一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法与流程

本发明涉及无线通信领域技术领域中，无线局域网分布式接入系统的信道估计及更新，特别是指一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法。

背景技术：

随着智能手机的普及、可穿戴设备的大量应用和多媒体业务的快速发展，全球移动数据呈现井喷式的增长。根据思科公司的预测报告，至2019年，全球无线数据流量将是当前数据量的十倍，达到3000亿GB，届时全球无线通信设备，尤其是智能移动终端的普及率将达到70％。海量的数据业务为传统无线网络架构带来的不仅是通信量的增长，多种类方便快速的无线数据接入方式也是当前的主要问题之一，以WiFi为代表的无线局域网(WLAN)技术已经为人们广泛的采用。

多输入多输出(MIMO)技术自被WLAN标准IEEE 802.11n协议采用以来，已经被理论和实践证实能够在空间域支持WLAN拥有更高的速率和更可靠的传输。最新的WLAN标准IEEE802.11ac、以及孕育中的新一代标准IEEE802.11ax，更吸纳了多用户MIMO(MU-MIMO)技术，以成倍地增加下行链路传输数据。为了同时向多个用户传送数据，又不引发用户间数据流的干扰，需要对无线信道进行估计，获得信道状态信息(CSI，Channel State Information)，通过波束成形(Beamforming)技术，在发送端进行预编码，以抵消不同空间流之间的干扰。因此，CSI估计及其效率成为了制约WLAN多用户MIMO传输的关键技术。

本专利旨在对当前802.11ac协议的CSI估计及更新进行改进，提高CSI估计的效率，从而提高多用户MIMO的可行性和性能，进而提高网络的吞吐量和服务质量。

由于WLAN信道的开放性和多变性，已经证明在多用户MIMO波束成形应用时，采用显式的信道反馈(explicit feedback)更有利于提高系统性能。而显式反馈信道状态信息的副作用就是时域上的开销降低了整个系统的效率。尽管802.11ac已经在时域、频域、精度三个方面对信道状态信息进行了压缩，但是当用户规模增长时，时域的开销仍会大大降低多用户MIMO的性能，甚至导致整个系统性能的恶化。同时，应用正交频分复用(OFDM)技术的WLAN需要在频段内每个子载波上进行信道的规划，穷举算法的复杂度是追求低复杂度硬件的商用接入点(AP，Access Point)所不可接受的。

正是局限于这些问题，多用户MIMO尚未大规模应用于商用产品。实际上，静止用户的信道相干时间足以传输几个数据单元，而运动的用户的信道相干时间则短得多，当前协议中的针对每个包都进行信道估计实际上存在过量估计。且802.11ac协议每次信道估计都会传输所有用户的CSI，由AP进行统一的规划，但最终的多用户MIMO上限只有4路空间流，当用户数量增加时，不仅为AP带来巨大的计算压力，更造成大量的CSI信息传输时间的浪费。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法，用以提高多用户MIMO的通信效率，提高WLAN吞吐量。

基于上述目的本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法，包括：

S10，AP竞争获得信道控制，多用户MIMO下行传输开始；

S11，AP各个AC通过EDCA竞争，确定主、副AC地位，将主AC的第一个包的目的站设为主用户，并发送NDPA包；

S12，AP在发送NDPA包后发送NDP包，AP的所有用户分别通过NDP包物理帧头进行信道估计得到自身CSI，根据相干条件判断所述自身CSI是否过期并更新相干窗口值；

S13，所述主用户向AP回应自身CSI，其他用户保持沉默并等待，AP收到后更新主用户CSI，并将主用户加入已选用户组；

S14，AP遍历数据库中未过期的CSI，在判定任一未过期的CSI与所述已选用户中的所有用户信道正交后，通过短信令通信更新所述未过期的CSI对应用户的相干窗口值、将其加入已选用户组并根据反馈信噪比为当前空间流选取合适的调制与编码策略；

S15，AP选取与所述已选用户组中所有用户信道正交的信道，分别发送探针帧，所有未加入已选用户组的用户通过CSI竞争获取传输机会；

S16，AP根据信道估计结果编码传输数据帧。

可选的，所述S14具体包括：

S20，AP在数据库中选取未过期的CSI，判断所述未过期的CSI是否与已选用户组中所有用户信道正交，若是则向所述未过期的CSI对应用户发送终端状态请求帧；

S21，所述未过期的CSI对应用户收到终端状态请求帧，向AP回应终端状态帧，所述终端状态帧中信息包含主用户CSI是否过期、接受信噪比以及相干窗口值；

S22，AP收到用户反馈的终端状态帧帧，更新所述未过期的CSI对应用户的相干窗口值；若CSI未过期，则将该用户加入已选用户组并根据反馈信噪比为当前空间流选取合适的调制与编码策略；若CSI已过期，重置数据库中该用户CSI更新时间；

S23，判断数据库中是否仍有CSI未过期用户，若是则执行步骤S20，若否则执行步骤S15。

可选的，所述S15具体包括：

S30，AP判断是否已用尽所有空间自由度；若否则执行步骤S31，若否则执行步骤S16；

S31，AP计算与已选择用户组所有用户信道正交的信道，并向这些方向发送探针帧；

S32，所有未被选择用户监听信道，量化探针帧信噪比参与竞争，拥有信噪比最大的用户获得传输机会并向AP返回CSI；

S33，AP接收CSI，将CSI对应用户加入已选用户组，更新其CSI和CSI更新时间；执行步骤S30。

可选的，所述S32具体包括：

S40，所述未被选择用户选择监听到的全部探针帧中接收信噪比最大的探针帧进行信噪比量化，映射为8位的二进制量化值；

S41，在后续8个时隙中，各所述未被选择用户的量化值对应位若为“1”则发送一位信号，若为“0”则监听信道；若任一未被选择用户监听到其他用户发送信号，则退出竞争；

S42，完成8时隙竞争后，若剩余2个或2个以上用户，AP停止后续CSI竞争，通过已有的信道信息进行多用户MIMO数据传输；若剩余1个用户，该用户向AP返回其CSI。

可选的，所述S12中，AP的所有用户分别通过NDP包物理帧头进行信道估计得到自身CSI，根据相干条件判断所述自身CSI是否过期并更新相干窗口值，具体包括：

S50，用户计算自身信道相干系数，判断自身相干系数是否小于预设门限值；若小于，则判定所述用户CSI过期，更新用户端CSI和信道更新时间；若不小于，则判定所述用户CSI未过期；

S51，判断信道估计间隔是否大于信道相干窗口；若CSI过期且信道估计间隔大于相干窗口，或者CSI未过期且信道估计间隔小于相干窗口，则信道相干窗口不变；若CSI过期且信道估计间隔小于信道相干窗口，则信道相干窗口减小；若CSI未过期且信道估计间隔大于相干窗口，则信道相干窗口增长。

可选的，所述信道相干系数计算式如下：其中L为信道增益取样的总长，T为相干时间，h(t)为当前信道的增益矩阵/向量。

可选的，所述信道估计间隔为当前时间与上次信道更新时间的差值；所述信道相干窗口为用户端和AP端存储的对信道相干时间的动态估计值；所述信道相干窗口在用户端每次收到NDP时更新，在AP端每次进行MU-MIMO的终端响应过程中被更新。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法，通过将信道估计以竞争的方式分散到用户端减小了AP端对信道规划的压力，同时对AP端每个用户的信道状态信息CSI设定计时器，通过CSI动态更新算法动态地更新CSI，以减少不必要的信道估计，进而在时域上压缩信道估计开销，从而提升系统性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的另一实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的又一实施例的流程示意图；

图4为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的可选实施例的流程示意图；

图5为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中终端状态请求帧的帧结构示意图；

图6为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中终端状态帧的帧结构示意图；

图7为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中分布式信道估计探针方向示意图；

图8为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中CSI竞争机制的示意图；

图9为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的一个实际应用举例的示意图。

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，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的一个实施例的流程示意图。如图所示，基于上述目的，在本发明的一个方面提供一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法，包括：

S10，AP竞争获得信道控制，多用户MIMO下行传输开始。

S11，AP各个AC通过EDCA竞争，确定主、副AC地位，将主AC的第一个包的目的站设为主用户，并发送NDPA包。

S12，AP在发送NDPA包后发送NDP包，AP的所有用户分别通过NDP包物理帧头进行信道估计得到自身CSI，根据相干条件判断所述自身CSI是否过期并更新相干窗口值。

S13，所述主用户向AP回应自身CSI，其他用户保持沉默并等待，AP收到后更新主用户CSI，并将主用户加入已选用户组。

S14，AP遍历数据库中未过期的CSI，在判定任一未过期的CSI与所述已选用户中的所有用户信道正交后，通过短信令通信更新所述未过期的CSI对应用户的相干窗口值、将其加入已选用户组并根据反馈信噪比为当前空间流选取合适的调制与编码策略。

S15，AP选取与所述已选用户组中所有用户信道正交的信道，分别发送探针帧，所有未加入已选用户组的用户通过CSI竞争获取传输机会。

S16，AP根据信道估计结果编码传输数据帧。

步骤S11中，EDCA(Enhanced Distributed Channel Access，增强型分布式信道访问)是IEEE 802.11e中提出的新的MAC层接入机制，引入了业务等级的概念，增加了一些新的QoS参数和帧结构，增强了WLAN的QoS性能。

步骤S11中，NDPA包是在802.11ac协议中定义的一种探测协议(VHT Sounding protocol)内包含的数据帧，该协议可以让接收端有机会帮助发送到更好地进行波束成形工作；同理步骤S12中的NDP包也是上述探测协议中的数据帧。

步骤S14中，所述数据库中主要包含以下数据(每个接入用户的)：用户AID(Association identifier，关联标识符)，(最后一次更新的)用户信道更新时间，用户信道更新窗口，信道是否过期，(最后一次更新的)用户CSI。

从本实施例的步骤可以看出，本实施例提供的方法通过将信道估计以竞争的方式分散到用户端减小了AP端对信道规划的压力，同时对AP端每个用户的信道状态信息CSI设定计时器，通过CSI动态更新算法动态地更新CSI，以减少不必要的信道估计，进而在时域上压缩信道估计开销，从而提升系统性能。

图2为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的另一实施例的流程示意图。如图所示，在另一的实施例中，所述S14具体包括：

S20，AP在数据库中选取未过期的CSI，判断所述未过期的CSI是否与已选用户组中所有用户信道正交，若是则向所述未过期的CSI对应用户发送终端状态请求帧。

S21，所述未过期的CSI对应用户收到终端状态请求帧，向AP回应终端状态帧，所述终端状态帧中信息包含主用户CSI是否过期、接收信噪比以及相干窗口值。

S22，AP收到用户反馈的终端状态帧，更新所述未过期的CSI对应用户的相干窗口值；若CSI未过期，则执行S22.1，选择该用户进行多用户MIMO，将该用户加入已选用户组，将该用户加入已选用户组并根据反馈信噪比为当前空间流选取合适的调制与编码策略(MCS，Modulation and Coding Scheme)；若CSI已过期，则执行S22.2，不选择该用户进行多用户MIMO，重置数据库中该用户CSI更新时间，该用户准备进行CSI竞争。

S23，判断数据库中是否仍有CSI未过期用户，若是则执行步骤S20，若否则执行步骤S15。

图5为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中终端状态请求帧的帧结构示意图；图6为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中终端状态帧的帧结构示意图。参考附图可见，所述终端状态请求帧(DSR，Destination State Request)包括Frame Control、Duration、RA、TA、STA Info和FCS字段，所述终端状态帧(DS，Destination State)包括Frame Control、Duration、RA、Sounding Response和FCS字段。其中Frame Control、Duration、RA、TA、FCS分别代表帧控制字段、帧长(持续时间)、收站地址、发站地址、帧校验序列，与当前802.11标准的定义完全相同，以求兼容。

在终端状态请求帧中STA Info字段，进一步包含AID12、Feedback Type和Nc Index三个子字段；其中AID12是12bit的关联标识；Feedback Type指单用户/多用户信道反馈，0为单用户，1为多用户，这里此字段应固定为1；Nc Index为信道反馈的矩阵大小，值的大小为Nc-1；以上DSR帧中的STA Info字段设置与802.11标准兼容。

在终端状态帧中的Sounding Response字段，进一步包含Response、SNR Map Value和Coherence Window三个子字段；其中Response代表用户判断CSI是否过期，若过期其值为0，未过期其值为1；SNR Map Value为信噪比量化值，用于MCS选择；Coherence Window为信道相干窗口值。以上Sounding Response字段在802.11标准中无相似定义，需要添加额外的代码实现。

从上面所述可以看出，本实施例通过自定义的终端状态请求帧和终端状态帧，实现了AP和用户之间的短信令交互，从而确定信道状态，更新相干窗口并反馈信噪比。

图3为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的又一实施例的流程示意图。图7为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中分布式信道估计探针方向示意图。如图所示，在又一实施例中，所述S15具体包括：

S30，AP判断是否已用尽所有空间自由度；若否则执行步骤S31，若是则执行步骤S16。

S31，AP计算与已选择用户组所有用户信道正交的信道，并向这些方向发送探针帧。

S32，所有未被选择用户监听信道，量化探针帧信噪比参与竞争，拥有信噪比最大的用户获得传输机会并向AP返回CSI。

S33，AP接收CSI，将CSI对应用户加入已选用户组，更新其CSI和CSI更新时间；执行步骤S30。

其中，步骤S30中，判定用尽所有空间自由度的条件是，用户端接受天线总数等于AP端可用天线总数。另外，为了与802.11ac标准兼容，本申请实施例中的多用户MIMO下行最大并行传输用户数为4。

较佳的，所述S32具体包括：

S40，所述未被选择用户选择监听到的全部探针帧中接收信噪比最大的探针帧进行信噪比量化，映射为8位的二进制量化值。

S41，在后续8个时隙中，各所述未被选择用户的量化值对应位若为“1”则发送一位信号，若为“0”则监听信道；若任一未被选择用户监听到其他用户发送信号，则退出竞争。

S42，完成8时隙竞争后，若剩余2个或2个以上用户，AP停止后续CSI竞争，通过已有的信道信息进行多用户MIMO数据传输；若剩余1个用户，该用户向AP返回其CSI。

图8为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的实施例中CSI竞争机制的示意图，参考附图，本实施例中，量化时信噪比大小应映射为8bit的整数量化值N(SNR)(建议进行线性映射)，并通过8个时隙(这里的时隙与802.11ac的退避时隙不同，因为用户只需要判断其他站的发送信号功率是否超过阈值，因此此处每个时隙仅需要很短的时间，具体的时间与各站射频前端接收和发送状态转换时间有关，经过模拟得到的优选方案中，我们设定此处整个8个时隙的时间共计27us，即3个802.11标准退避时隙时长，包括每个bit时隙4us和最后3us空闲)进行竞争。用户在每个时隙时，判断时隙顺序对应量化值位的数值为“1”还是为“0”，若量化信噪比对应位为“1”，则该用户发送一位信号，若量化信噪比对应位为“0”则该用户不发送信号并监听信道；如果监听到其他用户发送信号，代表其他用户在对应信噪比量化位大于本用户，因此停止竞争，最终成功发送全部8时隙的站为量化信噪比最大的站，它赢得竞争并传送CSI。有很小的可能两个站同时竞争到信道发生冲突，此时AP应停止后续的CSI竞争，通过已有的信道信息进行多用户MIMO数据传输。

图4为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的可选实施例的流程示意图。如图所示，在一可选的实施例中，所述S12中，AP的所有用户分别通过NDP包物理帧头进行信道估计得到自身CSI，根据相干条件判断所述自身CSI是否过期并更新相干窗口值，具体包括：

S50，用户计算自身信道相干系数，判断自身相干系数是否小于预设门限值；若小于，则判定所述用户CSI过期，更新用户端CSI和信道更新时间，若不小于，则判定所述用户CSI未过期。

S51，判断信道估计间隔是否大于信道相干窗口；若CSI过期且信道估计间隔大于相干窗口，或者CSI未过期且信道估计间隔小于相干窗口，则信道相干窗口不变；若CSI过期且信道估计间隔小于信道相干窗口，则信道相干窗口减小；若CSI未过期且信道估计间隔大于相干窗口，则信道相干窗口增长。S51的逻辑流程具体参考图4。

需要说明的是，在步骤S12及其子步骤中，用户端判定CSI过期与AP判定CSI过期是分布进行的，不同步的。所有情况下，用户都会通过NDP在每次进行下行多用户MIMO传输时对信道进行评估，更新相干窗口；AP只能比较相干窗口和估计时间间隔的大小来判断CSI的新鲜程度。且只有当其认为CSI是新鲜(未过期)的时候才会与用户通信，向其确认CSI是否可用；这时用户将自己的信道估计结果(只有CSI是否过期以及相干窗口)反馈给AP，AP根据反馈结果确定是否传输给此用户，但不管CSI是否过期都会更新窗口值。

较佳的，所述信道相干系数计算式如下：其中L为信道增益取样的总长，T为相干时间，h(t)为当前信道的增益矩阵/向量。此公式为802.11标准中建议的信道相干系数求取公式。

在一些较佳的实施例中，所述信道估计间隔为当前时间与上次信道更新时间的差值；所述信道相干窗口为用户端和AP端存储的对信道相干时间的动态估计值，范围是0-1024(10bit)，单位毫秒(ms)，信道相干窗口在用户端每次收到NDP时更新，在AP端每次进行MU-MIMO的终端响应过程中被更新。信道相干窗口初始值建议为16ms，建议增长和减小策略为指数增长，这样可以保证移动用户和静态用户都能较快收敛到合适的相干窗口值。所述信道相干窗口在用户端每次收到NDP时更新，在AP端每次进行MU-MIMO的终端响应过程中被更新。

图9为本发明提供的一种WLAN中分布式CSI估计及动态更新方法的一个实际应用举例的示意图。如图所示，用户1为主用户，用户2由于AP端CSI未过期发起了终端状态响应过程，并成功验证了CSI未过期，收到DS帧后AP将用户2加入到已选择用户组，并没有发现CSI未过期且与用户1和用户2信道都正交的用户，因此发送了与用户1和用户2信道均正交的探针，所有其他用户通过N(SNR)主导的竞争，用户3和用户4分别在两轮竞争中胜出并向AP传送了CSI，至此AP空间自由度用尽(同时也达到了MU-MIMO的用户数量上限)，通过用户1-4的CSI对数据帧进行编码，完成下行链路MU-MIMO传输。

本发明为一种WLAN中分布式信道估计及CSI动态更新方法，优点在于：

(1)提出了一种分布式的信道估计方法：通过探针将信道相干性评估分散到所有的用户并行处理，不仅有效降低了AP负担，而且大大减少了不必要的CSI传输，降低了信道估计时间开销，提高了信道估计的效率。

(2)提出了一种动态的CSI更新机制：动态更新CSI能够有效的匹配动态、静态用户。对于动态用户能够以较短的时间更新CSI提高MU-MIMO性能，对于静态的用户能够有效利用较长的信道相干时间减少冗余的信道估计，降低信道估计开销，提升效率。

(3)引入了终端状态请求(DSR)和终端状态(DS)帧结构：通过DSR和DS帧交互，提供了一种用低开销高效率的AP-用户信息交互，通过CSI是否过期、信道相干窗口和信噪比等信息交互，有效的减少了CSI传输频率，同时这种方法是动态可靠的，即：在用户状态发生改变时(如有静态至动态)能够及时的调制相干窗口，反馈CSI过期，从而避免了由于用户状态改变带来的CSI误差导致的传输失败。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。