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

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种定向波束检测方法、跟踪方法、检测系统及计算机可读存储介质。

背景技术

在由地面节点与空中无人节点组成的定向接入网中，要实现快速、灵活的随遇接入，需要考虑到抗干扰等因素。空中节点采用的是全向天线与定向天线结合的方式，地面节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

有鉴于此，有必要提供一种定向波束检测方法、跟踪方法、检测系统及计算机可读存储介质，用以解决现有技术中存在的邻居节点发现较慢、定向波束对准困难的问题。

本发明提供了一种定向波束检测方法，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

本发明还提供了一种根据上述任一技术方案所述的定向波束检测方法的跟踪方法，包括以下步骤：获取空中节点和地面节点移动前、移动后的经纬度坐标；将空中节点和地面节点移动前、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。

本发明还提供了一种定向波束检测系统，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。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的定向波束检测方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过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；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

图1为本发明提供的定向波束检测方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的定向通信节点通信成功概率图；

图3为本发明提供的节点编号选择收发状态图；

图4为本发明提供的物理层盲音扫描图；

图5为本发明提供的信标帧检测原理示意图；

图6为本发明提供的信标时域波形图；

图7为本发明提供的信标时域波形频谱图；

图8为本发明提供的信标伪随机序列的结构图；

图9为本发明提供的前导第一个符号的时域规律图；

图10为本发明提供的理想信道下前导相关的性能图；

图11为本发明提供的节点扫描后的结果图；

图12为本发明提供的站心坐标系和空间直角坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种定向波束检测方法，其中一实施例流程示意图如图1所示，在该实施例中，所述定向波束检测方法，包括以下步骤：

S1、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；

S2、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；

S3、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。

作为一个优选的实施例，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。

一个具体实施例中，天线的覆盖是依照一定的次序进行扫描的，这个次序也就是定向天线的扫描图案，本发明实施例的扫描图案为随机扫描图案，定向天线在随机扫描的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。

在天线扫描过程中，感知到邻居前各节点处于盲扫描过程，对方节点收发状态未知，提供一种收发切换方法，将网络中每个节点有唯一编号，假设总节点数量是N，每一个节点都有一个编号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。

作为一个优选的实施例，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。

需要说明的是，在物理层扫描信标的设计上需要综合考虑通信距离、多用户识别和较短扫描周期等因素；为大幅降低扫描时隙的占用，关键在于信标的设计。

在接入网的空中节点的下行链路时隙中根据天线数量划分为多个微时隙，在一次收发即可遍历多个天线阵元。微时隙采用物理层信标的方式进行扫描，物理层盲音扫描图，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。

作为一个优选的实施例，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。

一个具体实施例中，为了快速准确的发现邻节点建立通信链路，可以设计一种由多个相同符号组成的信标帧。信标帧中每个符号均包括AGC（代数几何码）、PN序列(伪随机码序列)，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。

由于链路存在传输时延，为了准确判断相关峰值对应的天线号，采用相关检测窗辅助检测；相关检测窗与天线号相对应，窗口足够宽，可确保一定距离内最大传输时延时的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。

作为一个优选的实施例，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。

一个具体实施例中，物理层调制采用多载波模式，信标采用子载波扩频伪随机码方式，利用伪随机码的相关性完成信号的到达检测，同时利用多载波特点判决信标信号的信噪比。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。

具体实施时，每个方向上同时存在的用户数量最多为8个，使用Gold序列（一种伪随机码序列）进行方向识别和用户区分，固定级数时，序列中能使用的序列个数远远大于序列可用的个数；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。

Gold序列相关特性为

上述第二个等式中，

信标的检测利用物理层波形的前导符号进行，在波形上完成前导符号的到达检测即可，到达检测利用伪随机序列的相关性来完成；当信噪比较低时，自相关函数呈现出sinc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。

作为一个优选的实施例，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。

一个具体实施例中，信标检测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，信标伪随机序列的结构图，如图8所示，其由两个序列符号组成。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，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。

前导（长前导）的第一个符号在时域上由四段相同的512点符号组成，每段512点符号，前导第一个符号的时域规律图，如图9所示。前导第一个符号a为实数，由于循环性，在每段符号的第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。

通过以下公式进行相关

其中，

作为一个优选的实施例，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。

一个具体实施例中，扫描信标利用第二个序列符号来进行信标检测，判决峰值准则为，连续判断三个峰值，如果相邻峰值之间的间隔都是512个符号，那么第二个峰值的位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。

另一个具体实施例中，假设每个天线方向最多收到一个节点的信标信号，连续扫描多个方向，每个方向16路相关后将得到的相关结果合成一张图，即节点扫描后的结果图，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。

信标多目标仿真模型建立步骤包括：设定距离和延时，将延时、信噪比、信号幅度按照距离量化：在一定距离范围内，延时递增，根据距离选择延时；在一定距离范围内，信噪比递减，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。

通过仿真可以看出，方向判别和用户区分时，相关峰值的衰减与用户距离远近以及用户数量有关；在一定覆盖范围内，远近效应条件下均可实现用户分辨。

本发明实施例提供了一种根据上述任一实施例所述的定向波束检测方法的跟踪方法，包括以下步骤：获取空中节点和地面节点移动前、移动后的经纬度坐标；将空中节点和地面节点移动前、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。

一个具体实施例中，对于空中机载节点和地面车载节点的移动角度轨迹，惯导能非常准确的进行反馈，利用惯导信息在信标间隔中跟踪、校正波束方向可在保证低开销的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（x

本发明实施例一种定向波束检测系统，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。

本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一实施例所述的定向波束检测方法。

本发明一种定向波束检测方法、跟踪方法、检测系统及计算机可读存储介质，通过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；可以实现快速发现邻居节点以及定向波束的对准。

本发明技术方案在定向天线扫描图案设计中提供了收发切换方法，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。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。

本发明技术方案结合惯导技术的波束跟踪方法，以初始基准方向，参考系和变化的角度计算出新的方向，以新的方向找到所属信道，调度模块将新的方向、频率等信息通知给新的信道，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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。