CN109788542B - 自组网信道接入方法、装置、计算机设备及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自组网信道接入方法，包括下述步骤：在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。还提供一种自组网信道接入装置、计算机设备及可读存储介质，通过本申请可以将定向天线应用在自组网网络中，可以解决全向天线带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

Description

自组网信道接入方法、装置、计算机设备及可读存储介质

技术领域

本申请涉及网络通讯技术领域，特别是涉及一种自组网信道接入方法及其装置。

背景技术

传统技术中，应用自组织网络大多数研究都是使用基于全向天线的简单射频物理层方案。

采用全向天线虽然可以实现基本的通讯，但是会带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

发明内容

基于此，有必要针对采用全向天线的低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题，提供一种自组网信道接入方法及其装置。

一种自组网信道接入方法，包括下述步骤：

在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；

根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；

采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

在其中一个实施例中，广播信令时隙包括信令发送时隙和信令接收时隙，定向节点包括已入网定向节点和未入网定向节点，在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点的步骤包括：

控制已入网定向节点在预分配的信令发送时隙内向未入网定向节点发送同步信号，同步信号携带时间基准；

在未入网定向节点接收到同步信号，使未入网定向节点与已入网定向节点单向同步后，控制未入网定向节点在预分配的信令发送时隙内向已入网定向节点发送测距信令应答信号；

在已入网定向节点接收到测距信号应答信号后，控制已入网定向节点在信令发送时隙内向未入网定向节点发送测距结果，测距结果为已入网定向节点根据测距信令应答信号到达的时间计算的定向节点之间的距离；

在未入网定向节点接收测距结果后，控制未入网定向节点根据同步信号上的时间基准和测距结果消除路径传输时延，并更新为入网定向节点；

在预分配的广播信令时隙内更新自组网网络中的邻居定向节点。

在其中一个实施例中，在预分配的广播信令时隙内更新自组网网络中的邻居定向节点的步骤包括：

第一定向节点在预分配的信令接收时隙内接收第二定向节点的同步信令信号或应答信令信号，应答信令信号为第二定向节点在接收到第一定向节点发送同步信令信号后，向第一定向节点发送的应答信令信号；

记录第一定向节点和第二定向节点的身份识别标识以及定向天线的身份识别标识。

在其中一个实施例中，根据定向节点和邻居定向节点之间数据传输情况，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的定向天线的步骤包括：

记录定向节点采用第一定向天线对同步信令信号的接收结果，接收结果包括接收时的信号接收信噪比；

当定向节点采用第二定向天线连续多次进行同步信令信号传输时的信号接收信噪比高于采用第一定向天线信号接收信噪比时，删除第一定向天线的身份识别标识，记录第二定向天线的身份识别标识，第二定向天线更新为第一定向天线，返回记录定向节点采用第一定向天线对同步信令信号的接收结果的步骤。

在其中一个实施例中，广播信令时隙、信道接入时隙和数据传输时隙组成超帧结构，按照定向天线在预分配的信道接入时隙建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输的步骤包括：

在预分配的信道接入时隙内向目的定向节点发送业务建链申请信令，业务建链申请信令包括待传输业务数据的业务类型、优先级和数据量大小，信道接入时隙通过将超帧结构的子帧中信道接入时隙划分出来的；

接收目的定向节点在预分配的信道接入时隙内反馈的业务建链同意信令，业务建链同意信令包括业务传输速率和传输数据时隙的位置关系；

根据业务建链同意信令中的业务传输速率在预分配的数据传输时隙内发送业务数据。

在其中一个实施例中，超帧结构包括第一批次超帧结构和第二批次超帧结构，自组网信道接入方法还包括：

对定向天线进行数字编号；

定向节点在第一批次超帧结构上接收信号时，采用奇数编号的定向天线接收信号；

定向节点在第二批次超帧结构上接收信号时，采用偶数编号的定向天线接收信号。

一种自组网信道接入装置，包括：

定向节点模块，用于在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；

定向天线模块，用于根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；

数据传输模块，用于采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

在其中一个实施例中，定向天线的工作机制为半双工工作机制。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述任一实施例中方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一实施中方法的步骤。

上述自组网信道接入方法、装置、计算机设备及可读存储介质，通过选择定向节点、更新邻居定向节点以及选择合适的定向节点周围的定向天线可以将定向天线应用在自组网网络中，可以解决全向天线带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

附图说明

图1为一个实施例中自组网示意图；

图2为一个实施例中自组网信道接入方法的流程图；

图3为一个实施例中最佳定向天线收发组合示意图；

图4为一个实施例中查找自组网网络中定向节点方法的流程图；

图5为一个实施例中更新自组网网络中邻居定向节点方法的流程图；

图6为一个实施例中实时选择定向天线方法的流程图；

图7为一个实施例中建立通道和传输数据方法的流程图；

图8为一个实施例中超帧结构的结构示意图；

图9为一个实施例中测距过程的信令交互方法的示意图；

图10为一个实施例中入网定向节点之间非邻居定向节点状态和邻居定向节点状态之间的转换机制的示意图；

图11为一个实施例中数据时隙的ACK反馈信令小时隙的位置安排的示意图；

图12为一个实施例中定向节点使用窄带波束定向天线时的互相干扰链路的示意图；

图13为一个实施例中自组网信道接入装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

自组网网络是由一组带有无线通信收发装置的移动定向节点组成的临时性无中心网络。因为特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，移动自组网技术已经成为数字化战场通信的首选技术,也是战术互联网的核心技术。如图1所示，以车载移动多跳自组网网络所示，车载形态的定向节点全部安装了相同的一共N根的窄带波束定向天线，为保障通信链路在移动场景下的收发天线无缝切换，在天线设计过程中相邻窄带波束定向天线的主瓣波束之间需要一定比例的互相重叠。

如图2所示，一种自组网信道接入方法，包括下述步骤：

S200：在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点。

时隙是任何能唯一识别和定义的周期性时段，广播信令时隙用于定向节点的发现、邻居定向节点的更新和少量的信令信息交互等。定向节点是网络任何支路的终端或网络中两个或更多支路的互连公共点。在本实施例中，定向节点是自组网网络中任何支路的终端或网络中两个或更多支路的互连公共点，定向节点周围安装多根定向天线，定向节点通过选择对应的定向天线进行信息传输。定向节点与网络中其他的定向节点的之间的状态有两种，一种是互为非邻居定向节点状态，一种是互为邻居定向节点状态，这两种关系会随着时间和定向节点的位置变化而变化，需要实时更新定向节点周围的邻居定向节点。

S400：根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线。

定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量包括信噪比等参数，信噪比是指一个系统中信号与噪声的比例，是度量通信系统通信质量可靠性的一个主要技术指标。

每个定向节点周围有N根定向天线，如图3所示，在视距通信情况下，通信双方N²种天线收发组合中的最佳组合是发方天线的发射区域和收方天线的接收区域的交叉面积最大化。为保障通信链路在移动场景下的收发天线无缝切换，在天线设计过程中相邻定向天线的主瓣波束之间需要一定比例的互相重叠。定向天线可以是窄带波束定向天线。

S600：采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

信道接入时隙用于数据收发双方的RTS(业务传输建链申请信令)和CTS(业务传输同意信令)的业务建链信令发送，数据传输时隙专门用于数据业务的传输和接收ACK(确认字符)应答。考虑到定向节点都使用定向天线，因此信道接入过程采用RTS-CTS-数据传输-ACK的机制，即业务发送方在自己预分配的时隙上向某个目的邻居定向节点发送RTS，而信令目的定向节点收到RTS信令后在自己预分配信道接入小时隙上反馈CTS。

上述自组网信道接入方法，通过选择定向节点、更新邻居定向节点以及选择合适的定向节点周围的定向天线可以将定向天线应用在自组网网络中，可以解决全向天线带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

如图4所示，在其中一个实施例中，广播信令时隙包括信令发送时隙和信令接收时隙，定向节点包括已入网定向节点和未入网定向节点，S200包括：

S220：控制已入网定向节点在预分配的信令发送时隙内向未入网定向节点发送同步信号，同步信号携带时间基准。

S240：在未入网定向节点接收到同步信号，使未入网定向节点与已入网定向节点单向同步后，控制未入网定向节点在预分配的信令发送时隙内向已入网定向节点发送测距信令应答信号。

S260：在已入网定向节点接收到测距信号应答信号后，控制已入网定向节点在信令发送时隙内向未入网定向节点发送测距结果，测距结果为已入网定向节点根据测距信令应答信号到达的时间计算的定向节点之间的距离。

S280：在未入网定向节点接收测距结果后，控制未入网定向节点根据同步信号上的时间基准和测距结果消除路径传输时延，并更新为入网定向节点。

S300：在预分配的广播信令时隙内更新自组网网络中的邻居定向节点。

在本实施例中，通过已入网定向节点向未入网定向节点发送携带有时间基准的同步信号，未入网定向节点向已入网定向节点发送测距信令应答信号，已入网定向节点发送测距结果，未入网定向节点接收测距结果后，消除路径传输时延，更新为已入网定向节点。从而达到未入网定向节点入网的目的。

在一个实施例中，在自组网的拓扑结构下，定向节点开机后需要有一个入网流程，这个过程是用于获取当前的网络运行的时间基准，从而为后续信号发送和接收奠定基础。另外考虑到晶振的偏移问题，除作为网络时间源头的网络主台外，其它定向节点都需要对时间基准进行周期性的逐跳校正，从而保证整个网络的所有定向节点的时间基准和网络主台趋于一致。

如图5所示，在其中一个实施例中，S300包括：

S320：第一定向节点在预分配的信令接收时隙内接收第二定向节点的同步信令信号或应答信令信号，应答信令信号为第二定向节点在接收到第一定向节点发送同步信令信号后，向第一定向节点发送的应答信令信号；

S340：记录第一定向节点和第二定向节点的身份识别标识以及定向天线的身份识别标识。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一定向节点称为第二定向节点，且类似地，可将第二定向节点称为第一定向节点。第一定向节点和第二定向节点两者都是定向节点，但其不是同一定向节点。

在本实施例中，定向节点与网络中其他的定向节点的之间的状态有两种，一种是互为非邻居定向节点状态，一种是互为邻居定向节点状态，这两种关系会随着时间和定向节点的位置变化而变化，需要实时更新定向节点周围的邻居定向节点。定向节点通过接收其他定向节点的发送的同步信令信号，或者接收其他定向节点接收定向节点发送的同步信令信号之后反馈的应答信令信号，可以实现定向节点周围的邻居定向节点的发现，从而便于建立通信通道。

如图6所示，在其中一个实施例中，S400包括：

S420：记录定向节点采用第一定向天线对同步信令信号的接收结果，接收结果包括接收时的信号接收信噪比；

S440：当定向节点采用第二定向天线连续多次进行同步信令信号传输时的信号接收信噪比高于采用第一定向天线信号接收信噪比时，删除第一定向天线的身份识别标识，记录第二定向天线的身份识别标识，第二定向天线更新为第一定向天线，返回记录定向节点采用第一定向天线对同步信令信号的接收结果的步骤。

定向节点采用第二定向天线连续多次进行同步信令信号传输时的信号接收信噪比高于采用第一定向天线信号接收信噪比中的多次可以是两次、三次或者四次等。身份识别标识可以是数字编号或字母编号等等。

在本实施例中，通过实时记录和比较不同定向天线同步信令信号传输过程中特定的定向天线对同步信令信号的接收情况，即信噪比，可以实时选出信噪比最高，对同步信令信号接收情况最佳的定向天线，并记录对应定向天线的身份识别标识，提高信道传输过程中的数据传输质量。

如图7所示，在其中一个实施例中，广播信令时隙、信道接入时隙和数据传输时隙组成超帧结构，S600包括：

S620：在预分配的信道接入时隙内向目的定向节点发送业务建链申请信令，业务建链申请信令包括待传输业务数据的业务类型、优先级和数据量大小，信道接入时隙通过将超帧结构的子帧中信道接入时隙划分出来的；

S640：接收目的定向节点在预分配的信道接入时隙内反馈的业务建链同意信令，业务建链同意信令包括业务传输速率和传输数据时隙的位置关系；

S660：根据业务建链同意信令中的业务传输速率在预分配的数据传输时隙内发送业务数据。

超帧结构包括若干个子帧，一个子帧包含三类不同功能的时隙，分别是广播信令时隙、信道接入时隙和数据传输时隙；广播信令时隙用于定向节点之间的邻居定向节点发现、天线对准维护和少量信令信息交互，信道接入时隙用于数据收发双方的RTS和CTS的业务建链信令发送，而数据传输时隙则专门用于数据业务的传输和接收ACK应答。

在本实施例中，通过设定超帧结构中的三个时隙中的信道接入时隙和数据传输时隙，定向节点在信道接入时隙内向目的定向节点发送RTS，目的定向节点在信道接入时隙内向定向节点反馈CTS，定向节点和目的定向节点按照RTS中的业务传输速率在数据传输时隙内实现数据传输过程。

在其中一个实施例中，超帧结构包括第一批次超帧结构和第二批次超帧结构，自组网信道接入方法还包括：

对定向天线进行数字编号；

定向节点在第一批次超帧结构上接收信号时，采用奇数编号的定向天线接收信号；

定向节点在第二批次超帧结构上接收信号时，采用偶数编号的定向天线接收信号。

在本实施例中，通过对超帧结构分批次，对定向天线进行编号，可以在特定的超帧结构内使用特定的定向天线，从而可以解决信号传输时延。

在一个实施例中，车载形态的定向节点全部安装了相同的一共N根的窄带波束定向天线，并通过开关矩阵来按需选择其中的一根来进行信号的发送或接收，即半双工工作机制，考虑到开关切换是通过电路进行控制的，因此不同天线的切换时间非常小，基本可以忽略不计。同时，为保障通信链路在移动场景下的收发天线无缝切换，在天线设计过程中相邻窄带波束定向天线的主瓣波束之间需要一定比例的互相重叠。

如图8所示，在本实施例中，采用超帧结构来实现信道接入方法。

超帧结构由M个子帧组成，其中参数M表示网络开通前预设的定向节点数量，典型设置值为：5、10、15、20、25、30；一个超帧的时间长度Tf＝M×[(2N+20)×Ts+20]毫秒，其中Ts表示信令信号的时间长度(单位为毫秒)，N表示定向节点所安装的窄带波束定向天线的数量；一个子帧含三类不同功能的时隙，包括BS(广播信令时隙)，A(信道接入时隙)和D(数据传输时隙)；其中广播信令时隙用于定向节点之间的邻居定向节点发现、天线对准维护和少量信令信息交互；信道接入时隙用于数据收发双方的RTS和CTS的业务建链信令发送；而数据传输时隙则专门用于数据业务的传输和接收ACK应答。

广播信令时隙分为TX(信令发送时隙)和RX(信令接收时隙)，两者的时间长度一样长。其中TX时隙再划分N个小时隙，供某个定向节点的N根窄带波束定向天线各发送一次信令信号，从而实现周围360度的信令信号全覆盖；而RX时隙再划分为N个小时隙，用于接收周围邻居定向节点的应答信令信号；信道接入时隙划分为5个小时隙，按照定向节点MAC(Media Access Control，媒体访问地址)地址固定分配给5个不同定向节点使用，定向节点可以在自己的小时隙上发送业务建链申请信号或业务建链同意信号；数据时隙专门用于定向节点之间的数据传输以及数据接收ACK反馈，时间长度固定为5ms。

进一步地，在多跳自组网的拓扑结构下，定向节点开机后需要有一个入网流程，即查找自组网网络中的定向节点。

网络主台(MAC地址为0)开机后立刻实现入网，并以自己的时间基准作为整个网络运行的时间基准源头，开始占用第一个子帧的广播信令时隙的TX时隙，并轮流使用N根天线发送携带自身时间基准信息的同步信号，实现周围360度的信令信号全覆盖；

同步信号发送完成后，定向节点在RX时隙上进入接收状态，准备接收邻居定向节点的应答信号；考虑到信号传输时延保护因素，定向节点将在奇数超帧上使用奇数编号天线进行信号接收，偶数超帧上使用偶数编号天线进行信号接收，每根天线各连续接收2个小时隙；

其它定向节点开机后立刻进行同步信号捕获，考虑到相邻天线具备接收区域重叠特性，因此首先轮流使用奇数编号天线进行信号捕获，失败后再使用偶数天线，重复上述过程直至某根天线成功捕获同步信号。其中每根天线的接收时间为Tf+Ts，即一个超帧时间加上一个信令信号的时间长度；

未入网定向节点的第x根天线捕获到某个已入网邻居定向节点的第y根天线发送的同步信号后，定向节点获得单向同步，并在该邻居定向节点的第y根天线的接收窗口出现时，使用第x根天线进行测距信令应答；

已入网定向节点在自己预分配的RX时隙上收到测距信令应答后，将根据该信号的到达时间来计算双方的距离，并在自己的下一个子帧的TX时隙的第y根天线发送的信令信号中通知对方该测距结果。

收到测距结果后，未入网定向节点将基于同步信号携带的时间数据和测距结果来消除路径传输时延，从而实现网络时间同步，并开始在自己的预分配广播信令时隙上发送同步信号，并等待其它定向节点的应答信号，从而完成整个入网过程，并开始为其它非入网定向节点提供。

其中，上述的测距过程和基本原理如图9所示：

则根据上图可以计算出双方的路径传输时延Td＝(T2-T1-N×Ts-T_Syn)/2，其中符号T_Syn表示信令信号中同步头的长度。

在本实施例中，这个过程是用于获取当前的网络运行的时间基准，从而为后续信号发送和接收奠定基础。另外考虑到晶振的偏移问题，除作为网络时间源头的网络主台外，其它定向节点都需要对时间基准进行周期性的逐跳校正，从而保证整个网络的所有定向节点的时间基准和网络主台趋于一致。

进一步地，定向节点入网后，需要周期性地进行时间基准的校正。

其中，网络主台的时间等级最高，一直是0级；设某个定向节点的上级授时定向节点的时间等级为Q级，则该定向节点时间等级为Q+1级；

每个定向节点都会在自己预分配广播信令时隙上携带自身时间等级信息，而每个定向节点基于该信息从中挑选出一个时间等级最好的邻居定向节点充当自己的上级授时定向节点；

设授时请求定向节点记为定向节点K，其上级授时定向节点记为L，双方进行信号收发的天线组合记为(x，y)。定向节点K将周期性的在自己的预分配TX时隙上使用天线x向定向节点L发送授时请求信令(周期大小将基于晶振具体性能来进行手动配置，基本原则是保证在该周期时间内，晶振最大漂移值不大于一个信令符号的时间长度)，定向节点L收到后立刻在自己的预分配TX时隙上使用天线y发送授时应答信令，该信令将把后续的RX时隙的天线y的接收时隙固定分配给定向节点K使用，其它定向节点将不能在该时隙上发送信号。

定向节点K收到定向节点L的授权应答信令后，则在其后续预留的天线y的接收时隙上发送使用天线x来发送测距信令。定向节点L基于该信令的到达时间来重新计算双方路径距离(计算过程同图9)，并在下一个自己的预分配TX时隙通知定向节点K相关的测距结果和当前自身的时间数据。

定向节点K收到定向节点L的通知后，消除路径传输时延后更新自己的时间基准，并基于新时间基准来调整自己后续的信号收发过程。

进一步地，在所有定向节点都使用定向天线的情况下，还需要定向节点之间邻居定向节点互相发现和天线对准实时调整。

其中，在视距通信情况下，设定向节点A和定向节点B的最佳发送和接收天线组合为(X，Y)，则定向节点B和定向节点A的最佳发送和接收天线组合以趋于1的概率为(Y，X)，即一根天线会同时是另一个邻居定向节点的最佳发送天线和最佳接收天线。即考虑到使用定向天线的网络工作频率一般比较高，如毫米波频段，通信双方的传输链路具备视距传输特性、窄带波束信号的直线传输特性，以及窄带波束定向天线的小角度信号接收特性，因此在全向天线领域的多反射体和多径信号模型在窄带波束定向天线领域基本上是不存在，因此信号传输链路质量、以及同一根窄带波束定向天线的信号发送和接收都存在较强的对称性，从而满足上述结论。

其中，一个超帧含M个广播信令时隙，按MAC地址分别固定分配给网络的M个预规划定向节点；每个定向节点入网后以及后续网络运行阶段将在自己的预分配广播信令时隙中的TX时隙轮流使用N根天线发送360度全向覆盖的同步信令信号；

定向节点入网后，则将和网络其中M-1个定向节点之间的状态定义为2种，一种是非邻居定向节点状态S_NN(Non-Neighbor，非邻居定向节点状态)，另一种则是邻居定向节点状态S_N(Neighbor，邻居定向节点状态)。两者的状态转换机制如图10所示：

对于定向节点K而言，其对于网络中另一个处于非邻居定向节点状态S_NN的定向节点L所预分配的广播信令时隙中TX时隙的信号接收机制具体为：每次只使用1根天线来完整监听定向节点L的TX时隙发送的N个不同方向的同步信令信号，如果全部接收失败，则在下一个周期更换天线继续监听(这里同样考虑到相邻天线的接收区域存在一定比例的重叠，因此先使用奇数编号天线，然后使用偶数编号天线)，定向节点K重复上述接收过程，直至某根天线成功接收到定向节点L的某个信令信号，这里信令信号的类型包括定向节点L在其预分配TX时隙发送的同步信令信号，或者是定向节点K在自己预分配RX时隙收到定向节点L的应答信令信号。

对定向节点K而言，如果收到定向节点L的预分配TX时隙发送的同步信令信号，设定向节点K使用天线xx接收到定向节点L使用天线yy发送的信令信号，则定向节点K将在定向节点L的预分配RX时隙中天线yy的接收窗口上使用天线xx来发送应答信令信号。定向节点K发送本信号的目的是向定向节点L通知自己的存在性，并告知彼此之间的信号收发天线xx和天线yy的编号信息。考虑到链路和天线对称性，则定向节点L收到该信息后就可以使用天线yy来正确接收定向节点K使用天线xx发送的信令信号；

而如果定向节点K在监听过程首先在自身广播信令时隙的RX时隙上收到定向节点L发送的携带了天线组合信息的应答信令信号，这说明在互相监听过程中定向节点L比定向节点K更快发现了彼此之间的邻居链路关系，则定向节点K将定向节点L的状态从S_NN跳转至S_N，并中断监听天线的更换顺序，直接使用对方应答信号指示的天线来监听定向节点L的TX时隙的同步信令信号，另外定向节点K将在下一次自己的预分配TX时隙发送的信号中向定向节点L通知该应答信令信号已经被正确接收。

定向节点L如果在定向节点K的RX时隙上进行应答，并收到定向节点K对应答信令的确认通知，则同理将定向节点K的状态从S_NN跳转至S_N，从而完成双方之间的邻居定向节点关系的互相发现过程。

进一步地，两个入网定向节点之间如果完成邻居定向节点关系的互相发现后，考虑到定向节点的移动性，因此需要进行天线对准实时调整。

其中，设定向节点K和定向节点L之间的邻居定向节点互相发现后，其初始的天线组合记为(xxx，yyy),定向节点K将使用天线xxx监听的定向节点L的预分配TX时隙上N根天线发送的N个同步信令信号，并记录天线xxx对这N份信号的接收结果，包括是否可以正确接收以及正确接收时的信号接收信噪比；同理，定向节点L也将使用天线yyy监听定向节点K的预分配TX时隙信号，并记录信号接收效果。

如果定向节点K在使用天线xxx的监听过程中发现更好链路质量的天线组合，具体定义为天线xxx连续2次正确接收定向节点L的另一根天线yyy’发送的同步信令信号，且接收信噪比都比当前维持的天线组合(xxx，yyy)的信号接收信噪比高(如果信号接收失败，则接收信噪比定义为负无穷大)，则定向节点K将进行天线组合更新，并通过定向节点K的预分配TX时隙上的信令信号，或者在定向节点L的预分配RX时隙中的天线yyy’的接收窗口上使用天线xxx发送应答信令来通知定向节点L新的天线组合信息；同理，定向节点L也采用相同机制来进行天线组合更新和通知。收到通知后，天线组合变动一方将使用新的天线进行监听。

如果定向节点K在使用天线xxx的监听过程中，如果连续3个超帧中都无法正确接收定向节点L的信令信号，则在后面的2个超帧中轮流使用天线xxx相邻的2根天线进行监听，如果重新正确接收信号，则进行天线组合更新并通知定向节点L；而如果全部失败，则基于图10的状态转变条件可以看出，定向节点K将把定向节点L的状态从S_N跳转至S_NN，从而重新进行邻居定向节点发现流程。

进一步地，还需要定向节点发送业务数据时的信道接入方案。

其中，超帧结构的一个子帧含4个信道接入时隙，每个A时隙在划分为5个信道接入小时隙；

网络规划定向节点数量M一定是5的整数倍数，因此以M/5个A时隙为一个信道接入周期，在一个周期内含M个信道接入小时隙，按照MAC地址固定预分配给这M个定向节点来使用；

考虑到定向节点都使用窄带波束定向天线，因此信道接入过程采用RTS-CTS-数据传输-ACK的机制，即业务发送方在自己预分配信道接入小时隙上向某个目的邻居定向节点发送业务传输建链申请信令，而信令目的定向节点收到RTS信令后在自己预分配信道接入小时隙上反馈业务传输同意信令。其中RTS信令将携带待传输数据业务的属性信息，包括业务类型、优先级和数据量大小，而CTS信令则携带业务传输速率和传输数据时隙的位置信息。业务发送方在收到目的定向节点的CTS应答信令后，则基于相关信令信息使用指示速率在指定数据时隙上发送业务数据。另外在上述某一对邻居定向节点K和L之间信令交互过程中，通信双方都将使用彼此之间维护的天线组合(X，Y)来进行信号收发，即定向节点K在自己的预分配信道接入小时隙上使用天线X向定向节点L发送RTS或CTS信令，在定向节点L的预分配信道接入小时隙上也使用天线X来接收对方可能发送的RTS或CTS信令；同理定向节点L也采用相同机制使用天线Y来进行和定向节点K之间的信令发送和接收。

进一步地，为提升信道接入方案的性能，还补充制定了如下信道接入规则：

只有已经互相发现的邻居定向节点之间才能在各自预分配信道接入小时隙上使用所维护的天线向对方发送RTS信令或CTS信令；

在自己预分配的信道接入小时隙来临时，如果信道接入信令队列中存在多个不同目的地址的待发送信令，则基于待传输业务的优先级进行信令排队，同等级时则目的MAC地址小的信令优先，其中RTS和CTS信令的优先级相同。考虑到定向天线的信号传输特性，多播或广播数据业务将退化为多个独立单播业务，需要和目的定向节点分别逐个进行业务建链和数据传输。

RTS信令发送一次后，如果在3个信道接入周期内没有收到目的定向节点的CTS应答信令，则重新发送。重复上述过程直至收到对方应答信令或发送次数达到规定上限(如10次)；

对于一个信道接入周期的其它M-1个其它定向节点的信令小时隙，如果该时隙是属于处于S_N状态的邻居定向节点的，则使用与之维护的天线组合中自身的天线进行信令信号接收；如果是属于S_NN状态的非邻居定向节点的，则在该时隙上处于空闲状态，放弃接收。

将降低信道接入信令中携带的比特数量，数据传输的基本单位是一个时间长度为5ms的数据时隙。数据发送方如果出现数据量不足情况(如数据业务只传输了3ms)，则不足之处进行比特填零处理。另外每个数据时隙中的最后区域固定安排一个数据接收方的ACK反馈信令小时隙，供接收定向节点反馈本数据时隙前面部分的数据接收结果。具体位置如图11所示，其中信令小时隙时间长度和信道接入小时隙相同，且其前后都各配置一个保护时隙，用于进行信号的传输时延和处理时延的保护，具体时间大小将根据通信网络应用场景和信号处理时间来自行配置。

如图11所示，在数据链路的双方存在移动的情况下，数据传输过程中可能出现天线收发组合发生变动，导致业务接收方对数据信号接收出现部分或全部失败，或者业务发送方无法正确接收ACK反馈信令。为保证数据链路因天线收发组合发生变化后通信双方快速重新建立链路，解决双方通信死锁问题，这里规定：对数据发送方而言，如果无法正确接收反馈信令，则在双方建链时安排的剩余数据时隙上轮流使用N根发送同步信号，并在ACK时隙上等待接收方的反馈信令，如果在这个过程中正确收到ACK反馈，则双方完成天线组合信息更新以及重新业务建链；而如果整个过程都没有接收到反馈，则认为本次数据传输过程中断，将重新启动业务建链流程。对数据接收方而言，如果在一个数据时隙的信号全部接收错误，则在双方建链时安排的后续数据时隙上调整接收格式，进行同步信号搜索，先奇数天线，后偶数天线，每根天线的接收时间为(N+1)×Ts，等待重新正确接收发送方的同步信号。如果成功捕获同步信号，则在指定的ACK反馈窗口上进行反馈，向业务发送方通知新的天线组合信息和重新业务建链信息；如果全部捕获失败，则认为本次数据传输过程中断，在信道接入小时隙上等待对方重新发送建链申请信令。

由于定向节点天线是采用半双工工作机制，即N根窄带波束定向天线中在一个时隙上只有一根处于收或发状态，因此一个定向节点不能在一个数据时隙上同时进行数据业务的发送和接收。因此为解决一个定向节点需要一边接收数据，一边发送数据时在数据时隙上产生的收发冲突问题，业务发送方在RTS信令信息中将使用30个比特(一个RTS信令最多预约后续的30个数据时隙)，基于当前已有的安排来指示本信令后的30个数据时隙的业务状态，其中比特1表示信令发送定向节点在该数据时隙上已经处于接收状态，无法再向目的定向节点发送数据；而比特0则表示在该数据时隙发送定向节点处于空闲状态，可以向目的定向节点发送数据；而目的定向节点则根据自己目前已有的数据时隙收发安排，在CTS信令同样使用30个比特来向业务发送方指示出自己无收发冲突的业务接收位置。

在定向节点全部使用窄带波束定向天线进行信号收发的情况下，不同数据传输链路之间的互相干扰概率较低，但在一些特殊拓扑和业务发送场景下仍可能存在一定的干扰，如图11所示。为解决不同数据链路之间的互干扰问题，业务接收方在CTS信令中传输数据时隙位置的决策时，除了要考虑上述规则7的收发冲突因素，在传输位置指示上还要考虑邻居定向节点多路并行业务的链路冲突因素，具体为：定向节点K的某根天线X是两个及以上邻居定向节点的最佳信号收发天线，且在使用天线X分别监听这些邻居定向节点的信道接入小时隙时收到目的定向节点不是自己的RTS信令，记为信令Sig1，则意味着该业务的传输信号会对定向节点K使用X天线接收另一个邻居定向节点的数据业务信号产生干扰。因此定向节点K使用天线X收到目的定向节点是自己的RTS信令时，记为信令Sig2，则在传输数据时隙的位置决策上将避开信令Sig1上所指示的所有空闲数据时隙位置。定向节点K可能无法收到信令Sig1的目的接收定向节点的CTS应答信令，因此默认信令Sig1上指示的所有空闲数据时隙都会进行数据传输。

从图12可以看出，在定向节点使用窄带波束定向天线时，互干扰链路仅出现在多个并行发送数据链路的发送定向节点和接收定向节点同时聚堆的拓扑场景下，考虑到车载网络时该拓扑结构比较少见且同时进行业务建链的概率较低，因此网络内并行业务出现互相干扰的概率也非常低。

在本实施例中，比起全向天线的信号广播传输导致的信道干扰模型，在定向节点全部使用窄带波束定向天线进行信号收发的情况下，网络中同时发送的信号出现互相干扰的概率将大大降低，从而明显提升频率资源的空间复用度，大幅度提高整个网络的吞吐量。

如图13所示，一种自组网信道接入装置，包括：

定向节点模块200，用于在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；

定向天线模块400，用于根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；

数据传输模块600，用于采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

上述自组网信道接入装置，通过定向节点模块200选择定向节点、更新邻居定向节点以及定向天线模块400选择合适的定向节点周围的定向天线可以将定向天线应用在自组网网络中，通过数据传输模块600可以实现数据传输，可以解决全向天线带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

在其中一个实施例中，定向天线的工作机制为半双工工作机制。

半双工工作机制为信息在两点之间能够在两个方向上进行发送，但是不能同时发送的工作机制。

在一个实施例中，一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述任一实施例中方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是交换机，该计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机被处理器执行时，可使得处理器执行如下步骤：在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

在一个实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一实施例中方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行如下步骤：在预分配的广播信令时隙内查找自组网网络中的定向节点，并更新自组网网络中的邻居定向节点；根据定向节点和邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各定向节点向各邻居定向节点传输数据使用的天线，天线为定向天线；采用选择的定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

上述自组网信道接入方法、装置、计算机设备及可读存储介质，通过选择定向节点、更新邻居定向节点以及选择合适的定向节点周围的定向天线可以将定向天线应用在自组网网络中，可以解决全向天线带来低数据速率、在业务流量需要的范围内链路的富余量不足、不可控制的空间射频信号、对干扰极其敏感以致无法工作和信道复用共享效率低的问题。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，前述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)等非易失性存储介质，或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种自组网信道接入方法，其特征在于，广播信令时隙包括信令发送时隙和信令接收时隙，定向节点包括已入网定向节点和未入网定向节点，包括下述步骤：

控制所述已入网定向节点在预分配的所述信令发送时隙内向所述未入网定向节点发送同步信号，所述同步信号携带时间基准；

在所述未入网定向节点接收到所述同步信号，使所述未入网定向节点与所述已入网定向节点单向同步后，控制所述未入网定向节点在预分配的所述信令发送时隙内向所述已入网定向节点发送测距信令应答信号；

在所述已入网定向节点接收到所述测距信令应答信号后，控制所述已入网定向节点在所述信令发送时隙内向所述未入网定向节点发送测距结果，所述测距结果为所述已入网定向节点根据所述测距信令应答信号到达的时间计算的所述定向节点之间的距离；

在所述未入网定向节点接收所述测距结果后，控制所述未入网定向节点根据所述同步信号上的所述时间基准和所述测距结果消除路径传输时延，并更新为入网定向节点；

在预分配的广播信令时隙内更新所述自组网网络中的邻居定向节点；根据所述定向节点和所述邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各所述定向节点向各所述邻居定向节点传输数据使用的天线，所述天线为定向天线；

采用选择的所述定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的自组网信道接入方法，其特征在于，所述在预分配的广播信令时隙内更新自组网网络中的邻居定向节点的步骤包括：

第一定向节点在预分配的所述信令接收时隙内接收第二定向节点的同步信令信号或应答信令信号，所述应答信令信号为所述第二定向节点在接收到所述第一定向节点发送同步信令信号后，向所述第一定向节点发送的应答信令信号；

记录所述第一定向节点和所述第二定向节点的身份识别标识以及所述定向天线的身份识别标识。

3.根据权利要求2所述的自组网信道接入方法，其特征在于，根据所述定向节点和所述邻居定向节点之间数据传输情况，实时选择各所述定向节点向各所述邻居定向节点传输数据使用的定向天线的步骤包括：

记录所述定向节点采用第一定向天线对所述同步信令信号的接收结果，所述接收结果包括接收时的信号接收信噪比；

当所述定向节点采用第二定向天线连续多次进行同步信令信号传输时的信号接收信噪比高于采用所述第一定向天线信号接收信噪比时，删除所述第一定向天线的身份识别标识，记录所述第二定向天线的身份识别标识，所述第二定向天线更新为所述第一定向天线，返回所述记录所述定向节点采用所述第一定向天线对所述同步信令信号的接收结果的步骤。

4.根据权利要求1所述的自组网信道接入方法，其特征在于，所述广播信令时隙、所述信道接入时隙和所述数据传输时隙组成超帧结构，所述定向天线在预分配的信道接入时隙建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输的步骤包括：

在预分配的信道接入时隙内向目的定向节点发送业务建链申请信令，所述业务建链申请信令包括待传输业务数据的业务类型、优先级和数据量大小，所述信道接入时隙通过将所述超帧结构的子帧中信道接入时隙划分出来的；

接收目的定向节点在预分配的信道接入时隙内反馈的业务建链同意信令，所述业务建链同意信令包括业务传输速率和传输数据时隙的位置关系；

根据所述业务建链同意信令中的所述业务传输速率在预分配的所述数据传输时隙内发送所述业务数据。

5.根据权利要求1所述的自组网信道接入方法，其特征在于，超帧结构包括第一批次超帧结构和第二批次超帧结构，所述自组网信道接入方法还包括：

对所述定向天线进行数字编号；

所述定向节点在所述第一批次超帧结构上接收信号时，采用奇数编号的所述定向天线接收信号；

所述定向节点在所述第二批次超帧结构上接收信号时，采用偶数编号的所述定向天线接收信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的自组网信道接入方法，其特征在于，所述定向天线为窄带波束定向天线。

7.一种自组网信道接入装置，其特征在于，广播信令时隙包括信令发送时隙和信令接收时隙，定向节点包括已入网定向节点和未入网定向节点，所述装置包括：

定向节点模块，用于控制所述已入网定向节点在预分配的所述信令发送时隙内向所述未入网定向节点发送同步信号，所述同步信号携带时间基准；

在所述未入网定向节点接收到所述同步信号，使所述未入网定向节点与所述已入网定向节点单向同步后，控制所述未入网定向节点在预分配的所述信令发送时隙内向所述已入网定向节点发送测距信令应答信号；

在所述已入网定向节点接收到所述测距信令应答信号后，控制所述已入网定向节点在所述信令发送时隙内向所述未入网定向节点发送测距结果，所述测距结果为所述已入网定向节点根据所述测距信令应答信号到达的时间计算的所述定向节点之间的距离；

在所述未入网定向节点接收所述测距结果后，控制所述未入网定向节点根据所述同步信号上的所述时间基准和所述测距结果消除路径传输时延，并更新为入网定向节点；

在预分配的广播信令时隙内更新所述自组网网络中的邻居定向节点；

定向天线模块，用于根据所述定向节点和所述邻居定向节点之间的通讯质量，实时选择各所述定向节点向各所述邻居定向节点传输数据使用的天线，所述天线为定向天线；

数据传输模块，用于采用选择的所述定向天线在预分配的信道接入时隙内建立通道，在预分配的数据传输时隙进行数据传输。

8.根据权利要求7所述的自组网信道接入装置，其特征在于，所述定向天线的工作机制为半双工工作机制。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6任意一项所述方法的步骤。

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，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

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