定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法技术领域
本发明是关于采用波束宽度可调的定向天线的通信成员之间波束对准的一种时
序控制方法。
背景技术
天线性能是影响无线网络通信距离和范围的一个重要因素。近年来，定向天线技
术开始在无线通信中广泛应用。采用了定向天线的通信系统，可以成倍的扩展通信容量，多
种多址技术的有效结合，可以最大限度的利用有限的频谱资源。与节点使用全向天线的网
络相比，由于定向天线只需把信号能力集中在某个特定的方向，其本身就具有很好节能特
性。与普通的全向天线相比，定向天线在某一方向上信号良好，能达到很远的通信距离，而
在其他方向上，信号强度则极低，具有很好的抗截获特性，并减少干扰。在相同场景下，节点
使用定向天线后，与使用全向天线相比，网络传输能力提高。随着通信技术的发展，人们对
于无线网络通信距离和范围的要求也越来越高。与全向天线信号覆盖区域相比，定向天线
信号覆盖区域被模型化为指向某个方向且具备一定角度的立体管道模型，使得网络拓扑构
件问题更加复杂。首先，由于信号主要覆盖一定角度的区域，这就有可能减少节点的邻居
数，使得网络自动构建拓扑的难度增加。其次，由于定向天线增益的方向性，节点使用相同
的发射功率，其覆盖距离比全向天线更远，这又可能使得节点间的干扰增大。采用定向天线
的自组网拓扑控制比全向天线网络更为复杂。
在采用定向天线通信的系统中，定向天线发送数据前先将波束主瓣对准目标端,
因其主瓣很窄，天线稍有偏差就可能使得目标端超出主瓣范围，使接收信号中断，所以定向
天线对准是一项非常困难的工作。针对定向天线对准困难的问题，现有技术将GPS技术、数
字罗盘技术和PWM控制电机技术应用于定向天线自动对准的控制系统。它是根据GPS来获取
天线的目标指向的地理坐标。采用两点确定一条直线原理，根据两个地理坐标，计算天线的
目标指向。利用了GPS接收机和电子罗盘的性能，由单片机进行数据处理和定向伺服控制解
决在车载条件下有向天线的定向问题。但是，自适应天线算法较复杂，运算量和存储量一般
较大，对硬件的处理速度和存储单元要求较高。
通信双方达到互相通信的前提条件是：两个通信成员彼此均处于对方的定向波束
覆盖范围内，即波束互相对准。在无任何先验信息且无其他辅助手段的前提下，若想实现通
信波束指向对方，必须进行以本节点为中心的全空域扫描。在同样的空域扫描图案和波束
对准算法下，波束对准时间与其采用的定向波束宽度有关。对于采用了波束宽度可调的定
向天线的通信成员来说，采用宽波束辅助窄波束完成波束对准，则可大大降低波束对准时
间，提升系统性能和效率。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种波束对准时间快，波束宽度可控,能够避
免循环死锁情况发生的定向天线通信成员间波束对准的时序控制方法。
为实现该目的，本发明提供的一种定向天线通信成员间波束对准的时序控制方
法，其特征在于包括如下步骤：当扫描周期到来时，利用定向天线组建时分多址接入TDMA网
络，通信成员根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波
束扫描状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接
收对端成员的扫描消息，转入宽波束初跟状态，完成宽波束跟踪消息的发送与接收，并根据
宽波束初跟状态转移规则，判断是否转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；通信成员在
宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成宽波束跟踪消息的接收，则转入波
束切换状态，否则转回宽波束扫描状态；在波束切换状态下，通信成员完成波束切换操作，
根据波束切换状态转移规则，判断是否转入宽波束初跟或窄波束初跟状态；在波束切换状
态下，若上一个状态为窄波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整波束宽
度为宽波束，若上一个状态为宽波束初跟状态，当前状态持续了波束切换时长T2后，则调整
波束宽度为窄波束；在窄波束初跟状态下，通信成员根据波束和消息的控制时序，采用窄波
束完成窄波束初跟操作，并根据窄波束初跟状态转移规则，判断是否转入波束切换状态或
者完成全部波束对准过程；在窄波束初跟状态持续了窄波束初跟时长T3后，若未完成窄波
束跟踪消息的接收，则转回波束切换状态，否则转入波束跟踪状态，完成波束对准过程。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
波束对准时间快。本发明利用定向天线组建网络，通信成员借助定向通信技术可
以实现以最快的波束对准时间,捕获其它通信成员信息。采用当扫描周期到来时，通信成员
根据消息发送规则发送不同的消息，以本节点为中心的全空域扫描进入宽波束扫描状态，
根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作，在宽波束扫描状态下接收对端成员的
扫描消息，采用窄波束完成窄波束初跟操作，大大降低了波束对准时间，提升了系统性能和
效率。因为在宽波束辅助窄波束完成波束对准时，对于波束宽度为10°的圆锥窄波束，全空
域排列需要856个波束，而对于波束宽度为25°的圆锥宽波束，全空域排列仅需146个波束，
不足原来的1/5，因此，若采用25°的宽波束辅助10°的窄波束进行波束对准，最大对准时间
仅为原来的1/5甚至更低，比单独采用窄波束对准的时间更快。比单独的用通信窄波束进行
波束对准的时间更快。
波束宽度可控。本发明在宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成
宽波束跟踪消息的接收，则转入波束切换状态，否则转回宽波束扫描状态；在波束切换状态
下，通信成员完成波束切换操作，根据波束切换状态转移规则，判断是否转入宽波束初跟或
窄波束初跟状态；在波束切换状态下，若上一个状态为窄波束初跟状态，当前状态持续了波
束切换时长T2后，则调整波束宽度为宽波束，若上一个状态为宽波束初跟状态，当前状态持
续了波束切换时长T2后，则调整波束宽度为窄波束，使得有向天线的主瓣(Main Lobe)对准
所需要接收的信号；整个过程切换自如，波束宽度可控。
能够避免循环死锁情况的发生。本发明利用定向天线组建时分多址接入TDMA网
络，通信双方根据波束对准规则，确定本节点采用的扫描序列；当扫描周期到来时，通信成
员进入宽波束扫描状态，采用宽波束进行宽波束扫描操作，并根据宽波束扫描状态转移规
则，判断转入宽波束初跟状态；在宽波束初跟状态下，通信成员采用宽波束完成宽波束初跟
操作，并根据宽波束初跟状态转移规则，判断转入宽波束扫描状态或者波束切换状态；在波
束切换状态下，通信成员完成波束切换操作，并根据波束切换状态转移规则，判断转入宽波
束初跟或窄波束初跟状态，波束切换简单，复杂度较低，运算量小，易于实现，无须判定用户
信号到达方向。在窄波束初跟状态下，通信成员采用窄波束完成窄波束初跟操作，并根据窄
波束初跟状态转移规则，判断转入波束切换状态或者完成全部波束对准过程，可有效保证
通信双方实时同步的执行波束对准的时序控制，及时发现异常情况，并可避免循环死锁。通
信成员可通过消息的接收以及定时器的时间控制检测到异常情况，及时转到其他状态，避
免循环死锁情况的发生，并继续执行波束对准操作。
利用本发明组建定向通信网络，实现通信节点的可靠传输和隐蔽通信。
本发明适用于采用了波束宽度可调的定向天线的通信成员之间，通过宽波束辅助
窄波束完成波束对准的时序控制。
附图说明
图1是本发明定向天线通信成员间波束对准的时序控制的状态转移示意图。
图2是本发明在宽波束扫描状态下给定通信成员的宽波束扫描操作的流程图。
图3是本发明在宽波束初跟状态下给定通信成员宽波束初跟操作的流程图。
图4是本发明在波束切换状态下给定通信成员的波束切换操作的流程图。
图5是本发明在窄波束初跟状态下给定通信成员窄波束初跟操作的流程图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，利用定向天线组建时分多址接入TDMA网络，通信双方根据
波束对准规则，确定本节点采用的扫描序列；当扫描周期到来时，通信成员进入宽波束扫描
状态，根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作；通信成员根据扫描序列设置波
束指向及波束宽度(宽波束)，并发送扫描消息、等待对端的扫描消息；对于接收到扫描消息
的成员，则回复一个扫描消息；在宽波束扫描状态下的通信成员，若接收过对端成员的扫描
消息，则转入宽波束初跟状态。在宽波束初跟状态下，通信成员采用宽波束完成宽波束跟踪
消息的发送与接收；通信成员在宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成宽
波束跟踪消息的接收，则转入波束切换状态，否则转回宽波束扫描状态；在波束切换状态
下，若上一个状态为宽波束初跟状态，则调整波束宽度为窄波束，并设置波束指向，当前状
态持续了波束切换时长T2后，转入窄波束初跟状态；在波束切换状态下，若上一个状态为窄
波束初跟状态，则调整波束宽度为宽波束，并设置波束指向，当前状态持续了波束切换时长
T2后，转入宽波束扫描状态；在窄波束初跟状态下，通信成员通过窄波束完成窄波束跟踪消
息的发送与接收；通信成员在窄波束初跟状态持续了窄波束初跟时长T3后，若未完成窄波
束跟踪消息的接收，则转回波束切换状态，否则转入波束跟踪状态，完成波束对准过程。
为了有效的协调和控制通信双方的定向波束宽度(宽波束、窄波束)，对通信双方
的波束控制时序：何时采用何种宽度的波束进行数据的发送或接收提出了以下要求：
(1)通信成员双方可根据波束和消息的控制时序，完成由宽波束辅助的窄波束对准，并
进行窄波束通信。波束对准过程中，通信成员双方需要根据消息发送规则发送不同的消息，
并且在适当的时机切换波束宽度，最终完成在窄波束下的波束对准，然后在持续运用窄波
束进行数据通信。
(2)在波束对准过程中，当通信双方的一方出现异常情况，通信双方均可根据时序
规则及时检测到异常，并重新调整成员状态及时序，再继续进行波束对准，尽量降低波束对
准时间。
(3)通信成员的异常进行转换处理规则，应考虑各种可能出现的情况，避免出现循
环死锁。此处的循环死锁是指通信成员在波束对准的某个或某几个状态之间循环，无法退
出到重新开始波束对准的一种状态。
在波束对准过程中，通信成员包含四种状态，分别为宽波束扫描状态、宽波束初跟
状态、波束切换状态和窄波束初跟状态。具体步骤为：
(1)前期准备100：在宽波束扫描状态时，通信成员根据波束对准规则，确定本节点采用
的扫描序列，当扫描周期到来时，通信成员进入宽波束扫描状态101；
(2)宽波束扫描101：通信成员根据本地的扫描序列采用宽波束进行波束扫描操作：设
置波束指向及波束宽度(宽波束)，并发送扫描消息、等待对端的扫描消息；在宽波束扫描状
态下的通信成员，若接收过对端成员的扫描消息，则转入宽波束初跟状态102；
(3)宽波束初跟102：在宽波束初跟状态，通信成员采用宽波束完成宽波束跟踪消息的
发送与接收；通信成员在宽波束初跟状态持续了宽波束初跟时长T1后，若已完成宽波束跟
踪消息的接收，则转入波束切换状态103，否则转回宽波束扫描状态101；
(4)波束切换103：在波束切换状态，若通信成员的上一个状态为宽波束初跟状态，则调
整波束宽度为窄波束，并设置波束指向，当前状态持续了波束切换时长T2后，转入窄波束初
跟状态104；若通信成员的上一个状态为窄波束初跟状态，则调整波束宽度为宽波束，并设
置波束指向，当前状态持续了波束切换时长T2后，转宽波束扫描状态101；
(5)窄波束初跟104：在窄波束初跟状态，通信成员采用窄波束完成窄波束跟踪消息的
发送与接收；通信成员在窄波束初跟状态持续了窄波束初跟时长T3后，若已完成窄波束跟
踪消息的接收，则转入波束对准结束105，否则转回波束切换状态103。
(6)波束对准结束105。
参阅图2。图中给出了通信成员在宽波束扫描状态下的波束宽度、波束指向、消息
发送和接收的时序控制流程，以及通信成员的状态转移条件。给定通信成员，按如下步骤操
作：
步骤200，通信成员转入宽波束扫描状态，然后转入步骤201；
步骤201，通信成员设置定向天线波束宽度为宽波束，波束指向为扫描序列指向，同时
发送宽波束扫描消息，然后转入步骤202；
步骤202，通信成员判断本地是否接收到宽波束扫描消息，若未接收到，则转入步骤
201，若接收到，则转入步骤203；
步骤203，通信成员回复宽波束扫描消息，转入步骤204；
步骤204，通信成员判断本地是否已完成宽波束扫描消息的接收，若完成，则转入步骤
205，若未完成，则转入步骤201；
步骤205，通信成员转入宽波束初跟状态。
参阅图3。图中给出了通信成员在宽波束初跟状态下的波束宽度、波束指向、消息
发送和接收的时序控制流程，以及通信成员的状态转移条件。
步骤300，通信成员转入宽波束初跟状态，然后转入步骤301；
步骤301，通信成员设置定时器T1，T1为宽波束初跟时长，然后转入步骤302；
步骤302，通信成员发送宽波束初跟消息，然后转入步骤303；
步骤303，通信成员设置定向天线波束宽度为宽波束，波束指向为波束跟踪指向，然后
转入步骤304；
步骤304，通信成员判断是否接收到宽波束初跟消息，若接收到，则转入步骤305，否则
转入步骤302；
步骤305，通信成员回复宽波束初跟消息,然后转入步骤306；
步骤306，通信成员判断T1定时器是否到时，若到时，则转入步骤307，否则转入步骤
303；
步骤307，通信成员判断本地是否完成宽波束初跟消息的接收，若完成，则转入步骤
308，否则转入步骤309；
步骤308，通信成员转入波束切换状态；
步骤309，通信成员转入宽波束扫描状态；
参阅图4。图中给出了通信成员在波束切换状态下的波束宽度、波束指向、消息发送和
接收的时序控制流程，以及通信成员的状态转移条件
步骤400，通信成员转入波束切换状态，然后转入步骤401；
步骤401，通信成员设置定时器T2，T2为波束切换时长，然后转入步骤402；
步骤402，通信成员判断转入本状态之前的上一个状态，若为窄波束初跟，则转入步骤
403，若为宽波束初跟，则转入步骤404；
步骤403，通信成员设置波束宽度为宽波束，设置波束指向为波束跟踪指向，然后转入
步骤405；
步骤404，通信成员设置波束宽度为窄波束，设置波束指向为波束跟踪指向，然后转入
步骤405；
步骤405，通信成员判断定时器T2是否到时，若到时，则转入步骤406，否则转入步骤
402；
步骤406，通信成员判断转入本状态之前的上一个状态，若为窄波束初跟，则转入步骤
407，若为宽波束初跟，则转入步骤408；
步骤407，通信成员转入宽波束初跟状态；
步骤408，通信成员转入窄波束初跟状态。
参阅图5。图中给出了通信成员在窄波束初跟状态下的波束宽度、波束指向、消息
发送和接收的时序控制流程，以及通信成员的状态转移条件。
步骤500，通信成员转入窄波束初跟状态，然后转入步骤501；
步骤501，通信成员设置定时器T3，T3为窄波束初跟时长，然后转入步骤502；
步骤502，通信成员发送窄波束初跟消息，然后转入步骤503；
步骤503，通信成员设置波束宽度为窄波束，波束指向为波束跟踪指向，然后转入步骤
504；
步骤504，通信成员判断是否接收到窄波束初跟消息，若是，则转入步骤505，否则转入
步骤502；
步骤505，通信成员回复窄波束初跟消息，然后转入步骤506；
步骤506，通信成员判断定时器T3是否到时，若到时，则转入步骤507，否则转入步骤
503；
步骤509，通信成员判定本地是否完成窄波束初跟消息的接收，若完成，则转入步骤
508，否则转入步骤509；
步骤508，通信成员波束对准结束；
步骤509，通信成员转入波束切换状态。