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1、Mesh组网的天线阵列波束切换Mesh组网的天线阵列波束切换 2014/08/13 计算机工程与设计杂志2014年第七期1基于多方向天线阵列的波束切换算法设计1.1波束切换时机两个无线通信设备进行初始通信时，会选择一对扇区对作为通信扇区对。当这两个无线通信设备在当前通信扇区内通信质量差时，需要改变节点的通信扇区，即改变通信设备发送和接收数据包的天线号。采用无线网卡提供的值作为信号质量评估的依据。当无线网卡接收到数据包时，会根据接收到数据包的信号强度得到值，再根据值判断出当前通信设备间能达到的通信速率。通信质量差的判断依据有两个：一是当前通信设备间的实际通信速率低于根据值估计出的通信速率值。二是
2、在对天线扇区对中，其他天线扇区对接收到的数据包的值得到的速率值比当前通信扇区对接收到的数据包的值得到的速率值要高。（）因节点转动或非高速移动而导致的波束切换两节点节点和节点初始时在扇区和扇区的链路间进行数据包传输，此时，节点发生了转动，节点的扇区变成了节点的扇区的正对扇区。扇区和扇区间链路的通信质量差于扇区和扇区间链路的通信质量，则需要将节点的通信扇区变为扇区。（）因网络外部存在干扰导致的波束切换两节点节点和节点在通信过程中受到了干扰源的信号干扰，在没有干扰源的情况下，扇区和扇区之间的链路的通信质量是最佳的，当存在干扰源后，扇区和扇区之间的链路的通信质量优于扇区和扇区之间的链路的通信质量，此时
3、需要将节点的通信扇区变为扇区，节点的通信扇区变为扇区。1.2波束切换算法设计1.2.1天线质量信息收集两个节点间的业务数据包总是在节点间选定的通信天线对对应的链路上进行传输。而某对天线对对应链路的通信质量必须通过该对天线对下发送和接收到的数据包的信号强度值进行评估。所以，为了评估两个节点间对天线对下的信号强度值，必须在根天线上都有数据包发送和接收。（）时隙设计同步网络是时分的网络系统，在个最小通信时间单元的时间周期内，分配个最小通信时间单元来进行对天线对的质量探测数据包的发送。这个用来发送质量探测数据包的时隙被称为探测时隙。同步网络中划分的最小通信时间单元是按照最大业务数据包长发送时间需求设置
4、，而质量探测数据包只需要设置成数据包发送最小长度即可。故同时将每个最小通信时间单元分配成个发送微时间单元。在一个微通信时间单元内，在某一根天线下进行质量探测数据包发送。图中表示最小通信时间单元，表示在某一根天线下发送质量探测数据包的微通信时间单元。其中、表示在该微通信时间单元中分别在第根天线、第根天线、第根天线、第根天线、第根天线、第根天线、第根天线、第根天线下发送质量探测数据包。（）父子节点的对天线对信息收集每个节点在成功加入网络并接收了子节点后便在指定的时隙内轮流在根天线下广播质量探测数据包。质量探测数据包主要是子节点用来收集与父节点之间的对天线对的信号强度。而父节点收集与子节点的对天线对
5、的信号强度主要依靠数据包，父节点也能收到部分子节点向孙节点广播的质量探测数据包。父节点在指定时隙内轮流在根天线下广播质量探测数据包，子节点也需要在根天线下轮流监听数据包。父节点在每个微时间单元内在某一根天线下广播质量探测数据包，子节点在连续两个指定的探测时隙内在某一根天线下监听质量探测数据包。（）对冲突问题的解决）建立层级型的网络结构在树形拓扑的网络结构中，如果所有节点都在相同的时间单元发送质量探测数据包，则会产生信号冲突。为了解决这一问题，为树形拓扑网络中的每个节点计算其层级数。层级数即当前节点在树形结构中处于第多少层，其中树的根节点为第层，根节点的子节点为第层。为每个最小通信时间单元进行编
6、号，其中用于进行发送质量探测数据包的个时间单元选择固定的个奇数编号时间单元和个偶数编号时间单元。处于奇数层级的节点在奇数编号时间单元发送质量探测数据包，在偶数编号时间单元监听质量探测数据包。处于偶数层级的节点在偶数编号时间单元发送质量探测数据包，在奇数编号时间单元监听质量探测数据包。）天线号轮询顺序随机化为了进一步降低冲突发生的可能性，每个节点在选择根天线发送质量探测数据包的顺序时，采用随机的原则，并且天线号的发送质量探测数据包顺序在一定时间内随机发生变化。比如初始时节点的根天线号发送探测数据包的顺序为、，过一段时间后，节点的根天线号发送探测数据包的顺序为、。1.2.2波束切换算法描述波束切换
7、的目标是在保障当前设备间的通信不中断的情况下将天线对切换到更优天线对下。更优天线对号的评判标准为新天线对对应链路的通信速率较当前天线对对应链路的通信速率有提升。波束切换过程分成个阶段：第一阶段寻找可进行切换的天线对。在没有进行波束切换时，需要估计哪些天线对对应的链路可能具有良好的信道条件。第二阶段对第一阶段选出的天线对进行测试。第三阶段根据测试结果决定切换的天线对号。（）寻找目标天线对：通过网卡提供的值作为初始评估信道的标准，备选天线对的值对应的速率值必须大于或者等于当前天线对下的值对应的速率值。备选天线对可能有多对天线对。波束切换发起方在扇区切换动作触发前，选择出了一些目标天线对。目标天线对
8、的值对应速率估计值必须大于当前天线对下的通信速率值。从这些目标天线对中随机选择出一对目标天线对进行测试。（）波束切换：波束切换过程在两个节点间进行。当某一节点发现当前天线对下信道质量差时，即当前天线对对应链路的通信速率低于通过值估算出的速率时，发起波束切换过程。波束切换过程中，波束切换发起方与波束切换被发起方之间的数据包交互流程如下：图为对选择的目标天线对进行测试并判断是否变更到该目标天线对的过程，该数据包交互过程为最复杂情况下的数据包交互图。）发起方与被发起方信息不对称问题假设原始天线对为（、），目标天线对为（、）。在进行波束切换过程中，目标天线对下的信道质量会得到测试，但是在波束切换交互过
9、程中，可能出现波束切换发起方和波束切换被发起方信息不对称的情况，即波束切换发起方和被发起方的波束切换动作没有同步进行，某一方已经使用了目标天线号，而另一方仍然使用的原始天线号的情况。为了保障无线设备间的通信链路不中断，必图波束切换数据包交互须保障在波束切换发起方和被发起方之间信息不对称的情况下，通信信道仍然可以正常收发数据包。在出现信息不对称时，从原始天线对向目标天线对转换过程中两端的天线对可能出现通信天线对为（、）或者（、）的情况。在进行波束切换前必须保证在天线对、间和、间数据链路可以正常通信。故当波束切换发起方发起切换时，如果不等于，发起方在天线下发送波束切换试探数据包，当收到波束切换试探
10、数据包的确认数据包时，表明天线对、下对应链路能够正常通信，此时，发起方发送波束切换通知数据包通知被发起方开始波束切换过程。如果等于，则发起方不需要发送波束切换试探数据包，直接发送波束切换通知数据包通知被发起方开始波束切换过程。被发起方收到波束切换通知数据包后，如果不等于，则在天线对下发送波束切换试探数据包，将发送波束切换试探数据包的成功或者失败的结果通过波束切换回应通知数据包通知发起方。）波束切换过程由两个节点同时发起问题波束切换过程可能由两个节点中的一个节点发起，也可能两个节点同时发起了波束切换过程，当两个节点同时发起波束切换过程时，需要采用仲裁措施来选择发起方和被发起方。对于某一节点，如果
11、在收到对端发送的波束切换通知数据包时，本端还没有发送波束切换通知数据包，而是处在发送波束切换试探数据包状态或者处于等待波束切换试探数据包结果状态，则该节点主动放弃波束切换发起方的身份而成为波束切换被发起方。如果在收到对端发送的波束切换通知数据包时，本端已经发出了波束切换通知数据包，则该节点放弃进行波束切换过程，并设置一个随机的定时器，在随机定时器超时之前，该节点一直处于退避状态，在退避状态下，节点不发起波束切换过程。而另一端节点由于发出的波束切换通知数据包得不到回应而波束切换失败。被发起方在波束切换试探数据包发送成功且成功发送波束切换回应通知数据包后将天线号切换到目标天线号。发起方在收到同意切
12、换的波束切换回应通知数据包后将天线号切换到目标天线号。之后，两端节点开始进行目标天线对下的链路质量测试过程。如果在目标天线对下，链路的通信速率高于原始天线对下的通信速率，则目标天线对质量测试过程成功，否则质量测试过程失败。（）决定是否向目标天线对切换：被发起方在质量测试过程完成之后，发送波束切换测试完成通知数据包通知发起方链路测试的结果。发起方根据本端的链路测试结果和对端的链路测试结果判断是否可以将天线对切换到目标天线对。任何一端链路测试失败都会导致波束切换过程失败。链路测试完成后，发起方通过波束切换结果通知数据包通知被发起方是否将通信天线对切换到目标天线对。被发起方收到波束切换结果通知数据包
13、后，根据数据包中的结果决定进行天线号切换或者使用原始天线号。当发起方收到被发起方发送的波束切换结果通知回应数据包后，整个切换过程结束。2波束切换算法实现2.1状态转换图波束切换发起方的状态变化如图所示。图中左图为波束切换发起方状态转移图，状态转换的触发条件如下：（）发送方在没有开始波束切换过程时及波束切换过程结束时，波束切换的状态均为正常工作状态。（）当发起方发送完波束切换试探数据包后，波束切换的状态变为等待探测结果状态。（）当发起方发送完波束切换通知数据包后，波束切换的状态变为等待波束切换回应通知数据包状态。（）当发起方收到波束切换回应通知数据包后，波束切换的状态变为天线测试状态。（）当发起
14、方收到波束切换测试完成通知数据包时，波束切换的状态变为对端测试完成状态。（）当发起方本端测试成功且对端测试也成功时，波束切换的状态变为波束切换成功完成状态。（）当发起方或者被发起方有任何一方测试失败时，波束切换状态变为波束切换失败完成状态。（）当发起方确定被发起方的天线对信息与本端一致时，波束切换状态由波束切换失败完成状态或者波束切换成功完成状态变为正常工作状态。图中右图为波束切换被发起方状态转移图，状态转换的触发条件如下：（）被发送方在没有开始波束切换过程时及波束切换过程结束时，波束切换的状态均为正常工作状态。（）被发起方发送完波束切换试探数据包后，波束切换的状态变为等待探测结果状态。（）被
15、发起方发送完波束切换回应通知数据包后，波束切换状态变为等待本端测试完成状态。（）被发起方在本端测试成功完成后，波束切换状态变为等待波束切换结束状态。（）被发起方在本端测试失败后，波束切换状态变为等待对端测试完成状态。（）当被发起方确定发起方的天线对信息与本端一致时，波束切换状态由等待对端测试完成状态或者等待波束切换结束状态变为正常工作状态。发起方与被发起方通过父子节点间维护链路的协议数据包中携带的天线对信息来判断对端的天线对是否与本端的一致。2.2波束切换通知数据包处理流程图波束切换通知数据包处理流程如图所示。等待波束切换通知回应数据包定时器为发起方发送波束切换通知数据包时设置的，如果定时器超时时还没有收到波束切换通知回应数据包，则认为本次交互失败。退避定时器为两端节点同时发起波束切换时，某一端进行退避的时间定时器。在定时器超时之前，本端节点不会发起波束切换过程。2.3波束切换通知回应数据包处理流程图波束切换通知回应数据包处理流程如图所示。2.4波束切换测试完成数据包处理流程图波束切换测试完成数据包处理流程
