CN105915271B - 一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络的用户选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可扩展性的802.11ac MU‑MIMO网络的用户选择方法，属于无线局域网技术领域。本发明将WLAN网络分簇，对每个簇中的各小区，根据AP天线个数选出最佳用户集，在选择时让用户去竞争AP的空间自由度，具有最佳信道的用户将会赢得AP的一个空间自由度，上传自己的CSI给AP，然后再进行用户删选，获得满足在消除小区间干扰条件下的最大空间流的用户集。采用本发明方法，信道开销不随小区中的用户数变化而变化，使小区中的用户选择具有可扩展性，解决了现有的用户选择策略的开销大，效率低的问题，提高了802.11ac的网络性能，具有可扩展性。

Description

一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络的用户选择方法

技术领域

本发明涉及无线局域网中用户选择方法，特别是涉及可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络的用户选择方法。

背景技术

随着无线局域网技术的发展，旨在提高网络容量的802.11技术层出不穷，例如，802.11g,802.11n,802.11ac等。MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多入多出技术)作为一种先进的技术被广泛用在LTE宏网络。为了进一步提高网络容量，新一代的无线局域网802.11ac采用了MU-MIMO技术，允许无线接入点(AP)能够同时为多个用户提供数据服务，这一技术极大地提高频谱效率，提高了网络容量。由于AP的天线数有限，而网络中的用户数远远大于AP的天线个数，因此需要从大量的用户中选择性能最佳的用户来提高用户增益。传统的用户选择方法是AP收集每个用户的信道状态信息(CSI)，从中选择一个信道质量最佳的用户。而CSI的获得是通过用户反馈信息得到，这样当小区中的用户基数很大时，用户反馈信道开销将随用户数呈线性增长，用户的CSI反馈超时信道固有的时间，导致了网络性能急剧下降。

另一方面，无线设备的快速发展，不同的设备配置的天线数量不同，同时处理功率也不同。这样未来的无线网络将是支持不同的天线数的AP与客户端共存的网络。本发明拟在消除小区间干扰的条件下的选择小区中的用户使802.11ac网络中能够同时传输的空间流最大，提高空间增益。结合上述的两种用户选择策略，本发明提出了一种可扩展性的用户选择方法，消除802.11ac MU-MIMO网络是的小区间干扰以及小区内干扰，提高网络的用户增益与空间增益，提高了802.11ac网络性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络用户选择方法，该方法能够消除小区间干扰以及小区内干扰，提高网络的用户增益与空间增益，从而提高了802.11ac的网络性能。

本发明提出的一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络中用户选择方法，为了减少算法的复杂度，将WLAN网络分簇，设某个簇中有T个AP，构成了T个小区，其中小区i配置N_i根天线，有M_i个用户，M_i>>N_i，设小区i中的用户k配置的天线数为k＝1,2,...,M_i，i＝1,2,…,T；设和分别为小区i的候选用户集和已选用户集，初始候选用户集初始已选用户集为空集。

用户选择过程的实现步骤包括：

步骤1，标记j为用户选择次数，j初始为1，在第1次选择时，从中随机选择一个用户作为核心用户，标记为用户上传自己的信道状态信息CSI给AP；将加入已选用户集中，将j自增1，更新候选用户集

步骤2，判断已选用户集中用户数是否达到N_i，如果没有，进入步骤3执行，如果达到，进入步骤6执行；

步骤3，小区i的AP计算与所选用户正交的所有探测方向，设p_r表示第r个探测方向，是1×N_i的单位矩阵，所得到的探测方向组成矩阵P，P为(N_i-(j-1))×N_i的矩阵；AP向N_i-(j-1)个探测方向发射探测帧；

步骤4，小区i中未选中的用户收到各个方向的探测帧后，计算各个方向的信噪比SINR，找到自己的最佳探测方向的信道；用户k的最佳探测方向信道其中为小区i中用户k在r方向的信噪比；

步骤5，小区i中未选中的用户利用各自的最佳探测方向信道参与第j轮用户选择的竞争；

将用户的最佳探测方向信道的值用二进制B位比特量化，进行B状态竞争过程，赢得竞争的用户为赢得竞争的用户向小区i的AP发送CSI；

将赢得竞争的用户从候选用户集中移入已选用户集中，将j自增1，更新小区i的候选用户集，然后转步骤2执行；

步骤6，将小区i选中的N_i个用户，根据用户的天线个数进行升序排列，按天线大小对已选用户集中的用户进行编号；

步骤7，基于干扰置零和干扰对齐消除小区间的干扰，联合小区间的干扰消除算法，进一步从N_i个用户中选择小区i中的最佳服务用户集，找到簇中各个小区在消除干扰条件下具有最大空间流的服务用户数，确定小区中服务用户集。

本发明的优点与积极效果在于：本发明提出了一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络用户选择方法，采用一种基于正交探测技术的竞争反馈策略选择出小区内具有最佳性能的用户集作为潜在的服务用户集，同时联合小区间的干扰消除算法，进一步对潜在的服务用户集中的用户采用优化选择策略，在消除小区间干扰条件下，选择簇中各小区的用户服务集，使簇中的空间流最大化。这种用户选择策略将具有最佳性能的用户选择，网络性能最大化，同时信道开销不随小区中的用户数变化而变化，使小区中的用户选择具有可扩展性，解决了现有的用户选择策略的开销大，效率低的问题，具有可扩展性，性能佳。

附图说明

图1是本发明的802.11ac MU-MIMO网络中用户选择方法的流程示意图；

图2是本发明基于正交探测的小区内用户选择流程示意图；

图3是本发明基于联合用户与AP天线增益干扰消除的用户选择示意图；

图4是本发明实施例最佳使用AP与用户天线的示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进一步详细说明。

本发明设计了一种可扩展性的MU-MIMO网络中的用户选择方法，利用天线的空间自由度消除小区间干扰与小区内的干扰，同时获得最大的空间流的用户选择策略。本发明将用户的选择分为两步，第一步是小区内的用户选择，选择AP天线个数的用户数。

由于小区中的用户数远远大于AP的天线数，而AP能够服务的用户数最多为其天线数，因此要对小区中的用户进行选择，选出具有最佳性能的用户。而传统的方法是依赖用户反馈其信道信息给AP，AP通过比较选择出具有信道条件的用户，当小区中的用户数很大时，反馈信道开销将随用户数呈线性增长。针对这一问题，本发明设计一种方法让用户去竞争AP的空间自由度，具有最佳信道的用户将会赢得AP的一个空间自由度，上传自己的CSI给AP。通过这个方法，用户的选择具有可扩展性。同时，本发明方法利用天线波束成形的特征使小区中的用户传输具有正交性，从而消除小区内的并行用户之间的干扰。在进行小区间的用户选择过程中，将小区间用户的所有的天线阵列看作一根天线。

当每个小区选择其天线个数的用户数后，执行第二步的用户删选，满足在消除小区间干扰条件下的获得最大空间流的用户集。为了减少算法复杂度使本发明的方法具有可扩展性，在执行第二步用户删选过程，利用小区分簇技术将小区进行分簇处理，将一个大规则的网络分割成几个小的簇，以一个簇为单位消除小区间的干扰。因为小区中用户的天线数不同，利用用户的多天线协作AP来消除干扰，提高并行的空间流。本发明方法可有效地消除小区内和小区间的干扰，同时反馈信道开销不随用户数呈线性变化，使方法具有可扩展性。

本发明可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络中用户选择方法，如图1所示，下面对各步骤实现进行详细说明。

参照图1，本发明的方法包括以下各步骤：

步骤101，用户按照现有方法进行初始化，为了使小区间干扰消除方法具有可扩展性，对大规模的WLAN网络进行小区分簇处理为多个小簇进行后期的数据处理，以一个小簇为对象进行用户选择。

设将WLAN网络分为若干簇，以其中一个为例，设该簇有T个AP，构成了T个小区。定义小区为AP的服务区域。

步骤102，系统模型的建立。设某个簇中的小区i配置N_i根天线，有M_i个用户，M_i>>N_i，用户k配置的天线数为k＝1,2,...,M_i，k为用户的编号。由于小区中的用户数远远大于小区所配置的天线数，而小区最多能够同时服务的用户数为N_i，为了有效地利用用户增益提高小区性能，因此需要选择N_i个高性能的用户作为小区的服务对象。设和分别为小区i用户选择时的候选用户集和已选用户集，集合初始设置为空。其中，i＝1,2,…,T，表示小区的标号。

步骤103，标记j为用户选择次数，在第1次选择时，小区i选择初始用户作为核心用户。

小区中的AP通过NDPA(null data packet announcement)和NDP(null datapacket)向小区中的用户声明MU-MIMO下行传输信息，AP随机地选择小区中的一个用户作为第一个用户。

本发明中小区i从用户候选集(j＝1)中随机选择一个小区作为核心用户，记为并将加入到小区i的已选用户集中，同时，将j自增1，更新候选用户集将用户从候选用户集中删除。同时，已选中的用户上传自己的信道状态信息(CSI)给AP。

步骤104，判断小区i中的用户是否选完，即达到小区i所能服务的最大用户数N_i，如果没有选完，则进入步骤105继续执行，如果选完，则进入步骤108。

步骤105，设p_r是1×N_i的单位矩阵，表示第r个探测方向，AP计算与所选用户正交的所有探测方向，满足其中为所选用户的信道，这些探测方向记为(N_i-(j-1))×N_i矩阵P，AP向N_i-(j-1)个探测方向发射探测帧。

由于在进行小区间用户选择过程中，将用户的天线阵列看作一根天线处理，则某一用户的信道矩阵为1×N_i矩阵。矩阵P的每一行代表小区i的AP到用户的信道，则矩阵P的行即为探测方向的个数。

步骤106，小区i中未选中的用户计算各个方向的信噪比SINR(signalinterference noise ratio)，找到最大SINR的探测方向。

小区i中的各用户收到各个方向的探测帧后，每个用户找到各自的最佳探测方向的信道，记用户k的最佳探测方向信道为其中为小区i中用户k在r方向信噪比。

不考虑小区间干扰条件下，通过信噪比的定义可得的表达式为：

其中，表示用户k的噪声，h_k为小区i的AP到用户k的信道，p_m表示第m个探测方向。

则两个信道的相关性通过信道向量的角度定义为由步骤105可知，p_r是单位矩阵，则|h_k·p_r|＝||h_k||||p_r||cos＜h_k,p_r＞＝||h_k||cos＜h_k,p_r＞，信噪比由方程(1)可以重新写为：

其中，得到cos＜h_k,p_r＞越大越好，而cos＜h_k,p_m＞越小越好，表明用户k的方向信息，另一方面，||h_k||反应了用户k的信道幅度，用户的发送功率越大，信道质量越好，即用户满足与探测方向夹角越小、发送功率大的用户为所选的最佳用户。

步骤107，小区i中的未选中的用户k利用其所选的最佳探测方向信道参与第j轮用户选择的竞争，图2为基于正交探测的小区内用户选择流程示意图。参照图2，步骤107进一步包括：

步骤201，小区中的未选中的每个用户k将选择的最佳探测方向信道的值进行二进制B位比特的量化，并将这些比特映射为B状态的竞争过程，如下面步骤。

步骤202，将B位比特的第u位定义为状态u，其对应的比特值记为状态值B_u，B_u取值为0或1。取第一个状态，u＝1，进入步骤203。

步骤203，判断该状态值B_u是否为1，如果是执行步骤204，如果不是，转步骤206执行。

步骤204，用户k发送一个短的冲击波，在发送完冲击波后，执行步骤205。

步骤205，u自增1，判断u是否大于B，即判断竞争是否结束，若是，则转步骤208执行；若u小于等于B，则用户进入下一个状态的竞争，转步骤203执行。

步骤206，用户k监听信道并判断信道是否忙，若信道忙，进入步骤207执行，否则，若信道空闲，则转步骤205执行。

步骤207，信道忙，则用户k退出竞争，表明其他用户的信道性能比自己的好，则用户k退出本轮的用户选择过程，进行下一轮的用户选择。

步骤208，B状态的竞争结束，最后在B个状态中存活的用户赢得竞争，赢得竞争的用户向小区i的AP发送其CSI。

步骤107经过B状态竞争后，具有最佳信道的用户将会赢得AP的一个空间自由度，上传自己的CSI给AP。需要将赢得竞争的用户从候选用户集中移入到已选用户集中，将j自增1，更新小区i的候选用户集，然后转入步骤104执行。设小区i的第j轮竞争中，赢得竞争的用户为该用户的信号记为 为小区i的AP到用户的信道。

在步骤107之后转步骤104执行，直到小区所选的用户数等于小区中AP的天线数。

步骤108，将小区i中选中的N_i个用户，根据用户的天线个数进行升序排列，按天线大小对已选用户集中的用户进行编号，记为

步骤109，联合AP与用户的天线增益，利用干扰置零和干扰对齐方法在消除小区间干扰的条件下找到最大空间流的各个小区的用户数，从而确定小区中服务用户集。

图3基于联合用户与AP天线增益干扰消除的用户选择示意图。参照图3，步骤109进一步包括：

步骤301，簇中有T个小区，即有T个AP，小区i的AP记为AP_i，经过上面步骤后从小区i中选出N_i个用户。为了消除小区间的干扰获得最佳的天线增益，我们需要从N_i个用户中继续选择最佳的用户集。设K_i为小区i的已选用户集中没有被选择的用户数，K_i为未知数，通过下面过程计算获取。设对象集，初始为空。

设i为小区编号，初始值为2。首先取两个小区为对象，对应的AP记为AP₁和AP₂。AP₁配置N₁根天线，中没有被服务的用户数为K₁，这些没有服务的用户是拥有最少天线数的用户。AP₂配置N₂根天线，中没有被服务的用户数为K₂。在消除小区间干扰的条件下，AP₂能够增加的用户数为L(K₁)，具体的计算如下。

AP₁服务的用户数为N₁-K₁，则在消除AP₁的干扰条件下，AP₂中能够增加服务的最多用户数L'(K₁)为：

其中，n为自然数，上面公式求取符合条件的n的最大取值，为小区1中用户(K₁+N₂-n+1)配置的天线数。

另一方面消除小区2中干扰后，AP₂最多能够增加服务的用户数L”(K₁)为：

其中，m为自然数，求取符合条件的m的最小取值，为小区2中用户(K₁+m)配置的天线数。

因此，AP₂能够增加服务的最多用户数L(K₁)＝min(L'(K₁),L”(K₁))。此时空间用户流为N₁-K₁+L(K₁)，找到K₁使N₁-K₁+L(K₁)最大，则同时可以得到AP₁的服务用户数为N₁-K₁，AP₂的服务用户数为N₂-K₂，其中K₂＝N₂-L(K₁)，进而可得到对应的服务用户集。

图4给出了两个小区中最佳使用AP与用户天线的示例图。如图4所示，对用户1造成的干扰来自AP2，通过用户1的天线进行消除，AP2中的用户3与用户4的干扰来自于AP1，其中用户4的客户端没有多余的天线为其消除干扰，通过AP1的天线为用户4消除干扰，但是用户3通过用户端的天线为自己消除干扰。此时在消除干扰的条件下，空间最大能够传输的空间流为3。AP1中最佳用户集是用户1，AP2中最佳用户集是用户3与用户4。图4中，Client表示用户，Transmitting表示信号传播，Interference cancelling表示消除干扰。

步骤302，得到AP₁和AP₂的用户集后，将AP₁和AP₂加入对象集，并统计各AP剩余的天线数记为K'₁，记号t标识小区的标号。即K'₁表示AP₁的剩余天线数，K'₂表示AP₂的剩余天线数。

步骤303，赋值中间参数j＝1。i自增1，然后判断i是否大于簇中的AP数T，若i大于T，转步骤312执行，否则转步骤304执行。

步骤304，判断j是否小于i，若是，继续执行步骤305；否则，转步骤307执行。

步骤305，若j小于i，则计算在消除AP_j的干扰条件下，AP_i最多能够增加的用户数n_j为：

其中，n_j为自然数，上面公式(5)中求取符合条件的n_j的最大取值，为小区j中用户(N_i-n_j+1)配置的天线数。

步骤306，j自增1，然后转步骤304执行，直到j不小于i。

步骤307，若j不小于i，退出循环，此时，得到n₁,n₂,...,n_j，计算在考虑对象集中AP无干扰条件下AP_i最多能够增加的用户数为：

L'(K₁,...,K_i-1)＝min(n₁,n₂,...,n_j) (6)

步骤308，在消除AP_i干扰条件下，AP_i能够增加的用户数为：

其中，为小区i中用户[min(K₁',...,K_i'_-1)+m]配置的天线数；K_t表示小区t中没有被服务的用户数。

步骤309，获得AP_i在消除对象集中的小区间干扰条件下，最多能够增加的服务用户数为L(K₁,...,K_i-1)＝min(L',L”)，则得到小区i没有被服务的用户数K_i＝N_i-L(K₁,...,K_i-1)。

步骤310，找到(K₁,...,K_i-1)使空间流N₁-K₁+N₂-K₂+....+L(K₁,...,K_i-1)最大，从而确定对象集中各个小区的服务用户数。

步骤311，将AP_i加入对象集中，计算AP_i中剩余的天线数K_i'：

K_i'＝N_i-g(L(K₁,...,K_i-1)-L”(K₁,...,K_i-1))，其中

然后转步骤303执行，循环上述过程，直到i大于簇中的小区个数T，则结束小区中的用户选择。

步骤312，若循环次数i大于簇中小区个数T，则退出循环，完成各个小区的用户选择，得到簇中各个小区的用户集为(N₁-K₁,N₂-K₂,....,N_T-K_T)。N₁-K₁、N₂-K₂、N_T-K_T均为最后得到的对应小区的服务用户数，结合步骤108，可获得个小区的服务用户集。对于小区i，从经步骤108排序的小区i的已选用户集中选取后(N_i-K_i)个用户作为该小区的服务用户，即天线数最多的(N_i-K_i)个用户。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可扩展性的802.11ac MU-MIMO网络的用户选择方法，其特征在于，首先将WLAN网络分簇，设某个簇中有T个无线接入点AP，构成了T个小区，其中小区i配置N_i根天线，有M_i个用户，M_i>>N_i，设小区i中的用户k配置的天线数为k＝1,2,...,M_i，i＝1,2,…,T；

设和分别为小区i的候选用户集和已选用户集，初始候选用户集初始已选用户集为空集；

用户选择的过程为：

步骤1，标记j为用户选择次数，j初始为1，在第1次选择时，从中随机选择一个用户作为核心用户，标记为用户上传自己的信道状态信息CSI给无线接入点AP；

将加入已选用户集中，将j自增1，更新候选用户集

步骤2，判断已选用户集中用户数是否达到N_i，如果没有，进入步骤3执行，如果达到，进入步骤6执行；

步骤3，小区i的无线接入点AP计算与所选用户正交的所有探测方向，设p_r表示第r个探测方向，是1×N_i的单位矩阵，所得到的探测方向组成矩阵P，P为(N_i-(j-1))×N_i的矩阵；无线接入点AP向N_i-(j-1)个探测方向发射探测帧；

步骤4，小区i中未选中的用户收到各个方向的探测帧后，计算各个方向的信噪比SINR，找到自己的最佳探测方向的信道；

用户k的最佳探测方向信道其中为小区i中用户k在r方向的信噪比；

步骤5，小区i中未选中的用户利用各自的最佳探测方向信道参与第j轮用户选择的竞争；

将用户的最佳探测方向信道的值用二进制B位比特量化，进行B状态竞争过程，赢得竞争的用户为赢得竞争的用户向小区i的无线接入点AP发送CSI；

将赢得竞争的用户从候选用户集中移入已选用户集中，将j自增1，更新小区i的候选用户集，然后转步骤2执行；

所述的步骤5中，用户k进行B状态竞争的过程是：

步骤202，将B位比特的第u位定义为状态u，对应的比特值记为状态值B_u，B_u取值为0或1；取第一个状态，u＝1，进入步骤203；

步骤203，判断状态值B_u是否为1，如果是执行步骤204，如果不是，转步骤206执行；

步骤204，用户k发送一个冲击波，在发送完后执行步骤205；

步骤205，u自增1，判断u是否大于B，若是，则转步骤208执行；否则，用户进入下一个状态的竞争，转步骤203执行；

步骤206，用户k监听信道并判断信道是否忙，若信道忙，进入步骤207执行，否则，转步骤205执行；

步骤207，用户k退出本轮的用户选择过程；

步骤208，B状态的竞争结束，最后在B个状态中存活的用户赢得竞争；

步骤6，将小区i选中的N_i个用户，根据用户的天线个数进行升序排列，按天线大小对已选用户集中的用户进行编号；

步骤7，基于干扰置零和干扰对齐消除小区间的干扰，为簇中各小区，找到在消除干扰条件下具有最大空间流的服务用户数，确定小区中服务用户集；

所述的步骤7实现过程为：

步骤301，设i为小区编号，初始值为2；标记簇中小区i的无线接入点AP为AP_i，已选用户集中没有被服务的用户数为K_i，K_i为未知数；设对象集，初始为空；

初始选择AP₁和AP₂；小区1中，AP₁配置N₁根天线，没有被服务的用户数为K₁；小区2中，AP₂配置N₂根天线，没有被服务的用户数为K₂；

AP₁中服务的用户数为N₁-K₁，在消除AP₁的干扰条件下，AP₂能够增加服务的最多用户数消除小区2中干扰，AP₂能够增加服务的最多用户数其中，n、m为自然数，为小区1中用户(K₁+N₂-n+1)配置的天线数，为小区2中用户(K₁+m)配置的天线数；则AP₂能够增加服务的最多用户数L(K₁)＝min(L'(K₁),L”(K₁))；找到K₁使N₁-K₁+L(K₁)最大，得到AP₁和AP₂的服务用户数；

步骤302，将AP₁和AP₂加入对象集，并统计各小区的无线接入点AP剩余的天线数，设K_t'表示小区t的无线接入点AP剩余天线数；

步骤303，设置中间参数j，j初始为1；i自增1，然后判断i是否大于T，若是，转步骤312执行，若否继续执行步骤304；

步骤304，判断j是否小于i，若是，继续执行步骤305；否则，转步骤307执行；

步骤305，计算在消除AP_j的干扰条件下，AP_i最多能够增加服务的用户数n_j为：

其中，n_j为自然数，为小区j中用户(N_i-n_j+1)配置的天线数；

步骤306，j自增1，然后转步骤304执行；

步骤307，计算在消除对象集中无线接入点AP的干扰条件下，AP_i最多能够增加服务的用户数

L'(K₁,...,K_i-1)＝min(n₁,n₂,...,n_j)；

步骤308，在消除AP_i干扰条件下，AP_i能够增加服务的用户数为：

其中，为小区i中用户[min(K'₁,...,K'_i-1)+m]配置的天线数；

步骤309，获得AP_i最多能够增加的服务用户数如下：

L(K₁,...,K_i-1)＝min(L'(K₁,...,K_i-1),L”(K₁,...,K_i-1))，

则小区i中剩余的用户数K_i＝N_i-L(K₁,...,K_i-1)；

步骤310，找到(K₁,...,K_i-1)使空间流N₁-K₁+N₂-K₂+....+L(K₁,...,K_i-1)最大，并确定对象集中各个小区的用户集；

步骤311，将AP_i加入对象集中，计算AP_i中剩余的天线数K'_i，然后转步骤303执行；

K'_i＝N_i-g(L(K₁,...,K_i-1)-L”(K₁,...,K_i-1))，其中函数

步骤312，完成簇中各个小区的用户选择，结束循环。