CN109661784B - 用于隐式mu-mimo的高效信道估计 - Google Patents

Abstract

用于实现高效信道估计技术的·MIMO无线系统的基站。一个说明性实施例包括：多个天线的阵列，用于与空间分布的用户终端交换上行链路和下行链路信号；多个：传输链，每个传输链通过相应收发器耦合到所述多个天线中的一个天线，所述收发器还将该天线耦合到多个接收链中的相应的一个接收链；以及控制器，接收链中的每个机会性地从无线上行链路信号中的分组报头导出估计的上行链路信道响应系数，并且控制器至少部分地基于估计的信道响应系数来确定转向变换。传输链将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于阵列中的每个天线的天线特定下行链路信号。另一个说明性实施例至少部分地基于估计的信道响应系数来确定，用于每个用户终端的移动性指示符，并且基于移动性指示符来调度至少一个动作。

Description

用于隐式MU-MIMO的高效信道估计

相关申请的交叉引用

本申请要求命名为发明人Ryan E. Guerra、Clayton W. Shepard、NarendraAnand、Edward Knightly和Lin Zhong的题为“Efficient Channel Estimation forImplicit MU-MIMO”并且2016年8月25日提交的临时美国申请62/379,351的优先权。

政府支持的承认

本发明是在由国家科学基金会授予的一个或多个合同（合同号1126478、1218700、1405937、1444056、1514285、1518916和/或1520496）下以政府支持来做出的。政府具有本发明中的某些权利。

背景技术

无线网络已经变得普遍，使得各种各样的电子设备能够彼此无线地通信以及能够接入因特网。设备的数量及其各自带宽要求继续增加，促使工程师开发新通信技术来以更高效的方式利用可用带宽。

特别地，多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术使得每个都具有一个或多个天线的用户终端和基站能够建立用于彼此通信的无线链路。如在本文中使用的那样，术语信道状态信息（CSI）指代无线链路提供的（一个或多个）通信信道的性质。CSI用作表示信号如何从发射器传播到接收器的模型，计及例如散射、衰落和随距离的功率衰减的组合效果。诸如MU-MIMO的无线通信技术常规地测量CSI以便使传输适应于当前信道条件，这对于实现具有高数据速率的可靠通信而言是关键的。

在无线通信网络中，CSI变得对用户终端的移动和对环境条件的其他改变敏感，从而需要频繁地重复CSI测量过程。针对MU-MIMO系统的CSI测量过程可以以各种方式来实现，但是现有的MU-MIMO CSI测量过程需要信道带宽的一部分被分配作为用于CSI测量的固定开销。如在现有的IEEE 802.11af标准中提供的那样，所需要的开销分配随着用户终端天线的数量K成比例地增长（并且在一个实现中，还随着基站天线的数量M成比例地增长），并且在至少一些情况下，开销接近可用信道带宽的90%，严重地限制了数据吞吐量。

发明内容

因此，在本文中公开了用于多用户多输入多输出（MU-MIMO）无线系统的高效信道估计技术，连同实现这些技术的说明性用户终端设备和基站。

一个说明性无线通信基站实施例包括：多个天线的阵列，用于与空间分布的用户终端交换上行链路和下行链路信号；多个传输链，每个传输链通过相应收发器耦合到多个天线中的一个天线，所述收发器还将该天线耦合到多个接收链中的相应的一个接收链；以及控制器。接收链中的每个从无线上行链路信号中的分组报头导出估计的上行链路信道响应系数，并且控制器至少部分地基于估计的信道响应系数来确定转向变换。传输链将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于阵列中的每个天线的天线特定下行链路信号。

另一个说明性无线通信基站实施例包括：多个天线的阵列，用于与空间分布的用户终端交换上行链路和下行链路信号；多个传输链，每个传输链通过相应收发器耦合到多个天线中的一个天线，所述收发器还将该天线耦合到多个接收链中的相应的一个接收链；以及控制器。每个接收链从无线上行链路信号导出估计的上行链路信道响应系数，并且基于这些系数，控制器确定转向变换，所述转向变换将由传输链应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于阵列中的每个天线的天线特定下行链路信号。控制器至少部分地基于估计的信道响应系数进一步确定用于每个用户终端的移动性指示符，并且基于移动性指示符来调度包括以下各项的集合中的至少一个动作：从用户站中的一个或多个向上传输导频信号，以及重新导出估计的上行链路信道响应系数。

公开的无线网络通信方法的说明性实施例包括：与空间分布的用户终端交换无线上行链路和下行链路信号；针对用户终端天线和基站天线的每个组合，从无线上行链路信号中的分组报头导出估计的上行链路信道响应系数；至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定转向变换；以及将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于多天线基站的每个天线的天线特定下行链路信号，从而形成用于将无线下行链路信号递送到空间分布的用户终端的波束。

公开的无线网络通信方法的另一个说明性实施例包括：与空间分布的用户终端交换无线上行链路和下行链路信号；针对用户终端天线和基站天线的每个组合，从无线上行链路信号导出估计的上行链路信道响应系数；至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定转向变换；将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于多天线基站的每个天线的天线特定下行链路信号，从而形成用于将无线下行链路信号递送到空间分布的用户终端的波束；至少部分地基于估计的信道响应系数来找到用于每个用户终端的移动性指示符；并且基于移动性指示符来调度包括以下各项的集合中的至少一个动作：重新导出估计的上行链路信道响应系数，以及重新确定转向变换。

前述实施例中的每个可以单独地或者组合地实现，并且可以以任何合适的组合利用以下特征中的任何一个或多个来实现：（1）控制器将估计的上行链路信道响应系数与用于确定转向变换的值相比较，并且在检测到足够的差异时重新确定转向变换。（2）针对所述阵列中的每个天线，在每个用户终端天线的基础上确定估计的上行链路信道响应系数。（3）控制器针对每个用户终端天线监视自从导出该用户终端天线的估计的上行链路信道系数以来经过的时间。（4）在确定经过的时间超过阈值时，控制器通过发起与该用户终端天线的无线分组交换来刷新针对该用户终端天线的估计的上行链路信道响应系数。（5）在确定经过的时间超过阈值时，控制器将该用户终端天线指定为不活跃的并且重新确定用于活跃的用户终端天线的转向变换。（6）控制器从估计的信道响应系数导出用于每个用户终端天线的移动性指示符，并且其中阈值取决于用于该用户终端天线的移动性指示符。（7）多个传输链和多个接收链中的每个分别提供OFDM调制和解调。（8）估计的上行链路信道响应系数作为基站天线、用户终端天线和频率仓（frequency bin）的函数来导出。（9）接收链基于无线上行链路信号中的导频信号来导出估计的上行链路信道响应系数。（10）控制器基于移动性指示符来调度导频信号。（11）控制器调度导频信号，用于相对于频率仓子采样。（12）控制器设置可以基于移动性指示符、CSI的频率和时间相干性和/或选择的波束成形器的子采样的程度。（13）移动性指示符表示对于给定的用户终端天线的当前和过去的估计上行链路信道响应系数的规格化点积的相对于基线值的差。（14）基线值是先前的规格化点积的滑动窗口平均值。（15）包括先前的规格化点积的规格化点积中的每个使由固定时间延迟分离的估计的上行链路信道响应系数相关。（16）规格化点积是在频率仓上平均的点积与在频率仓上平均的幅度积之间的比。（17）规格化点积是点积与幅度积之间的平均比，所述比在频率仓上进行平均。（18）控制器至少部分地基于移动性指示符来对用户终端分组。（19）作为确定转向变换的部分，控制器确定用于每个用户终端组的转向变换。（20）空间分布的用户终端中的至少一些按照IEEE Std 802.11（2012）提供所述上行链路并且接收所述下行链路信号。（21）针对每个基站天线，在每个用户终端天线的基础上，导出操作产生估计的上行链路信道响应系数。（22）方法进一步包括：针对每个用户终端天线监视自从导出该用户终端天线的估计的上行链路信道系数以来经过的时间；以及在确定经过的时间超过阈值时，执行包括以下各项的集合中的至少一个动作：将该用户终端天线指定为不活跃的；发起与该用户终端天线的分组交换以刷新估计的上行链路信道响应系数；以及重新确定用于活跃的用户终端天线的转向变换。（23）方法进一步包括：将估计的上行链路信道响应系数与用于确定转向变换的值相比较；以及在检测到足够的差异时，重新确定转向变换。（24）方法进一步包括：从估计的信道响应系数导出用于每个用户终端天线的移动性指示符，并且至少部分地基于用于该用户终端天线的移动性指示符来设置阈值。

附图说明

现在参考附图，其中描绘的元件不一定按比例示出，但是相同或者类似元件可以贯穿若干个附图由相同的参考编号表示。在附图中：

图1是说明性MU-MIMO无线系统的空间波束成形图。

图2是示出CSI系数的说明性MU-MIMO无线链路图。

图3A是示出隐式CSI测量开销的链路时间图。

图3B是示出机会CSI测量的链路时间图。

图4是说明性基站架构的框图。

图5是耦合到说明性收发器的说明性传输/接收链的框图。

图6是移动性确定方法的状态图。

图7是说明性无线通信方法的流程图。

然而，应当理解，在附图和具体实施方式中给定的具体实施例不限制本公开，相反，它们为普通技术人员之一提供辨别由所附权利要求的范围包含的替代形式、等同物和修改基础。

术语

在本文中使用的大多数的术语对于本领域普通技术人员而言将是可识别的，并且因此应当理解，当未明确地定义时，术语应当被解释为具有由本领域普通技术人员目前接受的含义。

首字母缩略词CSI代表信道状态信息，其可以被表达为复系数的集合，每个复系数表示穿过通信链路的信号的给定频率的衰减和相位延迟。

首字母缩略词EVM代表误差矢量幅度。首字母缩略词FFT代表快速傅里叶变换。首字母缩略词LNA代表低噪声放大器。首字母缩略词MIMO代表多输入多输出，并且在无线通信上下文中，其适用于执行节点之间的无线通信的系统，所述节点中的至少一个采用多个天线。首字母缩略词MU-MIMO代表多用户、多输入、多输出，并且在本申请的上下文中适用于具有不只是仅两个节点的MIMO系统。

首字母缩略词OFDM代表正交频分复用，其是通常使用逆傅里叶变换以将数据符号分布到紧密地间隔开的子载波频率上来实现的调制技术。在接收端处，数据符号可以经由常规傅里叶变换来恢复。紧密相关的调制技术是单载波频分多址（SC-FDMA），其有时被称为线性预编码正交频分多址。

如在本文中使用的术语“导频”或者“导频信号”指代具有适用于接收设备以测量无线信道的性质（即，CSI）的预定模式或者内容的信号。训练模式（诸如针对IEEE Std802.11定义的短训练序列（STS）和长训练序列（LTS））、定时同步模式以及甚至帧标记可以用作导频信号。分组报头和帧前导通常包括一个或多个这样的模式，但是通常期望的是，来自不同的用户终端的导频信号是彼此正交的，无论通过时分复用、频分复用、码分复用、空间分集还是将干扰最小化以便使能快速但准确的CSI测量的一些其他机制。

“PHY”是对“物理层”（在802.11标准中使用的术语）的缩写。

在本申请中，单数的使用包括复数，使得冠词“一”和“一个”意指“至少一个”，并且以及连词“或者”的使用具有包括性的含义“和/或”，除非另外具体说明。除非另外指定，否则术语“包括”（以及它的其他形式，诸如“包括了”和“包括的”）是开放式的并且不旨在被限于任何具体标识的条目。除非另外说明，否则诸如“元件”或者“部件”的术语不仅包含单一模块，而且还包含提供相同特性的多模块组件或者子模块。

具体实施方式

图1示出了可以与无线通信网络的基站相关联的多个天线102的说明性阵列。无线通信网络可以是蜂窝网络（诸如LTE）、无线局域网（诸如由IEEE 802.11标准的集合提供的那些）、无线个域网（诸如由IEEE 802.15标准的集合提供的那些）或者实际上支持多个设备之间的双向通信的任何无线通信网络。图1进一步示出了空间分布的用户终端104，所述用户终端104在该示例中采取智能电话的形式。基站采用天线的阵列以提供基站的有效广播/灵敏度模式中的可转向波束成形，优选地为每个用户终端提供分离的波束110。除了针对给定额定功率扩展基站的范围之外，波束成形还以大幅度地增加系统的频谱效率的方式增强空间分集。

为了确保适当的波束成形，基站收集针对每个活跃的用户终端的信道状态信息（CSI）。图2示出了以时间复用、频率复用、空间复用或者某种其他正交方式向用于基站202的天线102的阵列提供上行链路信号Y1、Y2、…YK的用户终端104的集合。天线信号X1、X2、…XM经由信道响应与上行链路信号相关。在任何给定的频率仓i处，对从用户终端天线k到基站天线m的上行链路信号的信道响应可以被表示为指定信号的衰减和相位延迟的复系数H_up[m,k,i]。如在C. Shepard等人的“Argos: Practical Many-Antenna Base Station”，MobiCom'12，Istanbul，Turkey，2012年8月22-26日（在argos.rice.edu/pubs/Shepard-MobiCom12.pdf处可得到）的第3.3节中提供的那样，校准系数矩阵C[m,i]首先通过使基站的天线传输到彼此以确定它们的相对偏移来确定。每个估计的窄带上行链路信道系数H_up[m,k,i]可以被规格化到基站天线阵列上的参考天线以去除跨阵列的任何恒定定时或者相位偏移，然后将规格化系数与校准系数组合来估计下行链路信道系数H_dn[m,k,i]。然后，根据Shepard的第2.2节，从下行链路信道系数导出转向变换。转向变换可以采取KxM复值权重矩阵的形式，当应用于针对活跃的用户终端的K个下行链路信号时，所述矩阵产生M个天线特定下行链路信号。（当采用多个频率仓时，权重矩阵针对每个频率仓变化）。转向变换可以使用共轭方法、迫零方法、最小均方误差（MMSE）或者在公开的文献中描述的合适的方法中的任何其他方法来确定。

迫零波束成形（ZFBF）方法将空间流之间的干扰驱动到零，并且当其对于许多情况接近最佳性能时，当用户的CSI不够正交时其可能是低效率的（参见例如T. Yoo和A.Goldsmith的“On the optimality of multiantenna broadcast scheduling usingzero-forcing beamforming”，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，第24卷，2006年3月，以及Proc. ACM MobiCom，Chicago，IL，2010年9月中的E.Aryafar、N.Anand、T.Salonidis和E.W. Knightly的“Design and Experimental Evaluation ofMulti-user Beamforming in Wireless LANs”）。ZFBF涉及H矩阵的伪逆的计算：

其中上标H表示矩阵共轭转置。当发射器以完美的ZFBF权重W预编码时，信号理想地消除接收器处的无线信道的影响，使得每个用户能够接收他们自己的独立流。另一方面，共轭（还被称为最大比传输）组合（其简单地使用信道矩阵的共轭作为权重，即

）不消除用户之间的干扰，但是仍然可以适合于在大规模MIMO系统中使用，其中波束变得更窄并且更强，导致用户间干扰变得相对低。（迫零通常胜过共轭，但是对于大量的用户而言，即使对于计算不是完全不切实际的，也变得繁重得多。）这些和其他相关MU-MIMO无线信道编码技术使得装备有多个天线的基站能够将同时数据流传输到分离的用户终端，利用空间分集来随着基站阵列中的天线的数量扩展数据速率。

除了使能空间分集之外，CSI还对于用户分组（例如，如在J.Mao、J.Gao、Y.Liu和G.Xie的“Simplified semi-orthogonal user selection for MU-MIMO systems withZFBF”，Wireless Communications Letters，IEEE，第1卷，第1期，第42-45页，2012年中提供的那样）和小区间干扰减轻（例如，如在M. Rahman和H. Yanikomeroglu.的“Enhancingcell-edge performance: a downlink dynamic interference avoidance scheme withinter-cell coordination”，Wireless Communications，IEEE Transactions on，第9卷，第4期，第1414-1425页，2010年中提供的那样）是有用的。

用于估计窄带上行链路信道系数H_up[m,k,i]的测量过程通常被称为“信道探测”，并且其可以以多个方式来实现。例如，IEEE 802.11af是用于Wi-Fi在未使用的UHF电视频带白空间（TVWS）信道中操作的标准修订（例如，如在A.B.Flores、R.E.Guerra、E.W.Knightly、P.Ecclesine和S.Pandey的“IEEE 802.11 af: a standard for TV whitespace spectrum sharing”，IEEE Communications Magazine，第51卷，第10期，第92-100页，2013年中描述的）。借助所述修订，标准还可以采用IEEE 802.11ac的MU-MIMO特征（例如，如在IEEE Std 802.11ac-2013，“Amendment 4: Enhancements for very highthroughput for operation in bands below 6 GHz”，2013年中提供的那样）。在那里，下行链路CSI通过基站将探测分组从阵列中的每个天线传输到用户终端中的每个来显式地获得，使得用户终端能够测量下行链路信道系数并且将控制帧中的测量结果传输到基站（例如，如在IEEE Std 802.11af-2013，“Amendment 5: Television white spaces (tvws)operation”，2013年中提供的那样）。不幸的是，由该探测方法所需的开销随着基站天线的数量（M）和用户终端天线的总数（K）成比例地增加，使得该开销可能严重地降低可实现的吞吐量增益（参见例如Proc. ACM MobiCom，第477-488页，2013年中的X.Xie、X. Zhang和K.Sundaresan，“Adaptive feedback compression for MIMO networks”，以及O.Bejarano、E.Magistretti、O.Gurewitz和E.Knightly，“MUTE: Sounding Inhibitionfor MU-MIMO WLANs”，Proc. ACM SECON，2014年）。

此处，我们提出完全消除显式信道探测，代之以尽可能地（inasmuch aspossible）依赖于纯机会信道探测，其中从每个接收到的上行链路传输（无论数据还是控制帧）隐式地估计CSI。由于每个上行链路帧已经包含在其前导中具有训练序列的分组报头（例如，802.11af中的TVHTLTF），因此我们使用从用户终端到基站的每个上行链路接收，包括例如数据帧、ACK和管理帧，以便用于基站估计下行链路CSI。该方法利用UHF频带的有用的性质：它们可以是高度稳定的大约100 ms，同时保持高的多用户分集（参见例如Proc.ACM Intl. Conf. on Mobile Computing and Networking (MobiCom)，Maui，HI，2014年9月中的N.Anand、R.E.Guerra和E.W. Knightly的“The Case for UHF-band MU-MIMO”）。如果信道在上行链路传输之间保持足够不变，则该机会方法消除了CSI探测开销。

机会探测在至少四个操作状况中是有益的，即其中的那些：（i）信道条件是足够稳定的，使得由于从先前的上行链路传输获得CSI而导致的波束成形误差是可忽略的；（ii）传统的802.11用户终端不能响应于波束成形请求并且否则不能充分利用空间分集；（iii）空间流的数量增长，使得即时隐式信道估计也产生显著的开销；以及（iv）调制和编码方案（MCS）是足够高阶的，使得由于信道探测开销导致的任何浪费的广播时间施加高的相对成本。场景（ii）是特别令人感兴趣的，因为其使得具有多用户能力的新的802.11基站能够在频谱高效的多用户模式中操作，而所述传统802.11装备否则不支持多用户模式。

为了探究机会探测的关键性能因素，我们针对WARPv3 SDR平台采用了定制的MIMOSDR前端（在例如warpproject.org处可得到）。该平台使能即使在存在用户终端或者环境移动性的情况下经由机会探测表征多用户UHF信道。定制的SDR硬件实现最初针对高速移动隐式多用户信道测量设计的改进的SDR信道探测框架（如在例如Proc. ACM MobiCom，NewYork，NY，第578-591页，2015年中的C. Shepard、A. Javed和L Zhong，“Control ChannelDesign for Many-Antenna MU-MIMO”中提供的那样）。获得实验无线电执照WH2XJV和WJ9XFF以在Houston，TX中的UHF信道上操作实验装备，并且在各种移动性场景中执行一系列室内和室外测量活动，以分析相对于CSI开销的MU-MIMO波束成形容量。

我们发现，利用UHF频谱的固定无线节点在环境和静态移动性场景下表现出长期稳定的CSI。（还已经发现2.4 GHz和5 GHz频谱示出类似稳定性）。因此，我们发现，在低数量的空间流的情况下，即使当考虑使用延迟的CSI的测量的波束成形低效率时，由于收集CSI的减少的开销，主动和机会隐式探测策略二者的性能也显著地超过当前802.11af协议的性能。我们进一步扩展我们的分析，以示出具有更多空间流的机会隐式探测产生增加的益处，使能具有比商用基站中的八的当前最大值多得多的天线的未来系统。

与显式信道探测不同，隐式信道探测依赖于如下假定：发射器与接收器之间的物理信道在性质上是互易的，使得估计下行链路中的CSI等同于估计上行链路方向上的CSI，并且反之亦然。在Proc. ACM MobiCom，Istanbul，Turkey，2012年8月中的C.Shepard、H.Yu、N.Anand、E.Li、T.Marzetta、R.Yang和L.Zhong的“Argos: Practical many-antenna basestations”中描述了精确的阵列互易计算，并且由Proc. IEEE WCNC，第2525-2530页，2013年中的M.Guilaud和F.Kaltenberger的“Towards practical channel reciprocityexploitation: Relative calibration in the presence of frequency offset”提供了下行链路与上行链路信道估计之间的相互信息的实验展示。因此，我们假定上行链路信道估计足以估计下行链路信道用于我们的目的，并且我们提出所有新基站应当具有执行互易校准和提供隐式信道估计的能力。

图3A是示出隐式CSI测量开销的链路时间图。开销包括（1）基站向用户终端广播控制帧，调度（2）来自每个用户终端的交错空数据分组（NDP）上行链路信号。因为NDP的内容是预定的，所以基站可以使上行链路信号与NDP相关以导出上行链路CSI系数，下行链路CSI系数可以从所述上行链路CSI系数确定并且用于确定转向变换。相对于显式信道探测，隐式CSI测量提供了开销中的减少，所述显式信道探测需要用于每个基站天线的CSI系数被测量并且从用户终端中的每个传送到基站，并且需要附加轮询和信道预留开销，如由IEEE Std802.11af-2013提供的那样。显式探测开销约略估计为（scale as）O（MK），而隐式探测开销约略估计为O（K），因为M个基站天线被并行地探测。

隐式信道探测的益处基于节点/环境移动性以及所利用的协议和无线电配置来变化。例如，如果无线信道由于高移动性而快速变化，则将需要频繁的信道探测（无论隐式的还是显式的）以获得准确的CSI。可能需要引起协议开销的每分组信道探测机制（诸如多用户隐式探测机制（例如，在H.Lou、M.Ghosh、P. Xia和R.Olesen，“A comparison ofimplicit and explicit channel feedback methods for MU-MIMO WLAN systems”，IEEEPIMRC，第419-424页，2013年中分析的机制））以确保信道估计在这样的环境中保持准确。

然而，在无线信道在长时间段内保持相干的情况下，例如，由于有限或者缺乏移动性，则对于当前MU-MIMO传输而言依赖于先前收集的CSI变得可能。实际上，这样的环境确实存在于利用亚GHz载波频率的无线网络（例如TVWS网络以及某些固定Wi-Fi网络）中。（在缺少节点移动性的情况下，在2.4 GHz和5 GHz频带中也已经观察到类似信道稳定性）。在这样的环境中，CSI开销可能不必要地减少数据吞吐量，并且因此在本文中提出了机会策略。

图3B是示出完全避免信道探测开销的机会隐式CSI测量的链路时间图。在正常通信活动期间，各种用户终端将分组（包括数据和控制帧）传输到基站。分组报头和帧标记每个都包括用于均衡器训练和/或定时同步的已知模式。基站通过使接收到的信号的相关部分与已知模式相关来导出CSI估计，并且将针对m、k和i的每个组合的最新CSI估计（即，作为基站天线、用户终端天线和频率仓的函数）保存在存储器中。还跟踪经时（age）（即，自从获得估计以来经过的时间）。只要所有估计的CSI的经时小于信道的相干时间，就可以根据需要将其用于对用户分组、确定转向变换、减轻小区间干扰等，而根本不引起任何开销。因此，在图3B中，当基站具有要被发送到各种用户终端的下行链路数据时，可以在（1）处同时计算和使用转向变换。来自用户终端的各种确认（ACK）分组响应为上行链路CSI系数提供被测量并用于更新存储器供随后的下行链路通信使用的另一个机会。

如果确定针对任何用户终端的CSI估计的经时是太大的（即，估计的CSI不再是“新的”），则基站可以发起到该用户终端的目标通信以触发ACK响应或者调度周期性NDP，其中的任一个可以被用于更新针对该用户终端的CSI估计。如果太多时间经过而基站与用户终端之间没有实质的数据通信，则基站可以将用户终端指定为不活跃的并且将其从转向变换去除。这样的引退（retire）策略可以确保用于强制CSI刷新的开销保持低，使得用于机会隐式CSI的开销约略估计为O（1），在很大程度上保持独立于基站天线和用户终端天线的数量。

鉴于802.11af网络的UHF信道可以在相对长时间段内保持稳定，我们的目标是完全避免信道探测并且依赖于接收到的上行链路传输中的标准物理层会聚过程（PLCP）前导（PLCP协议数据单元或者PPDU的分组报头）来估计下行链路信道，因为该估计将在多个分组时标上保持有效。

总之，当历史隐式CSI是可用的并且是新的时，基站形成用户组并且计算用于由MAC调度器确定的最佳多用户传输组中的每个的预编码权重。当隐式CSI对于特定用户终端是不可用的或者失时效的（stale）时，可以采用两种方法中的任一种。1）失时效的用户终端的单个下行链路帧被去排队（de-queued）并且由基站使用MISO全向传输来传输；随后的ACK响应将然后使能更新针对该用户终端的隐式CSI。2）替代地，如果没有业务是可用的，则基站可以回退到传统隐式探测方法。

为了确定在802.11af系统中的这样的机会探测策略的可行性，我们测量一系列室内和室外多用户信道轨迹并且执行协议分析以理解针对机会CSI的策略权衡。使用与在图4中示出的基站设计类似的基站设计来执行测量。主机系统总线402将系统桥406（并且经由系统桥、一个或多个处理器核心404和系统存储器405）耦合到信息存储模块408、外围控制器410、有线网络接口卡412和无线网络接口单元416的中央控制器414。总线402、核心404、存储器405、桥406、存储模块408、外围控制器410和网络接口卡412是包括服务器计算机、嵌入式计算机系统和台式计算机的许多种类的商业上可得到的计算机的常见部件。

信息存储模块408提供数据和软件的非易失性存储，并且可以采取闪存、固态盘、光盘、磁介质或者其他计算机可读介质的形式。当系统启动时，（一个或多个）处理器核心404访问存储模块408以取回软件指令并且将它们存储在系统存储器405和/或高速缓存中，用于快速访问。软件可以包括硬件驱动程序、促进硬件的使用的操作系统层，同时还为应用（诸如例如配置和控制无线网络接口单元416以实现无线网络基站的功能的软件）提供标准化接口。在这样的功能中，可以是在有线网络（经由网络接口卡412）与无线网络之间的传输和接收数据流的传送。

在至少一些实施例中，无线网络接口单元416的中央控制器414采取被编程（例如，经由固件）以实现IEEE Std. 802.11的媒体访问控制（MAC）功能的通用处理器或者可编程数字信号处理器的形式，所述功能包括数据帧的优先化和排序。中央控制器发送针对活跃的用户终端的K个并行下行链路数据流并且接收K个并行上行链路数据流。

集线器418处理K个下行链路数据流并且将其分发给M/2个叶节点420中的每个，每个叶节点包括用于两个独立天线102的收发器。（每个叶节点使用两个天线仅是说明性的并且不对本公开的范围进行限制。考虑了每个叶节点具有更少或更多天线的实现，包括异构组合。）集线器418进一步聚集来自叶节点420中的每个的数字接收信号以形成K个上行链路信号，所述K个上行链路信号被均衡和解码以提取用于中央控制器414的K个上行链路数据流。由集线器418实现的上行链路和下行链路处理在图4中被示出为K个“上PHY”模块的集合。在至少一些实施例中，集线器418采取现场可编程门阵列（FPGA）的形式，但是当然可以替代地采用专用集成电路（ASIC）或者足够并行的可编程处理器。

叶节点420中的每个接收K个并行下行链路数据流并且应用转向变换权重以导出天线特定信号，所述天线特定信号经由收发器被递送到适当的天线。叶节点420从每个天线收发器接收一个天线特定上行链路信号，所述天线特定上行链路信号由适当的转向变换权重处理和加权以确定对K个上行链路信号中的每个的天线特定贡献。图示的叶节点420包括用于两个独立天线的收发器，并且可选地以树或者菊花链布置来配置。当天线特定贡献被确定时，对本地天线的贡献被加在一起，并且在向前朝向集线器传递总和或平均值之前被加到在远离集线器418的方向上从叶节点接收到的任何累积贡献。该相加和传递方法将由在叶节点之间的连接处理的数字接收信号的数量保持恒定在K处。集线器可以执行最后的相加以获得完全累积的K个上行链路信号。

由叶节点420实现的上行链路和下行链路处理在图4中被示出为M个“下PHY”模块的集合（每个叶节点两个）。图5图示了说明性上PHY模块和下PHY模块可以如何合作以为每个收发器和天线提供传输链和接收链。

对于K个下行链路数据流中的每个，说明性上PHY传输模块510实现加扰器512、前向纠错（FEC）编码器514和交织器516。通过将数据流与二进制掩码进行异或，加扰器512使数据流中的比特模式随机化，这通常改进FEC和均衡方案的性能。FEC编码器514通常通过周期性地插入所谓的“奇偶符号”向下行链路数据流添加冗余，所述“奇偶符号”连同码字的数据部分使得检测错误能够被识别和/或校正。交织器516然后以策略方式对码字符号重新排序，所述策略方式提供了先前相邻符号之间的增加的分离。（当该操作在接收链中被反转时，任何集中的错误突发倾向于被转换为孤立的符号错误，所述符号错误被大多数FEC解码器更好地容忍。）由交织器516输出的下行链路数据流仅是从K个上PHY传输模块510提供给M个下PHY模块520的K个数据流之一。

M个说明性下PHY传输模块520中的每个接收K个下行链路数据流并且实现映射器522、波束成形器524、逆快速傅里叶变换（iFFT）模块526和预均衡滤波器528。映射器522将来自K个下行链路数据流的对应的比特映射到频率仓系数的K个集合。映射到每个频率仓的比特的数量可以基于信道响应和噪声的频谱来优化。波束成形器524将用于相关联的天线的转向变换权重应用于频率仓系数以获得频率系数的一个天线特定集合。iFFT模块526将频率系数的集合转换为下行链路信号样本的时域集合。预均衡滤波器528对下行链路信号样本滤波以至少部分地对信道响应预补偿，使得接收到的信号能够表现出减少的样本间干扰。由滤波器528输出的下行链路信号从数字被转换为模拟（并且可选地利用模拟滤波器来清除），以变为从M个下PHY传输模块520提供到M个收发器530的M个下行链路信号中的仅一个。

M个说明性收发器530中的每个利用驱动器532接收下行链路信号，所述驱动器532提供足够的功率以在天线538上施加下行链路信号。驱动器532通过定向耦合器534或者混合器被耦合到天线538，所述定向耦合器534或者混合器将下行链路信号与经由天线538被接收到的任何上行链路信号隔离。低噪声放大器（LNA）536放大天线特定上行链路信号并且提供放大的上行链路信号用于模拟到数字转换（可选地采用预转换模拟滤波器来增强信噪比）并且将天线特定上行链路信号样本提供给下PHY接收模块540。

M个说明性下PHY接收模块540中的每个接收M个天线特定上行链路信号中的一个并且实现滤波器542、快速傅里叶变换（FFT）模块544和波束成形器546。滤波器542可以操作以缩短信道响应。FFT模块544将采样的上行链路信号转换为天线特定频率系数的集合。波束成形器546将转向变换权重应用于天线特定频率系数以产生上行链路信号频率系数的K个集合。由下PHY接收模块540输出的系数的K个集合只是由M个下Phy接收模块输出的集合中的一个并且在累积的上行链路系数集合被递送到集线器时被累积。

在集线器中，K个说明性上PHY接收模块550中的每个接收累积频率系数的集合中的一个并且实现均衡器551、解映射器552、解交织器554、FEC解码器556和解扰器558。均衡器551对累积频率系数执行频谱调整。解映射器552从频率系数提取比特，从而重建上行链路数据流。解映射器552可以是“软”解映射器，其在重建的数据流的符号中保留分辨率的一个或多个额外比特以辅助FEC解码过程。解交织器554反转交织器516的操作，从而分散任何错误突发。FEC解码器556使用在编码过程期间添加的冗余对上行链路数据流操作，以检测和校正符号错误。解扰器558反转加扰器512的操作，从而递送上行链路数据流的重建版本。

滤波器528和542可以是自适应的，或者可以基于从已知数据模式（诸如例如训练序列、帧标记或者分组报头中的其他预定字段）的分析导出的上行链路和下行链路信道响应估计来设置。这样的信道响应估计可以由下PHY接收模块540单独执行或者由下PHY接收模块540与中央控制器414合作地执行。

为了预测具有多个移动用户终端的MU-MIMO环境中的系统性能，我们使用如适用于在以上描述的硬件平台上使用的PCT/US16/29077“Control Channel Design for Many-Antenna MU-MIMO Systems”中描述的控制信道技术执行测量。我们专注于当信道被探测时与当最后的波束成形传输发生时之间的时间间隔的影响。我们将该时间称为“探测-传输间隔”或者S-T间隔。随着S-T间隔增加，在采用迫零转向变换时，在探测的CSI与实际的信道响应之间产生差异，导致用户终端之间的流间干扰以及它们的期望的信号强度中的降低。在移动环境中，非常可能的是，较大的S-T间隔将由于增加的CSI误差而产生较高的流间干扰并且因此降低信号干扰和噪声比（SINR）。因此，S-T间隔对于理解机会隐式探测的性能而言是重要的，因为机会基站可能已经高速缓存从在不同的时间进行的先前的上行链路传输获得的CSI或者使从在不同的时间进行的先前的上行链路传输获得的CSI“失时效”。为了使用该CSI，基站应当利用该失时效的CSI做出关于未来波束成形的传输的决定。

另一方面，隐式或者显式基站在多用户分组的开始处同时刷新所有CSI，这产生几乎为零的S-T间隔。取决于S-T间隔的长度，机会系统可能表现出归因于不必要的探测开销的高的低效率，或者归因于失时效的CSI的差的性能。为了仿真CSI的机会收集，我们表征单个用户终端的CSI中的漂移将如何影响包括多个其他用户终端的未来波束成形传输的性能。我们从将多用户可实现的速率建模为增加的S-T间隔的函数开始。我们的评估方法依赖于信道互易性的假定。我们首先使用在N.Anand、R.E. Guerra和E.W. Knightly的“TheCase for UHF band MU-MIMO”，Proc. ACM Conf. on Mobile Computing andNetworking，Maui，2014年中描述的Argos-WURC系统记录具有4个单无线电用户终端的8x4MU-MIMO系统的一系列上行链路信道轨迹。该系统被用于以2.5或5 ms的常规采样间隔在一分钟的过程内记录多用户CSI。然后我们假定在我们的信道轨迹中的变化仅由物理MIMO信道而不是无线电硬件中的改变引起，并且使用上行链路信道的经验容量代替下行链路。如我们先前已经示出的那样，当执行准确的互易校准并且干扰是相同的时，在一个方向上的信道容量与另一个方向是相同的。

六个不同的试验中的每个在具有通过墙和走廊的小于50 m距离的非视距传播的室内办公室建筑环境；或者（ii）具有直接通过多棵树和灌木丛的高达200 m的非视距传播的室外茂密的森林的环境中执行。测试环境是静态的（不具有有意的移动性但是具有环境运动，诸如在固定的用户终端周围行走的行人）和移动的（具有正由行人物理地携带的一个或两个用户终端）。

让P _jk 表示在用户终端k处接收到的空间流j的信号功率：。如果我们让W _km ∈W为从基站天线m到用户终端k的转向变换权重系数，并且h _mk ∈H为在传输的时刻时对应的瞬时MIMO信道系数，则我们可以计算用户终端k处的经验传输SINR如下：

使用众所周知的Shannon-Hartley定理，我们将波束成形信道的经验可实现速率计算为

。

当用户终端是静态的时，我们观察到，随着S-T间隔增长，存在波束成形性能的最小损失。虽然我们将预期在很大程度上静态环境中将几乎没有CSI中的变化发生，但是意外的发现在于，即使在具有在相同的走廊内行走的行人的非视距环境中，环境移动性对平均的波束成形速率也不具有显著的影响。我们观察到当行人走过用户终端时波束成形性能中的下降，但是这样的破坏是小的、瞬间的，并且对平均速率具有很少影响，在行人已经经过之后返回到高速率。即使以1秒S-T间隔，系统也足够快速地重新探测使得观察到对用户终端平均容量的最小破坏。

另一方面，当用户终端本身变得移动的时，对于移动用户终端而言可实现的容量在大致20 ms的S-T间隔之后快速下降。这仍然表示用于移动用户终端的几十个分组的时标，指示当足够的上行链路业务是可用的时，即使在大约20 ms的S-T间隔的情况下，机会探测基站也将向移动节点提供理想的15%内的每用户波束成形性能。借助仅环境移动性，即使在大约一秒的S-T间隔的情况下，也将实现理想的波束成形性能的15%。

随着S-T间隔增加，我们的针对森林环境的结果与室内环境类似；室外ZFBF系统的平均支持容量对于静态用户终端缓慢降低，而对于移动用户终端则快得多地降低。明显的差异在于，针对室外移动节点的S-T间隔断点在大致50 ms处出现，而在室内测试中，其在大约20 ms处。这将与室外环境一致，虽然也是非视距的，但是其具有较少的多路径反射器并且因此随着用户终端移动时表现出较少的信道变化。我们发现，基于所测量的波束成形容量，高达1秒的S-T间隔是可允许的，以实现固定的用户终端的理想的每用户波束成形容量的15%以内，或者或者对于8 x 4迫零系统中的移动用户终端，20 ms的S-T间隔是可允许的，以实现的理想的波束成形容量的20%以内。

我们还评估了使用固定的S-T间隔来实现特定性能级别的有效性。固定的无线802.11装备的供应商正日益地以时分多址（TDMA）替代方案来替换IEEE Std 802.11 DCFMAC，用于增加长距离效率和QoS，并且可以保证机会CSI对于给定的S-T间隔是可用的。测量了8x4迫零系统中的具有固定重新探测间隔的三个用户终端的可实现速率。如预期的那样，在走廊内以行人速度携带的移动用户终端展示了不能由大的固定的探测间隔准确地跟踪的快速改变CSI。在每个重新探测点处，周期性系统匹配谕示（oracle）容量，并且然后快速地降级到最佳的大致20%。当移动用户终端物理地移动经过静态用户终端时，所述移动用户终端干扰其相对静态无线信道，导致严重的容量损失。除非标识和校正，否则这样的事件难以预测并且可能导致停机（outage）或者大容量损失。基于我们的观察，固定的S-T间隔将导致归因于失时效的CSI的不必要的探测或者过度的容量损失，因为信道可以快速地改变移动性状态。因此，我们得出结论，机会探测策略应当具有自适应部件，所述自适应部件基于当前信道条件和用户终端的移动性状态来调整最大容许S-T间隔。

802.11af标准采用显式探测，并且试图通过传输聚集的数据帧来分摊开销。然而，该方法的效率取决于实际上可用于聚集的帧的数量。我们分析具有各种信道探测策略和具有不同的分组聚集值的MU-MIMO系统的协议性能以便仿真最好情况场景和最坏情况场景二者。对于该分析，我们在聚集之前将单个帧大小设置为1500字节（最大的常规以太网帧大小和对于CSI开销分摊的最好情况）。我们比较三个不同的信道探测策略：

显式802.11af。这是802.11af MU-MIMO的当前标准操作。在该情况中，CSI开销由NDP通告、探测NDP以及在每个下行链路传输之前来自所有802.11af用户终端的轮询和压缩波束成形报告（CBFR）响应的序列引起。对显式性能的上限和下限利用CBFR净荷的最小和最大反馈压缩来计算，所述CBFR净荷的最小和最大反馈压缩是高度供应商特定的实现参数。我们假定没有对来自反馈压缩的性能的减损（impairment），并且绘制中值性能。虽然802.11af标准仅支持高达8个并行空间流，但是我们假定定时和协议性能随着流的数量扩展以便提供用于扩展到大量的天线的参考的点。

针对802.11af的隐式提议。在H.Lou（下文）中，作者提出了通过隐式地利用短NDP估计信道来避免长CBFR的替代的多用户CSI探测协议。在该情况中，CSI开销来自于NDP通告和在每个多用户传输之前被用于隐式信道估计的上行链路NDP的交错序列。因为信道被隐式地估计，所以不存在要显示的反馈压缩的级别。

针对802.11af的机会提议。在该情况下，不存在对于多用户传输的CSI开销。我们探究用于机会基站的操作的三个区域：

1）“机会”。假定所有CSI是机会性地可用的并且不存在对使用失时效的CSI的波束成形惩罚的最佳情况性能。

2）“具有引导的机会”。替代回退模式，其中至多一个用户终端具有失时效的CSI并且基站在每个多用户传输之前将单个分组发送到该用户终端以便隐式地刷新其CSI。这可以被视为快速地将机会CSI引导到先前是不活跃的用户终端的方式。

3）“具有失时效的CSI的机会”。基于我们的环境测量轨迹的对机会性能的轨迹驱动下限。我们假定CSI每秒被机会性地刷新。根据我们的经验主义结果，这将导致具有静态用户终端的环境中的可实现的总和速率中的小于10%的降低。因此，我们将最好情况机会场景的吞吐量减少必要的量，呈现了实现的机会系统可能如何执行的更公平的近似。

在每种情况下，所有ACK按照802.11af规格交错。为了易处理，假定传输是成功的、不需要重新传输并且仅考虑下行链路数据流。为了说明由帧聚集可实现的开销分摊，我们在4x4系统中从1到64变化多用户帧聚集数量，其中所有用户终端仅具有单个天线。虽然我们预期增加的聚集将通常降低信道探测减少协议的效率，但是其还确定协议性能方面的交叉点。对于不具有帧聚集的最基本的调制和编码方案（MCS）选择，我们观察隐式信道探测方法（机会、隐式）和当前显式802.11af策略之间的适度性能差距。机会探测策略将增加吞吐量至多31%，而隐式探测策略将比显式802.11af增加吞吐量21%。然而，随着聚集速率增加，这些替代方案快速地会聚。

当选择较高的MCS选择时，相对探测开销增加，因此增加探测策略的重要性。对于由802.11af支持的最大MCS选择而言，探测开销是昂贵得多的，因为当系统可以以其他方式以高MCS速率操作时，其正以基础速率发送CBFR、轮询分组和ACK，用于鲁棒性。在这些情况下，机会探测可以提高吞吐量186%并且隐式探测可以提高94%，而无需帧聚集。

当考虑帧聚集时，机会探测策略（利用失时效的CSI）的性能严格地比高达35个聚集帧的显式802.11af更好。然而，其在低聚集（少于10个帧）下很少胜过的隐式探测并且然后在较高的帧聚集下表现显著地更差。我们得出结论，对于少量的空间流而言，机会信道探测与隐式信道探测相比较具有大致相等的性能并且当考虑来自失时效的CSI的波束成形误差时潜在地更坏的性能。然而，机会信道探测和隐式信道探测二者提供了胜过当前显式802.11af标准的显著的吞吐量增益。

机会探测的一个强有力的优点在于，当用户终端协作不可用于隐式探测时仍然可以采用机会探测（诸如对于遵守当前802.11af标准的装备而言）。当每用户下行链路业务队列低于3-52 MB时，利用该观察的系统设计将利用机会CSI，取决于当前MCS，并且然后当队列超过该大小并且探测开销可以足够地分摊时恢复到显式探测。对于不报告任何CSI的传统802.11a/b/g/n设备而言，仅机会CSI将是可用的，并且仅在多用户与单用户传输模式之间做出决定。

当系统扩展到较高数量的基站和用户终端天线时，机会探测的另一强有力的优点出现。在较高的规模处，对于显式探测以及甚至隐式探测，协议崩溃发生。我们分析32x16MU-MIMO系统并且观察到，实际上显式信道探测严重地遭受归因于大量的空间流和被传输到基站以报告CSI的显式数据的量的协议拥塞。对于低MCS速率和低于18个帧的帧聚集而言，给定每个传输中涉及的用户终端的数量，机会探测（利用失时效的CSI）甚至胜过隐式探测。在最大支持的MCS下，在探测策略之间出现严格的关系，因为CSI开销在该规模下支配任何其他影响。当信道探测变得极其昂贵时，机会CSI的使用能够提供胜过隐式探测的显著的吞吐量增益，所述吞吐量增益从不具有帧聚集的112%变化到最大聚集下的18%，即使当考虑来自失时效的CSI的惩罚时也是如此。应当完全避免显式探测。

对于MU-MIMO系统的限制因素是移动性。我们执行曾经报告的最广泛的完全移动MU-MIMO信道测量活动，包括不同的环境中的跨UHF、2.4 GHz和5 GHz的高时间-频率分辨率轨迹。在这些测量引导下，我们设计了动态地适应于用户移动性的实际的移动性检测和导频调度系统。该系统对移动环境中的性能具有可忽略的影响，同时由于消除信道探测开销而增加静态环境中的性能150%以上。环境移动性被发现对性能具有最小影响，而用户移动性可能导致大约几毫秒的剧烈的性能波动。此外，我们发现，用户在持久的时间段内通常是静止的或者移动的。

为了将用户分类为静止的或者移动的，我们设计了准确地确定用户的移动性的度量。利用该移动性分类，我们设计导频调度系统，其确保针对移动用户的准确的CSI，同时避免收集针对静止的用户的CSI的不必要的开销。我们在我们的信道轨迹上模拟该导频调度系统并且示出其具有可忽略的性能影响移动拓扑，同时通过去除CSI收集开销在静止拓扑中增加性能150%以上。系统能够独立地跟踪静止的和移动的用户，并且快速地适应于移动性中的改变。

表征移动性对MU-MIMO性能的影响取决于许多因素，包括用户速度、频率、基站天线的数量、波束成形器、环境、SNR等。通常，更快的移动、更高的载波频率以及更多基站天线每个都导致随着用户移动性的容量中的较大的降低。抑制用户间干扰的波束成形器（诸如迫零或者MMSE）也受移动性影响更多；这是因为当用户移动时，他们不仅移出他们预期信号的波束，而且移出由基站创建的干扰零点（interference null），快速地降低他们的信号干扰加噪声比（SINR）。基于我们的信道测量结果，我们发现在2.4 GHz处具有行人移动性的用户可能遭受在短至10 ms内容量中下降超过50％。

可以在每用户的基础上确定移动性，例如，通过使用他们的CSI和他们的波束成形的信道的误差矢量幅度（EVM）。我们的广泛的信道测量结果示出包括其他用户的移动的环境移动通常对用户的性能具有最小影响，使得每个用户能够被独立地对待。不管怎样，以下提出的度量确实检测环境移动性，并且鉴于来自该移动性的足够强的性能影响，将把用户分类为移动的。

我们基于当前CSI与先前的CSI（当可用时）的相关性以及否则波束成形的信道的EVM来确定用户移动性。我们已经发现，静止的环境是长期稳定的并且具有EVM或者相关性的非常少的偏差。此处使用的相关性是两个时间点t ₀和t _f 之间的用户的1xM CSI矢量h的瞬时规格化相关性，其被定义为：

该值与波束成形的信道中的信号强度直接相关，其由0与1之间变化的值表示，其中1表示信道中没有变化并且0表示与用户的先前的位置的完全正交性。当系统计及多个频率仓的使用时，如在正交频分复用（OFDM）中，可以采用频率平均规格化相关性。这可以被计算为：

其中

是频率仓的数量。替代地，为了减小较弱的频率仓对计算的影响，频率平均规格化相关性可以优选地被计算为：

前述计算可以利用所有可用时间和频率CSI信息。替代地，为了减少计算开销，可以采用子集。例如，可以针对每隔N个帧和/或每隔N个频率仓来确定相关性。可以采用多种子采样策略来减少计算开销，同时最小化对移动性检测的有效性的影响。

注意，虽然静止用户具有稳定的相关性，但是存在与理想值1的预期偏移。该偏移由噪声引起，其导致不完美的相关性。在相关性上设置简单阈值被认为不足以鲁棒地确定移动性；幸运的是，静止用户具有相对稳定的噪声水平。因此，我们的度量利用与最后n个CSI值的相关性的平均的偏差来确定在帧f处的移动性：

（在采用多个频率仓的情况下，将使用频率平均规格化相关性代替以上等式中的规格化相关性。）在某些考虑的替代实施例中，使用加权平均值和/或L2范数来计算移动性。例如，可以使用加权平均值来减少平均计算的边缘效应。在任何情况下中，帧f处的该移动性M _f 然后与阈值γ相比较以确定用户是否应当被分类为移动的或者静止的。作为说明性示例，阈值可以被设置在0.9处。该度量是非常有作用的，因为其不取决于噪声或者信号强度，并且具有0到1的恒定范围，使得恒定阈值能够跨环境良好工作。

替代地可以采用偏差的替代测量。例如，可以使用过去的N个测量的标准偏差或者其子采样版本。还可能期望替代的偏差测量的组合用于改进移动性检测。

当CSI是不可用的时，例如，当用户被确定为是静止的并且尚未被调度导频时隙时，我们使用下行链路波束成形信道的EVM代替移动性计算来确定移动性。（注意，使用下行链路波束成形信道是期望的，因为用于即使静止用户的上行链路信道基于来自其他用户的移动来变化。）如果EVM超过预期值，那么用户被确定为是移动的。

一旦已经确定移动性，导频调度系统是相当简单的：针对移动的用户的CSI被定期更新，其中基于波束成形器性能和CSI的测量的时间和频率相干性来确定更新周期。在可能的情况下，使用机会隐式CSI测量，但是如果自从移动用户终端的最后的CSI更新以来经过的时间超过阈值，则调度来自用户终端的导频信号传输。替代地，基站可以调度移动用户终端以以常规的时间间隔可能在频率的子集上发送导频。对于静止的用户可以采用显著较大的经过时间阈值和频率间隔，或者在一些实施例中，静止的用户绝不被调度以发送导频（但是继续将EVM信息传送到基站）。当然，如果静止的用户变得移动，则减小阈值和/或他们开始以常规间隔发送导频。

图6示出了用于针对给定用户终端的移动性确定的说明性状态图。在框602中，当用户终端最初与基站相关联（例如，经由随机接入）时，基站将用户终端分类为“移动的”。在框604中，基站监视移动性指示符（或者EVM代理）并且将其与阈值相比较。计算和比较可以在逐帧的基础上发生，如果移动性指示符落在阈值以下，那么在框606中，基站将用户终端分类为“静止的”。否则，在框602中，用户终端继续被分类为“移动的”。在框608中，基站继续监视移动性指示符并且将其与阈值（或者名义上调整的阈值以提供一些滞后）相比较。如果移动性指示符超过阈值，那么在框602中基站将用户终端分类为“移动的”。否则，在框606中，用户终端继续被分类为“静止的”。

基站在调度导频时可以采用该状态图。当用户终端首次变得活跃时（例如，通过发送随机接入请求），它们将立即被调度以每帧发送导频，直到基于规格化的CSI相关性确定它们的移动性。值得注意地，该相关性连同每个用户的波束成形的信道的EVM将基于噪声和干扰而波动。因此，优选地采用多个帧来确定用户终端是否是移动的，或者仅使用有噪信道。如果相关性和EVM保持在恒定包络内，那么用户终端可以被确定成是静止的，并且因此可以不再需要每帧发送导频。如果相关性在帧之间显著地波动，那么用户终端可以被确定成是移动的，并且（至少在一些实施例中）继续每个帧发送导频直到它们被检测为静止的。（在其中测量CSI的时间和频率相干性的其他实施例中，可以以合适的频率和时间间隔调度导频。）当静止的用户终端的EVM在当它们被确定成是静止的时计算的包络的倍数外波动时，或者当存在信号丢失（dropout）时，则将调度用户终端以在专用时隙中发送导频（首先在波束成形的信道上使用较低的调制速率，然后，如果那失败，则使用典型的寻呼和随机接入方法），在这时刻过程重复自身。

在针对静止和移动用户终端的混合的性能的基于帧的模拟中，假定基站在每个帧的开始处收集CSI。在朴素系统中，针对每帧每用户来收集CSI，而为了比较的目的，我们的提出的系统仅收集针对移动用户的CSI，如使用以上阐述的移动性计算确定每个帧那样。我们的提出的系统示出至多3%损失，因为用户偶尔使用失时效的CSI（针对静止的用户抑制CSI收集）。然而，提出的系统快速地展示随着用户的数量增加而显著地改进的性能。

注意，可以扩展移动性类别。一些系统实施例可以具有多个移动性阈值以区分例如行人与车辆乘客，并且可以提供用于刷新CSI测量的不同的时间表或者截止期限。如以上观察到的那样，用户移动性不是相关的；一个用户移动很少影响其他用户的信道，并且当其影响时，效果是短暂的。因此，可以安全地独立计算用户移动性。基于实验结果，预期两个（移动的、静止的）或者至多三个（车辆、行人、静止的）移动性分类对于接近最佳性能是足够的，但是当然可以使用更多。收集针对用于移动用户的每个帧（特别地在较高的频率处）的CSI测量结果可能是优选的，因为信道在逐波长的基础上演进。

鉴于前述内容，图7是说明性无线通信方法的流程图。在执行确定先前地讨论的互易校准系数所需要的测量之后，方法在框702中以基站执行波束扫描、发送向用户终端提供时间-频率同步和基站标识符的信标开始。同步过程将时间频率时隙分配给用户终端，可选地保留一个或多个时隙，用于由需要经由随机接入协议将它们自身与基站相关联的终端使用，如果基站需要寻呼任何用户终端，则寻呼序列将与波束扫描同时发送。

在框704中，在正交时间-频率时隙中操作的调度系统（诸如LTE）的用户终端可以将导频信号发送到基站，基站使用所述导频信号来测量估计上行链路CSI。在这样的系统中，可以考虑移动性分类用于导频调度，如先前讨论的那样。导频调度还可以或者替代地基于分配给各种用户终端的信道的时间-频率相干性。

然而，在一些系统实施例中（例如，诸如IEEE 802.11af的类似CSMA的网络），正常上行链路业务是足够正交的，使得基站可以基于例如分组报头机会性地收集上行链路CSI测量结果，从而避免了对于调度导频信号的需要。变化可以包括以下内容：在基于CSMA的CSI采集方案中，可以通过将“引导”分组发送到需要更新的CSI的用户终端来更新CSI，从而触发使得基站能够获得上行链路CSI的更新的估计的响应。该引导分组可以是针对该用户终端的队列中的下一分组，其可以是客户端的队列中的最短分组，或者其可以是诸如802.11空闲客户端探测器的虚拟分组。在不存在针对该用户终端排队的分组的情况下，后者可能是最合适的。

在框706中，基站分析CSI测量结果以确定针对每个用户终端的移动性指示符（例如，通过测量规格化相关性与平均值的偏差）。至少一些考虑的实施例可以附加地或者替代地采用代理移动性指示符，诸如例如误差矢量幅度、误比特率、帧丢失、信噪比或者信号干扰比。在一些考虑的替代实施例中，不是依赖于针对静止用户终端的代理移动性指示符（其可能不具有被调度的任何导频），而是静止用户终端可以被调度以发送具有可忽略的开销的非常简短的导频信号（例如，仅使用单个子载波，并且仅周期性地，即不是以每个帧）。我们的实验指示时间和频率中的这样的子采样仍然产生非常鲁棒的移动性检测。

这样的简短的导频甚至可能对于移动用户终端是有用的，因为信道的频率响应在很大程度上由传播环境中的多路径效应确定。（例如，具有到基站的视距信道的用户终端具有几乎平坦的频率响应，而靠近障碍物和反射器的用户终端可能具有极其不同的响应。）区分这些情况的基站可以使用正交频分多址（OFDMA）提供导频的更高效的调度，并且仅调度每个用户收集高质量信道测量所需要的导频持续时间和频率分辨率。

在框708中，为每个用户终端确定移动性分类（例如，移动的或者静止的）。如先前描述的那样，这些分类使得基站能够通过消除其信道未改变的用户终端的不必要的CSI收集来大幅度地提高MU-MIMO的效率。

在框710中，基站可选地对用户终端分组。在框712中，每个组将被分配对应的转向变换（即，“波束成形器”），并且分组可以在考虑到多个随之发生的目标的情况下执行。例如，分组可以至少部分地基于移动性分类来执行。用于仅包含静止的用户终端的任何组的转向变换将是稳定的并且因此不需要被频繁地重新确定。相反地，包含一个或多个移动用户终端的组可以优选地具有基于最新的可用的CSI测量结果频繁地更新的其对应的转向变换。作为另一示例，彼此接近定位的用户终端可能不具有足够正交信道性质以由空间不同的波束很好地服务。这样的用户终端可以被放置在不同的组中，使得可以采用时分或者频分来使干扰最小化。

在框712中，基站将组映射到不同的时间和/或频率时隙，并且对于每个组，确定要被应用于用于该组中的用户终端的下行链路和上行链路信号的对应的转向变换。在一些考虑的实施例中，波束成形器（迫零、共轭）和MCS速率选择可以基于估计的容量来选择。替代地，波束成形器可以基于组的预期的稳定性来选择，使得与迫零相关联的开销可以在与静止用户终端相关联的较长的使用时段内分摊，并且通过使用共轭方法减少针对移动用户终端的频繁地重新确定的转向变换的计算负担。随着时间的推移，这些选择可以被调整和细化以进一步提高实现的容量。

在框714中，基站应用转向变换以在基站天线特定上行链路/下行链路信号与用户终端特定上行链路/下行链路数据流之间转换。在可用的情况下，可以从分类为静止的用户终端收集EVM或者其他性能测量结果。在需要的情况下，基站可以使用下行链路通信来调度导频信号，例如来自移动用户终端或者CSI测量结果被确定为失时效的那些用户终端。

在框716中，基站基于正常上行链路业务（例如，分组报头中的已知模式）、先前调度的导频信号或者收集的EVM或者下行链路性能测量结果来更新CSI测量结果。在框718中，基站基于更新的CSI信息来更新移动性指示符，或者可选地更新对移动性的代理测量结果（例如，将EVM与阈值相比较）。基站然后确定是否需要根据移动性来重新分类任何用户终端和/或是否需要重新确定用户终端分组。基于在框720中检查是否需要调整，由基站实现的方法返回到框708（需要调整）或者框714（不需要调整）。

在本文中描述的实施例被包括以展示本公开的特定方面。本领域技术人员应当理解，在本文中描述的实施例仅表示本公开的示例性实施例并且不应当被视为对本公开或者权利要求的范围的限制。根据本公开，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在描述的具体实施例中做出许多改变并且仍然获得相同或者类似的结果。根据前述描述，本领域普通技术人员可以容易地确定本公开的基本特性，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改以使本公开适于各种用途和条件。一旦充分地理解以上公开，许多这样的替代形式、等同物和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。例如，在本文中讨论的技术可以被应用于任何MU-MIMO无线系统。此外，所述技术可以被应用于无线定位和RFID标签，包括物联网（IoT）设备和控制。旨在将权利要求解释为包含所有这样的替代形式、等同物和修改。

Claims (28)

1.一种无线通信基站，其包括：

由多个天线组成的阵列，用于与空间分布的用户终端交换上行链路和下行链路信号；

多个传输链，每个传输链通过相应收发器耦合到所述阵列中的所述多个天线中的一个天线，所述收发器还将所述多个天线中的所述一个天线耦合到多个接收链中的相应的一个接收链，其中每个接收链经由隐式机会性信道探测从无线上行链路信号导出估计的上行链路信道响应系数；

其中隐式机会性信道探测基于CSI（信道状态信息），所述CSI是可用或不可用的；

其中，当历史隐式CSI是可用的并且是新的时，AP形成用户组并且计算用于由MAC（媒体访问控制）调度器确定的最佳多用户传输组的预编码权重；

其中当隐式CSI是不可用的或者失时效的时，1）针对失时效CSI的单个下行链路帧被去排队并且由AP来传输，并且随后的响应和确认将然后提供所述隐式CSI的更新，或者2）如果没有业务是可用的，则采用传统隐式方法；以及

控制器，其（1）至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定转向变换，以估计互易的下行链路信道，从而针对阵列中的每个天线产生天线特定的下行链路信号，以及（2）至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定移动性指示符，以调度来自用户站中的一个或多个的上行链路导频信号，以及重新导出估计的上行链路信道响应系数并从其重新确定转向变换；

其中形成传输波束用于将无线下行链路信号递送到所述空间分布的用户终端。

2.如权利要求1所述的基站，其中控制器将估计的上行链路信道响应系数与用于确定转向变换的值相比较，并且在检测到足够的差异时重新确定转向变换。

3.如权利要求1所述的基站，其中针对所述阵列中的每个天线，在每个用户终端天线的基础上确定估计的上行链路信道响应系数，并且其中控制器针对每个用户终端天线监视自从导出该用户终端天线的估计的上行链路信道系数以来经过的时间。

4.如权利要求3所述的基站，其中在确定所述经过的时间超过阈值时，控制器通过发起与该用户终端天线的无线分组交换来刷新针对该用户终端天线的估计的上行链路信道响应系数。

5.如权利要求3所述的基站，其中在确定所述经过的时间超过阈值时，控制器将该用户终端天线指定为不活跃的并且重新确定用于活跃的用户终端天线的转向变换。

6.如权利要求4所述的基站，其中控制器从估计的信道响应系数导出用于每个用户终端天线的移动性指示符，并且其中阈值取决于用于该用户终端天线的移动性指示符，其中：

移动性能够基于每个用户确定；

用户是静止的或移动的；

其中可以通过经由可用时间和频率CSI、误差矢量幅度（EVM）或其组合将当前CSI与历史CSI相关联来导出移动性。

7.如权利要求1所述的基站，其中所述多个传输链和多个接收链中的每个分别提供OFDM或者SC-FDMA调制和解调，并且其中估计的上行链路信道响应系数作为基站天线、用户终端天线和频率仓的函数来导出。

8.一种802.11兼容的无线网络通信方法，其包括：

与空间分布的用户终端交换无线上行链路和下行链路信号；

针对用户终端天线和基站天线的每个组合，经由隐式机会性信道探测从无线上行链路信号中的分组报头机会性地导出估计的上行链路信道响应系数；

其中隐式机会性信道探测基于CSI（信道状态信息），所述CSI是可用的并且是新的或不可用的并且失时效的；其中：

当历史隐式CSI是可用的并且是新的时，AP形成用户组并且计算用于由MAC（媒体访问控制）调度器确定的最佳多用户传输组的预编码权重；

当隐式CSI是不可用的或者失时效的时，1）针对失时效CSI的单个下行链路帧被去排队并且由AP来传输，以更新CSI，或者2）如果没有业务是可用的，则采用传统隐式方法；

至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定转向变换；以及

将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于多天线基站的每个天线的天线特定下行链路信号，从而形成用于将无线下行链路信号递送到空间分布的用户终端的波束。

9.如权利要求8所述的方法，其中针对每个基站天线，在每个用户终端天线的基础上导出所述估计的上行链路信道响应系数，并且其中所述方法进一步包括：

针对每个用户终端天线监视自从导出该用户终端天线的估计的上行链路信道系数以来经过的时间；以及

在确定经过的时间超过阈值时，执行包括以下各项的集合中的至少一个动作：

将该用户终端天线指定为不活跃的；或

发起与该用户终端天线的分组交换以刷新估计的上行链路信道响应系数；

以及

重新确定用于活跃的用户终端天线的转向变换。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

将估计的上行链路信道响应系数与用于确定转向变换的值相比较；以及

在检测到足够的差异时，重新确定转向变换。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

从估计的信道响应系数导出用于每个用户终端天线的移动性指示符，其中：基于可用时的当前CSI与先前CSI的相关性来确定移动性，以及否则基于波束成形的信道的EVM来确定移动性，以及

至少部分地基于用于该用户终端天线的移动性指示符来设置阈值。

12.一种无线通信基站，其包括：

由多个天线组成的阵列，用于与空间分布的用户终端交换上行链路和下行链路信号；

多个传输链，每个传输链通过相应收发器耦合到所述阵列中的所述多个天线中的一个天线，所述收发器还将所述多个天线中的所述一个天线耦合到多个接收链中的相应的一个接收链，其中每个接收链从无线上行链路信号导出估计的上行链路信道响应系数；以及

控制器，其至少部分地基于估计的信道响应系数来确定转向变换，

其中传输链将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于阵列中的每个天线的天线特定下行链路信号，

其中控制器至少部分地基于估计的信道响应系数、当前与先前CSI的相关性、误差矢量幅度（EVM）或其组合来确定用于每个用户终端的移动性指示符，以及

其中控制器基于移动性指示符来调度包括以下各项的集合中的至少一个动作：无动作，从用户终端中的至少一些传输上行链路导频信号，重新导出估计的上行链路信道响应系数，以及重新确定转向变换。

13.如权利要求12所述的基站，其中接收链基于无线上行链路信号中的导频信号来导出估计的上行链路信道响应系数，并且其中控制器基于所述移动性指示符来调度导频信号。

14.如权利要求13所述的基站，其中多个传输链和多个接收链中的每个分别提供OFDM调制和解调，并且其中估计的上行链路信道响应系数作为基站天线、用户终端天线和频率仓的函数来导出。

15.如权利要求14所述的基站，其中控制器调度所述上行链路导频信号，用于相对于频率仓进行子采样。

16.如权利要求15所述的基站，其中控制器至少部分地基于所述移动性指示符来设置子采样的程度。

17.如权利要求12所述的基站，其中所述移动性指示符由针对给定的用户终端天线的当前和过去的估计的上行链路信道响应系数的规格化点积的相对于基线值的差来表示。

18.如权利要求17所述的基站，其中基线值是先前的规格化点积的移动平均值。

19.如权利要求18所述的基站，其中包括先前的规格化点积的规格化点积中的每个使由固定时间延迟分离的估计的上行链路信道响应系数相关。

20.如权利要求17所述的基站，其中规格化点积是在频率仓上平均的点积与在频率仓上平均的幅度积之间的比率。

21.如权利要求17所述的基站，其中规格化点积是点积与幅度积之间的平均比率，所述比率在频率仓上进行平均。

22.如权利要求12所述的基站，其中控制器至少部分地基于移动性指示符来对用户终端分组，并且其中作为确定转向变换的部分，控制器确定用于每个用户终端组的转向变换。

23.如权利要求12所述的基站，其中空间分布的用户终端中的至少一些按照IEEE Std802.11（2012）提供所述上行链路信号并且接收所述下行链路信号。

24.一种无线网络通信方法，其包括：

与空间分布的用户终端交换无线上行链路和下行链路信号；

针对用户终端天线和基站天线的每个组合，从无线上行链路信号导出估计的上行链路信道响应系数；

至少部分地基于估计的上行链路信道响应系数来确定转向变换；

将转向变换应用于空间上不同的下行链路信号以产生用于多天线基站的每个天线的天线特定下行链路信号，从而形成用于将无线下行链路信号递送到空间分布的用户终端的波束；

至少部分地基于估计的信道响应系数来确定用于每个用户终端的移动性指示符，移动性指示符是基于可用时的当前CSI与先前CSI的相关性来确定移动性，以及否则基于波束成形的信道的错误矢量幅度（EVM）来导出的；以及

基于移动性指示符来调度包括以下各项的集合中的至少一个动作：从用户终端中的至少一个传输上行链路导频信号，重新导出估计的上行链路信道响应系数，以及重新确定转向变换。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述估计的上行链路信道响应系数基于无线上行链路信号中的导频信号，并且其中所述调度包括基于移动性指示符，基于可用时的当前CSI与先前CSI的相关性来确定移动性，以及否则基于波束成形的信道的错误矢量幅度（EVM）每隔一段时间获得周期性导频信号。

26.如权利要求24所述的方法，其中移动性指示符表示针对给定的用户终端天线的当前和过去的估计的上行链路信道响应系数的规格化点积的相对于基线值的差，并且其中基线值是先前的规格化点积的移动平均值。

27.如权利要求26所述的方法，其中规格化点积是在频率仓上平均的点积与在频率仓上平均的幅度积之间的比率。

28.如权利要求26所述的方法，其中规格化点积是点积与幅度积之间的平均比率，所述比率在频率仓上进行平均。

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