[发明专利]基于定向天线的多频时分多址接入系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于定向天线的多频时分多址接入系统和方法，属飞行器网络技术领域，解决了定向天线条件下分布式飞行器网络多址接入技术问题。系统的子网划分由任务驱动，子网内节点数可变；各子网占用不同频段通信，网关节点支持全频接收；同一子网内节点利用时分方式通信。实现过程为：划分子网；基于链路数量划分时隙，采用固定与动态分配相结合的时隙分配方法，在固定时隙进行拓扑维护、预约动态时隙以传输业务；优先保障高优先级业务通信。本发明降低了干扰、提高了空间复用率，充分利用频谱资源降低时延，在有限资源中最大化网络吞吐量，满足各业务的传输需求，提高了系统通信效率。适用于配置定向天线的分布式飞行器网络的接入过程。

技术领域

本发明属于飞行器网络技术领域，主要涉及定向天线下的分布式飞行器网络多址接入技术，具体是一种基于定向天线的多频时分多址接入系统和方法，用于分布式飞行器网络。

背景技术

在分布式飞行器网络中所使用的天线类型有两种模式：全向天线和定向天线。前者在某一平面(一般是水平面)上的传播特性是完全相同的，即将能量平均地分布在所有方向上；而后者则具有波束方向性，其有效覆盖范围为一扇形区域，扇形夹角即为定向天线的波束宽度。

定向天线允许发送节点在特定的方向上传输数据分组，同时相邻的接收节点在特定的方向上接收数据分组。这说明使用定向天线的发送节点和接收节点波束方向需要相互对准才能成功通信，因此其他方向的节点可以使用不同区域来传输数据分组，即利用信号不同的空间传输路径，将相同频率、相同时隙、相同地址码的信号区分开来，提高空间复用性。另一方面，通过引入定向天线，在相同辐射功率的条件下，比起全向天线可以获得更远的覆盖范围，使得节点间的跳数有可能得以减少；同时波束主瓣范围外的干扰影响减弱，使得通信链路的时延、质量和稳定性性能都得以大幅度的提升。因此在报文传输过程中通过合理地调度定向天线的使用，充分利用定向天线的优势，对其波束方向进行适时的调整，从理论上分析，可以有效地提高系统吞吐量、链路连通时间等性能。

现有的接入控制策略和服务质量保障大多数关注于节点使用全向天线传输数据分组，对于节点移动导致的网络拓扑变化比较敏感。特别是在军事作战、抢险救灾等紧急行动时，需要保证通信链路的连通和实时响应；同时由于节点的运动速度较高，传输链路极易发生断裂造成通信的中断，而重新发起的路由寻路过程又会带来更大的传输时延。由于信道共享、多跳中继等原因，无论是改进路由算法或者MAC协议，还是利用子信道分割的方式，分布式飞行器网络的系统吞吐量都有一个理论极限值。在这种背景下，考虑使用另一种天线类型----定向天线，充分利用其空间复用度的提高，能突破无线网络传输容量的瓶颈，成倍地扩展通信容量，并和其他多址技术相结合，最大限度地利用网络中有限的资源。

虽然在分布式飞行器网络中配置定向天线有提高空间复用率、增大传输范围等优点，但由于使用定向天线的节点不能采用配置全向天线时传统的广播、组播等方式与邻居节点进行通信，而只能通过单播方式与其他节点通信，则会带来一些新的问题，例如隐藏终端问题、聋节点问题等，这决定了设计多址接入技术时通信时隙不能采用传统基于节点数量进行划分的方法。

且采用全向天线时，由于节点在所有方向上具有相同增益，可以通过广播分组等方式感知网络拓扑结构，因此节点的位置信息获取并不是必须的。而采用定向天线后，节点的位置信息变得异常重要，它在当节点要进行定向发送或接收时，对定向天线的指向起决定性作用，这使得在定向通信条件下的邻节点发现问题成为分布式飞行器网络组网首先要解决的问题。

此外，根据分布式飞行器网络组网的业务需求，分为控制业务和数据传输业务。控制面主要完成分布式飞行器网络的接入控制策略、路由协议选择和拓扑的建立与维护，以保证整网的连通性和可靠性为目标；业务面主要完成速传业务、测量业务等业务通信，以保障服务质量等性能为目标。控制面是业务面成功传输的前提，需要合理设置控制面和业务面的资源分配方法，满足不同的通信需求。所以给节点分配时隙时必须将控制面和业务面隔离，不能采用传统单一分配时隙的方式。