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《計算機工程與設(shè)計雜志》2014年第七期
1.1波束切換時機兩個無線mesh通信設(shè)備進行初始通信時，會選擇一對扇區(qū)對作為通信扇區(qū)對。當(dāng)這兩個無線Mesh通信設(shè)備在當(dāng)前通信扇區(qū)內(nèi)通信質(zhì)量差時，需要改變節(jié)點的通信扇區(qū)，即改變通信設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的天線號。采用無線網(wǎng)卡提供的rssi值作為信號質(zhì)量評估的依據(jù)。當(dāng)無線網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包時，會根據(jù)接收到數(shù)據(jù)包的信號強度得到rssi值，再根據(jù)rssi值判斷出當(dāng)前通信設(shè)備間能達到的通信速率。通信質(zhì)量差的判斷依據(jù)有兩個：一是當(dāng)前通信設(shè)備間的實際通信速率低于根據(jù)rssi值估計出的通信速率值。二是在64對天線扇區(qū)對中，其他天線扇區(qū)對接收到的數(shù)據(jù)包的rssi值得到的速率值比當(dāng)前通信扇區(qū)對接收到的數(shù)據(jù)包的rssi值得到的速率值要高。（1）因節(jié)點轉(zhuǎn)動或非高速移動而導(dǎo)致的波束切換兩節(jié)點節(jié)點A和節(jié)點B初始時在扇區(qū)2和扇區(qū)5的鏈路間進行數(shù)據(jù)包傳輸，此時，節(jié)點B發(fā)生了轉(zhuǎn)動，節(jié)點B的扇區(qū)6變成了節(jié)點A的扇區(qū)2的正對扇區(qū)。扇區(qū)2和扇區(qū)5間鏈路的通信質(zhì)量差于扇區(qū)2和扇區(qū)6間鏈路的通信質(zhì)量，則需要將節(jié)點B的通信扇區(qū)變?yōu)樯葏^(qū)6。（2）因網(wǎng)絡(luò)外部存在干擾導(dǎo)致的波束切換兩節(jié)點節(jié)點A和節(jié)點B在通信過程中受到了干擾源的信號干擾，在沒有干擾源的情況下，扇區(qū)2和扇區(qū)5之間的鏈路的通信質(zhì)量是最佳的，當(dāng)存在干擾源后，扇區(qū)3和扇區(qū)4之間的鏈路的通信質(zhì)量優(yōu)于扇區(qū)2和扇區(qū)5之間的鏈路的通信質(zhì)量，此時需要將節(jié)點A的通信扇區(qū)變?yōu)樯葏^(qū)3，節(jié)點B的通信扇區(qū)變?yōu)樯葏^(qū)4。
1.2波束切換算法設(shè)計
1.2.1天線質(zhì)量信息收集兩個節(jié)點間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包總是在節(jié)點間選定的通信天線對對應(yīng)的鏈路上進行傳輸。而某對天線對對應(yīng)鏈路的通信質(zhì)量必須通過該對天線對下發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)包的信號強度值進行評估。所以，為了評估兩個節(jié)點間64對天線對下的信號強度值，必須在8根天線上都有數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。（1）時隙設(shè)計同步Mesh網(wǎng)絡(luò)是時分的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在50個最小通信時間單元的時間周期內(nèi)，分配4個最小通信時間單元來進行64對天線對的質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包的發(fā)送。這4個用來發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包的時隙被稱為探測時隙。同步Mesh網(wǎng)絡(luò)中劃分的最小通信時間單元是按照最大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包長發(fā)送時間需求設(shè)置，而質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包只需要設(shè)置成數(shù)據(jù)包發(fā)送最小長度即可。故同時將每個最小通信時間單元分配成4個發(fā)送微時間單元。在一個微通信時間單元內(nèi)，在某一根天線下進行質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包發(fā)送。圖1中A表示最小通信時間單元，B表示在某一根天線下發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包的微通信時間單元。其中0、1、2、3、4、5、6、7表示在該微通信時間單元中分別在第0根天線、第1根天線、第2根天線、第3根天線、第4根天線、第5根天線、第6根天線、第7根天線下發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。（2）父子節(jié)點的64對天線對信息收集每個節(jié)點在成功加入網(wǎng)絡(luò)并接收了子節(jié)點后便在指定的時隙內(nèi)輪流在8根天線下廣播質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包主要是子節(jié)點用來收集與父節(jié)點之間的64對天線對的信號強度。而父節(jié)點收集與子節(jié)點的64對天線對的信號強度主要依靠beacon數(shù)據(jù)包，父節(jié)點也能收到部分子節(jié)點向?qū)O節(jié)點廣播的質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。父節(jié)點在指定時隙內(nèi)輪流在8根天線下廣播質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包，子節(jié)點也需要在8根天線下輪流監(jiān)聽數(shù)據(jù)包。父節(jié)點在每個微時間單元內(nèi)在某一根天線下廣播質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包，子節(jié)點在連續(xù)兩個指定的探測時隙內(nèi)在某一根天線下監(jiān)聽質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。（3）對沖突問題的解決1）建立層級型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在樹形拓撲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如果所有節(jié)點都在相同的時間單元發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包，則會產(chǎn)生信號沖突。為了解決這一問題，為樹形拓撲網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點計算其層級數(shù)。層級數(shù)即當(dāng)前節(jié)點在樹形結(jié)構(gòu)中處于第多少層，其中樹的根節(jié)點為第0層，根節(jié)點的子節(jié)點為第1層。為每個最小通信時間單元進行編號，其中用于進行發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包的4個時間單元選擇固定的2個奇數(shù)編號時間單元和2個偶數(shù)編號時間單元。處于奇數(shù)層級的節(jié)點在奇數(shù)編號時間單元發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包，在偶數(shù)編號時間單元監(jiān)聽質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。處于偶數(shù)層級的節(jié)點在偶數(shù)編號時間單元發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包，在奇數(shù)編號時間單元監(jiān)聽質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包。2）天線號輪詢順序隨機化為了進一步降低沖突發(fā)生的可能性，每個節(jié)點在選擇8根天線發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包的順序時，采用隨機的原則，并且天線號的發(fā)送質(zhì)量探測數(shù)據(jù)包順序在一定時間內(nèi)隨機發(fā)生變化。比如初始時節(jié)點的8根天線號發(fā)送探測數(shù)據(jù)包的順序為0、2、6、4、3、5、7、1，過一段時間后，節(jié)點的8根天線號發(fā)送探測數(shù)據(jù)包的順序為3、7、4、5、2、1、6、0。
1.2.2波束切換算法描述波束切換的目標(biāo)是在保障當(dāng)前設(shè)備間的通信不中斷的情況下將天線對切換到更優(yōu)天線對下。更優(yōu)天線對號的評判標(biāo)準(zhǔn)為新天線對對應(yīng)鏈路的通信速率較當(dāng)前天線對對應(yīng)鏈路的通信速率有提升。波束切換過程分成3個階段：第一階段尋找可進行切換的天線對。在沒有進行波束切換時，需要估計哪些天線對對應(yīng)的鏈路可能具有良好的信道條件。第二階段對第一階段選出的天線對進行測試。第三階段根據(jù)測試結(jié)果決定切換的天線對號。（1）尋找目標(biāo)天線對：通過網(wǎng)卡提供的rssi值作為初始評估信道的標(biāo)準(zhǔn)，備選天線對的rssi值對應(yīng)的速率值必須大于或者等于當(dāng)前天線對下的rssi值對應(yīng)的速率值。備選天線對可能有多對天線對。波束切換發(fā)起方在扇區(qū)切換動作觸發(fā)前，選擇出了一些目標(biāo)天線對。目標(biāo)天線對的rssi值對應(yīng)速率估計值必須大于當(dāng)前天線對下的通信速率值。從這些目標(biāo)天線對中隨機選擇出一對目標(biāo)天線對進行測試。（2）波束切換：波束切換過程在兩個節(jié)點間進行。當(dāng)某一節(jié)點發(fā)現(xiàn)當(dāng)前天線對下信道質(zhì)量差時，即當(dāng)前天線對對應(yīng)鏈路的通信速率低于通過rssi值估算出的速率時，發(fā)起波束切換過程。波束切換過程中，波束切換發(fā)起方與波束切換被發(fā)起方之間的數(shù)據(jù)包交互流程如下：圖2為對選擇的目標(biāo)天線對進行測試并判斷是否變更到該目標(biāo)天線對的過程，該數(shù)據(jù)包交互過程為最復(fù)雜情況下的數(shù)據(jù)包交互圖。1）發(fā)起方與被發(fā)起方信息不對稱問題假設(shè)原始天線對為（a1、b1），目標(biāo)天線對為（a2、b2）。在進行波束切換過程中，目標(biāo)天線對下的信道質(zhì)量會得到測試，但是在波束切換交互過程中，可能出現(xiàn)波束切換發(fā)起方和波束切換被發(fā)起方信息不對稱的情況，即波束切換發(fā)起方和被發(fā)起方的波束切換動作沒有同步進行，某一方已經(jīng)使用了目標(biāo)天線號，而另一方仍然使用的原始天線號的情況。為了保障無線設(shè)備間的通信鏈路不中斷，必圖2波束切換數(shù)據(jù)包交互須保障在波束切換發(fā)起方和被發(fā)起方之間信息不對稱的情況下，通信信道仍然可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)包。在出現(xiàn)信息不對稱時，從原始天線對向目標(biāo)天線對轉(zhuǎn)換過程中兩端的天線對可能出現(xiàn)通信天線對為（a2、b1）或者（a1、b2）的情況。
在進行波束切換前必須保證在天線對a2、b1間和a1、b2間數(shù)據(jù)鏈路可以正常通信。故當(dāng)波束切換發(fā)起方發(fā)起切換時，如果a1不等于a2，發(fā)起方在a2天線下發(fā)送波束切換試探數(shù)據(jù)包，當(dāng)收到波束切換試探數(shù)據(jù)包的確認(rèn)數(shù)據(jù)包時，表明天線對a2、b1下對應(yīng)鏈路能夠正常通信，此時，發(fā)起方發(fā)送波束切換通知數(shù)據(jù)包通知被發(fā)起方開始波束切換過程。如果a1等于a2，則發(fā)起方不需要發(fā)送波束切換試探數(shù)據(jù)包，直接發(fā)送波束切換通知數(shù)據(jù)包通知被發(fā)起方開始波束切換過程。被發(fā)起方收到波束切換通知數(shù)據(jù)包后，如果b1不等于b2，則在b2天線對下發(fā)送波束切換試探數(shù)據(jù)包，將發(fā)送波束切換試探數(shù)據(jù)包的成功或者失敗的結(jié)果通過波束切換回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包通知發(fā)起方。2）波束切換過程由兩個節(jié)點同時發(fā)起問題波束切換過程可能由兩個節(jié)點中的一個節(jié)點發(fā)起，也可能兩個節(jié)點同時發(fā)起了波束切換過程，當(dāng)兩個節(jié)點同時發(fā)起波束切換過程時，需要采用仲裁措施來選擇發(fā)起方和被發(fā)起方。對于某一節(jié)點，如果在收到對端發(fā)送的波束切換通知數(shù)據(jù)包時，本端還沒有發(fā)送波束切換通知數(shù)據(jù)包，而是處在發(fā)送波束切換試探數(shù)據(jù)包狀態(tài)或者處于等待波束切換試探數(shù)據(jù)包結(jié)果狀態(tài)，則該節(jié)點主動放棄波束切換發(fā)起方的身份而成為波束切換被發(fā)起方。如果在收到對端發(fā)送的波束切換通知數(shù)據(jù)包時，本端已經(jīng)發(fā)出了波束切換通知數(shù)據(jù)包，則該節(jié)點放棄進行波束切換過程，并設(shè)置一個隨機的定時器，在隨機定時器超時之前，該節(jié)點一直處于退避狀態(tài)，在退避狀態(tài)下，節(jié)點不發(fā)起波束切換過程。而另一端節(jié)點由于發(fā)出的波束切換通知數(shù)據(jù)包得不到回應(yīng)而波束切換失敗。被發(fā)起方在波束切換試探數(shù)據(jù)包發(fā)送成功且成功發(fā)送波束切換回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包后將天線號切換到目標(biāo)天線號。發(fā)起方在收到同意切換的波束切換回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包后將天線號切換到目標(biāo)天線號。之后，兩端節(jié)點開始進行目標(biāo)天線對下的鏈路質(zhì)量測試過程。如果在目標(biāo)天線對下，鏈路的通信速率高于原始天線對下的通信速率，則目標(biāo)天線對質(zhì)量測試過程成功，否則質(zhì)量測試過程失敗。（3）決定是否向目標(biāo)天線對切換：被發(fā)起方在質(zhì)量測試過程完成之后，發(fā)送波束切換測試完成通知數(shù)據(jù)包通知發(fā)起方鏈路測試的結(jié)果。發(fā)起方根據(jù)本端的鏈路測試結(jié)果和對端的鏈路測試結(jié)果判斷是否可以將天線對切換到目標(biāo)天線對。任何一端鏈路測試失敗都會導(dǎo)致波束切換過程失敗。鏈路測試完成后，發(fā)起方通過波束切換結(jié)果通知數(shù)據(jù)包通知被發(fā)起方是否將通信天線對切換到目標(biāo)天線對。被發(fā)起方收到波束切換結(jié)果通知數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的結(jié)果決定進行天線號切換或者使用原始天線號。當(dāng)發(fā)起方收到被發(fā)起方發(fā)送的波束切換結(jié)果通知回應(yīng)數(shù)據(jù)包后，整個切換過程結(jié)束。
2波束切換算法實現(xiàn)
2.1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖波束切換發(fā)起方的狀態(tài)變化如圖3所示。圖3中左圖為波束切換發(fā)起方狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件如下：（1）發(fā)送方在沒有開始波束切換過程時及波束切換過程結(jié)束時，波束切換的狀態(tài)均為正常工作狀態(tài)。（2）當(dāng)發(fā)起方發(fā)送完波束切換試探數(shù)據(jù)包后，波束切換的狀態(tài)變?yōu)榈却綔y結(jié)果狀態(tài)。（3）當(dāng)發(fā)起方發(fā)送完波束切換通知數(shù)據(jù)包后，波束切換的狀態(tài)變?yōu)榈却ㄊ袚Q回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包狀態(tài)。（4）當(dāng)發(fā)起方收到波束切換回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包后，波束切換的狀態(tài)變?yōu)樘炀€測試狀態(tài)。（5）當(dāng)發(fā)起方收到波束切換測試完成通知數(shù)據(jù)包時，波束切換的狀態(tài)變?yōu)閷Χ藴y試完成狀態(tài)。（6）當(dāng)發(fā)起方本端測試成功且對端測試也成功時，波束切換的狀態(tài)變?yōu)椴ㄊ袚Q成功完成狀態(tài)。（7）當(dāng)發(fā)起方或者被發(fā)起方有任何一方測試失敗時，波束切換狀態(tài)變?yōu)椴ㄊ袚Q失敗完成狀態(tài)。（8）當(dāng)發(fā)起方確定被發(fā)起方的天線對信息與本端一致時，波束切換狀態(tài)由波束切換失敗完成狀態(tài)或者波束切換成功完成狀態(tài)變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)。圖3中右圖為波束切換被發(fā)起方狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件如下：（1）被發(fā)送方在沒有開始波束切換過程時及波束切換過程結(jié)束時，波束切換的狀態(tài)均為正常工作狀態(tài)。（2）被發(fā)起方發(fā)送完波束切換試探數(shù)據(jù)包后，波束切換的狀態(tài)變?yōu)榈却綔y結(jié)果狀態(tài)。（3）被發(fā)起方發(fā)送完波束切換回應(yīng)通知數(shù)據(jù)包后，波束切換狀態(tài)變?yōu)榈却径藴y試完成狀態(tài)。（4）被發(fā)起方在本端測試成功完成后，波束切換狀態(tài)變?yōu)榈却ㄊ袚Q結(jié)束狀態(tài)。（5）被發(fā)起方在本端測試失敗后，波束切換狀態(tài)變?yōu)榈却龑Χ藴y試完成狀態(tài)。（6）當(dāng)被發(fā)起方確定發(fā)起方的天線對信息與本端一致時，波束切換狀態(tài)由等待對端測試完成狀態(tài)或者等待波束切換結(jié)束狀態(tài)變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)。發(fā)起方與被發(fā)起方通過父子節(jié)點間維護鏈路的協(xié)議數(shù)據(jù)包中攜帶的天線對信息來判斷對端的天線對是否與本端的一致。
2.2波束切換通知數(shù)據(jù)包處理流程圖波束切換通知數(shù)據(jù)包處理流程如圖4所示。等待波束切換通知回應(yīng)數(shù)據(jù)包定時器為發(fā)起方發(fā)送波束切換通知數(shù)據(jù)包時設(shè)置的，如果定時器超時時還沒有收到波束切換通知回應(yīng)數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為本次交互失敗。退避定時器為兩端節(jié)點同時發(fā)起波束切換時，某一端進行退避的時間定時器。在定時器超時之前，本端節(jié)點不會發(fā)起波束切換過程。
2.3波束切換通知回應(yīng)數(shù)據(jù)包處理流程圖波束切換通知回應(yīng)數(shù)據(jù)包處理流程如圖5所示。
2.4波束切換測試完成數(shù)據(jù)包處理流程圖波束切換測試完成數(shù)據(jù)包處理流程如圖6所示。
2.5波束切換結(jié)果通知數(shù)據(jù)包處理流程圖波束切換結(jié)果通知數(shù)據(jù)包處理流程如圖7所示。
3波束切換算法驗證
波束切換算法分別在以下幾種測試場景中進行了驗證。（1）節(jié)點發(fā)生非高速移動時的驗證1）當(dāng)前節(jié)點與周圍一個鄰居節(jié)點的波束切換測試場景1中節(jié)點B發(fā)生非高速移動。A和B之間的天線對由2、6變?yōu)?、5，如圖8所示。2）當(dāng)前節(jié)點與周圍兩個鄰居節(jié)點的波束切換測試場景2中節(jié)點B發(fā)生非高速移動。A和B之間的天線對由4、0變?yōu)?、7。B和C之間天線對由4、0變?yōu)?、5，如圖9所示。2）因網(wǎng)絡(luò)外部存在干擾導(dǎo)致的波束切換初始時通信天線對為4、0，后來節(jié)點B旁出現(xiàn)干擾源，天線對由4、0變?yōu)?、7，如圖10所示。
4結(jié)束語
本文研究了基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)下的波束切換技術(shù)的應(yīng)用需求，針對同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的同步特性設(shè)計了一種多方向天線陣列的波束切換算法，并對該波束切換算法在多種應(yīng)用場景下進行了驗證，驗證結(jié)果表明，波束切換算法能夠滿足非高速移動情況下的波束切換需求。該波束切換算法對于提升基于多方向天線陣列的同步無線Mesh機動通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力提供了一種解決思路。
作者：劉芳孫炎森劉經(jīng)緯韓仲華單位：華北計算技術(shù)研究所中信銀行股份有限公司