CN107359914A - 基于多径信息的mu‑mimo网络信道状态反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多径信息的MU‑MIMO网络信道状态反馈方法，包括以下步骤：(10)信道状态估计：用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态；(20)多径信息计算：用户对估计的信道状态进行逆傅里叶变换，从而得到多径信息；(30)多径信息反馈：用户根据门限确定需要反馈的多径条数P，并将多径信息中的前P条主路径信息反馈给AP；(40)用户选择：AP根据各用户反馈的多径信息，依据正交性最好原则选择用户分组；(50)信道状态反馈：AP轮询被选择的用户，各被选择用户反馈信道状态。本发明的信道状态反馈方法，开销低，传输效率高。

Description

基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法
技术领域
本发明属于无线局域网通信技术领域，特别涉及一种MU-MIMO网络中基于多径信息的信道状态信息反馈方法，通过反馈多径信息有效降低MU-MIMO网络中CSI的反馈开销。
背景技术
近些年，为了进一步提升无线局域网的网络容量，出现了MU-MIMO(Multi-UserMulti-Input Multi-Output,多用户多输入多输出)，即多用户多输入多输出技术。MU-MIMO技术允许AP(Access Point，接入点)同时给多个用户发送多个不同的数据流，并且保证各个数据流之间的干扰最小，从而获得吉比特的容量。MU-MIMO系统的性能已经在理论上和实验中得到了广泛的分析。MU-MIMO由于能够提供较高的数据速率和频谱效率，已经被很多无线通信标准采用，如LTE、WiMAX，以及IEEE 802.11ac。
波束成形技术是MU-MIMO实现多个数据流同时发送的关键技术。该技术利用信道状态信息CSI(Channel State Information,CSI)将多个用户的独立数据分组调整到特定的方向，从而使得各用户数据之间的干扰最小。这就要求AP能够获得到每个用户准确而且实时的CSI信息。总的来说，AP获得CSI信息有两种方式：隐式反馈和显式反馈。隐式反馈利用了无线信道的对称性，允许AP利用上行链路的CSI来估计下行链路的CSI，是IEEE802.11n标准中定义的备选方案。为了获取准确的CSI信息，隐式反馈需要预先进行校准和训练，但是校准和训练过程会对信道资源和传输时间造成浪费，而不准确的CSI信息会造成数据分组的破坏，因此，在802.11ac标准中，仅采纳显式反馈策略。显式反馈由AP发起，在此过程中，AP轮询所有的用户，被询问到的用户向AP反馈最新的CSI信息。反馈得到的CSI信息主要用于两项操作，首先AP根据CSI反映的信道正交关系进行MU-MIMO用户选择，然后利用选定的用户的信道参数计算波束成形方向矩阵。
但是实际应用中MU-MIMO网络的增益却远达不到理论值。这是由于显式反馈中CSI获取过程带来的开销会降低由波束成形带来的吞吐量增益。导致显式反馈开销巨大主要有三个方面的原因：(1)AP需要所有用户的CSI信息来做用户选择，以获得波束成形的最高性能，这要求所有的用户反馈CSI信息；(2)AP需要准确的CSI信息来计算方向矩阵，CSI信息的反馈开销与发送天线数量、节点数量等成正比；(3)CSI消息以最低速率发送。这些使得CSI反馈占用了大量的信道资源，降低了系统的吞吐量。
当前，降低MU-MIMO中CSI反馈开销主要依靠的方法是压缩。IEEE 802.11ac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。MUTE是一种时域压缩反馈机制，它利用信道的稳定性来延长反馈间隔时间，从而降低了开销。对于静态环境来说，MUTE可以获得较好的性能，但是，对于动态网络环境，其性能下降显著。AFC将压缩噪声作为度量，自适应调整三个维度的压缩参数，以达到降低开销和减小吞吐量损失的折中。AFC在一定程度上进一步压缩了CSI，但是仍然要求所有节点回复CSI消息，节点数量较大时，反馈开销依然很大。
一般情况下，要完成一次MU-MIMO数据发送，AP在数据发送之前主要需要完成三个步骤：
(1)AP向所有用户发送探测帧，轮询各个用户，获得AP到所有用户的信道状态信息CSI；
(2)利用获得到的CSI信息，AP选取用于MU-MIMO数据发送的用户。被选取的用户为所有用户中信道正交性最好的[65][78]；
(3)AP利用选定用户的CSI计算方向矩阵，用于多用户数据流的波束成形。
在MU-MIMO发送的三个步骤中，对CSI精度的要求是不同的。例如，信道之间的关系(正交性)对于步骤(1)(2)的用户选择策略来说是十分重要的，而高精度的CSI对步骤(3)，即计算波束成形所需的方向矩阵是必要的。
总之，现有MU-MIMO通信CSI反馈技术存在的问题是：没有区分MU-MIMO通信不同阶段AP对于CSI精度的要求，而是要求网络中所有的节点均反馈CSI，导致CSI反馈开销巨大，影响MU-MIMO网络的性能提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法，降低MU-MIMO网络中CSI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：
一种基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
(10)信道状态估计：用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态；
(20)多径信息计算：用户对估计的信道状态进行逆傅里叶变换，从而得到多径信息；
(30)多径信息反馈：用户根据门限确定需要反馈的多径条数P，并将多径信息中的前P条主路径信息反馈给AP；
(40)用户选择：AP根据各用户反馈的多径信息，依据正交性最好原则选择用户分组；
(50)信道状态反馈：AP轮询被选择的用户，各被选择用户反馈信道状态。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
利用MU-MIMO通信不同阶段对CSI精度要求不同降低CSI反馈开销：本发明通过采用MPP信息来进行MU-MIMO用户选择，而后要求被选择的用户反馈CSI信息，与现有方法要求所有用户均反馈CSI相比，大大降低了反馈CSI的用户数目，因为实现了更低的反馈开销。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法的主流程图。
图2是图1中多径信息反馈步骤的流程图
图3是图1中用户选择步骤的流程图
图4是不同CSI反馈方法反馈开销对比图
具体实施方式
如图1所示，本发明基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法，包括以下步骤：
(10)信道状态估计：用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态；
所述(10)信道状态估计步骤具体为：
用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态CSI为
H＝[H1,H2,...,Hi,...HK]，
其中，K表示子载波总数，Hi,i＝1,...,K为每个子载波的参数，
其中|Hi|为第i个子载波信道参数的幅度值，∠Hi表示第i个子载波信道参数的相位。
(20)多径信息计算：用户对估计的信道状态进行逆傅里叶变换，从而得到多径信息；
(30)多径信息反馈：用户根据门限确定需要反馈的多径条数P，并将多径信息中的前P条主路径信息反馈给AP；
如图2所示，所述(30)多径信息反馈步骤包括：
(31)首次主动反馈：用户在第一次关联到AP时，主动反馈多径信息，并将最新反馈的多径信息MPPP对应的信道状态信息Hs保存在本地
(32)适时反馈：用户根据AP发送的周期管理帧中的头部信息，实时估计AP与自己之间当前的信道状态信息Hc，并计算当前信道与其本地维护的最近一次发给AP的信道状态Hs之间的夹角θ，当发现信道状态夹角超过角度门限时，用户根据Hc，利用逆傅里叶变换计算多径信息MPP，向AP反馈最新的多径信息MPPP，同时将本地保存的Hs更新为Hc。
所述(32)适时反馈步骤中，当前信道与其本地维护的最近一次发给AP的信道状态Hs之间的夹角θ按下式计算：
其中，表示当前信道状态信息Hc的共轭转置。
(40)用户选择：AP根据各用户反馈的多径信息，依据正交性最好原则选择用户分组；
如图3所示，所述(40)用户选择步骤包括：
(41)初始用户选择：AP从所有反馈多径信息MPP的用户中选择一个初始用户，初始用户的选择原则包括随机选择，或根据用户不同的优先级从优先级较高的节点中选取；
(42)逐个选取用户：依据用户间信道的正交性逐个选取用户，AP选取信道与当前用户组中用户信道正交性最好的用户；
(43)结束用户选择：重复步骤(42)逐个选取用户，直至用户组S(m)中用户数量达到AP发送天线数量M，或者剩余用户中已经没有满足用户信道之间正交关系的用户。
所述(42)逐个选取用户步骤中，被选中的用户j满足：
其中，η0表示信道正交性门限，表示用户的信道和用户组S(m)中用户信道之间的正交关系，S(m)＝{1,2,…,m}表示已选择的用户集合，其中m∈{1,2,…,M}为组内节点数量，M为AP发送天线个数，
其中，hi为第i个用户的信道向量。
(50)信道状态反馈：AP轮询被选择的用户，各被选择用户反馈信道状态。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
为验证效果，我们将本发明的基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态信息反馈方法(为表述方便，在图4所示的对比图中标示为MPP-MAC)与现有方法进行对比，主要对比了一下三种方法：
(1)IEEE 802.11ac：使用IEEE 802.11ac标准中默认参数和操作，在每次数据传输之前，AP要求每个用户反馈CSI，CSI每个值的实部和虚部分别用8比特量化。
(2)自适应反馈压缩(Adaptive Feedback Compression，AFC)：AFC根据压缩噪声来选择CSI的压缩级别，用户向AP反馈压缩后的CSI。
(3)基于正交探测的用户选择(Orthogonality Probing based User Selection，OPUS)：OPUS实现了一种正交探测机制，将一次数据发送所需要的CSI反馈数量降低至AP天线数量。符合条件的用户通过竞争向AP反馈CSI消息。
分析可知，由于OPUS和MPP-MAC协议均将反馈节点个数控制在AP发送天线数量以内，因此，开销跟节点数量关系不大。而AFC和802.11ac反馈的CSI数量与节点数量和AP发射天线数量呈正相关关系，因此，随着节点数量的增加，其开销也随之增加。节点数量小于10时，OPUS的开销较之AFC略高，这是由于虽然OPUS将反馈分组的数量控制为AP发送天线的数量，但是在做节点选择时，采用了一种基于竞争的反馈机制，协议设定了一个固定时长(27μs)用于节点竞争。因此，AP在发送前需要等待固定的竞争时间后才能完成用户选择，进行数据发送，当用户数量较少时，竞争时长的开销会大于节点反馈的开销。图4显示了不同用户数目下几种反馈方法的开销对比，可以看到本发明提出的MPP-MAC是几种协议中引入反馈开销最小的，相比较于802.11ac、AFC和OPUS，开销分别降低了42.5％、22.5％和40.6％。

Claims (6)

1.一种基于多径信息的MU-MIMO网络信道状态反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
(10)信道状态估计：用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态；
(20)多径信息计算：用户对估计的信道状态进行逆傅里叶变换，从而得到多径信息；
(30)多径信息反馈：用户根据门限确定需要反馈的多径条数P，并将多径信息中的前P条主路径信息反馈给AP；
(40)用户选择：AP根据各用户反馈的多径信息，依据正交性最好原则选择用户分组；
(50)信道状态反馈：AP轮询被选择的用户，各被选择用户反馈信道状态。
2.根据权利要求1所述的信道状态反馈方法，其特征在于，所述(10)信道状态估计步骤具体为：
用户根据AP发送的数据帧或者控制管理帧头部信息估计AP到自己之间的信道状态CSI为
H＝[H1,H2,...,Hi,...HK]，
其中，K表示子载波总数，Hi,i＝1,...,K为每个子载波的参数，
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>&amp;angle;</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
其中|Hi|为第i个子载波信道参数的幅度值，∠,Hi表示第i个子载波信道参数的相位。
3.根据权利要求1所述的信道状态反馈方法，其特征在于，所述(30)多径信息反馈步骤包括：
(31)首次主动反馈：用户在第一次关联到AP时，主动反馈多径信息，并将最新反馈的多径信息MPPP对应的信道状态信息Hs保存在本地
(32)适时反馈：用户根据AP发送的周期管理帧中的头部信息，实时估计AP与自己之间当前的信道状态信息Hc，并计算当前信道与其本地维护的最近一次发给AP的信道状态Hs之间的夹角θ，当发现信道状态夹角超过角度门限时，用户根据Hc，利用逆傅里叶变换计算多径信息MPP，向AP反馈最新的多径信息MPPP，同时将本地保存的Hs更新为Hc。
4.根据权利要求3所述的信道状态反馈方法，其特征在于，所述(32)适时反馈步骤中，当前信道与其本地维护的最近一次发给AP的信道状态Hs之间的夹角θ按下式计算：
<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>H</mi> <mi>c</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，表示当前信道状态信息Hc的共轭转置。
5.根据权利要求1所述的信道状态反馈方法，其特征在于，所述(40)用户选择步骤包括：
(41)初始用户选择：AP从所有反馈多径信息MPP的用户中选择一个初始用户，初始用户的选择原则包括随机选择，或根据用户不同的优先级从优先级较高的节点中选取；
(42)逐个选取用户：依据用户间信道的正交性逐个选取用户，AP选取信道与当前用户组中用户信道正交性最好的用户；
(43)结束用户选择：重复步骤(42)逐个选取用户，直至用户组S(m)中用户数量达到AP发送天线数量M，或者剩余用户中已经没有满足用户信道之间正交关系的用户。
6.根据权利要求5所述的信道状态反馈方法，其特征在于，所述(42)逐个选取用户步骤中，被选中的用户j满足：
其中，η0表示信道正交性门限，表示用户的信道和用户组S(m)中用户信道之间的正交关系，S(m)＝{1,2,…,m}表示已选择的用户集合，其中m∈{1,2,…,M}为组内节点数量，M为AP发送天线个数，
<mrow> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <msup> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msup> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow> </munder> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
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其中，hi为第i个用户的信道向量。
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