[發明專利]基于定向天線的多頻時分多址接入系統和方法

有效

• 申請號: 201711102111.3
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107979872B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 張琰;梁薈萃;蘇郁;盛敏;李建東;劉潤滋;孫紅光;劉俊宇
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04W72/06;H04W72/08;H04J11/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

本發明公開了一種基于定向天線的多頻時分多址接入系統和方法，屬飛行器網絡技術領域，解決了定向天線條件下分布式飛行器網絡多址接入技術問題。系統的子網劃分由任務驅動，子網內節點數可變；各子網占用不同頻段通信，網關節點支持全頻接收；同一子網內節點利用時分方式通信。實現過程為：劃分子網；基于鏈路數量劃分時隙，采用固定與動態分配相結合的時隙分配方法，在固定時隙進行拓撲維護、預約動態時隙以傳輸業務；優先保障高優先級業務通信。本發明降低了干擾、提高了空間復用率，充分利用頻譜資源降低時延，在有限資源中最大化網絡吞吐量，滿足各業務的傳輸需求，提高了系統通信效率。適用于配置定向天線的分布式飛行器網絡的接入過程。

技術領域

本發明屬于飛行器網絡技術領域，主要涉及定向天線下的分布式飛行器網絡多址接入技術，具體是一種基于定向天線的多頻時分多址接入系統和方法，用于分布式飛行器網絡。

背景技術

在分布式飛行器網絡中所使用的天線類型有兩種模式：全向天線和定向天線。前者在某一平面(一般是水平面)上的傳播特性是完全相同的，即將能量平均地分布在所有方向上；而后者則具有波束方向性，其有效覆蓋范圍為一扇形區域，扇形夾角即為定向天線的波束寬度。

定向天線允許發送節點在特定的方向上傳輸數據分組，同時相鄰的接收節點在特定的方向上接收數據分組。這說明使用定向天線的發送節點和接收節點波束方向需要相互對準才能成功通信，因此其他方向的節點可以使用不同區域來傳輸數據分組，即利用信號不同的空間傳輸路徑，將相同頻率、相同時隙、相同地址碼的信號區分開來，提高空間復用性。另一方面，通過引入定向天線，在相同輻射功率的條件下，比起全向天線可以獲得更遠的覆蓋范圍，使得節點間的跳數有可能得以減少；同時波束主瓣范圍外的干擾影響減弱，使得通信鏈路的時延、質量和穩定性性能都得以大幅度的提升。因此在報文傳輸過程中通過合理地調度定向天線的使用，充分利用定向天線的優勢，對其波束方向進行適時的調整，從理論上分析，可以有效地提高系統吞吐量、鏈路連通時間等性能。

現有的接入控制策略和服務質量保障大多數關注于節點使用全向天線傳輸數據分組，對于節點移動導致的網絡拓撲變化比較敏感。特別是在軍事作戰、搶險救災等緊急行動時，需要保證通信鏈路的連通和實時響應；同時由于節點的運動速度較高，傳輸鏈路極易發生斷裂造成通信的中斷，而重新發起的路由尋路過程又會帶來更大的傳輸時延。由于信道共享、多跳中繼等原因，無論是改進路由算法或者MAC協議，還是利用子信道分割的方式，分布式飛行器網絡的系統吞吐量都有一個理論極限值。在這種背景下，考慮使用另一種天線類型----定向天線，充分利用其空間復用度的提高，能突破無線網絡傳輸容量的瓶頸，成倍地擴展通信容量，并和其他多址技術相結合，最大限度地利用網絡中有限的資源。

雖然在分布式飛行器網絡中配置定向天線有提高空間復用率、增大傳輸范圍等優點，但由于使用定向天線的節點不能采用配置全向天線時傳統的廣播、組播等方式與鄰居節點進行通信，而只能通過單播方式與其他節點通信，則會帶來一些新的問題，例如隱藏終端問題、聾節點問題等，這決定了設計多址接入技術時通信時隙不能采用傳統基于節點數量進行劃分的方法。

且采用全向天線時，由于節點在所有方向上具有相同增益，可以通過廣播分組等方式感知網絡拓撲結構，因此節點的位置信息獲取并不是必須的。而采用定向天線后，節點的位置信息變得異常重要，它在當節點要進行定向發送或接收時，對定向天線的指向起決定性作用，這使得在定向通信條件下的鄰節點發現問題成為分布式飛行器網絡組網首先要解決的問題。

此外，根據分布式飛行器網絡組網的業務需求，分為控制業務和數據傳輸業務。控制面主要完成分布式飛行器網絡的接入控制策略、路由協議選擇和拓撲的建立與維護，以保證整網的連通性和可靠性為目標；業務面主要完成速傳業務、測量業務等業務通信，以保障服務質量等性能為目標。控制面是業務面成功傳輸的前提，需要合理設置控制面和業務面的資源分配方法，滿足不同的通信需求。所以給節點分配時隙時必須將控制面和業務面隔離，不能采用傳統單一分配時隙的方式。