CN102185644B

CN102185644B - 基于联合波束赋形的空分多址接入方法

Info

Publication number: CN102185644B
Application number: CN201110148200.8A
Authority: CN
Inventors: 张海林; 赵力强; 余智; 李勇朝
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Tianyuan Ruixin Communication Technology Ltd By Share Ltd
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102185644A

Abstract

本发明公开一种基于联合波束赋形的空分多址接入方法，其步骤为：(1)初始化；(2)获取用户CSI-O；(3)等待数据；(4)判断数据来源；(5)维护用户CSI-O；(6)判断用户CSI-O是否有效；(7)主动获取用户CSI-O；(8)阵列波束赋形；(9)获取目的用户CSI-E；(10)联合波束赋形；(11)发送下行数据。本发明在通信过程中一直维护CSI-O，降低了系统控制开销，可以与现有终端设备兼容，用户在实际应用时不必更换终端设备，降低了技术实现成本，可同时获取多天线系统带来的阵列增益、分集增益和复用增益，提高了通信链路的可靠性。

Description

基于联合波束赋形的空分多址接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及高数据速率的无线局域网通信技术领域，是一种基于联合波束赋形技术在空间上将通信终端分离的多址接入方法，用以提高无线局域网的吞吐量。

背景技术

近年来，在无线信道时域、频域资源十分紧张的情况下，空分多址接入技术因其利用用户的空间位置不同，实现多用户共享信道时频资源的特点，而受到了人们越来越多的关注。

空分多址接入方法大多是在通信前，接入点主动向用户发送数据，以迫使用户回复分组，并从回复分组中获取信道状态信息，利用获得的信道状态信息形成指向用户的定向波束，在空间将用户分离。在此基础上，接入点可以同时同频与多个用户通信，实现空分多址接入。在当前的高数据速率无线网络中，这种方法存在明显的不足：现在最新的无线局域网802.11n行业标准没有涉及空分多址接入的方法，所以要实现空分多址接入，必须对现有无线局域网设备进行修改，现有方法同时对接入点和用户终端进行改动，使得该方法不能与现有终端设备兼容，实现成本高，无法大范围普及；现有方法中接入点主动获取用户信道信息开销很大，降低了系统性能；现有方法均采用低传输速率的物理层技术，使得这些方法不能很好的在无线局域网的802.11n行业标准下应用。

例如，松下电器产业株式会社在其公开的专利申请“无线网络的媒体接入控制方法及系统”(专利申请号200480020736.X，公开号1826762A)中提出了一种空分多址接入的方法。该专利申请提供能够用于利用WLAN实现高吞吐量的方法及系统。WLAN的接入点(AP)是用于SDMA兼容的多波束天线系统。该专利申请公开了基于以下两种类型的天线系统：动态波束形成以及固定波束天线。公开实现到/从AP兼容SDMA的同时发送的机制以及协议，由此提高频谱效率并实现更高吞吐量。还公开了贡献于提高电池性能和终端小型化节能及功率控制技术，以及降低信道干扰的技术。该专利申请公开的设备和方法存在以下三点不足：第一，实现动态波束形成需要在每次通信之前，接入点必须主动发起获取信道信息的过程，系统控制开销大，系统性能低。第二，采用的单输入单输出技术，无法获得分集增益或复用增益。第三，该技术实现需要对终端设备进行修改，不能与现有终端设备兼容。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于联合波束赋形的空分多址接入方法，使得接入点可以向多个用户同时同频传输数据，以提高网络的吞吐量，解决了高数据速率的无线局域网链路利用率低的问题。

本发明实现的基本思路是，接入点初始化后进行用户全向信道状态信息(CSI-O)的获取，接着对到来数据分组来源进行判断，若分组来自用户，则维护用户的全向信道状态信息；若分组来自接入点本身，则先完成阵列波束赋形，再在此基础上获取阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息(CSI-E)，接着完成MIMO波束赋形，实现联合波束赋形，最后以联合波束赋形的方式向多个用户发送数据，实现空分多址接入。

为实现上述目的，本发明实现的具体步骤如下：

(1)初始化。接入点设定全向信道状态信息有效时间；

(2)获取用户全向信道状态信息。

2a)接入点发送广播分组；

2b)接入点对接收到的用户回复的分组采用信道估计技术获得该用户的全向信道状态信息；

2c)接入点将每个用户的地址以及该用户对应的全向信道状态信息存放在存储器；

2d)接入点开启对应于每个用户地址的定时器；

(3)接入点等待数据分组到来；

(4)判断数据来源。

接入点对到来数据分组的来源进行判断，若分组来自用户，表明接入点接收到用户分组，则记录发送用户地址后执行步骤(5)，若分组来自接入点本身，表明接入点要发送下行分组，则将多个目的用户地址记录后执行步骤(6)；

(5)维护全向信道状态信息。

5a)判断用户全向信道状态信息是否有效。接入点判断存储器中发送用户地址相应的定时器是否超过全向信道状态信息有效时间，若未超过，表明该用户的全向信道状态信息有效，返回步骤(1)，等待下一个数据分组到来，若超过，表明该用户的全向信道状态信息失效，则执行步骤5b)；

5b)重新获取用户全向信道状态信息。接入点利用接收到的用户分组采用信道估计技术获得该用户的全向信道状态信息；

5c)接入点将与该用户地址对应的全向信道状态信息存放在存储器；

5d)设置定时器。接入点将对应定时器置零后重新开启，返回步骤(1)，等待下一个事件到来；

(6)判断用户全向信道状态信息是否有效。接入点提取步骤(2)中记录的目的用户地址后，依次判断存储器中每个用户地址对应定时器是否超过全向信道状态信息有效时间，记录定时器超时的用户地址组成失效用户组后，执行步骤(7)，若所有定时器均未超时，则执行步骤(8)；

(7)主动获取用户全向信道状态信息。

7a)接入点依次向失效用户组中用户发送分组。以迫使这些用户回复分组；

7b)接入点对用户回复的分组采用信道估计技术获取各个用户的全向信道状态信息；

7c)接入点将与用户地址对应的全向信道状态信息存放在存储器中；

7d)接入点将对应定时器置零后重新开启；

(8)阵列波束赋形。接入点利用每个目的用户的全向信道状态信息采用特征波束赋形的方法形成指向该用户的定向波束，实现阵列波束赋形，使用户在空间分离；

(9)获取目的用户阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息。

9a)在完成阵列波束赋形的基础上。接入点同时向目的用户发送分组，以迫使目的用户回复分组；

9b)接入点对回复分组采用信道估计技术获取阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息；

(10)联合波束赋形。完成阵列波束赋形的基础上，接入点利用目标用户阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息采用奇异值分解方法进行MIMO波束赋形，从而实现联合波束赋形；

(11)发送下行数据，接入点以联合波束赋形的方式发送下行数据，实现空分多址接入。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的接入点直接对接收的分组进行处理获取信道信息，不需要用户终端反馈信道信息，克服了现有技术必须依赖终端反馈的方式获取信道信息，导致无法与现有终端设备兼容的缺点。本发明在实际应用时，用户不必更换终端设备即可使用该方法，降低了技术实现成本。

第二，由于本发明的接入点在通信过程中一直维护全向信道状态信息，克服了现有技术接入点在每次下行通信时必须先向目标用户发送分组，通过对用户回复分组进行处理才能获得全向信道状态信息的不足。由此本发明降低了系统控制开销，提升了链路利用率。

第三，由于本发明采用联合波束赋形技术，即先完成阵列波束赋形，在此基础上再完成MIMO波束赋形，与现有技术采用单一的阵列波束赋形技术相比，本发明可以获得分集增益和空间复用增益，提升了无线通信系统的频谱利用率、吞吐量和可靠性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例接入点(AP)与四个用户(STA1、STA2、STA3、STA4)通信的示意图；

图3为本发明的发射原理示意图；

图4为本发明实施例接入点同时向4个用户发送分组过程的示意图。

具体实施方式

下面以附图2中接入点(AP)与四个用户(STA1、STA2、STA3、STA4)通信过程为例，详细描述附图1所述的本发明步骤。

参照图2本发明实施例无线局域网中有一个接入点，4个用户，接入点要完成同时同频向四个发送数据的功能。

参照图3本发明实施例接入点的天线配置为4个子阵列，图3中阵列个数m取4，每个子阵列部署4个阵元，组成一个均匀线阵。4个子阵列之间相互独立，每个子阵列上的4个阵元强相关。

步骤1，初始化。接入点以下列公式计算全向信道状态信息有效时间：

t = \frac{\frac{D}{2} \cdot \tan (\frac{θ}{2})}{v}

其中：t为全向信道状态信息有效时间，D为定向波束通信范围，tan(·)为正切函数，θ为定向波束的半功率波束宽度，单位为rad(弧度单位)，v为用户速度。

以下列公式计算θ：

|G(θ)|²＝0.5

其中

为n个阵元组成的均匀线阵的静态方向图，|·|为绝对值符号，sin(·)为正弦函数，

为空间频率，n为每个子阵列的阵元个数，d为阵元间距，λ为载波波长。

解方程得

步骤2，获取用户CSI-O。

2a)接入点向网络中发送广播分组。本事实例中广播分组为信标分组。网络内用户接收到信标分组后依次向接入点发送分组进行回复。

2b)接入点利用接收到的用户分组采用信道估计技术获得该用户的全向信道状态信息。

由于无线局域网中的设备都是TDD的，上下行信道具有互易性，所以接入点可以利用接收到的上行分组估计下行信道状态信息，也就是全向信道状态信息。

用户发送的分组的头中包含接入点已知的训练序列，接入点收到分组后利用最小平方准则进行上行信道估计，因为上下行信道具有互易性，所以上行信道估计的结果可作为全向信道状态信息。

2c)接入点将每个用户的地址以及该用户对应的全向信道状态信息存放在存储器后，同时开启对应于每个用户地址的定时器。

由于全向信道状态信息有一定的有效时间，所以接入点为每个用户的全向信道状态信息维护一个定时器。所以如果定时器未超过有效时间，表明该用户的全向信道状态信息有效，接入点可以直接使用这个信息形成指向该用户的定向波束，避免了主动获取用户的全向信道状态信息造成系统资源的浪费。

步骤3，等待数据。完成以上步骤后，接入点进入等待数据分组的状态。

步骤4，判断数据来源。

接入点对到来分组的来源进行判断，若分组来自用户，表明接入点接收到用户分组，这个分组可以是数据分组或RTS(Request To Send)分组，接入点记录发送用户地址后执行步骤5；若分组来自接入点本身，表明接入点要发送下行分组，则将多个目的用户地址记录后执行步骤6。

步骤5，维护用户CSI-O

5a)判断用户CSI-O是否有效。接入点判断存储器中发送用户地址相应的定时器是否超时，若未超时，表明该用户的全向信道状态信息有效，不用更新，返回步骤(1)，等待下一个分组到来；若超时，表明该用户的全向信道状态信息失效，需要重新获取，则执行步骤5b)。

5b)获取用户CSI-O。接入点利用接收到的用户分组采用信道估计技术获得该用户的全向信道状态信息。

由于上下行信道具有互易性，所以接入点可以利用接收到的上行分组估计下行信道状态信息，也就是全向信道状态信息，估计方法与步骤2b)的方法相同。

5c)接入点更新存储器中与该用户地址对应的全向信道状态信息存后，将对应定时器置零后开启，返回步骤(1)，等待下一个分组到来。

步骤6，判断用户CSI-O是否有效。

接入点提取步骤4中记录的目的用户地址后，依次判断存储器中每个用户地址对应定时器是否超时，若有定时器超过有效时间，表明该用户的全向信道状态信息失效，记录定时器超时的用户地址组成失效用户组后，执行步骤7，若没有定时器超时，则执行步骤8。

参照图4，本实施例中在用户1(STA1)的全向信道状态信息失效的情况下，接入点(AP)需要主动获取用户1的全向信道状态信息。

(7)主动获取用户CSI-O。

7a)接入点依次向失效用户组中用户发送分组，以迫使这些用户回复分组。

在本实施例中，失效用户组中用户为用户1(STA1)。参照图4，接入点(AP)向用户1(STA1)发送RTS(Request To Send)分组预约信道。用户1(STA1)收到RTS分组后，经过一个短帧间间隔(SIFS)，用户1(STA1)回复CTS(Clear To Send)分组。

7b)接入点利用这些用户回复的分组采用信道估计技术获取各个用户的全向信道状态信息(CSI-O)。

接入点(AP)收到CTS分组后，对该分组进行信道估计获取用户1(STA1)的全向信道状态信息。估计方法与步骤2b)的方法相同。

7c)接入点更新存储器中与这些用户地址对应的全向信道状态信息后，将对应定时器置零后开启。

接入点(AP)更新存储器中用户1(STA1)的全向信道状态信息后，将用户1(STA1)全向信道状态信息的定时器置零后开启。

(8)阵列波束赋形。接入点利用每个目的用户的全向信道状态信息采用特征波束赋形的方法形成指向该用户的定向波束，实现阵列波束赋形，使用户在空间分离。

阵列波束赋形方法采用现有技术中常用的特征波束赋形方法和基于到达角(DOA)估计的波束赋形方法。本发明实施例中传输点通过存储所的用户全向信道状态信息，采用特征波束成形算法使每个子阵列产生指向该用户的定向波束，使用户在空间分离。

特征波束成形是一种阵列天线波束成形技术，其具体的实现方式为传输点对阵列信道响应的相关矩阵，按照下列公式进行特征值分解：

C_{k} = E {h_{k}, h_{k}^{H}} = V_{k} Λ_{k} V_{k}^{H} = Σ_{i = 1}^{M} λ_{i, k} V_{i, k} V_{i, k}^{H}

其中，C_k为第k个子阵列信道响应的相关矩阵，h_k为第k个子阵列的信道响应矩阵，本实施例k＝1，2，3，4，(·)^H代表共轭转置，V_i，k为第i特征值对应的特征向量，M为每个子阵列的阵元数，本实施例M＝4。

用最大特征值对应的特征向量对相应子阵列进行加权，可得到指向期望用户的空间真实波束。

(9)获取目的用户CSI-E。

9a)在完成阵列波束赋形的基础上，接入点同时向目的用户发送分组，以迫使目的用户回复分组。

因为阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息实时性很强，所以每次接入点发送下行分组前都要获取该信息。

参照图4，本实施例中接入点(AP)同时同频向四个用户发送NULL DATA分组，用户接受到NULL DATA分组后，经过一个短帧间间隔(SIFS)，四个用户同时回复ACK分组。

9b)接入点利用回复分组采用信道估计技术获取阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息(CSI-E)。

在本实施例中，接入点(AP)利用收到的ACK分组进行信道估计，估计方法与步骤2b)的方法相同，但此时信道是阵列波束赋形后的等效信道，所以可以获得阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息。

(10)联合波束赋形。接入点利用目标用户阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息采用奇异值分解方法进行MIMO波束赋形，从而实现联合波束赋形。

MIMO波束赋形方法采用现有技术中常用的奇异值分解方法和几何均值分解方法。本发明实施例中传输点基于步骤9所获取的阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息，采用奇异值分解(SVD)进行传输波束成形。信道矩阵H的SVD分解如下：

H＝USV^H

式中，V和U是酉矩阵；S是由奇异值组成的对角矩阵；V^H是V的Hermitian(复数共轭转置)矩阵。酉矩阵的定义为

V^HV＝VV^H＝I

S的对角值为非负值，并且降序排列。V的前N_ss列被用作传输波束加权值。其中N_ss为空间流数目。

本发明实施例采用SVD计算V矩阵的原因是，在线性接收机的情况下它可以达到最大似然的性能，从而大大简化了接收机的设计。

(11)发送下行数据。接入点以联合波束赋形的方式发送下行数据，实现空分多址接入。

参照图4，接入点(AP)同时同频向4个用户发送数据(DATA)分组，实现了4个用户的空分多址接入。

Claims

1.一种基于联合波束赋形的空分多址接入方法，包括以下步骤：

(1)初始化，接入点设定全向信道状态信息有效时间；

(2)获取用户全向信道状态信息

2a)接入点发送广播分组；

2d)接入点开启对应于每个用户地址的定时器；

(3)接入点等待数据分组到来；

(4)判断数据来源

(5)维护全向信道状态信息

5a)判断用户全向信道状态信息是否有效，接入点判断存储器中发送用户地址相应的定时器是否超过全向信道状态信息有效时间，若未超过，表明该用户的全向信道状态信息有效，返回步骤(1)，等待下一个数据分组到来，若超过，表明该用户的全向信道状态信息失效，则执行步骤5b)；

5b)重新获取用户全向信道状态信息，接入点利用接收到的用户分组采用信道估计技术获得该用户的全向信道状态信息；

5d)设置定时器，接入点将对应定时器置零后重新开启，返回步骤(1)，等待下一个事件到来；

(6)判断用户全向信道状态信息是否有效，接入点提取步骤(4)中记录的目的用户地址后，依次判断存储器中每个用户地址对应定时器是否超过全向信道状态信息有效时间，记录定时器超时的用户地址组成失效用户组后，执行步骤(7)，若所有定时器均未超时，则执行步骤(8)；

(7)主动获取用户全向信道状态信息

7a)接入点依次向失效用户组中用户发送分组，以迫使这些用户回复分组；

7d)接入点将对应定时器置零后重新开启；

(8)阵列波束赋形，接入点利用每个目的用户的全向信道状态信息采用特征波束赋形的方法形成指向该用户的定向波束，实现阵列波束赋形，使用户在空间分离；

(9)获取目的用户阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息

9a)在完成阵列波束赋形的基础上，接入点同时向目的用户发送分组，以迫使目的用户回复分组；

(10)联合波束赋形，完成阵列波束赋形的基础上，接入点利用目的用户阵列波束赋形后等效信道的信道状态信息采用奇异值分解方法进行MIMO波束赋形，从而实现联合波束赋形；

2.根据权利要求1所述的基于联合波束赋形的空分多址接入方法，其特征在于，步骤(1)中所述的有效时间按照下式设定：

t = \frac{\frac{D}{2} \cdot \tan (\frac{θ}{2})}{v}

其中：t为全向信道状态信息有效时间，D为定向波束通信范围，tan(·)为正切函数，θ为定向波束的半功率波束宽度，单位为rad，v为用户速度。

3.根据权利要求1所述的基于联合波束赋形的空分多址接入方法，其特征在于，步骤2b)、5b)、7b)和9b)中所述的信道估计是指在TDD传输方式下采用最小平方准则。