基于免授权频段的分布式资源的通信方法和装置及系统与流程

本发明涉及无线通信，具体涉及一种基于免授权频段的分布式资源的通信方法和装置及系统。

背景技术：

1、在当前数字化社会环境中，随着分布式能源资源的快速扩展和终端设备数量的增加，对高效可靠的无线通信提出了更为迫切的需求。电网作为关键的能源传输与管理基础设施，亟需创新的通信技术来支持高效的能源数据传输与管理。第五代移动通信技术(5thgeneration mobile communication technology，5g)作为未来通信技术的代表，将在电网领域发挥重要作用。5g技术的不断演进标志着无线通信正迈入全新时代，为电网通信带来了更快的数据传输速度、更低的延迟和更大的网络容量。

2、同时，作为一种高速无线通信技术，wigig(wireless gigabit，无线千兆比特)的短距离高速数据传输特性为电网中短距传输场景提供了有力支持。wigig技术的应用不仅可以提供快速可靠的通信连接，还有望推动电网中智能家居设备等领域的进一步发展。因此，5g中工作于免授权频段的新空口技术(new radio in unlicensed spectrum，nr-u)和高速短距离的wigig的共存，为电网通信系统带来了更广泛的频谱资源和多样化的部署选择，以支持电网中新能源设备的接入和数据传输需求。考虑到授权频段的限制，引入免授权频段和wigig共存成为推动电网通信技术创新的必然选择。

3、尽管多波束定向传输技术被认为是提高电网通信效率和吞吐量的重要手段，但目前并没有针对5g中工作于免授权频段的新空口技术nr-u和高速短距离wigig的共存系统的多波束通信系统的通信性能优化方案，导致nr-u和wigig共存的多波束通信系统的通信性能较差。

技术实现思路

1、为了克服上述nr-u和wigig共存的多波束通信系统的通信性能较差的问题，本发明提供一种基于免授权频段的分布式资源的通信方法和装置及系统。

2、一方面，本发明提供一种基于免授权频段的分布式资源的通信方法，应用于目标通信系统，所述目标通信系统包括多个分布式资源节点，每个分布式资源节点对应一个目标小区，多个所述分布式资源节点包括基于工作于免授权频段新空口的分布式资源节点和基于无线千兆比特的分布式资源节点；所述方法包括：

3、基于多波束的先听后说协议，每个所述分布式资源节点通过多个主波束与多个关联用户设备进行基于免授权频段的下行数据传输；所述关联用户设备为与所述分布式资源节点对应的目标小区内的用户设备；

4、基于所述下行数据传输中每个分布式资源节点对应的各用户设备的通信参数，确定各所述用户设备的实际网络性能指标；

5、基于各用户设备的实际网络性能指标与通过通信性能预测模型确定的目标网络性能指标之间的差异，优化调整所述目标通信系统的物理层参数，以提高所述下行数据传输中小区的传输数据量；所述通信性能预测模型用于在物理层参数和系统最优网络性能指标下的各用户设备的目标网络性能指标之间建立映射关系。

6、可选地，所述目标通信系统为工作于免授权频段新空口和无线千兆比特的动态频谱共享系统。

7、可选地，所述基于多波束的先听后说协议，每个所述分布式资源节点通过多个主波束与多个与所述分布式资源节点关联的用户设备进行基于免授权频段的下行数据传输，包括：

8、对于每个分布式资源节点，将所述分布式资源节点的nb,c个主波束指向nb,c个关联用户设备，通过在nb,c个主波束方向上进行能量检测确定信道状态，nb,c为大于1的整数；

9、若检测到信道繁忙，采用非固定长度的竞争窗口的随机退避机制进行信道接入和下行数据传输；

10、若未检测到信道繁忙，所述分布式资源节点使用nb,c个主波束与nb,c个关联用户设备进行下行数据传输；

11、其中，在所述信道接入过程中，若所述分布式资源节点的主波束数量nb,c小于所述分布式资源节点的关联用户设备的数量，使用随机选择进行信道接入。

12、可选地，所述基于所述下行信号传输中每个分布式资源节点对应的各用户设备的通信参数，确定各所述用户设备的实际网络性能指标，包括：

13、对于每个所述分布式资源节点，考虑有效通信时长、数据成功传输概率、传输带宽和信道条件下的成功传输数据量，确定各用户设备的实际吞吐量。

14、可选地，所述考虑有效通信时长、数据传输成功概率、传输带宽和信道条件下的成功传输数据量，确定各用户设备的实际吞吐量，通过以下公式实现：

15、s(c,n)＝α(c,n)psuc,ctp,cb(c,n)e[log2(1+β(c,n)γ(c,n))]/tave,c

16、其中，s(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n的实际吞吐量，α(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n的有效通信时长，即实际处于运行状态的时间占比，nc表示与分布式资源节点c关联的用户设备数量，nb,c表示分布式资源节点c的主波束数量；psuc,c表示分布式资源节点c的成功传输概率，基于分布式资源节点c的实际传输数据包的成功率确定；tp,c是分布式资源节点c的传输持续时长，e(·)表示求期望，b(c,n)和γ(c,n)是与分布式资源节点c关联的用户设备n形成的传输信道的带宽和接收信噪比；β(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n形成的传输信道的目标误码率相关的接收信噪比的间隙函数；tave,c表示分布式资源节点c成功传输一次数据的平均时间。

17、可选地，所述物理层参数包括以下至少一项：天线数量、天线增益、天线波束宽度、调制码率、发射功率、多径传播参数、信道延迟、波束间隔和波束宽度。

18、可选地，所述基于各用户设备的实际网络性能指标与通过通信性能预测模型确定的目标网络性能指标之间的差异，优化调整所述目标通信系统的物理层参数之前，所述方法还包括：

19、对所述目标通信系统的当前物理层参数进行预处理，获得输入数据；

20、将所述输入数据输入所述通信性能预测模型，经过所述通信性能预测模型的卷积模块进行多次卷积处理和池化处理，获得提取特征；

21、对所述提取特征进行全连接处理，获得所述目标通信系统中各用户设备的目标网络性能指标。

22、可选地，对所述目标通信系统的当前物理层参数进行预处理，获得输入数据，包括：

23、对所述当前物理层参数进行数据清洗，得到清洗后的物理层参数；

24、对所述清洗后的物理层参数中的天线数量、天线增益、天线波束宽度分别进行归一化处理，获得输入特征；

25、对所述清洗后的物理层参数中的调制码率进行编码，获得对应向量化表示；

26、对所述清洗后的物理层参数中的发射功率、多径传播参数、信道延迟、波束间隔、波束宽度分别进行统计特征提取，获得对应的统计特征；

27、对所述向量化表示、各所述统计特征分别进行归一化处理，获得对应的归一化结果；

28、基于所述输入特征和各所述归一化结果得到所述输入数据。

29、可选地，所述通信性能预测模型的训练过程，包括：

30、获取所述目标通信系统的历史物理层参数和系统最优网络性能指标下各用户设备的网络性能指标数据作为训练数据，将所述训练数据划分为训练样本和验证样本；

31、将所述训练样本输入初始通信性能预测模型进行模型训练，得到训练输出；

32、基于所述训练输出和系统最优网络性能指标下各用户设备的网络性能指标数据确定损失函数；

33、以最小化所述损失函数为目标，通过反向传播算法更新模型参数，得到训练好的通信性能预测模型；

34、利用所述验证样本调整所述训练好的通信性能预测模型的超参数，以完成所述通信性能预测模型的训练过程。

35、可选地，在所述基于各用户设备的实际网络性能指标与通过通信性能预测模型确定的目标网络性能指标之间的差异，优化调整所述目标通信系统的物理层参数之后，所述方法还包括：

36、实时监测所述目标通信系统的通信性能，得到所述目标通信系统的实时网络性能指标；

37、基于所述实时网络性能指标与所述通信性能预测模型的预测结果的差异，对所述通信性能预测模型的模型参数进行微调，以实现所述通信性能预测模型的反馈调节。

38、另一方面，本发明提供一种基于免授权频段的分布式资源的通信装置，所述装置应用于目标通信系统，所述目标通信系统包括多个分布式资源节点，每个所述分布式资源节点对应一个目标小区，多个所述分布式资源节点包括基于工作于免授权频段新空口的分布式资源节点和基于无线千兆比特的分布式资源节点；，所述装置包括：

39、数据传输模块，用于基于多波束的先听后说协议，通过多个主波束与多个关联用户设备进行基于免授权频段的下行数据传输；所述关联用户设备为与所述分布式资源节点对应的目标小区内的用户设备；

40、性能指标确定模块，用于基于所述下行数据传输中每个分布式资源节点对应的各用户设备的通信参数，确定各所述用户设备的实际网络性能指标；

41、优化调整模块，用于基于各用户设备的实际网络性能指标与通过通信性能预测模型确定的目标网络性能指标之间的差异，优化调整所述目标通信系统的物理层参数，以提高所述下行数据传输中小区的传输数据量；所述通信性能预测模型用于在物理层参数和系统最优网络性能指标下的各用户设备的目标网络性能指标之间建立映射关系。

42、可选地，所述目标通信系统为工作于免授权频段新空口和无线千兆比特的动态频谱共享系统。

43、可选地，所述数据传输模块包括：

44、信道检测子模块，用于对于每个分布式资源节点，将所述分布式资源节点的nb,c个主波束指向nb,c个关联用户设备，通过在nb,c个主波束方向上进行能量检测确定信道状态，nb,c为大于1的整数；

45、信道接入子模块，用于若检测到信道繁忙，采用非固定长度的竞争窗口的随机退避机制进行信道接入和下行数据传输；若未检测到信道繁忙，所述分布式资源节点使用nb,c个主波束与nb,c个关联用户设备进行下行数据传输；

46、其中，在所述信道接入过程中，若所述分布式资源节点的主波束数量nb,c小于所述分布式资源节点的关联用户设备的数量，使用随机选择进行信道接入。

47、可选地，所述性能指标确定模块具体用于：

48、对于每个所述分布式资源节点，考虑有效通信时长、数据成功传输概率、传输带宽和信道条件下的成功传输数据量，确定各用户设备的实际吞吐量。

49、可选地，所述性能指标确定模块通过以下公式确定各用户设备的实际吞吐量：

50、s(c,n)＝α(c,n)psuc,ctp,cb(c,n)e[log2(1+β(c,n)γ(c,n))]/tave,c

51、其中，s(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n的实际吞吐量，α(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n的有效通信时长，即实际处于运行状态的时间占比，nc表示与分布式资源节点c关联的用户设备数量，nb,c表示分布式资源节点c的主波束数量；psuc,c表示分布式资源节点c的成功传输概率，基于分布式资源节点c的实际传输数据包的成功率确定；tp,c是分布式资源节点c的传输持续时长，e(·)表示求期望，b(c,n)和γ(c,n)是与分布式资源节点c关联的用户设备n形成的传输信道的带宽和接收信噪比；β(c,n)表示与分布式资源节点c关联的用户设备n形成的传输信道的目标误码率相关的接收信噪比的间隙函数；tave,c表示分布式资源节点c成功传输一次数据的平均时间。

52、可选地，所述物理层参数包括以下至少一项：天线数量、天线增益、天线波束宽度、调制码率、发射功率、多径传播参数、信道延迟、波束间隔和波束宽度。

53、可选地，所述优化调整模块包括：

54、预处理子模块，用于对所述目标通信系统的当前物理层参数进行预处理，获得输入数据；

55、特征提取子模块，用于将所述输入数据输入所述通信性能预测模型，经过所述通信性能预测模型的卷积模块进行多次卷积处理和池化处理，获得提取特征；

56、全连接子模块，用于对所述提取特征进行全连接处理，获得所述目标通信系统中各用户设备的目标网络性能指标。

57、可选地，预处理子模块包括：

58、数据清洗子单元，用于对所述当前物理层参数进行数据清洗，得到清洗后的物理层参数；

59、归一化子单元，用于对所述清洗后的物理层参数中的天线数量、天线增益、天线波束宽度分别进行归一化处理，获得输入特征；

60、编码子单元，用于对所述清洗后的物理层参数中的调制码率进行编码，获得对应向量化表示；

61、特征提取子单元，用于对所述清洗后的物理层参数中的发射功率、多径传播参数、信道延迟、波束间隔、波束宽度分别进行统计特征提取，获得对应的统计特征；

62、所述归一化子单元，还用于对所述向量化表示、各所述统计特征分别进行归一化处理，获得对应的归一化结果；

63、拼接子单元，用于基于所述输入特征和各所述归一化结果得到所述输入数据。

64、可选地，所述装置还包括训练模块，所述训练模块包括：

65、数据获取子模块，用于获取所述目标通信系统的历史物理层参数和系统最优网络性能指标下各用户设备的网络性能指标数据作为训练数据，将所述训练数据划分为训练样本和验证样本；

66、训练子模块，用于将所述训练样本输入初始通信性能预测模型进行模型训练，得到训练输出；

67、损失确定子模块，用于基于所述训练输出和系统最优网络性能指标下各用户设备的网络性能指标数据确定损失函数；

68、参数更新子模块，用于以最小化所述损失函数为目标，通过反向传播算法更新模型参数，得到训练好的通信性能预测模型；

69、超参调整子模块，用于利用所述验证样本调整所述训练好的通信性能预测模型的超参数，以完成所述通信性能预测模型的训练过程。

70、可选地，所述装置还包括：

71、监测模块，用于实时监测所述目标通信系统的通信性能，得到所述目标通信系统的实时网络性能指标；

72、反馈调节模块，用于基于所述实时网络性能指标与所述通信性能预测模型的预测结果的差异，对所述通信性能预测模型的模型参数进行微调，以实现所述通信性能预测模型的反馈调节。

73、另一方面，本发明还提供一种通信系统，包括：前述任一项所述的基于免授权频段的分布式资源的通信装置。

74、另一方面，本发明还提供一种通信设备，包括：至少一个处理器和存储器；所述存储器和处理器通过总线相连；

75、所述存储器，用于存储一个或多个程序；

76、当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行时，实现上述中任意一项所述的基于免授权频段的分布式资源的通信方法。

77、另一方面，本发明还提供一种可读存储介质，其上存有执行程序，所述执行程序被执行时，实现上述中任意一项所述的基于免授权频段的分布式资源的通信方法。

78、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

79、本发明提供一种基于免授权频段的分布式资源的通信方法和装置及系统，一方面，本发明通过在5g nr-u和wigig共存的通信系统中引入多波束定向的先听后说协议，使每个分布式资源节点通过多个主波束与多个与分布式资源节点关联的用户设备进行基于免授权频段的下行数据传输，相比于单波束通信，有效提高了通信系统的吞吐量性能，提高数据传输效率。另一方面，通过通信性能预测模型在物理层参数和系统最大吞吐量下的各用户设备的目标吞吐量之间建立映射关系，进而基于通信性能预测模型优化调整目标通信系统的物理层参数，实现系统的通信性能优化和自适应调整，提升系统通信性能和用户体验，能够快速进行性能评估并不断优化，提高了系统的灵活性和效率。