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《計算機工程與設計雜志》2014年第七期
1.1波束切換時機兩個無線mesh通信設備進行初始通信時，會選擇一對扇區對作為通信扇區對。當這兩個無線Mesh通信設備在當前通信扇區內通信質量差時，需要改變節點的通信扇區，即改變通信設備發送和接收數據包的天線號。采用無線網卡提供的rssi值作為信號質量評估的依據。當無線網卡接收到數據包時，會根據接收到數據包的信號強度得到rssi值，再根據rssi值判斷出當前通信設備間能達到的通信速率。通信質量差的判斷依據有兩個：一是當前通信設備間的實際通信速率低于根據rssi值估計出的通信速率值。二是在64對天線扇區對中，其他天線扇區對接收到的數據包的rssi值得到的速率值比當前通信扇區對接收到的數據包的rssi值得到的速率值要高。（1）因節點轉動或非高速移動而導致的波束切換兩節點節點A和節點B初始時在扇區2和扇區5的鏈路間進行數據包傳輸，此時，節點B發生了轉動，節點B的扇區6變成了節點A的扇區2的正對扇區。扇區2和扇區5間鏈路的通信質量差于扇區2和扇區6間鏈路的通信質量，則需要將節點B的通信扇區變為扇區6。（2）因網絡外部存在干擾導致的波束切換兩節點節點A和節點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2和扇區5之間的鏈路的通信質量是最佳的，當存在干擾源后，扇區3和扇區4之間的鏈路的通信質量優于扇區2和扇區5之間的鏈路的通信質量，此時需要將節點A的通信扇區變為扇區3，節點B的通信扇區變為扇區4。
1.2波束切換算法設計
1.2.1天線質量信息收集兩個節點間的業務數據包總是在節點間選定的通信天線對對應的鏈路上進行傳輸。而某對天線對對應鏈路的通信質量必須通過該對天線對下發送和接收到的數據包的信號強度值進行評估。所以，為了評估兩個節點間64對天線對下的信號強度值，必須在8根天線上都有數據包發送和接收。（1）時隙設計同步Mesh網絡是時分的網絡系統，在50個最小通信時間單元的時間周期內，分配4個最小通信時間單元來進行64對天線對的質量探測數據包的發送。這4個用來發送質量探測數據包的時隙被稱為探測時隙。同步Mesh網絡中劃分的最小通信時間單元是按照最大業務數據包長發送時間需求設置，而質量探測數據包只需要設置成數據包發送最小長度即可。故同時將每個最小通信時間單元分配成4個發送微時間單元。在一個微通信時間單元內，在某一根天線下進行質量探測數據包發送。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送質量探測數據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根天線下發送質量探測數據包。（2）父子節點的64對天線對信息收集每個節點在成功加入網絡并接收了子節點后便在指定的時隙內輪流在8根天線下廣播質量探測數據包。質量探測數據包主要是子節點用來收集與父節點之間的64對天線對的信號強度。而父節點收集與子節點的64對天線對的信號強度主要依靠beacon數據包，父節點也能收到部分子節點向孫節點廣播的質量探測數據包。父節點在指定時隙內輪流在8根天線下廣播質量探測數據包，子節點也需要在8根天線下輪流監聽數據包。父節點在每個微時間單元內在某一根天線下廣播質量探測數據包，子節點在連續兩個指定的探測時隙內在某一根天線下監聽質量探測數據包。（3）對沖突問題的解決1）建立層級型的網絡結構在樹形拓撲的網絡結構中，如果所有節點都在相同的時間單元發送質量探測數據包，則會產生信號沖突。為了解決這一問題，為樹形拓撲網絡中的每個節點計算其層級數。層級數即當前節點在樹形結構中處于第多少層，其中樹的根節點為第0層，根節點的子節點為第1層。為每個最小通信時間單元進行編號，其中用于進行發送質量探測數據包的4個時間單元選擇固定的2個奇數編號時間單元和2個偶數編號時間單元。處于奇數層級的節點在奇數編號時間單元發送質量探測數據包，在偶數編號時間單元監聽質量探測數據包。處于偶數層級的節點在偶數編號時間單元發送質量探測數據包，在奇數編號時間單元監聽質量探測數據包。2）天線號輪詢順序隨機化為了進一步降低沖突發生的可能性，每個節點在選擇8根天線發送質量探測數據包的順序時，采用隨機的原則，并且天線號的發送質量探測數據包順序在一定時間內隨機發生變化。比如初始時節點的8根天線號發送探測數據包的順序為0、2、6、4、3、5、7、1，過一段時間后，節點的8根天線號發送探測數據包的順序為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是在保障當前設備間的通信不中斷的情況下將天線對切換到更優天線對下。更優天線對號的評判標準為新天線對對應鏈路的通信速率較當前天線對對應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。第三階段根據測試結果決定切換的天線對號。（1）尋找目標天線對：通過網卡提供的rssi值作為初始評估信道的標準，備選天線對的rssi值對應的速率值必須大于或者等于當前天線對下的rssi值對應的速率值。備選天線對可能有多對天線對。波束切換發起方在扇區切換動作觸發前，選擇出了一些目標天線對。目標天線對的rssi值對應速率估計值必須大于當前天線對下的通信速率值。從這些目標天線對中隨機選擇出一對目標天線對進行測試。（2）波束切換：波束切換過程在兩個節點間進行。當某一節點發現當前天線對下信道質量差時，即當前天線對對應鏈路的通信速率低于通過rssi值估算出的速率時，發起波束切換過程。波束切換過程中，波束切換發起方與波束切換被發起方之間的數據包交互流程如下：圖2為對選擇的目標天線對進行測試并判斷是否變更到該目標天線對的過程，該數據包交互過程為最復雜情況下的數據包交互圖。1）發起方與被發起方信息不對稱問題假設原始天線對為（a1、b1），目標天線對為（a2、b2）。在進行波束切換過程中，目標天線對下的信道質量會得到測試，但是在波束切換交互過程中，可能出現波束切換發起方和波束切換被發起方信息不對稱的情況，即波束切換發起方和被發起方的波束切換動作沒有同步進行，某一方已經使用了目標天線號，而另一方仍然使用的原始天線號的情況。為了保障無線設備間的通信鏈路不中斷，必圖2波束切換數據包交互須保障在波束切換發起方和被發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數據包。在出現信息不對稱時，從原始天線對向目標天線對轉換過程中兩端的天線對可能出現通信天線對為（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間數據鏈路可以正常通信。故當波束切換發起方發起切換時，如果a1不等于a2，發起方在a2天線下發送波束切換試探數據包，當收到波束切換試探數據包的確認數據包時，表明天線對a2、b1下對應鏈路能夠正常通信，此時，發起方發送波束切換通知數據包通知被發起方開始波束切換過程。如果a1等于a2，則發起方不需要發送波束切換試探數據包，直接發送波束切換通知數據包通知被發起方開始波束切換過程。被發起方收到波束切換通知數據包后，如果b1不等于b2，則在b2天線對下發送波束切換試探數據包，將發送波束切換試探數據包的成功或者失敗的結果通過波束切換回應通知數據包通知發起方。2）波束切換過程由兩個節點同時發起問題波束切換過程可能由兩個節點中的一個節點發起，也可能兩個節點同時發起了波束切換過程，當兩個節點同時發起波束切換過程時，需要采用仲裁措施來選擇發起方和被發起方。對于某一節點，如果在收到對端發送的波束切換通知數據包時，本端還沒有發送波束切換通知數據包，而是處在發送波束切換試探數據包狀態或者處于等待波束切換試探數據包結果狀態，則該節點主動放棄波束切換發起方的身份而成為波束切換被發起方。如果在收到對端發送的波束切換通知數據包時，本端已經發出了波束切換通知數據包，則該節點放棄進行波束切換過程，并設置一個隨機的定時器，在隨機定時器超時之前，該節點一直處于退避狀態，在退避狀態下，節點不發起波束切換過程。而另一端節點由于發出的波束切換通知數據包得不到回應而波束切換失敗。被發起方在波束切換試探數據包發送成功且成功發送波束切換回應通知數據包后將天線號切換到目標天線號。發起方在收到同意切換的波束切換回應通知數據包后將天線號切換到目標天線號。之后，兩端節點開始進行目標天線對下的鏈路質量測試過程。如果在目標天線對下，鏈路的通信速率高于原始天線對下的通信速率，則目標天線對質量測試過程成功，否則質量測試過程失敗。（3）決定是否向目標天線對切換：被發起方在質量測試過程完成之后，發送波束切換測試完成通知數據包通知發起方鏈路測試的結果。發起方根據本端的鏈路測試結果和對端的鏈路測試結果判斷是否可以將天線對切換到目標天線對。任何一端鏈路測試失敗都會導致波束切換過程失敗。鏈路測試完成后，發起方通過波束切換結果通知數據包通知被發起方是否將通信天線對切換到目標天線對。被發起方收到波束切換結果通知數據包后，根據數據包中的結果決定進行天線號切換或者使用原始天線號。當發起方收到被發起方發送的波束切換結果通知回應數據包后，整個切換過程結束。
2波束切換算法實現
2.1狀態轉換圖波束切換發起方的狀態變化如圖3所示。圖3中左圖為波束切換發起方狀態轉移圖，狀態轉換的觸發條件如下：（1）發送方在沒有開始波束切換過程時及波束切換過程結束時，波束切換的狀態均為正常工作狀態。（2）當發起方發送完波束切換試探數據包后，波束切換的狀態變為等待探測結果狀態。（3）當發起方發送完波束切換通知數據包后，波束切換的狀態變為等待波束切換回應通知數據包狀態。（4）當發起方收到波束切換回應通知數據包后，波束切換的狀態變為天線測試狀態。（5）當發起方收到波束切換測試完成通知數據包時，波束切換的狀態變為對端測試完成狀態。（6）當發起方本端測試成功且對端測試也成功時，波束切換的狀態變為波束切換成功完成狀態。（7）當發起方或者被發起方有任何一方測試失敗時，波束切換狀態變為波束切換失敗完成狀態。（8）當發起方確定被發起方的天線對信息與本端一致時，波束切換狀態由波束切換失敗完成狀態或者波束切換成功完成狀態變為正常工作狀態。圖3中右圖為波束切換被發起方狀態轉移圖，狀態轉換的觸發條件如下：（1）被發送方在沒有開始波束切換過程時及波束切換過程結束時，波束切換的狀態均為正常工作狀態。（2）被發起方發送完波束切換試探數據包后，波束切換的狀態變為等待探測結果狀態。（3）被發起方發送完波束切換回應通知數據包后，波束切換狀態變為等待本端測試完成狀態。（4）被發起方在本端測試成功完成后，波束切換狀態變為等待波束切換結束狀態。（5）被發起方在本端測試失敗后，波束切換狀態變為等待對端測試完成狀態。（6）當被發起方確定發起方的天線對信息與本端一致時，波束切換狀態由等待對端測試完成狀態或者等待波束切換結束狀態變為正常工作狀態。發起方與被發起方通過父子節點間維護鏈路的協議數據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波束切換通知數據包處理流程圖波束切換通知數據包處理流程如圖4所示。等待波束切換通知回應數據包定時器為發起方發送波束切換通知數據包時設置的，如果定時器超時時還沒有收到波束切換通知回應數據包，則認為本次交互失敗。退避定時器為兩端節點同時發起波束切換時，某一端進行退避的時間定時器。在定時器超時之前，本端節點不會發起波束切換過程。
2.3波束切換通知回應數據包處理流程圖波束切換通知回應數據包處理流程如圖5所示。
2.4波束切換測試完成數據包處理流程圖波束切換測試完成數據包處理流程如圖6所示。
2.5波束切換結果通知數據包處理流程圖波束切換結果通知數據包處理流程如圖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）節點發生非高速移動時的驗證1）當前節點與周圍一個鄰居節點的波束切換測試場景1中節點B發生非高速移動。A和B之間的天線對由2、6變為1、5，如圖8所示。2）當前節點與周圍兩個鄰居節點的波束切換測試場景2中節點B發生非高速移動。A和B之間的天線對由4、0變為3、7。B和C之間天線對由4、0變為1、5，如圖9所示。2）因網絡外部存在干擾導致的波束切換初始時通信天線對為4、0，后來節點B旁出現干擾源，天線對由4、0變為4、7，如圖10所示。
4結束語
本文研究了基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡下的波束切換技術的應用需求，針對同步無線Mesh網絡的同步特性設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用場景下進行了驗證，驗證結果表明，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機動通信網絡的通信能力提供了一種解決思路。
作者：劉芳孫炎森劉經緯韓仲華單位：華北計算技術研究所中信銀行股份有限公司