低，比單獨采用窄波束對準的時間更快。比單獨的用通信窄波束進行波束對準的時間更快。

波束寬度可控。本發(fā)明在寬波束初跟狀態(tài)持續(xù)了寬波束初跟時長T1后，若已完成寬波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)回寬波束掃描狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，通信成員完成波束切換操作，根據(jù)波束切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷是否轉(zhuǎn)入寬波束初跟或窄波束初跟狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，若上一個狀態(tài)為窄波束初跟狀態(tài)，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，則調(diào)整波束寬度為寬波束，若上一個狀態(tài)為寬波束初跟狀態(tài)，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，則調(diào)整波束寬度為窄波束，使得有向天線的主瓣(Main Lobe)對準所需要接收的信號；整個過程切換自如，波束寬度可控。

能夠避免循環(huán)死鎖情況的發(fā)生。本發(fā)明利用定向天線組建時分多址接入TDMA網(wǎng)絡，通信雙方根據(jù)波束對準規(guī)則，確定本節(jié)點采用的掃描序列；當掃描周期到來時，通信成員進入寬波束掃描狀態(tài)，采用寬波束進行寬波束掃描操作，并根據(jù)寬波束掃描狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)；在寬波束初跟狀態(tài)下，通信成員采用寬波束完成寬波束初跟操作，并根據(jù)寬波束初跟狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷轉(zhuǎn)入寬波束掃描狀態(tài)或者波束切換狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，通信成員完成波束切換操作，并根據(jù)波束切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷轉(zhuǎn)入寬波束初跟或窄波束初跟狀態(tài)，波束切換簡單，復雜度較低，運算量小，易于實現(xiàn)，無須判定用戶信號到達方向。在窄波束初跟狀態(tài)下，通信成員采用窄波束完成窄波束初跟操作，并根據(jù)窄波束初跟狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，判斷轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)或者完成全部波束對準過程，可有效保證通信雙方實時同步的執(zhí)行波束對準的時序控制，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并可避免循環(huán)死鎖。通信成員可通過消息的接收以及定時器的時間控制檢測到異常情況，及時轉(zhuǎn)到其他狀態(tài)，避免循環(huán)死鎖情況的發(fā)生，并繼續(xù)執(zhí)行波束對準操作。

利用本發(fā)明組建定向通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)通信節(jié)點的可靠傳輸和隱蔽通信。

本發(fā)明適用于采用了波束寬度可調(diào)的定向天線的通信成員之間，通過寬波束輔助窄波束完成波束對準的時序控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明定向天線通信成員間波束對準的時序控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。

圖2是本發(fā)明在寬波束掃描狀態(tài)下給定通信成員的寬波束掃描操作的流程圖。

圖3是本發(fā)明在寬波束初跟狀態(tài)下給定通信成員寬波束初跟操作的流程圖。

圖4是本發(fā)明在波束切換狀態(tài)下給定通信成員的波束切換操作的流程圖。

圖5是本發(fā)明在窄波束初跟狀態(tài)下給定通信成員窄波束初跟操作的流程圖。

具體實施方式

參閱圖1。根據(jù)本發(fā)明，利用定向天線組建時分多址接入TDMA網(wǎng)絡，通信雙方根據(jù)波束對準規(guī)則，確定本節(jié)點采用的掃描序列；當掃描周期到來時，通信成員進入寬波束掃描狀態(tài)，根據(jù)本地的掃描序列采用寬波束進行波束掃描操作；通信成員根據(jù)掃描序列設置波束指向及波束寬度(寬波束)，并發(fā)送掃描消息、等待對端的掃描消息；對于接收到掃描消息的成員，則回復一個掃描消息；在寬波束掃描狀態(tài)下的通信成員，若接收過對端成員的掃描消息，則轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)。在寬波束初跟狀態(tài)下，通信成員采用寬波束完成寬波束跟蹤消息的發(fā)送與接收；通信成員在寬波束初跟狀態(tài)持續(xù)了寬波束初跟時長T1后，若已完成寬波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)回寬波束掃描狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，若上一個狀態(tài)為寬波束初跟狀態(tài)，則調(diào)整波束寬度為窄波束，并設置波束指向，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，轉(zhuǎn)入窄波束初跟狀態(tài)；在波束切換狀態(tài)下，若上一個狀態(tài)為窄波束初跟狀態(tài)，則調(diào)整波束寬度為寬波束，并設置波束指向，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，轉(zhuǎn)入寬波束掃描狀態(tài)；在窄波束初跟狀態(tài)下，通信成員通過窄波束完成窄波束跟蹤消息的發(fā)送與接收；通信成員在窄波束初跟狀態(tài)持續(xù)了窄波束初跟時長T3后，若未完成窄波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)回波束切換狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)入波束跟蹤狀態(tài)，完成波束對準過程。

為了有效的協(xié)調(diào)和控制通信雙方的定向波束寬度(寬波束、窄波束)，對通信雙方的波束控制時序：何時采用何種寬度的波束進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收提出了以下要求：

(1)通信成員雙方可根據(jù)波束和消息的控制時序，完成由寬波束輔助的窄波束對準，并進行窄波束通信。波束對準過程中，通信成員雙方需要根據(jù)消息發(fā)送規(guī)則發(fā)送不同的消息，并且在適當?shù)臅r機切換波束寬度，最終完成在窄波束下的波束對準，然后在持續(xù)運用窄波束進行數(shù)據(jù)通信。

(2)在波束對準過程中，當通信雙方的一方出現(xiàn)異常情況，通信雙方均可根據(jù)時序規(guī)則及時檢測到異常，并重新調(diào)整成員狀態(tài)及時序，再繼續(xù)進行波束對準，盡量降低波束對準時間。

(3)通信成員的異常進行轉(zhuǎn)換處理規(guī)則，應考慮各種可能出現(xiàn)的情況，避免出現(xiàn)循環(huán)死鎖。此處的循環(huán)死鎖是指通信成員在波束對準的某個或某幾個狀態(tài)之間循環(huán)，無法退出到重新開始波束對準的一種狀態(tài)。

在波束對準過程中，通信成員包含四種狀態(tài)，分別為寬波束掃描狀態(tài)、寬波束初跟狀態(tài)、波束切換狀態(tài)和窄波束初跟狀態(tài)。具體步驟為：

(1)前期準備100：在寬波束掃描狀態(tài)時，通信成員根據(jù)波束對準規(guī)則，確定本節(jié)點采用的掃描序列，當掃描周期到來時，通信成員進入寬波束掃描狀態(tài)101；

(2)寬波束掃描101：通信成員根據(jù)本地的掃描序列采用寬波束進行波束掃描操作：設置波束指向及波束寬度(寬波束)，并發(fā)送掃描消息、等待對端的掃描消息；在寬波束掃描狀態(tài)下的通信成員，若接收過對端成員的掃描消息，則轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)102；

(3)寬波束初跟102：在寬波束初跟狀態(tài)，通信成員采用寬波束完成寬波束跟蹤消息的發(fā)送與接收；通信成員在寬波束初跟狀態(tài)持續(xù)了寬波束初跟時長T1后，若已完成寬波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)103，否則轉(zhuǎn)回寬波束掃描狀態(tài)101；

(4)波束切換103：在波束切換狀態(tài)，若通信成員的上一個狀態(tài)為寬波束初跟狀態(tài)，則調(diào)整波束寬度為窄波束，并設置波束指向，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，轉(zhuǎn)入窄波束初跟狀態(tài)104；若通信成員的上一個狀態(tài)為窄波束初跟狀態(tài)，則調(diào)整波束寬度為寬波束，并設置波束指向，當前狀態(tài)持續(xù)了波束切換時長T2后，轉(zhuǎn)寬波束掃描狀態(tài)101；

(5)窄波束初跟104：在窄波束初跟狀態(tài)，通信成員采用窄波束完成窄波束跟蹤消息的發(fā)送與接收；通信成員在窄波束初跟狀態(tài)持續(xù)了窄波束初跟時長T3后，若已完成窄波束跟蹤消息的接收，則轉(zhuǎn)入波束對準結束105，否則轉(zhuǎn)回波束切換狀態(tài)103。

(6)波束對準結束105。

參閱圖2。圖中給出了通信成員在寬波束掃描狀態(tài)下的波束寬度、波束指向、消息發(fā)送和接收的時序控制流程，以及通信成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。給定通信成員，按如下步驟操作：

步驟200，通信成員轉(zhuǎn)入寬波束掃描狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)入步驟201；

步驟201，通信成員設置定向天線波束寬度為寬波束，波束指向為掃描序列指向，同時發(fā)送寬波束掃描消息，然后轉(zhuǎn)入步驟202；

步驟202，通信成員判斷本地是否接收到寬波束掃描消息，若未接收到，則轉(zhuǎn)入步驟201，若接收到，則轉(zhuǎn)入步驟203；

步驟203，通信成員回復寬波束掃描消息，轉(zhuǎn)入步驟204；

步驟204，通信成員判斷本地是否已完成寬波束掃描消息的接收，若完成，則轉(zhuǎn)入步驟205，若未完成，則轉(zhuǎn)入步驟201；

步驟205，通信成員轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)。

參閱圖3。圖中給出了通信成員在寬波束初跟狀態(tài)下的波束寬度、波束指向、消息發(fā)送和接收的時序控制流程，以及通信成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。

步驟300，通信成員轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)入步驟301；

步驟301，通信成員設置定時器T1，T1為寬波束初跟時長，然后轉(zhuǎn)入步驟302；

步驟302，通信成員發(fā)送寬波束初跟消息，然后轉(zhuǎn)入步驟303；

步驟303，通信成員設置定向天線波束寬度為寬波束，波束指向為波束跟蹤指向，然后轉(zhuǎn)入步驟304；

步驟304，通信成員判斷是否接收到寬波束初跟消息，若接收到，則轉(zhuǎn)入步驟305，否則轉(zhuǎn)入步驟302；

步驟305，通信成員回復寬波束初跟消息,然后轉(zhuǎn)入步驟306；

步驟306，通信成員判斷T1定時器是否到時，若到時，則轉(zhuǎn)入步驟307，否則轉(zhuǎn)入步驟303；

步驟307，通信成員判斷本地是否完成寬波束初跟消息的接收，若完成，則轉(zhuǎn)入步驟308，否則轉(zhuǎn)入步驟309；

步驟308，通信成員轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)；

步驟309，通信成員轉(zhuǎn)入寬波束掃描狀態(tài)；

參閱圖4。圖中給出了通信成員在波束切換狀態(tài)下的波束寬度、波束指向、消息發(fā)送和接收的時序控制流程，以及通信成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件

步驟400，通信成員轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)入步驟401；

步驟401，通信成員設置定時器T2，T2為波束切換時長，然后轉(zhuǎn)入步驟402；

步驟402，通信成員判斷轉(zhuǎn)入本狀態(tài)之前的上一個狀態(tài)，若為窄波束初跟，則轉(zhuǎn)入步驟403，若為寬波束初跟，則轉(zhuǎn)入步驟404；

步驟403，通信成員設置波束寬度為寬波束，設置波束指向為波束跟蹤指向，然后轉(zhuǎn)入步驟405；

步驟404，通信成員設置波束寬度為窄波束，設置波束指向為波束跟蹤指向，然后轉(zhuǎn)入步驟405；

步驟405，通信成員判斷定時器T2是否到時，若到時，則轉(zhuǎn)入步驟406，否則轉(zhuǎn)入步驟402；

步驟406，通信成員判斷轉(zhuǎn)入本狀態(tài)之前的上一個狀態(tài)，若為窄波束初跟，則轉(zhuǎn)入步驟407，若為寬波束初跟，則轉(zhuǎn)入步驟408；

步驟407，通信成員轉(zhuǎn)入寬波束初跟狀態(tài)；

步驟408，通信成員轉(zhuǎn)入窄波束初跟狀態(tài)。

參閱圖5。圖中給出了通信成員在窄波束初跟狀態(tài)下的波束寬度、波束指向、消息發(fā)送和接收的時序控制流程，以及通信成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。

步驟500，通信成員轉(zhuǎn)入窄波束初跟狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)入步驟501；

步驟501，通信成員設置定時器T3，T3為窄波束初跟時長，然后轉(zhuǎn)入步驟502；

步驟502，通信成員發(fā)送窄波束初跟消息，然后轉(zhuǎn)入步驟503；

步驟503，通信成員設置波束寬度為窄波束，波束指向為波束跟蹤指向，然后轉(zhuǎn)入步驟504；

步驟504，通信成員判斷是否接收到窄波束初跟消息，若是，則轉(zhuǎn)入步驟505，否則轉(zhuǎn)入步驟502；

步驟505，通信成員回復窄波束初跟消息，然后轉(zhuǎn)入步驟506；

步驟506，通信成員判斷定時器T3是否到時，若到時，則轉(zhuǎn)入步驟507，否則轉(zhuǎn)入步驟503；

步驟509，通信成員判定本地是否完成窄波束初跟消息的接收，若完成，則轉(zhuǎn)入步驟508，否則轉(zhuǎn)入步驟509；

步驟508，通信成員波束對準結束；

步驟509，通信成員轉(zhuǎn)入波束切換狀態(tài)。