基于多方向天线阵列的信标收发技术

刘经纬，李 茜，韩仲华

（华北计算技术研究所，北京100083）

0 引 言

无线Mesh网络（wireless mesh network，WMN）是近几年出现的一种新兴多跳无线网络，相比目前依赖基础设施的网络（如传统的蜂窝网络），无线Mesh网络中的各节点能够以多跳方式快速构成链状、树状以及网状等多种拓扑结构的网络。由于不需要基础设施，无线Mesh网络可作为一种临时骨干网络与应急通信手段，保证了其它多种末端网络之间能够互联互通，并提供较大范围内的无线覆盖能力。

无线Mesh 网 络 涉 及 到 路 由［1，2，10］、组 网［8，9］，以 及 信道分配［3－7］等多种技术，而在射频与天线技术方面，现有无线Mesh网络多采用普通全向天线，其通信距离一般比较近，难以适用于大跨距的通信场合。

目前出现了一种基于多方向天线阵列的同步无线Mesh网络，该网络中所有节点均采用一种基于多方向的天线阵列技术［11］，该技术中每根天线覆盖45°扇区，在满足全向覆盖的同时实现了天线的高增益，并支持天线动态切换，大幅度地提升了整个网络的吞吐量和覆盖范围，天线任一时刻指向某个特定方位，也能够大幅减轻来自其它方向上的干扰。多方向天线阵列结构如图1所示。

文中所研究的信标收发技术即应用在上述多方向天线阵列结构基础上。其中，将信标称为Hello包，将网络内节点周期对外发送的信标称为Hello请求包，而将未入网节点向选定的网络内节点发送的信标回应包称为Hello响应包（下同）。

图1 多方向天线阵列

1 基于多方向天线阵列的信标收发技术

1.1 帧结构

该技术中的时间帧结构如图2所示。

图2 帧结构

该帧结构中具有以下两种时隙类型：Hello时隙；数据时隙。

其中，一个Hello时隙的时间长度为整个时间帧长度的1／1000，而每个时间帧中共有20个Hello时隙。

基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络协议中的所有与时间相关的Hello请求包收发规程、数据时隙中的带宽申请规程以及数据时隙的普通数据收发规程均以该帧结构为基础。

1.2 节点多方向信标发送的天线号序列生成算法

1.2.1 多方向信标发送的问题

网络内节点需要在自己每根天线上均匀地对外发送Hello请求包，以便为未入网节点提供入网服务。

由于各节点均具有多方向天线阵列结构并且均遵从时间帧结构，因此需要对各节点在Hello时隙所发送的Hello请求包的时间与所使用的天线号进行合理规划，否则容易出现以下问题：

（1）邻近的多个节点可能会在同一个Hello时隙内发出Hello请求包。

（2）多个节点可能会使用具有相同天线号的天线发出Hello请求包。虽然由于各节点的随机摆放能够一定程度上避免各节点具有相同天线号的天线方向相同或相近，但仍需要在设计上使各节点在同一时间内使用不同天线号的天线发送Hello请求包。

上述两种情况容易使未入网节点在接收Hello请求包时发生错误。另外，为了保证网络内节点发出的Hello请求包能够在各个方向上均有发出，应保证节点在每个时间帧内在每根天线上各发出一个Hello请求包。

1.2.2 天线号序列生成算法

具有多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络节点发出Hello请求包时的时隙位置与所用天线号的规则如下：

（1）从每个时间帧内的20个Hello时隙中等概率选择8个用来发送Hello请求包，其余12个Hello时隙则用来随机接收Hello请求包。

（2）8个用来发送Hello请求包的天线号序列由节点按［0，1，2，3，4，5，6，7］序列随机生成其置换，其余12个执行接收Hello请求包的天线号则等概率随机生成。

由于节点本身是随机部署的，这两个节点在距离上可能较近，也可能较远，因此，通过节点之间距离远近的随机性、节点部署时0号天线与绝对方向夹角大小的随机性、天线号的随机性以及发送Hello请求包所选择的Hello时隙的随机性，则能够尽可能地减少了网络内所有节点在多方向天线阵列上全向发送Hello请求包时在未入网节点的接收上出错的概率。

1.3 信标结构

基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络协议中的Hello包结构如图3所示。

图3 Hello包结构

其中：第一层包头共24字节，其内容与节点之间点对点的基本通信功能相关，如基本数据包类型、目的节点地址、源节点地址、序列号等。

第二层包头由协议中不同的功能模块所定义，如模块类型、该模块内的数据包类型以及QoS等。对于Hello包，则定义了Hello包的具体类型（包括Hello请求包、Hello响应包），Hello包，每种类型所对应的具体内容。

Hello包内容包括测距类信息、发送天线号信息、安全类信息等。

1.4 Hello时隙的使用

各节点对Hello时隙的使用有如下3种情况：（1）网络内节点周期对外发送Hello请求包

网络内节点在每个时间帧内的8处Hello时隙上在自己每根天线上各发出一个Hello请求包，供未入网节点接入网络。当网络内节点在当前Hello时隙内发送Hello请求包完毕后，便立即在该Hello时隙的剩余时间里准备接收未入网节点回应的Hello响应包。该过程如图4所示。

图4 网络内节点周期对外发送Hello请求包

（2）未入网节点接收Hello请求包

未入网节点在入网前将进行Hello请求包的接收。在接收定时器超时前，未入网节点将在所有Hello时隙内都执行接收动作。该过程如图5所示。

图5 未入网节点接收Hello请求包

（3）未入网节点回应Hello响应包

当未入网节点的接收Hello请求包定时器超时后，未入网节点将对所接收到的Hello请求包进行排序，从中选择信号质量较好的网络内节点并尝试从该节点入网，该算法有专门论文进行论述，文中不再提及。未入网节点为自己选出合适的网络内节点后，将继续在Hello时隙上执行接收动作，当再次从该网络内节点处接收到Hello请求包后，便在当前Hello时隙的剩余时间里立即向该网络内节点回应一个Hello响应包。整个过程如图6所示。

图6 未入网节点向网络内节点回应Hello响应包

1.5 信标发送过程

网络内节点周期性发送Hello 请求包的过程如图7所示。

图7 网络内节点周期性发送Hello请求包的过程

其中，生成Hello请求包的定时器时间周期设定为一个时间帧的长度。安排下一个时间帧内的Hello时隙使用的天线号和收发状态则依据1.2节所描述的算法，而生成下一个时间帧内的Hello请求包格式则按照1.3节的信标格式填写。

1.6 未入网节点搜索网络超时后的处理过程

未入网节点在入网前接收Hello请求包时的天线选择情况如图8所示。

图8 未入网节点搜索网络过程

未入网节点在入网前需要依次使用自己的0～7号天线执行这样的搜索，每根天线上的搜索时间为时间帧的2倍，这样未入网节点则在8根天线上总共监听的时间为时间帧的16倍。

1.7 各节点对信标的处理过程

图9表示了网络内节点和未入网节点对Hello包的处理过程。

其中：左边分支表示了未入网节点与网络内节点在收到Hello请求包时的不同处理过程。右边分支为网络内节点收到来自未入网节点的Hello响应包时的处理过程情况，当网络内节点收到这样的Hello响应包后，表明未入网节点的后续入网过程即将开始。

2 示例说明

以下是某一个时间帧内前5个Hello时隙中网络内节点周期发送Hello请求包与未入网节点接收Hello请求包以及后续某一个时间帧内未入网节点发送Hello响应包的示例。

2.1 网络内节点周期发送Hello请求包

（1）网络内节点包含网关节点和骨干节点1，未入网节点为骨干节点2。

（2）为说明节点多方向信标发送的天线号序列生成算法的随机性与降低未入网节点在接收Hello请求包时失败的概率，特选择网关节点与骨干节点1的0号天线方向完全相同，并且两个节点在该时间帧内均选择了如下Hello请求包发送天线序列：［2，0，5，4，3，1，7，6］。

（3）各节点在该时间帧内前5个Hello时隙的天线号与收发状态，分别如图10～图12所示。

（4）网络内节点在该时间帧内的前5个Hello时隙收发Hello请求包分别如图13～图17所示。

2.2 未入网节点向网络内节点发送Hello响应包

（1）网络内节点包含网关节点和骨干节点1，未入网节点为骨干节点2。

（2）在上例中，未入网节点（即骨干节点2）在某个时间帧内的20个Hello时隙内收到的hello请求包中，来自网络内骨干节点1的2 号天线的Hello请求包的RSSI值最大，因此，骨干节点2选择骨干节点1作为选定的网络内节点并尝试从该节点入网。骨干节点2 仍然用0 号天线监听，当某个Hello时隙到来后再次收到来自骨干节点1的2号天线的Hello请求包后，便立即在该Hello时隙内向骨干节点1回复Hello响应包。这两个过程分别如图18、图19所示。

图9 Hello包的处理过程

图10 网关节点在该时间帧内的Hello时隙情况

图11 骨干节点1在该时间帧内的Hello时隙情况

图12 骨干节点2在该时间帧内的Hello时隙情况

图15 该时间帧内第3个Hello时隙

图16 该时间帧内第4个Hello时隙

图17 该时间帧内第5个Hello时隙

图18 骨干节点2在后续Hello时隙内监听

图19 骨干节点2回复Hello响应包

3 结束语

基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络在节点满足全向覆盖的同时实现了各方向天线的高增益与天线之间的动态切换，从而大幅提高整个网络的吞吐量和覆盖范围。鉴于此，提出上述基于多方向天线阵列的同步无线Mesh网络下的信标收发技术，对时间帧结构、节点多方向信标发送的天线号序列生成算法、信标结构、Hello时隙的使用过程进行了详细设计。通过该技术的使用，网络内所有已入网节点均能够在每个发送信标的时刻安排合适的天线，尽可能降低了未入网节点在接收信标时出错的概率。

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