CN104184504B - 一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备，包括：毫米波通信设备发起与目标设备的高速数据通信，通过低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述低频段通信模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率进行波束扫描。本发明使用低频段通信模块为波束成形提供控制信令连接和波束扫描初始化信息，通过低频段通信模块的支持，可以方便地完成波束成形并进行定向性传输，并降低对现有传输链路的干扰，从而实现空间复用传输。

Description

一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备。
背景技术
毫米波通信技术，指的是使用波长在一厘米至一毫米(对应的频率范围是30GHz至300GHz)的电磁波进行通信的技术。当前，民用毫米波通信技术主要采用的频段是60GHz附近的频谱，这主要源自以下几个因素：第一，多个国家和地区将60GHz频段附近的频谱规划为面许可使用频段，具有***的最大优点；第二，最近一段时间内，随着工艺不断成熟，60GHz毫米波器件的性能与功耗指标得到了巨大的提升，已经基本可以满足实用化需求；第三，60GHz无线通信技术逐渐由学术界的理论研究走向工业界的实际应用研究，当前，已经有多个国际标准组织在各芯片厂商、通信厂商的积极推动下完成或接近完成60GHz国际标准，如IEEE802.11ad和IEEE802.15.3c以及欧洲的ECMA-387。IEC也基于ECMA-387第一版规范发布了国际标准13156。
60GHz技术最大的优势是传输带宽非常宽，在60GHz附近，最多可以提供5GHz的传输带宽，传输速率可达1Gps，而且所占用的工作频段是免授权使用的。由于电磁频谱在60GHz附加是一个强烈的吸收峰，这个频率范围内的电磁波传播衰减非常大，因此，60GHz通信技术的典型传输距离不超过10米。这一电磁传播特性既限定了60GHz通信技术的应用场景主要为室内环境，同时也使得空分复用成为可能。
60GHz技术依然存在一些技术困难，主要源自60GHz电磁波传播特性以及由其决定的空间信道特征。如：在60GHz频段，电磁波传播更多地表现为一种似光性传播，也就是说，60GHz天线主要是定向型天线，使用此类天线，如果目标设备不落在当前设备天线方向图的指向范围内，则无法找到目标设备，产生所谓的“阴影现象”。为了解决这一问题，除了调整天线指向外，还必须针对定向型天线对MAC层进行设计，这在一定程度上会影响MAC层的效率，降低有效数据的传输数据。
60GHz天线通过波束成形技术，可以具有波束窄和定向性的特征，因此从理论上讲，60GHz毫米波通信技术可以充分利用三维空间进行传输复用来大大提升***容量，如附图1所示。但是另外一方面，由于定向性天线的特征，以及阴影、遮挡等现象的存在，使得空间复用传输实施起来较为困难，尤其是进行波束成形的阶段，将引起较大的干扰。波束成形大致可以分为两个阶段，第一阶段：使用准全向天线进行波束扫描，第二阶段：在波束扫描阶段完成后得到的传输对象的大致方向后，进行波束细化。其中第一阶段是必选的，第二阶段是可选的，但是考虑到第一阶段得到的波束方向较为宽泛，发射、接收端无法进行精确对准，因此一般均需要进行第二阶段。
如图2所示，设备C和设备D如果需要进行高速率通信，需要进行波束成形操作。但是在设备A和设备B已经处在高速率通信的状态下，设备C、D进行波束成形所需的波束扫描操作，将干扰设备A、B现有的通信状态。虽然设备C、D也可选择其它的信道(设备A、B链路占用信道以外的信道)进行传输，这样操作实际上是使用不同的频率进行传输，而非使用相同频率的空间复用的概念。
综上，目前基于现有技术，在60GHz毫米波通信中，尚无法在不影响现有链路的情况下实现空间复用传输。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备，能够在不影响现有链路的基础上，进行波束成形并进而建立高速数据传输链路，实现真正意义上的空间复用传输。
为解决上述技术问题，本发明的一种毫米波通信空间复用传输方法，该方法包括：
毫米波通信设备发起与目标设备的高速数据通信，通过低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述低频段通信模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率进行波束扫描。
进一步地，该方法还包括：
所述毫米波通信设备在进行波束扫描的过程中，如通过所述低频段通信模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，则降低当前的发射功率进行波束扫描。
进一步地，该方法还包括：
所述毫米波通信设备在降低当前的发射功率后，还判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果低于，则暂停一预设时间，并在暂停结束后，使用最低发射功率进行波束扫描；否则，使用降低后的发射功率进行波束扫描。
进一步地，所述毫米波通信设备在通过低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求后，如果非目标设备接收到所述波束成形请求，且正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则通过低频段通信模块向所述毫米波通信设备发送第一告警消息，告知所述毫米波通信设备在波束扫描范围内存在使用同频段进行高速数据通信的非目标设备；
所述毫米波通信设备获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，包括：所述毫米波通信设备在通过低频段通信模块接收到所述第一告警消息后，获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信。
进一步地，所述毫米波通信设备在进行波束扫描的过程中，如果波束扫描范围内正在进行同频段的高速数据通信的非目标设备检测到接收到的干扰信号的功率高于预定功率阈值，则通过低频段通信模块向毫米波通信设备发送第二告警消息；
所述毫米波通信设备通过所述低频段通信模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，包括：所述毫米波通信设备在通过低频段通信模块接收到所述第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰。
进一步地，所述低频段通信模块为无线保真Wi-Fi模块，所述目标设备发起的高速数据通信为60GHz高速数据通信。
进一步地，一种毫米波通信设备，包括：低频段通信模块、毫米波通信模块和控制模块，其中：
所述控制模块，用于发起与目标设备的高速数据通信，通过所述低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述低频段通信模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率，通过所述毫米波通信模块进行波束扫描。
进一步地，所述控制模块，还用于在进行波束扫描的过程中，如通过所述低频段通信模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，则降低当前的发射功率进行波束扫描。
进一步地，所述控制模块，还用于在降低当前的发射功率后，判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果低于，则暂停一预设时间，并在暂停结束后，使用最低发射功率进行波束扫描；否则，使用降低后的发射功率进行波束扫描。
进一步地，所述控制模块，具体用于在通过所述低频段通信模块接收到所述第一告警消息后，获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，其中，所述第一告警消息是非目标设备接收到所述波束成形请求时，如果正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，通过低频段通信模块所发送。
进一步地，所述控制模块，具体用于在通过低频段通信模块接收到所述第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，其中，所述第二告警消息是在进行波束扫描的过程中，波束扫描范围内正在进行同频段的高速数据通信的非目标设备检测到接收到的干扰信号的功率高于预定功率阈值时，通过低频段通信模块所述发送。
进一步地，所述低频段通信模块为无线保真Wi-Fi模块，所述毫米波通信模块为60GHz毫米波通信模块。
综上所述，本发明使用低频段通信模块为波束成形提供控制信令连接和波束扫描初始化信息，通过低频段通信模块的支持，可以方便地完成波束成形并进行定向性传输，并降低对现有传输链路的干扰，从而实现空间复用传输。
附图说明
图1是现有技术中60GHz毫米波通信设备空间复用传输的示意图；
图2是现有技术中波束扫描对现有通信链路形成干扰的示意图；
图3是本发明实施方式方法的波束成形波束扫描的准备阶段的流程图；
图4是本发明实施方式方法的波束成形波束扫描阶段的流程图；
图5是本实施方式的毫米波通信设备的架构图。
具体实施方式
鉴于低频段Wi-Fi技术已经在终端设备上广泛使用，且在2.4G/5G频段，电磁波不像60GHz那种似光性传播，因此Wi-Fi技术可以跟60GHz技术形成有效的互补，配合使用。具体到60GHz毫米波无线通信技术，低频段Wi-Fi模块可以为60GHz模块提供控制信令传输服务，协助60GHz模块完成波束成形所需的信息，同时降低60GHz波束进行波束扫描所需的功率等级，从而最大可能地降低对现有数据传输链路的干扰。
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以两台设备在附近已经存在60GHz毫米波通信链路的情况下，通过低频段Wi-Fi模块来建立波束成形进行空间复用通信的流程。
如图3所示，本实施方式的毫米波通信空间复用传输方法中波束成形的波束扫描的准备阶段，包括：
步骤301：毫米波通信设备(波束成形发起方，以下简称发起方)发起与目标设备的高速数据通信，通过低频段通信模块(如Wi-Fi模块)向目标设备发送波束成形请求；
步骤302：目标设备(响应方)如果可进行数据传输工作，则通过自身的Wi-Fi模块给发起方发送进行波束成形的确认响应；
步骤303：接收到波束成形请求的非目标设备，判断是否正在进行与发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信(使用60GHz模块进行高速数据通信)，如果是，则执行步骤304；否则，执行步骤305；
步骤304：接收到波束成形请求的非目标设备通过自身的Wi-Fi模块给发起方发送第一告警消息，向发起方指示波束扫描范围内存在非目标设备正在进行与发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信；
步骤305：接收到波束成形请求的非目标设备则不响应。
如图4所示，本实施方式的毫米波通信空间复用传输方法中波束成形的波束扫描阶段，包括：
步骤401：发起方在通过Wi-Fi模块收到目标设备的确认响应后，启动波束扫描阶段；
步骤402：发起方判断是否通过Wi-Fi模块接收到第一告警消息，如果接收到，则获知存在非目标设备正在进行与该发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，执行步骤403；否则，不存在非目标设备正在进行与该发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，执行步骤404；
步骤403：发起方配置进行波束扫描的发射功率低于默认功率，执行步骤405；
上述低于默认功率的发射功率可以是比默认功率低一固定值的发射功率，固定值可以根据实际情况选择。
步骤404：发起方配置波束扫描的发射功率为默认功率，执行步骤405；
步骤405：发起方使用配置的发射功率进行波束扫描；
步骤406：目标设备针对发起方发射的各扫描波束进行比较，选择最优波束，通过Wi-Fi模块将最优波束的信息反馈给发起方；
步骤407：在发起方进行波束扫描的过程中，位于波束扫描范围内正在进行与发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信的非目标设备，如果检测到接收到的干扰信号(60GHz模块接收到的干扰信号)的功率高于功率阈值，即已经对其正在进行的高速率数据通信形成干扰，则通过自身的Wi-Fi模块向发起方发出第二告警消息；
步骤408：发起方在通过Wi-Fi模块接收到第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的与该发起方发起的高速数据通信同频段的高速数据通信造成干扰，降低当前的发射功率；
发起方降低当前的发射功率可以采用降低固定值法，即在一次波束扫描中，如果接收到第二告警消息，则将当前的发射功率降低一个固定值，在下一次波束扫描中，如果又接收到第二告警消息，则进一步将当前的发射功率降低固定值；或者，也可以采用配置多个功率阶梯的方法，如配置七个等级的功率阶梯，在一次波束扫描中如果接收到第二告警消息，则将发射功率下调一个功率等级，在下一次波束扫描中，如果又接收到第二告警消息，则再将发射功率下调一个功率等级。
步骤409：发起方判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果是，则执行步骤410；否则，执行步骤411；
步骤410：发起方将进行波束扫描的发射功率配置为最低发射功率，并等待一预设的时间阈值，在等待时间结束后，执行步骤405；
步骤411：发起方将进行波束扫描的发射功率配置为降低后的发射功率，执行步骤405。
通过上述过程，直到完成波束扫描，获得波束优化的初始值后，开始波束优化过程。
按照收/发信机信号流程，一个通信***收/发信机从底层到高层大致可以分为天线、射频处理单元、基带处理单元，其中基带处理单元可以进一步划分成物理层(PHY)、媒质接入控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层等。其中，天线负责接收/发射无线电信号，射频处理单元包括模/数、数/模转换、对模拟信号的解调/调制、滤波、放大处理等；PHY层的主要功能是完成对基带信号的编码/译码、交织/解交织、符号映射/解映射，分组打包/解包，完成物理层接收数据正确性的校验以及发射确认信号或请求重发信号等；MAC层实现逻辑信道和物理信道的映射，将高层数据封装成帧以及差错控制、物理寻址等功能；RLC层负责无线链路建立、维持等功能。
如图5所示，本实施方式还提供了一种毫米波通信设备，包括：低频段通信模块、毫米波通信模块和控制模块，其中：
控制模块，用于发起与目标设备的高速数据通信，通过低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求，如通过低频段通信模块接收到目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率，通过毫米波通信模块进行波束扫描。
控制模块，还用于在进行波束扫描的过程中，如通过低频段通信模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，则降低当前的发射功率进行波束扫描。
控制模块，还用于在降低当前的发射功率后，判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果低于，则暂停一预设时间，并在暂停结束后，使用最低发射功率进行波束扫描；否则，使用降低后的发射功率进行波束扫描。
控制模块，具体用于在通过低频段通信模块接收到第一告警消息后，获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，其中，第一告警消息是非目标设备接收到波束成形请求时，如果正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，通过低频段通信模块所发送。
控制模块，具体用于在通过低频段通信模块接收到第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，其中，第二告警消息是在进行波束扫描的过程中，波束扫描范围内正在进行同频段的高速数据通信的非目标设备检测到接收到的干扰信号的功率高于预定功率阈值时，通过低频段通信模块发送。
低频段通信模块为无线保真Wi-Fi模块，毫米波通信模块为60GHz毫米波通信模块。
60GHz毫米波通信模块工作频段为60GHz；Wi-Fi模块工作频段为2.4GHz和/或5GHz，60GHz毫米波通信模块和Wi-Fi模块具有独立的RF链路和天线，两个模块均可以独立工作、也可以同时工作。
60GHz毫米波通信模块与Wi-Fi模块具有统一设计的MAC层，可以进行数据交换和调度处理。60GHz毫米波通信模块和Wi-Fi可以相互配合，实现前述的波束成形过程。
由于60GHz跟2.4GHz/5GHz频率相差很大，而射频处理单元和天线对工作频率具有很高的依赖性，所以60GHz毫米波通信模块和Wi-Fi模块具有各自的射频链路和天线。60GHz毫米波通信模块的物理层(PHY层)数据传输速率远远高于2.4/5GHz的Wi-Fi模块，Wi-Fi模块的PHY层难以完成如此高速数据率的处理，因此60GHz毫米波通信模块和Wi-Fi模块将具有独立的PHY层。在MAC层面上，就功能而言，60GHz毫米波通信模块的MAC层和Wi-Fi模块的MAC功能类似，二者可共用一个MAC层。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种毫米波通信空间复用传输方法，其特征在于，该方法包括：
毫米波通信设备发起与目标设备的高速数据通信，通过无线保真Wi-Fi模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述无线保真Wi-Fi模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率进行波束扫描。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述毫米波通信设备在进行波束扫描的过程中，如通过所述无线保真Wi-Fi模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，则降低当前的发射功率进行波束扫描。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述毫米波通信设备在降低当前的发射功率后，还判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果低于，则暂停一预设时间，并在暂停结束后，使用最低发射功率进行波束扫描；否则，使用降低后的发射功率进行波束扫描。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述毫米波通信设备在通过无线保真Wi-Fi模块向目标设备发送波束成形请求后，如果非目标设备接收到所述波束成形请求，且正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则通过无线保真Wi-Fi模块向所述毫米波通信设备发送第一告警消息，告知所述毫米波通信设备在波束扫描范围内存在使用同频段进行高速数据通信的非目标设备；
所述毫米波通信设备获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，包括：所述毫米波通信设备在通过无线保真Wi-Fi模块接收到所述第一告警消息后，获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述毫米波通信设备在进行波束扫描的过程中，如果波束扫描范围内正在进行同频段的高速数据通信的非目标设备检测到接收到的干扰信号的功率高于预定功率阈值，则通过无线保真Wi-Fi模块向毫米波通信设备发送第二告警消息；
所述毫米波通信设备通过所述无线保真Wi-Fi模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，包括：所述毫米波通信设备在通过无线保真Wi-Fi模块接收到所述第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标设备发起的高速数据通信为60GHz高速数据通信。
7.一种毫米波通信设备，其特征在于，包括：无线保真Wi-Fi模块、毫米波通信模块和控制模块，其中：
所述控制模块，用于发起与目标设备的高速数据通信，通过所述无线保真Wi-Fi模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述无线保真Wi-Fi模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率，通过所述毫米波通信模块进行波束扫描。
8.如权利要求7所述的毫米波通信设备，其特征在于：
所述控制模块，还用于在进行波束扫描的过程中，如通过所述无线保真Wi-Fi模块获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，则降低当前的发射功率进行波束扫描。
9.如权利要求8所述的毫米波通信设备，其特征在于：
所述控制模块，还用于在降低当前的发射功率后，判断降低后的发射功率是否低于最低发射功率，如果低于，则暂停一预设时间，并在暂停结束后，使用最低发射功率进行波束扫描；否则，使用降低后的发射功率进行波束扫描。
10.如权利要求7所述的毫米波通信设备，其特征在于：
所述控制模块，具体用于在通过所述无线保真Wi-Fi模块接收到第一告警消息后，获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，其中，所述第一告警消息是非目标设备接收到所述波束成形请求时，如果正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，通过无线保真Wi-Fi模块所发送。
11.如权利要求8所述的毫米波通信设备，其特征在于：
所述控制模块，具体用于在通过无线保真Wi-Fi模块接收到第二告警消息后，获知波束扫描对波束扫描范围内的非目标设备正在进行的同频段的高速数据通信造成干扰，其中，所述第二告警消息是在进行波束扫描的过程中，波束扫描范围内正在进行同频段的高速数据通信的非目标设备检测到接收到的干扰信号的功率高于预定功率阈值时，通过无线保真Wi-Fi模块所述发送。
12.如权利要求7所述的毫米波通信设备，其特征在于：
所述毫米波通信模块为60GHz毫米波通信模块。
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