一种定向波束检测方法、跟踪方法、检测系统及存储介质转让专利
申请号 : CN202110755451.6
文献号 : CN113259923B
文献日 : 2021-09-24
发明人 : 汪李峰 , 彭宇 , 李智敏 , 吴丰 , 余召仿 , 刁建锋
申请人 : 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 , 武汉中元通信股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种定向波束检测方法,其特征在于,包括以下步骤:设置定向天线的扫描次序,根据天线数量将在接入网的空中节点的下行链路时隙划分多个微时隙,在微时隙进行定向天线扫描;
设计信标帧,根据信标帧的符号中伪随机码序列检测邻居节点及其方向,根据所述邻居节点及其方向建立通信链路;
确定邻居节点的每个方向上同时存在的用户数量,利用伪随机码序列进行邻居节点方向识别及用户区分,利用物理层波形的前导符号进行信标检测。
2.根据权利要求1所述的定向波束检测方法,其特征在于,设置定向天线的扫描次序,具体包括:设置定向天线的扫描次序为随机扫描,为扫描网络中的每个节点确定唯一编号,根据所述唯一编号确定扫描网络中的每个节点的收发状态。
3.根据权利要求1所述的定向波束检测方法,其特征在于,设计信标帧,具体包括:设计包括多个相同符号的信标帧,每个所述符号包括代数几何码序列及伪随机码序列。
4.根据权利要求1所述的定向波束检测方法,其特征在于,根据信标帧的符号中伪随机码序列检测邻居节点及其方向,具体包括:每个邻居节点检测所述伪随机码序列的峰值,根据峰值出现时的伪随机码序列区分节点,根据峰值出现时的接收天线判断邻居节点方向。
5.根据权利要求1所述的定向波束检测方法,其特征在于,利用物理层波形的前导符号进行信标检测,具体包括:确定物理层波形的前导符号的结构,利用前导符号的结构进行信标检测。
6.根据权利要求5所述的定向波束检测方法,其特征在于,确定物理层波形的前导符号的结构,具体包括:确定物理层波形的前导符号包括两个序列符号,第一个符号只在载波号为4的整倍数的子载波上发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后在时域上的波形为4个重复的波形,第二个符号仅在偶数子载波上发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后构成时域上重复的2段波形。
7.根据权利要求5所述的定向波束检测方法,其特征在于,利用前导符号的结构进行信标检测,具体包括:判断信号峰值位置,以所有峰值的最大值作为主峰,根据连续检测主峰区分主径信号,根据所述主径信号确定信标方向。
8.一种根据权利要求1‑7任一所述的定向波束检测方法的跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:获取空中节点移动前、移动后的经纬度坐标;将空中节点移动前、移动后的经纬度坐标转换为对应的站心坐标,根据空中节点对应站心坐标获取移动前和移动后的真北航向;根据移动前和移动后的真北航向变化量得到方位角变化量及移动过程中天线自转角度,根据方位角变化量及移动过程中天线自转角度得到移动后波束跟踪方向角度变化量。
9.一种定向波束检测系统,其特征在于,包括定向天线扫描模块、通信链路建立模块及信标检测模块;
所述定向天线扫描模块,用于设置定向天线的扫描次序,根据天线数量将在接入网的空中节点的下行链路时隙划分多个微时隙,在微时隙进行定向天线扫描;
所述通信链路建立模块,用于设计信标帧,根据信标帧的符号中伪随机码序列检测邻居节点及其方向,根据所述邻居节点及其方向建立通信链路;
所述信标检测模块,用于确定邻居节点的每个方向上同时存在的用户数量,利用伪随机码序列进行邻居节点方向识别及用户区分,利用物理层波形的前导符号进行信标检测。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机该程序被处理器执行时,实现如权利要求1‑7任一所述的定向波束检测方法。
说明书 :
一种定向波束检测方法、跟踪方法、检测系统及存储介质
技术领域
背景技术
点使用的是伺服加相控阵天线相结合的方式。当空中节点使用全向天线在初始同步时隙进
行信息发送时,地面节点在伺服加相控阵天线的帮助下,能很快锁定其与空中节点定向通
信的方向。但是,地面节点进行伺服加相控阵定向发送时,空中节点使用定向天线进行接收
扫描就要困难很多。同时,地面节点在采用定向天线进行组网时,存在邻居节点发现较慢、
定向波束对准困难以及难以在机动过程中实现方向跟踪的问题。
发明内容
节点的收发状态。
根据峰值出现时的接收天线判断邻居节点方向。
列,经过逆傅立叶变换后在时域上的波形为4个重复的波形,第二个符号仅在偶数子载波上
发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后构成时域上重复的2段波形。
标方向。
地面节点移动前、移动后的经纬度坐标转换为对应的站心坐标,根据对应站心坐标获取移
动前和移动后的真北航向;根据移动前和移动后的真北航向变化量得到方位角变化量及移
动过程中天线自转角度,根据方位角变化量及移动过程中天线自转角度得到移动后波束跟
踪方向角度变化量。
测。
描;设计信标帧,根据信标帧的符号中伪随机码序列检测邻居节点及其方向,根据所述邻居
节点及其方向建立通信链路;确定邻居节点的每个方向上同时存在的用户数量,利用伪随
机码序列进行邻居节点方向识别及用户区分,利用物理层波形的前导符号进行信标检测;
可以实现快速发现邻居节点以及定向波束的对准。
附图说明
具体实施方式
网络中的每个节点的收发状态。
基础上增加了方向性的维度,节点完成邻居发现的概率与定向天线波束宽度(天线阵数
量)、收发碰撞概率和邻居节点数有关;在同样的收发概率和节点数下,定向通信节点通信
成功概率图,如图2所示,天线数量越多,波束宽度越窄,邻居发现的成功概率越小。
点都有一个编号k(用二进制表示,比如k=3,它就表示为0011),对于一个节点k,在它的第i
次扫描/接收(由于所有节点同步,此时所有的节点都处于扫描或者接收状态)时,如果它的
二进制编号的第i位是0,那么它就选择发射模式(处于发射状态);如果第i位是1,那么就选
择接收模式(处于接收状态);节点编号选择收发状态图,如图3所示,图3中节点3和节点4在
4次扫描中完成了3次收发;这种收发切换方法能够保证所有节点遍历,不存在孤立节点,避
免传统基于竞争时隙的暴露终端和隐藏终端问题,可靠性较高。
如图4所示。在收、发天线对准过程中,接收天线只需判断收到发送信标的能量即可对准天
线,无需判断发送内容。由于盲音不需要解调,接收机只需对能量进行判定即可,信标周期
可随意控制,但是,当多个用户同时发射盲音时,接收端无法进行分辨,同时,由于不同用户
的发射信号频率和相位的差异会造成信标无法识别的问题,在信噪比较低的远距离环境下
会造成无法判决的问题,并且不利于频谱的隐蔽性。
列区分节点,根据峰值出现时的接收天线判断邻居节点方向。
码序列),运用PN序列的多址和相关特性检测邻居节点的数量及其方向。每个节点使用一个
不同的序列作为地址码,接收端检测本地PN序列和接收序列的相关峰值,根据峰值出现时
的接收天线号判断邻居节点方向,根据峰值出现时的本地序列区分节点号。
相关峰值仍出现在窗口范围内。信标帧检测原理示意图,如图5所示,以外同步模式为例,其
中,1pps(1Hz)为收发端GPS定时信号,t1为发射固定延时,t2为链路传输时延,t2_max为最
大传输时延,τ为PN序列宽度,t3为相关检测窗固定延时。其中PN由地址序列经插值和IFFT
(快速傅立叶反变换)后得到,信标时域波形图,如图6所示,信标时域频谱图,如图7所示。实
现中为了降低峰均比,AGC和延时保护的数据由PN逆序填充。
信噪比。在伪随机码的设计上考虑低信噪比下大频偏的相关峰值检测。
列可用的个数;序列自相关性与序列类似,互相关性只取三值;这两个特性适用于多址应
用。
使用平衡Gold序列,在移动过程中根据多普勒变换数值范围,选择合适序列满足频偏的跟
踪要求。
函数衰减,因此在低信噪比下需要通过算法纠正子载波的频率偏差,同时在到达检测完成
后,还需进行子载波同步判决载波信噪比,因此需要精确的频率和载波同步。
送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后在时域上的波形为4个重复的波形,第二个符号仅在
偶数子载波上发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后构成时域上重复的2段波形。
在载波号为4的整倍数的子载波上发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后在时域上的波
形为4个重复的波形,符号的前部为CP(一种正交频分复用的循环前缀),保证IFFT窗口位
置;第二个符号仅在偶数子载波上发送伪随机码序列,经过逆傅立叶变换后构成时域上重
复的2段波形。
段符号的第257点处会出现峰值,并且在下一段符号的第1点处也会出现峰值,总计7个峰值
点,相邻两个峰值间隔256点。前导的第二个符号在时域具由两段相同的1024点符号组成,
每段1024点同样具有图9所示的规律,前导第二个符号总计出现3个峰值,相邻两个峰值间
隔512点。
样点,d为滑动窗口的第一个采样点的时间索引,N为PN序列长度。设第一个OFDM(正交频分
复用)符号发送的PN序列幅度为±2,第二个OFDM符号发送的PN序列幅度为 ,这样就使
得IFFT前的前导序列的平均功率为1;令N=1024,理想信道下前导相关的性能图,如图10所
示。
信号确定信标方向。
置就是第二个符号的中间位置。采用优化方法为,取附近满足门限判决的所有峰值的最大
值作为主峰,并将相邻峰值之间的间隔这一条件放宽,通过多个相关的连续检测实现主径
信号的区分,通过对比可明显分辨出主径和反射弱信号区别,在物理层直接判决出正确方
向信息。
其如图11所示,其中,方向4、7、10、13上各收到一个节点信息,可确定相应地面发射节点方
向;根据出现峰值的相关检测序列可知节点号;方向3、5出现的小峰值是由于与方向4相邻,
收到了来自方向4节点的弱信号。
比递减,根据距离选择信噪比;在一定距离范围内,信号幅度递减,根据距离选择信号幅度;
接收信号中添加多普勒频偏作为节点相对移动的条件;每次从平衡Gold序列库中随机选取
8个地址序列;发射端从8个地址序列中随机多个进行发射,经过成型后信号在接收端叠加,
接收端采用8路并行相关接收,每路对应1个地址序列,如果某一路出现相关峰值,则发现该
方向存在用户并根据地址确定了具体用户;多路信号叠加经过匹配滤波器后,滤波器是5倍
采样,将每5点数据累加后,再输入8路并行相关器进行检测;相关时数据不采用符号位相
关,符号位相关适用于高信噪比条件,低信噪比下峰值衰减较大,相关采用滤波器方式进
行。仿真分为3种情况:近距离多用户、远距离多用户和远近距离多用户。
和地面节点移动前、移动后的经纬度坐标转换为对应的站心坐标,根据对应站心坐标获取
移动前和移动后的真北航向;根据移动前和移动后的真北航向变化量得到方位角变化量及
移动过程中天线自转角度,根据方位角变化量及移动过程中天线自转角度得到移动后波束
跟踪方向角度变化量。
同时适应高动态动中通要求。基于惯导的定向天线方向跟踪方法的步骤如下:S11、设定基
准方向、初始方向和地面水平方向上的初始方位角度;由于俯仰角度变化和空中节点相对
车辆的高度变化不影响波束的跟踪方向的计算,所以以下计算忽略不计;S12、获取本地节
点经纬度信息和邻居节点经纬度信息以及空中节点和地面车载节点移动后的经纬度信息;
S13、若空中节点初始经纬度坐标为(lat0,lon0),空中节点移动后坐经纬度标为(lat1,
lon1),考虑地球的曲率半径,将经纬度坐标转换为空间直角坐标(x0,y0),(x1,y1),以(lat0,
lon0)为计算基准;站心坐标系和空间直角坐标系示意图,如图11所示;将(x1,y1)转换为站
心坐标系(de,dn),则可计算出此时的真北航向tan2(de,dn);S14根据移动前和移动后的真
北航向变化量得到方位角变化量 ,获得移动过程中天线自转角度 ,则移动后波束跟踪
方向角度变化量为 ,对原来获得的方向进行重新计算,得到运动后新的定向天线的方
向信息。
测。
微时隙,在微时隙进行定向天线扫描;设计信标帧,根据信标帧的符号中伪随机码序列检测
邻居节点及其方向,根据所述邻居节点及其方向建立通信链路;确定邻居节点的每个方向
上同时存在的用户数量,利用伪随机码序列进行邻居节点方向识别及用户区分,利用物理
层波形的前导符号进行信标检测;可以实现快速发现邻居节点以及定向波束的对准。
高。在天线扫描信标设计中,提供了一种由多个相同符号组成的信标帧,可以解决多个用户
同时发射盲音时信标无法识别的问题,信噪比较低的远距离环境下无法判决的问题以及频
谱的隐蔽性问题。在信标检测中提供了一种信标检测方法,采用具有共轭对称性的训练符
号,能够获得更精确的检测信息。通过信标仿真对本方法进行了验证,结果表明在一定覆盖
范围内,远近效应条件下均可实现用户分辨。
给新的信道,新的信道收到信息后切换方向接收地面节点信息,由此可以避免空中节点或
地面节点进行移动时,定向天线原来与邻居节点间通信的方向发生变化导致的数据传输丢
包或失败,改善由于方向的变化而带来的数据传输不畅通的问题。
都应涵盖在本发明的保护范围之内。