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CN107359922A - 一种波束扫描与doa相结合的邻居发现与精确对准方法 - Google Patents

一种波束扫描与doa相结合的邻居发现与精确对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与对准方案，它涉及微波相控天线系统无中心组网中的邻居发现及波束对准方法。该方案中各节点首先利用天线切换及固定波束赋形实现粗波束扫描及邻居发现，然后利用DOA估计及数字波束赋形进一步实现精确波束对准。此方案能够应用于微波无中心通信组网中，解决邻居发现及精确波束对准问题，有效的减小了硬件与软件算法复杂度，能够满足车载、舰载及空载微波设备多节点无中心组网的需求。

Description

一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准方法
技术领域
本发明涉及一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与对准方案，能够实现各节点全向多邻居发现与波束精确对准，适用无中心多节点组网，能够满足车载、舰载及空载微波设备通信与组网的需要。
背景技术
在车载、舰载及空载微波通信中，为了满足多节点组网的要求，需要其相控天线系统能够实现360°高精度邻居发现与波束对准。目前常见的邻居发现与波束对准主要有：1)DOA估计算法，利用多通道T/R组件接收信号，在基带利用DOA估计算法进行邻居发现与自适应波束赋形；2)天线切换方案，利用对天线波束切换，实现波束的扫描与切换。然而DOA估计算法需要大量的射频通道，设备复杂度与成本较高；天线切换方案精度交叉，且波束交叉点增益较低，不能满足高精度波束对准的要求。随着网络化微波的不断发展，急需一种成本低、精度高的邻居发现与波束对准方案，满足微波通信组网的要求。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术应用在全向通信中的不足之处，而提供了一种低复杂度高精度的邻居发现与对准方案。该方案首先利用开关切换天线，形成多个波束对全向进行扫描，节点间波束对准实现邻居发现，然后各节点利用波束对应的多个天线进行DOA估计，实现波束的精确对准。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准方案，包括以下步骤：
(1)各节点时间同步后，发射节点的N通道基带处理组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；其中，M为大于等于6的自然数，N为小于等于M/2的自然数；
(2)发射节点在MAC层生成邻居发现帧并传入N通道基带处理单元进行调制及发射粗波束赋形，后经N通道射频组件进行上变频，通过选择的天线阵子发射；
(3)接收节点的N通道基带处理组件控制通过M选N组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；
(4)接收节点通过选择的天线阵子接收邻居发现帧，若接收到邻居发现帧，则经N通道射频组件进行下变频，后经N通道基带处理单元进行接收粗波束赋形及解调，传入接收节点MAC层，并向发射节点发送回复消息；否则返回步骤(1)；
(5)发射节点收到回复消息后进行波束对准；
(6)波束对准后确定出发射节点和接收节点分别参与工作的N个天线并进行时隙预约，完成节点间的邻居发现；
(7)发射节点通过参与工作的N个天线发射信号；
(8)接收节点通过参与工作的N个天线接收发射节点的信号，对信号进行相位激励等效为线阵，并进行DOA估计，实现有用信号及干扰信号的方向估计，根据方向估计对发射节点进行波束精确对准，并对干扰信号进行零陷波。
其中，步骤(1)和步骤(3)中发射节点和接收节点在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子，按照设定的扫描方向进行选择，且发射节点和接收节点的扫描方向一致，但不同扫描周期采用不同的起点。
其中，每个天线阵子形成1个或多个粗波束，一个时隙仅有1个粗波束进行工作，各波束按照顺时针或逆时针顺序实现360°扫描。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明与波束切换方案相比，各节点能够获得更高精度的来波角度估计，从而能将波束最大增益对准通信节点，且避免了波束切换方案中波束交叉点天线增益过低的问题。
2.本发明与全向DOA估计相比，一方面采用了更少的射频通道，减小了系统硬件实现复杂度，从而降低了成本；另一方面减少了处理信号维度，降低了运算复杂度。
附图说明
图1是本发明的邻居发现与波束对准示意图。
图2是本发明的节点设备组成框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
图1以M＝8为例展示本发明的邻居发现过程，整个邻居发现分为两个步骤。第一步，波束扫描对准，各节点时间同步后，在相同的时隙采用A％的概率发射信号，(100-A)％的概率接收信号；控制波束进行360°扫描，收发节点按照不同的扫描图案进行扫描，实施例各节点按照30％的概率发射，70％的概率接收，节点1为发射节点，节点2为接收节点，扫描数次后波束粗对准并交互信息，实现邻居发现，确定工作天线。第二步，DOA估计，各节点利用面向用户的N(N＝3)个天线进行有用信号及干扰信号方向进行精确估计，DOA估计精度≤1°。
图2是本发明的各节点物理层组成，包括N通道基带处理组件1、N通道射频组件2、M选N开关组件3与M个(M＝8)阵元组成的天线阵列4组成。实例按照图2进行连线，其中实线为传输信号，虚线为控制信号。
其中，N通道基带处理组件负责DOA估计与波束赋形，能够控制M选N开关组件选择相应的工作天线，能够进行DOA估计，并对发射与接收信号进行波束赋形；N通道射频组件负责N路发射信号的功率放大与N路接收信号的低噪声放大；M选N开关组件能够根据控制信息从M个天线中选出N个(N＝3)天线用于信号发射与接收，减少后端射频通道数量，从而降低系统复杂度，降低成本；天线阵列为M面阵，每面定向天线能够实现N/M*180°的波束覆盖，每个方向在N面(N＝3)天线的覆盖范围。
其中，其各节点利用M(M＝8)选N(N＝3)开关选择组件可选择面向各方向的N个天线，结合波束赋形可形成多个粗波束覆盖360°；N个相邻天线可形成1个粗波束；一个时隙仅有1个波束进行工作，各波束按照顺时针或拟时针顺序即可实现360°扫描。
其中，波束粗对准后，N通道基带处理组件能够对对应天线接收到的信号进行相位激励等效为线阵，结合MUSIC、ESPRIT等算法可进行DOA估计，并根据波达信息进行发射信号与接收信号的精确波束赋形及干扰信号的零陷波。具体步骤如下：
(1)各节点时间同步后，发射节点的N通道基带处理组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；其中，M为大于等于6的自然数，N为小于等于M/2的自然数；
(2)发射节点在MAC层生成邻居发现帧并传入N通道基带处理单元进行调制及发射粗波束赋形，后经N通道射频组件进行上变频，通过选择的天线阵子发射；
(3)接收节点的N通道基带处理组件控制通过M选N组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；
(4)接收节点通过选择的天线阵子接收邻居发现帧，若接收到邻居发现帧，则经N通道射频组件进行下变频，后经N通道基带处理单元进行接收粗波束赋形及解调，传入接收节点MAC层，并向发射节点发送回复消息；否则返回步骤(1)；
(5)发射节点收到回复消息后进行波束对准；
(6)波束对准后确定出发射节点和接收节点分别参与工作的N个天线，完成节点间的邻居发现；
(7)发射节点通过参与工作的N个天线发射信号；
(8)接收节点通过参与工作的N个天线接收发射节点的信号，对信号进行相位激励等效为线阵，并并结合MUSIC、ESPRIT等算法进行DOA估计，实现有用信号及干扰信号的方向估计，根据方向估计对发射节点进行波束精确对准，并对干扰信号进行零陷波。
工作原理：各节点以一定概率发射与接收，利用开关切换天线，并顺序赋形M个粗波束，按照扫描图样进行扫描，实现各相邻节点的波束粗对准；粗对准后各节点选择面向相邻节点的天线，利用MUSIC算法或其它DOA算法进行DOA估计，实现各节点有用及干扰信号的方向估计；根据方向估计信息，对邻居进行波束精确对准，并对干扰进行零陷波。

Claims (3)

1.一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)各节点时间同步后，发射节点的N通道基带处理组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；其中，M为大于等于6的自然数，N为小于等于M/2的自然数；
(2)发射节点在MAC层生成邻居发现帧并传入N通道基带处理单元进行调制及发射粗波束赋形，后经N通道射频组件进行上变频，通过选择的天线阵子发射；
(3)接收节点的N通道基带处理组件控制通过M选N组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子；
(4)接收节点通过选择的天线阵子接收邻居发现帧，若接收到邻居发现帧，则经N通道射频组件进行下变频，后经N通道基带处理单元进行接收粗波束赋形及解调，传入接收节点MAC层，并向发射节点发送回复消息；否则返回步骤(1)；
(5)发射节点收到回复消息后进行波束对准；
(6)波束对准后确定出发射节点和接收节点分别参与工作的N个天线并进行时隙预约，完成节点间的邻居发现；
(7)发射节点通过参与工作的N个天线发射信号；
(8)接收节点通过参与工作的N个天线接收发射节点的信号，对信号进行相位激励等效为线阵，并进行DOA估计，实现有用信号及干扰信号的方向估计，根据方向估计对发射节点进行波束精确对准，并对干扰信号进行零陷波；
完成波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准。
2.根据权利要求1所述的一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中发射节点和接收节点在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线阵子，按照设定的扫描方向进行选择，且发射节点和接收节点的扫描方向一致，但不同扫描周期采用不同的起点。
3.根据权利要求2所述的一种波束扫描与DOA相结合的邻居发现与精确对准方法，其特征在于，每个天线阵子形成1个或多个粗波束，一个时隙仅有1个粗波束进行工作，各个粗波束按照顺时针或逆时针顺序实现360°扫描。
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