CN105262523A - 一种mu-mimo网络中轻量级的信道状态信息反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，首先客户端在接收到AP发送的训练序列后，估计得到各路子载波上的CSI的幅度和相位信息，而后客户端利用各子载波上CSI相位信息的线性特征，对各子载波的相位信息进行线性拟合，得到CSI相位的斜率a1和偏移参数a0，然后客户端将拟合得到的斜率和偏移参数连同各子载波上的幅度量化后反馈给AP，AP根据相位的斜率a1和偏移参数a0恢复得到各子载波的相位信息，并结合幅度信息恢复与各客户端之间的CSI。本发明利用MU-MIMO网络中各子载波CSI相位的线性特征，使得客户端在向AP反馈CSI信息时只需要反馈相位部分的斜率和偏移量，而不需要反馈每个子载波上的实际相位，从而可以大大降低MU-MIMO网络中的CSI反馈开销。

Description

一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别是一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法。
背景技术
MU-MIMO(Multi-UserMulti-InputMulti-Output,多用户多输入多输出)技术作为当前无线通信系统的关键技术，它能够允许接入节点(AccessPoint，AP)同时向多个用户发送数据流，从而使数据传输速率达到千兆每秒。当前，学术界和工业界都针对MU-MIMO技术进行了大量的研究。同时，当前的诸多无线通信技术标准都把MU-MIMO技术作为关键技术，如IEEE802.11ac标准、4G的LTE(LongTermEvaluation，长期演进)标准和WiMax标准等。
为了实现MU-MIMO数据传输，AP节点要求各个用户节点向自己反馈及时的、准确的CSI(ChannelStateInformation,CSI)信息。首先，这些CSI信息用来度量各个用户之间信道的正交性，并用于选择正交性最好的用户使吞吐量最大化。其次，AP节点依靠CSI信息计算被选择用户的对齐矩阵，从而减小用户之间的干扰，这个过程也被称为波束成形。
但是各用户向AP反馈CSI信息将会带来巨大的开销，这些开销甚至可能抵消MU-MIMO传输所带来的增益。产生这样的后果主要有两方面的原因，一是因为CSI反馈的数量与网络的规模成正比，当参与MU-MIMO的节点数目增多时，CSI反馈将带来巨大的开销。二是因为CSI作为无线网络中的一种控制消息，为了达到可靠传输的目的，控制消息的发送速率是无线通信系统支持的最低速率，这使得CSI传输的效率极其低下，导致CSI传输占据大部分的信道传输时间。
当前，降低MU-MIMO中CSI反馈开销主要依靠的方法是压缩。IEEE802.11ac标准建议可以对CSI信息在时间域、频率域和量化域三个域进行压缩(Part11:WirelessLANmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHY)specifications:Amendment4:Enhancementsforveryhighthroughputforoperationinbandsbelow6ghz,IEEEstandard802.11acDraft3.0,2012)。由于传统的降低CSI反馈的方法主要是利用相干带宽、相干时间等信息对估计得CSI信息进行压缩，在将压缩后的CSI信息反馈给AP节点，AP节点再恢复出完整的CSI信息。但是利用压缩降低CSI开销的方法大都实现过程比较复杂(X.Xie,X.Zhang,andK.Sundaresan,AdaptivefeedbackcompressionforMIMOnetworks[C],inProceedingsofACMMobiCom,2013,pp.477–488.)，并且CSI开销降低的代价是CSI的准确度降低和MU-MIMO传输吞吐量下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，有效降低MU-MIMO网络中CSI信息的反馈开销，提高MU-MIMO网络的传输效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，首先客户端在接收到AP发送的训练序列后，估计得到各路子载波上的CSI的幅度和相位信息，而后客户端利用各子载波上CSI相位信息的线性特征，对各子载波的相位信息进行线性拟合，得到CSI相位的斜率a1和偏移参数a0，然后客户端将拟合得到的斜率和偏移参数连同各子载波上的幅度量化后反馈给AP，AP根据相位的斜率a1和偏移参数a0恢复得到各子载波的相位信息，并结合幅度信息恢复与各客户端之间的CSI。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用MU-MIMO网络中各子载波CSI相位的线性特征，使得客户端在向AP反馈CSI信息时只需要反馈相位部分的斜率和偏移量，而不需要反馈每个子载波上的实际相位，从而可以大大降低MU-MIMO网络中的CSI反馈开销。(2)实现复杂度低，易于实现。本发明利用的是CSI相位的线性性质，客户端仅需要采用最小二乘法就可以实现对相位的线性拟合，从而得到线性相位的斜率和偏移量。(3)降低开销的效果不受环境的影响。传统的从时间域和频率域对CSI进行压缩的方法需要首先估计相干带宽或者相干时间，而相干带宽或相干时间受环境的影响较大，从而使得在某些环境下传统的压缩方法并不能很好的降低CSI的反馈开销。而本发明利用的是CSI相位内在的线性性质，该性质不受环境的影响。(4)与传统的压缩方法相比，在降低CSI反馈开销方面，本发明具有更好的效果。传统的压缩方法是以损耗CSI数值的准确性为代价从而达到降低CSI反馈开销的目的，但是为了保证CSI数值的准确性，采用压缩方法降低的开销有限。而本发明提出的方法在满足CSI数值准确性的前提下可以将CSI反馈开销降低到耕地的水平。以基于802.11a的MU-MIMO网络为例，含有N＝52个子载波，每个子载波的CSI包含了幅度和相位两个参数，假设幅度和相位都采用相同的bit位数进行量化，通过传统的压缩方法，可以分别使1、2、4个相邻的子载波共用一个CSI数值。因此与传统压缩方法相比，本发明能将反馈开销降低42％-48％。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法的流程图。
图2是在一间办公室内随机选取12个位置得到的信道状态信息相位线性特征测量结果。
具体实施方式
本发明MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，首先客户端(指用户)在接收到AP发送的训练序列后，估计得到各路子载波上的CSI的幅度和相位信息，而后客户端利用各子载波上CSI相位信息的线性特征，对各子载波的相位信息进行线性拟合，得到CSI相位的斜率a1和偏移参数a0，然后客户端将拟合得到的斜率和偏移参数连同各子载波上的幅度量化后反馈给AP，AP根据相位的斜率a1和偏移参数a0恢复得到各子载波的相位信息，并结合幅度信息恢复与各客户端之间的CSI。本发明的详细实现过程如下：
1.客户端估计CSI的幅度和相位信息
客户端根据AP发送的训练序列估计对应每个子载波上CSI的幅度与相位，假设信道上共有N个子载波，客户端估计得到的第k个子载波上的CSI可以表示为其中|Hk|表示第k个子载波上的CSI幅度，表示第k个子载波上的CSI相位，e表示自然对数的底，j表示虚数单位，并且根据欧拉公式有
2.客户端根据原始CSI相位序列，判断序列中是否有相位越变，并对越变的相位进行补偿处理，得到待拟合相位序列。
线性拟合之前对相位进行预处理，即客户端根据各子载波上的CSI相位得到原始相位序列对该相位序列进行预处理，判断序列中是否有相位越变，并对发生越变的相位进行补偿处理，从而得到待拟合的相位序列
由于相位的取值范围是[0,2π)，各子载波的相位可能产生越变。如图2所示，我们在办公室内选取的12个点测量得到的一组CSI的原始相位，可以看到部分位置上的CSI相位发生了越变(如位置pos1、pos2和pos3等)，而部分位置的CSI相位没有发生越变(如位置pos9和pos10等)，如果直接对原始相位序列进行线性拟合可能会得到不准确的结果。判断原始相位序列是否有越变，并对发生越变的相位进行补偿处理，其具体步骤如下：
21.由原始相位序列得到相位的变化序列序列中的元素i＝1,2,...,N-1。
22.如果查找相位变化序列得到小于0的分量的个数为θ和对应的相位越变子载波索引序列Ι＝[i1,...,iθ]，其中θ表示原始相位序列中相位发生越变的次数，子载波索引序列I表示发生相位越变的子载波范围。如果θ＝0，则表明原始相位序列没有发生越变，不需要对原始相位进行补偿，如果θ＞0，则表明原始相位序列发生了越变，相位每发生一次越变，相应子载波上的相位要减去2π，从而得到待拟合相位序列各子载波的相位：
其中i1,il,il+1,iθ表示相位越变子载波索引序列I中的子载波索引。
23.如果查找相位变化序列得到大于0的分量的个数为θ和对应的相位越变子载波索引序列Ι＝[i1,...,iθ]，其中θ表示原始相位序列中相位发生越变的次数，子载波索引序列I表示发生相位越变的子载波范围。如果θ＝0，则表明原始相位序列没有发生越变，不需要对原始相位进行补偿，如果θ＞0，则表明原始相位序列发生了越变，每发生一次相位越变，相应子载波上的相位要加上2π，从而得到待拟合相位序列中的各子载波相位：
其中i1,il,il+1,iθ表示相位越变子载波索引序列I中的子载波索引。
24.经过步骤22和步骤23中的预处理，可以得到一个无相位阶跃的待拟合相位序列
3.客户端根据待拟合的相位序列中各子载波上的相位采用最小二乘法对相位进行线性拟合得到相位的斜率a1和偏移量a0，具体实现步骤为：
31.不妨假设子载波相位量与子载波序号之间的线性关系为其中斜率a1和偏移a0为任意实数
32.计算相位的实测值与计算值之间离差的平方和
33.函数S分别对a0和a1求偏导数，并使偏导数等于0，从而得到斜率偏移量
4.客户端将相位的斜率a1、偏移量a0及各子载波上的幅度进行量化，并将量化的结果反馈给AP。
客户端可以根据精度要求选择5-8bit对每一个数值进行量化，量化采用的比特数越少、相应的CSI反馈开销越小，精度也会相应的受到影响，而量化采用的比特数越多可以提供更精确的CSI信息，但会相应的增加一些开销，客户端可以根据系统对精度和开销的要求灵活的选取量化的比特位数。
5.AP节点根据收到的相位的斜率a1、偏移量a0及各子载波上的幅度恢复出各子载波的CSI信息，即
51.由相位的斜率a1和偏移量a0，对于第k个子载波AP可以恢复得到其子载波上的相位其中mod表示模运算。由于相位的取值范围是[0,2π)，而直接利用斜率和偏移量计算得到的相位值可能会超过这个取值范围，而2π是与相位相干的三角函数运算的一个周期，因此本发明对计算的相位结果进行模2π的处理，该处理并不会改变与相位相干的三角函数运算的结果。
52.结合客户端反馈的各子载波上的幅度AP恢复得到各子载波上的CSI信息

Claims (7)

1.一种MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于首先客户端在接收到AP发送的训练序列后，估计得到各路子载波上的CSI的幅度和相位信息，而后客户端利用各子载波上CSI相位信息的线性特征，对各子载波的相位信息进行线性拟合，得到CSI相位的斜率a1和偏移参数a0，然后客户端将拟合得到的斜率和偏移参数连同各子载波上的幅度量化后反馈给AP，AP根据相位的斜率a1和偏移参数a0恢复得到各子载波的相位信息，并结合幅度信息恢复与各客户端之间的CSI。
2.根据权利要求1所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于客户端估计CSI的幅度和相位信息：客户端根据AP发送的训练序列估计对应每个子载波上CSI的幅度与相位，假设信道上共有N个子载波，客户端估计得到的第k个子载波上的CSI表示为其中|Hk|表示第k个子载波上的CSI幅度，表示第k个子载波上的CSI相位。
3.根据权利要求1所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于线性拟合之前对相位进行预处理，即客户端根据各子载波上的CSI相位得到原始相位序列并对该相位序列进行预处理，判断序列中是否有相位越变，对发生越变的相位进行补偿处理，从而得到待拟合的相位序列
4.根据权利要求3所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于判断原始相位序列是否有越变，并对发生越变的相位进行补偿处理，其具体步骤如下：
(41)由原始相位序列得到相位的变化序列序列中的元素
(42)如果查找序列得到小于0的分量的个数为θ和对应的相位越变子载波索引序列Ι＝[i1,...,iθ]；如果θ＝0，则表明原始相位序列没有发生越变，不需要对原始相位进行补偿，如果θ＞0，则表明原始相位序列发生了越变，相位每发生一次越变，相应子载波上的相位要减去2π，从而得到待拟合相位序列各子载波相位：
其中i1,il,il+1,iθ表示相位越变子载波索引序列I中的子载波索引；
(43)如果查找序列得到大于0的分量的个数为θ和对应的相位越变子载波索引序列Ι＝[i1,...,iθ]；如果θ＝0，则表明原始相位序列没有发生越变，不需要对原始相位进行补偿，如果θ＞0，则表明原始相位序列发生了越变，相位每发生一次越变，相应子载波上的相位要加上2π，从而得到待拟合相位序列各子载波相位：
其中i1,il,il+1,iθ表示相位越变子载波索引序列I中的子载波索引；
(44)经过步骤(42)和(43)中的预处理，得到一个无相位越变的待拟合相位序列
5.根据权利要求1所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于客户端根据待拟合的相位序列中各子载波上的相位采用最小二乘法对相位进行线性拟合得到相位的斜率a1和偏移量a0。
6.根据权利要求5所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于采用最小二乘法对CSI相位待拟合序列进行线性拟合，从而估计得到相位的斜率和偏移量
7.根据权利要求1所述的MU-MIMO网络中轻量级的信道状态信息反馈方法，其特征在于由相位的斜率a1和偏移量a0，对于第k个子载波AP恢复得到其子载波上的相位其中mod表示模运算；结合客户端反馈的各子载波上的幅度AP恢复得到各子载波上的CSI信息
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