CN108768592A - 毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置，其中，方法包括以下步骤：检测数据传输的时延需求；根据数据传输的时延需求确定最佳调度方案；根据最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。该方法将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

Description

毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置

技术领域

本发明涉及通信传输技术领域，特别涉及一种毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置。

背景技术

目前，用户对传输数据的速率要求越来越高。6GHz以下的低频无线传输技术(如WiFi(WIreless-Fidelity，无线保真)，蜂窝通信等)面临频谱短缺，频率利用率(SpectrumEfficiency)的提升无法跟上数据访问需求的尴尬。

相关技术中，近几年已经有一些60GHz通信的无线系统标准问世。例如，用于局域网通信的IEEE803.15.3c，用于高清视频传输的WirelessHD和用于短距离高速传输的IEEE802.11ad等。

然而，毫米波用于通信的研究还处在起步阶段，上述现有的毫米波通信协议并不涉及到毫米波与较低频无线通信技术的混合组网，不具备大规模部署的潜力。而且60GHz通信还具备路径损耗大，NLOS(Non-Line-of-Sight，非视距)传输信号衰减严重的特点。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：

毫米波通信和较低频无线通信(6GHz以下)的传输特点有较大差异：前者的优势体现在传输带宽大，根据香农信道容量公式可知，物理层传输的吞吐量与信道带宽成正比。因此，仅上述频谱带宽的扩展就可以带来数十倍的传输吞吐量增益。但毫米波还具备路径损耗大，非视距传输信号衰减严重的特点。较低频无线通信(6GHz以下)数据率相对较低但是可以进行非视距传输。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种毫米波与较低频无线通信联合传输方法，该方法大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

本发明的另一个目的在于提出一种毫米波与较低频无线通信联合传输装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种毫米波与较低频无线通信联合传输方法，包括以下步骤：检测数据传输的时延需求；根据所述数据传输的时延需求确定最佳调度方案；根据所述最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。

本发明实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，通过综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化，将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

另外，根据本发明上述实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述毫米波通信链路用于高速数据传输。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制所述毫米波通信链路的信道。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用MDP(Markov Decision Process，马氏决策过程)对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，所述最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

其中，S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，E表示统计平均，为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种毫米波与较低频无线通信联合传输装置，包括：检测模块，用于检测数据传输的时延需求；确定模块，用于根据所述数据传输的时延需求确定最佳调度方案；传输模块，用于根据所述最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。

本发明实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，通过综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化，将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验，

另外，根据本发明上述实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述毫米波通信链路用于高速数据传输。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制所述毫米波通信链路的信道。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程MDP对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，所述最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

其中，S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，E表示统计平均，P为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输的基站架构的功能示意图；

图3为根据本发明一个实施例的场景实例A的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的场景实例B的示意图；

图5为根据本发明一个实施例的场景实例C的示意图；

图6为根据本发明一个实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的毫米波与较低频无线通信联合传输方法。

图1是本发明一个实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输方法的流程图。

如图1所示，该毫米波与较低频无线通信联合传输方法包括以下步骤：

在步骤S101中，检测数据传输的时延需求。

可以理解的是，不同数据传输队列对时延的需求不同，因此，首先本发明实施例对数据传输的时延需求进行检测。

在步骤S102中，根据数据传输的时延需求确定最佳调度方案。

在本发明的一个实施例中，最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

可以理解的是，本发明实施例需要综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化。即通过进行联合物理层与MAC层时延感知调度，获得统计意义上能够满足所有用户数据传输时延需求的最佳调度方案(最佳方案指消耗的能量最小等)。

举例而言，以下行传输为例进行研究方案介绍，为了方便说明，本发明实施例假设相同的数据不在两个空口重复传输，并且没有用户只有一个数据传输队列。问题的形式化描述如下：

记λ_i为第i个基站给用户的数据队列的平均数据包到达速率，q_i(t)为t基站给第i个用户传输的缓存数据包的总数量，则根据利特尔法则(Little’s Law)该数据队列的平均传输时延可以表示为物理层和MAC融合的随机优化问题则表示描述为：

其中，为第i个用户允许的平均传输时延。述问题为带约束的马氏决策过程，可以迭代算法进行求解。

在步骤S103中，根据最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。

可以理解的是，在传输过程中，中心控制器可以学习上述两个空口的传输统计特性，根据数据传输的不同时延需求来联合调度上述两种空口的传输方式，在联合传输过程中两种空口的传输参数需要以用户体验为目标进行统一优化从而实现了两种通信方式的优势互补以实现高速、稳定的传输，无线通信形式也可以是6GHz以下的较低频无线通信与毫米波等其他通信的融合。

进一步地，在本发明的一个实施例中，毫米波通信链路用于高速数据传输。

进一步地，在本发明的一个实施例中，6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制毫米波通信链路的信道。

可以理解的是，在毫米波通信与6GHz以下较低频无线通信融合的系统中，毫米波通信链路主要承担高速数据传输的任务；而较低频无线通信链路可以用于保障基本的数据传输和承担毫米波通信控制信道的任务。因此，在数据传输过程中两种空口的传输参数需要以用户体验为目标进行统一优化。为了实现这一目标，本发明实施例将考虑如图2所示的基站架构：即具备感知和传输能力的毫米波基站以及较低频率无线通信系统(如WiFi)通过中心控制器实现统一调度。为了扩大毫米波通信的覆盖范围，用户终端之间可以相互协作进行上、下行数据转发，从而形成多跳毫米波通信链路。由于毫米波通信链路的脆弱性，基站可以对链路的通/断的统计特性进行学习，并且基于该统计特性建立多条传输链路以提升传输的可靠性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程MDP对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

其中，为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。

具体而言，以毫米波通信的物理层为主要研究对象，本发明实施例可以建模并抽象成为基于统计分布学习的物理层优化问题，拟采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程对毫米波链路的建立进行统计最优化求解(即随机优化)。例如，毫米波链路是否被遮挡的随机特性可以建模成为马尔科夫链(MarkovChain)，用户终端可周期地感知周围用户以及毫米波基站与自身的传输链路状态，并且把感知结果通过较低频的无线通信链路向中心控制器进行反馈，用于进行集中学习和调度。对于中心控制器，毫米波链路的最优化选择问题可以描述成为一个带功率约束的平均吞吐量最大化问题。其可能的形式化描述如下(也可以优化其他目标，这里仅以下行吞吐量的优化为例进行说明):

记S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，P₀(t)为基站的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，则第i个用户t时间的下行吞吐量可以表示为T_i(t,H,{S_i},{P_i})，而平均吞吐量可以表示为(其中E便是统计平均)，用户或者基站的平均发射功率可以表示为最大化平均下行吞吐量的链路建立问题可以描述如下：

其中为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。该随机优化问题是带约束的马氏决策过程，可以使用相关领域的迭代算法进行最优化求解。

在本发明的一个具体实施例中，基于中心控制的毫米波传输链路的优化的实例如下：

为了扩大毫米波的传输覆盖范围和传输链路的稳定性，在以下实例中，基站除了建立与用户终端的直接上下行传输链路以外，还可以建立多跳的上下行传输链路，但是建立更多的多跳传输链路可能导致更强的电磁干扰。

如图3所示，的场景实例A所示，A，B用户为数据要传输的终端用户。我们以向用户A传输数据作简要分析。当无遮挡物时，基站可以建立了一条与用户A传输的链路(如图3所示链路1)。

当链路1有遮挡物的情境下，为了应对毫米波传输的不稳定性，基站可以建立两条与用户A的传输链路，从而降低与用户A发生传输链路中断的概率。例如，即使基站到用户A的视距传输链路被阻挡，基站仍然可以通过用户B中转实现与用户A的毫米波高速传输(如图4所示链路2与链路3)。

然而，建立更多的多跳传输链路可能导致更强的通信干扰，也会消耗其他用户的无线传输资源。如图5所示的实例场景C中，当允许用户B作为用户A和基站的传输中继时，从B到A的数据传输可能会对基站到C的数据传输产生一定干扰，而且也会影响基站到用户B的数据传输吞吐量。因此，毫米波基站在建立传输链路时需要综合考虑链路被遮挡的概率、链路之间的相互干扰以及不同用户之间的传输资源分配等因素。

在以上的基础上，本发明实施例将进一步开展毫米波通信与较低频无线通信的融合传输。毫米波具有高吞吐量的特性，然而在发生链路中断后将可能产生较大的传输时延；虽然较低频无线通信的吞吐量小于毫米波，但是对于数据量较小的传输需求而言其平均传输时延可能更小(毫米波需要考虑由于链路受到遮挡而出现传输中断的概率和时延)。在传输过程中，中心控制器可以学习上述两个空口的传输统计特性，根据数据传输的不同时延需求来联合调度上述两种空口的传输方式。

综上，毫米波链路的最优化选择问题可以建模并抽象成为基于统计分布学习的物理层优化问题，我们拟采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程(对毫米波链路的建立进行统计最优化求解(即随机优化)。综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化。

另外，本发明实施例具有如下优点：

(1)将毫米波与较低频无线通信相融合，后者可以为多跳的毫米波通信提供稳定的控制链路，这将大大提高多跳传输的效率。

(2)可实现数据信息分类别传输。较低频无线通信链路可以用于传输数据量较小时延要求高的数据，而毫米波通信链路可以用于传输数据量大，允许短暂中断的数据。

(3)虽然毫米波通信的吞吐量大大高于较低频的无线通信技术，但是毫米波通信链路的不稳定性决定了只有把两种通信模式进行有机结合才可以为用户提供高速、可靠的数据传输。

根据本发明实施例提出的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，通过综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化，将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的毫米波与较低频无线通信联合传输装置。

图6是本发明一个实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输装置的结构示意图。

如图6所示，该毫米波与较低频无线通信联合传输装置10包括：检测模块100、确定模块200和传输模块300。

其中，检测模块100用于检测数据传输的时延需求。确定模块200用于根据数据传输的时延需求确定最佳调度方案。传输模块300用于根据最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。本发明实施例的装置10将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

进一步地，在本发明的一个实施例中，最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

进一步地，在本发明的一个实施例中，毫米波通信链路用于高速数据传输。

进一步地，在本发明的一个实施例中，6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制毫米波通信链路的信道。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程MDP对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

其中，S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，E表示统计平均，为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。

需要说明的毫米波与较低频无线通信联合传输是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，通过综合考虑毫米波通信和较低频的无线通信，并且根据不同数据传输队列对时延的不同需求进行联合随机优化，将毫米波与较低频无线通信相融合，实现数据信息分类别传输，从而大大提高多跳传输的效率，为用户提供高速、可靠的数据传输，提升用户的使用体验。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种毫米波与较低频无线通信联合传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测数据传输的时延需求；

根据所述数据传输的时延需求确定最佳调度方案；以及

根据所述最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。

2.根据权利要求1所述的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，其特征在于，所述最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

3.根据权利要求1所述的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，其特征在于，所述毫米波通信链路用于高速数据传输。

4.根据权利要求1所述的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，其特征在于，所述6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制所述毫米波通信链路的信道。

5.根据权利要求1-4任一项所述的毫米波与较低频无线通信联合传输方法，其特征在于，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程MDP对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，所述最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

subject to：

其中，S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，E表示统计平均，为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。

6.一种毫米波与较低频无线通信联合传输装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测数据传输的时延需求；

确定模块，用于根据所述数据传输的时延需求确定最佳调度方案；以及

传输模块，用于根据所述最佳调度方案调度毫米波通信链路和/或6GHz以下的较低频无线通信链路，以根据不同时延需求调度对应空口的传输方式。

7.根据权利要求6所述的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，其特征在于，所述最佳调度方案为传输数据消耗的能量最小的方案。

8.根据权利要求6所述的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，其特征在于，所述毫米波通信链路用于高速数据传输。

9.根据权利要求6所述的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，其特征在于，所述6GHz以下的较低频无线通信链路用于保障基本的数据传输和承担控制所述毫米波通信链路的信道。

10.根据权利要求6-9任一项所述的毫米波与较低频无线通信联合传输装置，其特征在于，其中，采用随机过程对毫米波信道的遮挡情况进行建模和学习，并且采用马氏决策过程MDP对毫米波链路的建立进行统计最优化求解，其中，所述最优化求解的最大化平均下行吞吐量的链路建立问题为：

subject to：

其中，S_i(t)为第t个传输调度时隙毫米波基站到第i个用户的传输链路的集合(包括多跳与单跳)，P_i(t)为第i个用户的发射功率分配，H表示信道状态的集合，Ω表示所有毫米波链路状态的统计分布，E表示统计平均，为基站或者用户的平均发射功率约束，w_i为第i个用户的优化权重。