[发明专利]基于涡旋波束的全双工无线网络及其节点配对方法

说明书

本发明提供一种基于涡旋波束的全双工无线网络，全双工无线网络由一个全双工中心控制节点和多个半双工终端节点所组成，全双工中心控制节点为空间基站，半双工终端节点为地面终端，空中基站配备有均匀环形天线阵列，均匀环形天线阵列设置为通过其发射的涡旋波束随距离传输的发散特性来辅助配对彼此隐藏的地面终端。本发明还提供了该基于涡旋波束的全双工无线网络的节点配对方法。本发明的基于涡旋波束的全双工无线网络，利用涡旋波束的倒锥形传输随距离发散的特性，通过涡旋波束所形成的圆环区域中的终端节点与位于该圆环中心的终端节点之间的距离间隔，辅助进行全双工无线通信隐藏节点对的配对，缩短隐藏节点对的匹配时间，提高传输效率。

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体涉及一种全双工无线网络及其节点配对方法。

背景技术

1)空中基站

基站即公用移动通信基站，是在一定的无线电覆盖区中为移动设备提供接入服务的接口设备。基站包括宏基站、微基站、射频拉远、直放站和室内分布系统等，传统的基站大都是地面基站，部署在杆塔或室内，便于网络维护和管理优化。近年来，随着无人机、飞艇、低轨道卫星的蓬勃发展，出现了一种新型基站，即：空中基站。所谓空中基站，即把传统地面基站的无线通信设备部署在无人机、飞艇或者卫星上，从空中实现对地面移动终端的信号覆盖与双向传输。空中基站信号对地面的覆盖面积大，可替代多座地面基站，可以大幅节省投资并降低维护成本。搭建基于空中基站的空中无线网络还具有部署快捷、难以破坏等优点，近年来在军事及民用领域均得到广泛的应用。

2)OAM电磁波的传输

目前常用的无线通信技术，譬如移动通信、卫星通信以及广播电视等均基于平面电磁波理论，亦即球面波的远距离近似，其等相位面与传播轴垂直。而电磁波的轨道角动量(orbital angular momentum:OAM)特性使得电磁波的等相位面沿着传播方向呈螺旋上升的形态，这就让轨道角动量电磁波与常用的无线通信电磁波有所区别。对于携带轨道角动量的电磁波束，我们称之为涡旋波束(Vortex Electromagnetic Wave，Vortex EM Wave)，其一般形式可以写为：

A(r)表示电磁波的幅度值，r为观测点到波束中心轴线的径向距离，为围绕波束轴线的方位角，l为轨道角动量的本征值，用来描述轨道角动量的状态，不同的本征值对应着不同的相位分布本征模态，习惯上称l为涡旋波束的模态。

均匀环形天线阵列(uniform circular arrays,UCA)能够被用来产生OAM电磁波束，这里的均匀天线阵列是由M个阵元构成的，阵元依次排列在成一个环形，各个相邻阵元的间隔也是相同的，如图1所示。以天线阵列的圆心为坐标原点，设第一个阵元的角度为0，则第m个阵元的角度为令每个阵元传输的电磁波幅度相同，相邻阵元电磁波的相位相差(N为正整数)，即可产生模态为l的涡旋波束。

涡旋波束的一个重要特点是波束随着距离的增加呈发散形态。整个波束呈现中空的倒锥形，波束中心存在凹陷，中心能量为零。且模态l的绝对值越大，倒锥形对应的圆心角越大，其对应的发散形态也越加明显，如图2A-图2D所示。

然而，尽管如此，若利用涡旋波束随距离增加而发散的特性，当空中基站具备涡旋波束发射能力后，就能够很好地通过涡旋波束的上述特性辅助隐藏终端配对(即寻找无法直接通信的两个终端节点)。令其所发射的涡旋波束圆心对准正在向基站传输数据的终端节点(称为“上行节点”)。随后，均匀环形天线阵列发送非零模(即模态l≠0)的涡旋波束，则该涡旋波束会覆盖以该上述上行节点为圆心的一个圆环区域。在这个圆环区域内接收并成功解调涡旋波束的终端节点即为被筛选出的，能够与上述上行节点配对形成全双工非对等传输的下行节点。所有满足配对条件的终端节点，称为“候选节点”，这个过程称为“候选节点筛选”过程。

3)全双工技术