基于多方向天線陣列的信標收發(fā)技術(shù)

劉經(jīng)緯，李 茜，韓仲華

（華北計算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

無線Mesh網(wǎng)絡（wireless mesh network，WMN）是近幾年出現(xiàn)的一種新興多跳無線網(wǎng)絡，相比目前依賴基礎(chǔ)設施的網(wǎng)絡（如傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡），無線Mesh網(wǎng)絡中的各節(jié)點能夠以多跳方式快速構(gòu)成鏈狀、樹狀以及網(wǎng)狀等多種拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡。由于不需要基礎(chǔ)設施，無線Mesh網(wǎng)絡可作為一種臨時骨干網(wǎng)絡與應急通信手段，保證了其它多種末端網(wǎng)絡之間能夠互聯(lián)互通，并提供較大范圍內(nèi)的無線覆蓋能力。

無線Mesh 網(wǎng) 絡 涉 及 到 路 由［1，2，10］、組 網(wǎng)［8，9］，以 及 信道分配［3－7］等多種技術(shù)，而在射頻與天線技術(shù)方面，現(xiàn)有無線Mesh網(wǎng)絡多采用普通全向天線，其通信距離一般比較近，難以適用于大跨距的通信場合。

目前出現(xiàn)了一種基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡中所有節(jié)點均采用一種基于多方向的天線陣列技術(shù)［11］，該技術(shù)中每根天線覆蓋45°扇區(qū)，在滿足全向覆蓋的同時實現(xiàn)了天線的高增益，并支持天線動態(tài)切換，大幅度地提升了整個網(wǎng)絡的吞吐量和覆蓋范圍，天線任一時刻指向某個特定方位，也能夠大幅減輕來自其它方向上的干擾。多方向天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文中所研究的信標收發(fā)技術(shù)即應用在上述多方向天線陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。其中，將信標稱為Hello包，將網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期對外發(fā)送的信標稱為Hello請求包，而將未入網(wǎng)節(jié)點向選定的網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點發(fā)送的信標回應包稱為Hello響應包（下同）。

圖1 多方向天線陣列

1 基于多方向天線陣列的信標收發(fā)技術(shù)

1.1 幀結(jié)構(gòu)

該技術(shù)中的時間幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 幀結(jié)構(gòu)

該幀結(jié)構(gòu)中具有以下兩種時隙類型：Hello時隙；數(shù)據(jù)時隙。

其中，一個Hello時隙的時間長度為整個時間幀長度的1／1000，而每個時間幀中共有20個Hello時隙。

基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡協(xié)議中的所有與時間相關(guān)的Hello請求包收發(fā)規(guī)程、數(shù)據(jù)時隙中的帶寬申請規(guī)程以及數(shù)據(jù)時隙的普通數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)程均以該幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

1.2 節(jié)點多方向信標發(fā)送的天線號序列生成算法

1.2.1 多方向信標發(fā)送的問題

網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點需要在自己每根天線上均勻地對外發(fā)送Hello請求包，以便為未入網(wǎng)節(jié)點提供入網(wǎng)服務。

由于各節(jié)點均具有多方向天線陣列結(jié)構(gòu)并且均遵從時間幀結(jié)構(gòu)，因此需要對各節(jié)點在Hello時隙所發(fā)送的Hello請求包的時間與所使用的天線號進行合理規(guī)劃，否則容易出現(xiàn)以下問題：

（1）鄰近的多個節(jié)點可能會在同一個Hello時隙內(nèi)發(fā)出Hello請求包。

（2）多個節(jié)點可能會使用具有相同天線號的天線發(fā)出Hello請求包。雖然由于各節(jié)點的隨機擺放能夠一定程度上避免各節(jié)點具有相同天線號的天線方向相同或相近，但仍需要在設計上使各節(jié)點在同一時間內(nèi)使用不同天線號的天線發(fā)送Hello請求包。

上述兩種情況容易使未入網(wǎng)節(jié)點在接收Hello請求包時發(fā)生錯誤。另外，為了保證網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點發(fā)出的Hello請求包能夠在各個方向上均有發(fā)出，應保證節(jié)點在每個時間幀內(nèi)在每根天線上各發(fā)出一個Hello請求包。

1.2.2 天線號序列生成算法

具有多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)出Hello請求包時的時隙位置與所用天線號的規(guī)則如下：

（1）從每個時間幀內(nèi)的20個Hello時隙中等概率選擇8個用來發(fā)送Hello請求包，其余12個Hello時隙則用來隨機接收Hello請求包。

（2）8個用來發(fā)送Hello請求包的天線號序列由節(jié)點按［0，1，2，3，4，5，6，7］序列隨機生成其置換，其余12個執(zhí)行接收Hello請求包的天線號則等概率隨機生成。

由于節(jié)點本身是隨機部署的，這兩個節(jié)點在距離上可能較近，也可能較遠，因此，通過節(jié)點之間距離遠近的隨機性、節(jié)點部署時0號天線與絕對方向夾角大小的隨機性、天線號的隨機性以及發(fā)送Hello請求包所選擇的Hello時隙的隨機性，則能夠盡可能地減少了網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點在多方向天線陣列上全向發(fā)送Hello請求包時在未入網(wǎng)節(jié)點的接收上出錯的概率。

1.3 信標結(jié)構(gòu)

基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡協(xié)議中的Hello包結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Hello包結(jié)構(gòu)

其中：第一層包頭共24字節(jié)，其內(nèi)容與節(jié)點之間點對點的基本通信功能相關(guān)，如基本數(shù)據(jù)包類型、目的節(jié)點地址、源節(jié)點地址、序列號等。

第二層包頭由協(xié)議中不同的功能模塊所定義，如模塊類型、該模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)包類型以及QoS等。對于Hello包，則定義了Hello包的具體類型（包括Hello請求包、Hello響應包），Hello包，每種類型所對應的具體內(nèi)容。

Hello包內(nèi)容包括測距類信息、發(fā)送天線號信息、安全類信息等。

1.4 Hello時隙的使用

各節(jié)點對Hello時隙的使用有如下3種情況：（1）網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期對外發(fā)送Hello請求包

網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點在每個時間幀內(nèi)的8處Hello時隙上在自己每根天線上各發(fā)出一個Hello請求包，供未入網(wǎng)節(jié)點接入網(wǎng)絡。當網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點在當前Hello時隙內(nèi)發(fā)送Hello請求包完畢后，便立即在該Hello時隙的剩余時間里準備接收未入網(wǎng)節(jié)點回應的Hello響應包。該過程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期對外發(fā)送Hello請求包

（2）未入網(wǎng)節(jié)點接收Hello請求包

未入網(wǎng)節(jié)點在入網(wǎng)前將進行Hello請求包的接收。在接收定時器超時前，未入網(wǎng)節(jié)點將在所有Hello時隙內(nèi)都執(zhí)行接收動作。該過程如圖5所示。

圖5 未入網(wǎng)節(jié)點接收Hello請求包

（3）未入網(wǎng)節(jié)點回應Hello響應包

當未入網(wǎng)節(jié)點的接收Hello請求包定時器超時后，未入網(wǎng)節(jié)點將對所接收到的Hello請求包進行排序，從中選擇信號質(zhì)量較好的網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點并嘗試從該節(jié)點入網(wǎng)，該算法有專門論文進行論述，文中不再提及。未入網(wǎng)節(jié)點為自己選出合適的網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點后，將繼續(xù)在Hello時隙上執(zhí)行接收動作，當再次從該網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點處接收到Hello請求包后，便在當前Hello時隙的剩余時間里立即向該網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點回應一個Hello響應包。整個過程如圖6所示。

圖6 未入網(wǎng)節(jié)點向網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點回應Hello響應包

1.5 信標發(fā)送過程

網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期性發(fā)送Hello 請求包的過程如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期性發(fā)送Hello請求包的過程

其中，生成Hello請求包的定時器時間周期設定為一個時間幀的長度。安排下一個時間幀內(nèi)的Hello時隙使用的天線號和收發(fā)狀態(tài)則依據(jù)1.2節(jié)所描述的算法，而生成下一個時間幀內(nèi)的Hello請求包格式則按照1.3節(jié)的信標格式填寫。

1.6 未入網(wǎng)節(jié)點搜索網(wǎng)絡超時后的處理過程

未入網(wǎng)節(jié)點在入網(wǎng)前接收Hello請求包時的天線選擇情況如圖8所示。

圖8 未入網(wǎng)節(jié)點搜索網(wǎng)絡過程

未入網(wǎng)節(jié)點在入網(wǎng)前需要依次使用自己的0～7號天線執(zhí)行這樣的搜索，每根天線上的搜索時間為時間幀的2倍，這樣未入網(wǎng)節(jié)點則在8根天線上總共監(jiān)聽的時間為時間幀的16倍。

1.7 各節(jié)點對信標的處理過程

圖9表示了網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點和未入網(wǎng)節(jié)點對Hello包的處理過程。

其中：左邊分支表示了未入網(wǎng)節(jié)點與網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點在收到Hello請求包時的不同處理過程。右邊分支為網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點收到來自未入網(wǎng)節(jié)點的Hello響應包時的處理過程情況，當網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點收到這樣的Hello響應包后，表明未入網(wǎng)節(jié)點的后續(xù)入網(wǎng)過程即將開始。

2 示例說明

以下是某一個時間幀內(nèi)前5個Hello時隙中網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期發(fā)送Hello請求包與未入網(wǎng)節(jié)點接收Hello請求包以及后續(xù)某一個時間幀內(nèi)未入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送Hello響應包的示例。

2.1 網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點周期發(fā)送Hello請求包

（1）網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點和骨干節(jié)點1，未入網(wǎng)節(jié)點為骨干節(jié)點2。

（2）為說明節(jié)點多方向信標發(fā)送的天線號序列生成算法的隨機性與降低未入網(wǎng)節(jié)點在接收Hello請求包時失敗的概率，特選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點與骨干節(jié)點1的0號天線方向完全相同，并且兩個節(jié)點在該時間幀內(nèi)均選擇了如下Hello請求包發(fā)送天線序列：［2，0，5，4，3，1，7，6］。

（3）各節(jié)點在該時間幀內(nèi)前5個Hello時隙的天線號與收發(fā)狀態(tài)，分別如圖10～圖12所示。

（4）網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點在該時間幀內(nèi)的前5個Hello時隙收發(fā)Hello請求包分別如圖13～圖17所示。

2.2 未入網(wǎng)節(jié)點向網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點發(fā)送Hello響應包

（1）網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點和骨干節(jié)點1，未入網(wǎng)節(jié)點為骨干節(jié)點2。

（2）在上例中，未入網(wǎng)節(jié)點（即骨干節(jié)點2）在某個時間幀內(nèi)的20個Hello時隙內(nèi)收到的hello請求包中，來自網(wǎng)絡內(nèi)骨干節(jié)點1的2 號天線的Hello請求包的RSSI值最大，因此，骨干節(jié)點2選擇骨干節(jié)點1作為選定的網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點并嘗試從該節(jié)點入網(wǎng)。骨干節(jié)點2 仍然用0 號天線監(jiān)聽，當某個Hello時隙到來后再次收到來自骨干節(jié)點1的2號天線的Hello請求包后，便立即在該Hello時隙內(nèi)向骨干節(jié)點1回復Hello響應包。這兩個過程分別如圖18、圖19所示。

圖9 Hello包的處理過程

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點在該時間幀內(nèi)的Hello時隙情況

圖11 骨干節(jié)點1在該時間幀內(nèi)的Hello時隙情況

圖12 骨干節(jié)點2在該時間幀內(nèi)的Hello時隙情況

圖15 該時間幀內(nèi)第3個Hello時隙

圖16 該時間幀內(nèi)第4個Hello時隙

圖17 該時間幀內(nèi)第5個Hello時隙

圖18 骨干節(jié)點2在后續(xù)Hello時隙內(nèi)監(jiān)聽

圖19 骨干節(jié)點2回復Hello響應包

3 結(jié)束語

基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡在節(jié)點滿足全向覆蓋的同時實現(xiàn)了各方向天線的高增益與天線之間的動態(tài)切換，從而大幅提高整個網(wǎng)絡的吞吐量和覆蓋范圍。鑒于此，提出上述基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡下的信標收發(fā)技術(shù)，對時間幀結(jié)構(gòu)、節(jié)點多方向信標發(fā)送的天線號序列生成算法、信標結(jié)構(gòu)、Hello時隙的使用過程進行了詳細設計。通過該技術(shù)的使用，網(wǎng)絡內(nèi)所有已入網(wǎng)節(jié)點均能夠在每個發(fā)送信標的時刻安排合適的天線，盡可能降低了未入網(wǎng)節(jié)點在接收信標時出錯的概率。

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