一种自组织方向性网络系统及其通信方法与流程

1.本发明涉及航天器的组网通信领域，尤其涉及一种自组织方向性网络系统及其通信方法。


背景技术：

2.在器间通信应用中，由于天线布局和电磁波的空间衰减特性，往往采用方向性拓扑网络，即采用多个定向天线根据相互位置进行指向性发送，以便兼顾方向覆盖和传输增益。
3.例如，在s波段及以下，一般仅采用2个天线即可基本实现全向通信。例如，针对设备体积受限的应用场景，受天线尺寸因素影响，一般采用c波段及以上频段，通常至少需要6个方向的天线组合才能满足全向通信需求。
4.由于该频段天线具有较强的方向性，若通过功分与合路网络采用一个功放通过多个天线进行辐射和接收，其发射功耗和接收噪声系数将大大增加，因此通信时需选择相应方向进行。由于其网络建立和维持具备方向性拓扑特征，称之为方向性拓扑网络。
5.现在常用的方向性组网设备通常有两种方式，一种是采用多个相控阵天线阵面，通过控制收发组件的收发模式和波束方向控制，根据通信需求实现方向性通信，但是需要设计复杂的相控阵天线，虽然可以形成定向窄波束，但相对于定向天线，在需要随机接入的宽波束覆盖场景下，需要更高的功耗，也需要更高的成本；
6.一种是使用多组定向天线和功放，通过控制功放的开关和接收机收发模式控制，实现方向性通信，但是需要配备多个功放，虽然相对于相控阵在成本和重量上有所下降，但由于多个功放并非需要同时工作，设计上存在较大的优化空间。


技术实现要素：

7.为降低成本，解决背景技术中的技术问题，本技术实施例通过提供一种自组织方向性网络系统及其通信方法，实现了基于单功放的多天线硬件体系架构。
8.第一方面，本技术提供了一种自组织方向性网络系统，包括：若干节点，各所述节点间相互通信，并在通信过程中自选举出其中的主节点，其他节点作为与之匹配的子节点；
9.各所述节点包括控制器、频率处理器以及天线装置；所述天线装置包括按照多维空间坐标系的正负方向分别安装布置的若干天线构件，各所述天线构件包括发射馈源和接收馈源；
10.所述控制器分别与所述频率处理器以及天线装置连接，通过单发射通道控制发射信号经过所述频率处理器变频放大处理后，选择其中一个维度两个天线构件的发射馈源发射信号，通过双接收通道控制不同维度不同方向的两个所述天线构件接收馈源接收信号，变频处理后对接收信号分集处理，以使各所述节点满足发射圆极化、接收线极化设计，从而达到所述节点间极化损失受控的目的。
11.进一步地，所述天线装置还包括与维度数量匹配的发射多路开关、若干功分器；所
述频率处理器包括功率放大器；
12.所述发射多路开关的输入端连接所述功率放大器，输出端分别连接各所述功分器，所述控制器分别与所述功率放大器、所述发射多路开关电连接，控制所述功率放大器放大发射信号，控制所述发射多路开关连接其中一个维度两个天线构件的发射馈源，以使多天线构件共用功率放大器的目的。
13.进一步地，所述频率处理器还包括锁相源、第一混频器和第二混频器，所述锁相源分别与所述第一混频器、所述第二混频器、所述控制器连接；
14.所述控制器通过所述锁相源控制信号收入或输出分路的切换，以实现通过所述第一混频器以单通道控制发射信号的发射频率，通过所述第二混频器以双通道控制接收信号的接收频率，并且信号收发采用相同频率。
15.进一步地，所述天线装置还包括与维度数量匹配的正向接收多路开关和负向接收多路开关；所述控制器分别与所述正向接收多路开关和负向接收多路开关电连接，控制所述正向接收多路开关连接其中一个维度的正方向天线构件的接收馈源，并将接收信号传输给所述第二混频器的其中一个通道；控制所述负向接收多路开关连接另一维度的负方向天线构件的接收馈源，并将接收信号传输给所述第二混频器的另一个通道，两路接收信号分别进入独立的接收通道，实现分集接收，避免合路接收信号造成的噪声系数损失。
16.进一步地，所述天线构件采用收发窄波束的赋形天线。
17.进一步地，所述天线装置采用在三维六向布置天线构件，使三个相互垂直维度的正负方向上分别设置天线构件。
18.第二方面，本技术提供了一种自组织方向性网络通信方法，采用第一方面任意一项所述的自组织方向性网络系统；所述方法包括：
19.接收网络监听阶段各接入节点在时隙周期内的网络收发控制信息，并根据预设的天线切换策略，确认接入节点中的主节点和子节点，获取所述子节点与所述主节点的相对位置信息；
20.控制各节点按照预设的入网接入时段，继续根据所述天线切换策略，使接入的所述主节点与所述子节点位置信息互通，以控制节点间根据姿态方向性选择切换收发信号的天线构件，以及为入网节点的通信资源分配提供在先数据；
21.获取当前时隙段入网节点的各天线构件的信号收发状态，利用tdma网络协议控制入网节点下一时隙段的各天线构件的收发状态，以实现所述天线构件满足发射圆极化、接收线极化的设计，达到所述节点间极化损失受控的目的。
22.进一步地，所述天线切换策略包括：
23.根据空间坐标系的维度数量n设置所述时隙周期的时隙段数量n；基于网络监听阶段，所述主节点发射控制信号，所述子节点接收控制信号；所述主节点在一个时隙段内切换一次发射天线，每n个时隙段遍历完成n各维度的n个方向；所述子节点每n个时隙段切换一次接收天线，其中至少有一个时隙段能够接收到所述主节点发送的网络控制信号，以此得到与所述主节点的相对位置信息。
24.进一步地，还包括各所述子节点根据与所述主节点的相对位置信息，提前预制地址信息进行接入时隙段的分配，以避免所述子节点接入时信号冲突。
25.进一步地，还包括利用半双工网络协议，使各所述节点在不同维度收发信号，并且
利用各所述节点中各天线构件间的位置隔离，使相邻时隙段通过不同的天线进行收发信号。
26.本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
27.1、本发明由于采用单功放、单频综结合开关微波网络及多维天线阵的低功耗硬件构架，通过协议和时序控制，解决同频半双工工况下功放共用和收发天线隔离问题，通过收发极化设计控制组网终端间随机相对位置造成的极化损失，从而满足多波束拼接实现全向覆盖、时分空分复用和集成化硬件设计的需求。
28.2，本发明由于仅用一套频综和一路功率放大器结合天线阵，实现了时分方向性拓扑自组织网络的全向覆盖通信需求，优化了硬件设计，并解决了收发干扰问题，并控制了极化损失，并通过分集接收进一步提高了系统性能。
29.3，由于优选中采用六组宽波束天线组阵实现分时全向覆盖，通过开关选择和分集接收避免合路造成的噪声系数恶化，通过不同维度天线的空间隔离设计和收发时序控制规避同频天线收发自干扰。
30.通过发射圆极化/接收线极化设计实现组网设备间极化损失受控。
31.4，由于通过合理设计组网协议，使得每次发射信号时，仅在预设维度(比如三维x、y、z)中的一个维度发射功率，从而通过开关和功分网络，实现单个功放设计，大大降低了硬件复杂度。
32.5，由于优选采用三维六向的六个定向天线组合和双路分集接收，实现无噪声系数损失的分时全向覆盖；通过接入协议设计，将六个方向的信号空间划分为x、y、z三个维度，在每次信号发射时，在一个维度的两个方向发送，即降低了接入复杂度，还利用开关和功分网络实现了功放共用；接收则通过协议和网络拓扑进行自由选择。
33.6，通过时序设计和开关选择，在功放预启动阶段，将发射馈源的开关选择与接收馈源不同的方向，以解决功放稳定和收发干扰的矛盾。
附图说明
34.图1为本技术实施例一中的自组织方向性网络系统架构示意图；
35.图2为本技术实施例一中的节点组成框图；
36.图3为本技术实施例一中的节点组成控制流连接框图；
37.图4为本技术实施例一中的节点组成发射信号流连接框图；
38.图5为本技术实施例一中的节点组成接收信号流连接框图；
39.图6为本技术实施例一中的三维六向的节点组成发射信号流连接框图；
40.图7为本技术实施例一中的三维六向的节点组成接收信号流连接框图；
41.图8为本技术实施例一中的三维六向的节点中射频模块接口连接框图；
42.图9为本技术实施例二中的自组织方向性网络通信方法流程图。
43.图10为本技术实施例二中的三维六向的节点方向性遍历接入时隙控制；
44.附图标号：
45.节点100，主节点100
‑
1，子节点100
‑
2，控制器110，天线装置120，频率处理器130，天线构件121，发射多路开关122，功分器123，正向接收多路开关124，负向接收多路开关125，功率放大器131，锁相源132，第一混频器133，第二混频器134。
具体实施方式
46.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
47.实施例一
48.参考附图1
‑
8所示，本技术实施例提供了一种自组织方向性网络系统，该系统包括若干节点100，各节点100间相互通信，并在通信过程中自选举出其中的主节点100
‑
1，其他节点作为与之匹配的子节点100
‑
2。
49.本实施例中的各节点100包括控制器110、频率处理器130以及天线装置120；天线装置120包括按照多维空间坐标系的正负方向分别安装布置的若干天线构件121，各天线构件121包括发射馈源和接收馈源。
50.在一种实施例中，为了满足全向天线的设计需求，天线构件121采用收发窄波束的赋形天线。优选地，天线装置120采用在三维六向布置天线构件121，使三个相互垂直维度的正负方向上分别设置天线构件121。也就是说，天线装置120采用六个天线构件121，分别在三维空间坐标系的x、y、z三个方向上各正负两个天线构件121。
51.本实施例中的控制器110分别与频率处理器130以及天线装置120连接，通过单发射通道控制发射信号经过频率处理器130变频放大处理后，选择其中一个维度两个天线构件121的发射馈源发射信号，通过双接收通道控制不同维度不同方向的两个天线构件121接收馈源接收信号，变频处理后对接收信号分集处理，以使各节点100满足发射圆极化、接收线极化设计，从而达到节点100间极化损失受控的目的。
52.本实施例中的控制器110通过时序设计和开关选择，在功率放大器131的预启动阶段，将发射馈源的开关选择与接收馈源不同的方向，以解决功放稳定和收发干扰的矛盾，通过发射圆极化、接收线极化设计实现组网节点100间极化损失受控。
53.本实施例中的天线装置120除了天线构件121，还包括与维度数量匹配的发射多路开关122、若干功分器123；频率处理器130包括功率放大器131；发射多路开关122的输入端连接功率放大器131，输出端分别连接各功分器123，控制器110分别与功率放大器131、发射多路开关122电连接，控制功率放大器131放大发射信号，控制发射多路开关122连接其中一个维度两个天线构件121的发射馈源，以使多天线构件121共用功率放大器131的目的。
54.本实施例中的天线装置120还包括与维度数量匹配的正向接收多路开关124和负向接收多路开关125；控制器110分别与正向接收多路开关124和负向接收多路开关125电连接，控制正向接收多路开关124连接其中一个维度的正方向天线构件121的接收馈源，并将接收信号传输给第二混频器134的其中一个通道；控制负向接收多路开关125连接另一维度的负方向天线构件121的接收馈源，并将接收信号传输给第二混频器134的另一个通道，两路接收信号分别进入独立的接收通道，实现分集接收，避免合路接收信号造成的噪声系数损失。
55.进一步说明，本实施例中的天线装置120包括三维六向六个天线构件121，每一个天线构件121内包含一个发射馈源和一个接收馈源。本实施例中网信号传输时，采用多通道传输收发信号，包括一个发射通道和两个接收通道。其中基于三维六向六个天线构件121，优选地各多路开关采用三选一开关，使得信号收发时，三选一开关连接对应天线构件121的接收馈源或发射馈源。本实施例中发射通道通过三选一开关分别连接x、y、z三个方向的正
负天线构件121的发射馈源；两个接收通道中的一个通过三选一开关连接x、y、z三个方向的正天线构件121的接收馈源；另一个接收通道通过三选一开关连接x、y、z三个方向的负天线构件121的接收馈源，且两路接收信号分别进入独立的接收通道，实现分集接收，避免合路造成的噪声系数损失。
56.本实施例中的所述频率处理器130还包括锁相源132、第一混频器133和第二混频器134，锁相源132分别与第一混频器133、第二混频器134、控制器110连接；控制器110通过锁相源132控制信号收入或输出分路的切换，以实现通过第一混频器133以单通道控制发射信号的发射频率，通过第二混频器134以双通道控制接收信号的接收频率，并且信号收发采用相同频率。可以看出，本实施例中的频率处理器130中按照收发通道分别布置安装。在发射通道的信号传输中，控制器110分别与锁相源132、功率放大器131、发射多路开关122电连接，以控制发射通道所经过的锁相源132、第一混频器133、功率放大器131、发射多路开关122启动工作；在接收通道的信号传输中，控制器110分别与锁相源132、正向接收多路开关124、负向接收多路开关125电连接，以控制接收通道所经过的正向接收多路开关124、负向接收多路开关125、第二混频器134启动工作。
57.可以看出，本实施例中通过合理设计组网协议，使得每次发射信号时，仅在多个维度中的一个维度上发射功率(比如，三个维度(x、y、z)中的一个维度)，从而通过多路开关设计和功分设计，信号发射时，在一个维度的两个方向发送，降低了接入复杂度，实现了单个功率放大器131共用设计，大大降低了硬件复杂度，达到接收及发射信号通过协议和网络拓扑进行自由选择的目的。
58.本实施例中针对自组织网络构架，采用第一混频器133、第二混频器134以及锁相源132，使用一个频综实现收发信号的变频处理，以使收发信号采用相同的频率。本实施例中优选采用三维六向的定向天线构件121和单通道发射双通道分集接收信号的技术，实现无噪声系数损失的分时全向覆盖。
59.实施例二
60.参考附图9
‑
10所示，本技术实施例提供了一种自组织方向性网络通信方法，采用第一方面任意一项的自组织方向性网络系统。该方法包括：
61.步骤s100：接收网络监听阶段各接入节点100在时隙周期内的网络收发控制信息，并根据预设的天线切换策略，确认接入节点100中的主节点100
‑
1和子节点100
‑
2，获取子节点100
‑
2与主节点100
‑
1的相对位置信息。
62.其中，天线切换策略包括：
63.根据空间坐标系的维度数量n设置时隙周期的时隙段数量n；基于网络监听阶段，主节点发射控制信号，子节点接收控制信号；主节点在一个时隙段内切换一次发射天线，每n个时隙段遍历完成n各维度的n个方向；子节点每n个时隙段切换一次接收天线，其中至少有一个时隙段能够接收到主节点发送的网络控制信号，以此得到与主节点的相对位置信息。
64.进一步说明，优选三维六向的天线构件121设计，采用3*3的时隙周期，满足遍历三个维度组合的随机相对位置的监听需求。子节点由于在入网时，不知道主节点的位置信息，在协议约定的广播监听时段，主节点和子节点的天线构件121以三个时隙为间隔，根据天线切换策略切换收发信号的天线构件121，利用多个方向的天线构件121扫描收发信号。主节
点发送网络控制消息时，每一个时隙内切换发射天线构件121一次，每三个时隙遍历x、y、z三个方向，总计九个时隙，一共将主节点网络控制信息在不同方向上发射了九次，则入网节点100在扫描过程中，每三个时隙切换一次接收天线构件121的选择，至少能接收到一次网络控制信息，从而获得与主节点的相对位置信息。
65.步骤s200：控制各节点100按照预设的入网接入时段，继续根据天线切换策略，使接入的主节点与子节点位置信息互通，以控制节点100间根据姿态方向性选择切换收发信号的天线构件121，以及为入网节点100的通信资源分配提供在先数据。
66.在步骤s200中还包括：各子节点根据与主节点的相对位置信息，提前预制地址信息进行接入时隙段的分配，以避免子节点接入时信号冲突。
67.步骤s300：获取当前时隙段入网节点100的各天线构件121的信号收发状态，利用tdma网络协议控制入网节点100下一时隙段的各天线构件121的收发状态，以实现天线构件121满足发射圆极化、接收线极化的设计，达到节点100间极化损失受控的目的。
68.在步骤s300之后还包括：利用半双工网络协议，使各节点100在不同维度收发信号，并且利用各节点100中各天线构件121间的位置隔离，使相邻时隙段通过不同的天线进行收发信号。
69.进一步说明，本实施例中优选采用三维六向的六个天线构件121的设计，因此，各节点100在三个相互垂直维度的正负方向上分别设置天线构件121。将空间用三个维度表示，建立坐标系，三个维度分别为x轴、y轴、z轴，本实施例中先确定三个维度，然后针对三个维度的两个方向分别用正负表示，因此本实施例中的各个节点100在空间上有六个定向天线构件121，并且各个天线之间的夹角相同，达到全向覆盖的目的。各天线构件121包括一个发射馈源和一个接收馈源；节点100包括一个发射通道和两个接收通道；发射通道通过多路开关分别连接三维的正负方向上天线构件121的发射馈源；一个接收通道通过多路开关分别连接三维的正方向上天线构件121的接收馈源；另一个接收通道通过多路开关分别连接三维的负方向上天线的接收馈源。进一步地说明，两个接收通道采用各自独立的通道进行分集接收信号。
70.本实施例中自组织方向性网络通过相关的组网协议，使得各节点100每次发射信号时，仅在三个维度中的一个维度发射功率，也就是说，网络节点100间相互通信之前，先要确定彼此的维度位置，在位置定好后，通过多路开关和功分器123，实现单个功放设计的目的，从而降低了各节点100硬件的复杂度。本实施例中的各个节点100通过六个定向天线组合和双路分集接收信号的设计，实现节点100接收信号过程中达到无噪声系数损失的分时全向覆盖效果。
71.其中，多路开关采用三选一开关，发射通道通过三选一开关分别连接x轴、y轴、z轴三个方向的正负天线发射馈源。一个接收通道通过三选一开关连接x轴、y轴、z轴三个方向的正天线接收馈源；另一个接收通道通过三选一开关连接x轴、y轴、z轴三个方向的负天线接收馈源。两路接收分别进入独立的接收通道，实现分集接收，避免合路造成的噪声系数损失。
72.进一步说明，基于各节点100入网接入协议设计，将六个方向的信号收发空间划分为x轴、y轴、z轴三个维度，每次信号发射是，在一个维度的两个方向发送，比如，通过x轴上的正负方向的天线发送信号，既降低了接入的复杂度，还利用开关和功分器123实现了功放
的共用，接收则通过协议和网络拓扑进行自由选择。本实施例中的各节点100包括三个天线组合，每个天线组合有两个方向的定向天线，三个天线组合共用一个功放，通过一个三选一开关选择信号发射天线。
73.在一种实施例中，基于节点100中三维六向的天线设计，时隙周期采用3*3时隙段；基于各节点100中三维六向的天线组合，时隙周期采用3*3时隙段；其中，基于网络监听阶段，所述主节点发射控制信号，所述子节点接收控制信号；所述天线切换策略中，所述主节点在一个时隙段内切换一次发射天线，且每三个时隙段遍历完成三个维度的三个方向，以使所述主节点在一个时隙周期内完成在不同方向上发射九次网络控制信号；所述子节点每三个时隙段切换一次接收天线，且其中至少有一个时隙段能够接收到所述主节点发送的网络控制信号，以此得到与所述主节点的相对位置信息。
74.本实施例中，在每个信号收发时隙段切换时，通过对锁相源132信号输出分路的切换，实现发射通路或接收通路的通信，达到以单个pls(锁相源)实现收发分时通信。
75.本实施例中的时隙周期可以采用不限于3*3的时隙段，也就是说，时隙周期包括若干时隙段，由于采用了三维六向的天线组合，优选方案采用3*3的时隙段设计，如果不是三维六向，是三十六向、四十八向等其他多向的天线组合，那么时隙周期的时隙段可以针对天线组合中的天线数量设置。时隙周期可以解释为一种有规律的时序设计，并且各节点100的各个天线基于同一个时序周期进行的天线切换控制。因此可以看出，本实施例中通过时序设计和开关选择，在功放预启动阶段(网络监听阶段)，各节点100将发射馈源的开关选择和接收馈源不同的方向，以此解决功放稳定和收发干扰的矛盾。通过发射圆极化和接收线极化设计实现组合设备间极化损失受控。
76.本实施例中的各个节点100基于tdma协议收发共用天线构件121，并通过一个二选一开关选择接入天线构件121的收发模式。在一种实施例中，功率放大器131的启动稳定时间需要1ms，因此需要在各节点100的发射时隙到来之前，提前打开功率放大器131，此时虽然发射时隙尚未达到，但是功率放大器131基底噪声已被放大。为了放置基底噪声通过发射天线
‑
接收天线回路影响节点100的正常工作，避免收发干扰，本实施例中将发射馈源的开关选择与接收馈源不同的方向，当下一个时隙段需要本节点100发射信号时，将发射馈源选择到所需的方向。由于功率电子开关切换的时间一般低于微秒，受数字基带控制的中频信号输出控制的延时也低于微妙，而通信时隙一般为亚毫秒级，因此切换实验不影响时分系统的通信过程。在完成接入后，各节点100在tdma网络协议的控制下，需要根据时隙切换收发状态。根据半双工网络协议，不存在在一个方向上同时收发的模式。但是，存在在某个方向上，发射与接收时隙交替出现的情况。为避免在该情况下的收发天线的同频干扰，需充分利用不同天线的位置隔离。以x方向通信为例，在当前时隙为x方向接收时，若下一个时隙为x方向发射，进行如下操作：
77.通过发射开关网络，将发射天线切换至下一维度(按x
‑
y
‑
z循环)y；启动功放，同时控制基带不发射信号，使得功放输出端仅有热噪声放大输出；通过天线布局设计保证不同维度天线间的隔离度，使得发射天线的热噪声不影响接收支路的正常工作；在x方向接收时隙完成后，将发射天线切换回x方向，并控制基带输出，进行正常发射流程。为确保任意相对位置的可靠通信，天线构件121的设计采用发射圆极化/接收线极化设计实现组网设备间极化损失受控，最多不超过3db。
78.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
79.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。