站点、AP、信道状态信息反馈、波束赋形方法及存储介质与流程

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种信道状态信息反馈、波束赋形方法、ap、站点及存储介质。

背景技术：

在目前的wifi系统中，使用正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)技术来提升频谱效率。随着多进多出(multiple-inmultipleout，mimo)技术的应用，进一步挖掘了空间复用以提升频谱效率。为了支持mimo，发射机通常会设置多个发送天线，这使得波束赋形(beamforming)成为了可能。

为支持波束赋形，以达到更好的多天线发射性能，无线接入点(accesspoint，ap)需要站点(station)反馈信道状态信息(channelstateinformation，csi)。csi所反馈的信道指的是等效信道，所述等效信道是指：发射信号所经过的空间信道并综合ap发射机和station接收机的电路对信号产生的影响，所得到的信道。

为了方便站点反馈csi，无线接入点会向站点发送一帧训练帧，站点的接收机会在接收到训练帧时，会对训练帧对应的等效信道进行估计，并将等效信道估计结果通过csi反馈至无线接入点。无线接入点基于训练帧对应的等效信道状态信息进行预编码和波束赋形。

然而，现有波束赋形的效果不足够好，特别是在某些情况下，可能会很差。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：现有波束赋形的效果不足够好，特别是在某些情况下，可能会很差。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种站点，包括：接收处理电路，适于处理多个接收天线上的训练帧以获得多个训练帧的信号功率；组合单元，适于产生信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、所述多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与接收处理电路的增益值相关。

本发明实施例还提供了一种信道状态信息反馈方法，包括：接收处理电路处理多个接收天线上的训练帧以获得多个训练帧的信号功率；产生信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、所述多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数对应关系，所述噪声系数与所述射频电路的增益值相关。

本发明实施例还提供了一种无线接入点，包括：接收单元，适于接收信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与站点中接收处理电路的增益值相关；更新单元，适于在满足第一条件时更新所述信道状态信息，所述第一条件包括：所述多个训练帧的信号功率不一致。

本发明实施例还提供了一种波束赋形方法，包括：接收信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与站点中接收处理电路的增益值相关；在满足第一条件时更新所述信道状态信息，所述第一条件包括：所述多个训练帧的信号功率的信号功率不一致。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，包括：所述计算机程序被处理器执行，以实现上述所有方法的步骤。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

本发明的station会将训练帧的信号功率，以及信号功率与噪声系数的对应关系放入信道状态信息csi中。因此，在这种新的信道状态信息csi中，除了常规的酉阵和奇异值矩阵，还包括训练帧的信号功率，以及信号功率与噪声系数的对应关系。这为ap根据新的信道状态信息csi更新预编码方案提供了基础，以此可以极大的提高波束赋形效果。

附图说明

图1是增益和噪声系数的关系图；

图2是本发明实施例的站点结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细地说明。

为了方便站点(station)反馈csi，无线接入点(ap)会发送一帧训练帧，帮助station估计csi，此处所述的csi是指等效信道的状态信息。所述等效信道是指：发射信号所经过的空间信道并综合ap发射机和station接收机的电路对信号产生的影响，所得到的信道。

具体来说，现有station接收机的电路包含接收天线和射频电路等部分。同一根接收天线上的输入信号会因实际场景的不同而具有不同的信号功率，而不同接收天线上的输入信号也会具有不同的信号功率。射频电路主要包括信号放大部分和混频部分，可以将接收天线上的输入信号转化为基带信号。射频电路的放大部分主要是低噪声放大器((lownoiseamplifier，lna)和可变增益放大器(variablegainamplifier，vga)。

station接收机的动态范围较大，小至可能要接收-100dbm的信号，大至要接收10dbm的信号。射频电路的增益值主要取决于lna的增益，为了方便理解，下面仅以lna做分析。如图1所示，lna通常设置多个增益档位，增益档位越大，线性范围越小，噪声系数(noisefigure，nf)越小。station估计信道时，不同接收天线连接的lna可能使用不同的增益档位，即具有不同的nf。这使得信道通过射频电路后，空间信道叠加射频电路后的等效信道会因nf而改变，station接收机估计的正是这样的等效信道。

由于波束赋形(beamforming，bf)的效果，station在接收训练帧与接收数据帧时，训练帧和数据帧在接收天线上的信号功率不同，使得lna所使用的增益档位可能不一样。以2个接收天线为例：训练帧在2个接收天线上的信号功率可能分别为-50dbm和-60dbm，ap进行bf后，数据帧在2个接收天线上的信号功率可能分别为-55dbm和-55dbm。这使得station在接收训练帧和数据帧时，与这2个接收天线连接的射频电路使用不同的增益档位，从而具有不同的噪声系数，即接收天线上输入信号的各档信号功率均具有与之对应的噪声系数，训练帧对应的等效信道与数据帧对应的等效信道也不相同。

基于上述研究，申请人发明人提出一种新的station结构。如图2所示，本发明实施例的站点包括：接收处理电路和组合单元5。接收处理电路是station接收机中的主要组成部分。

接收处理电路适于处理多个接收天线1上的训练帧，以获得多个训练帧的信号功率。

组合单元5适于产生信道状态信息csi，所述信道状态信息csi包括：第一对应关系、训练帧的信号功率以及酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)，k表示第k个子载波。其中，所述酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)与训练帧对应的等效信道矩阵h(k)相关；所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与所述接收处理电路的增益值相关。

从上述技术方案可以看出，本实施的station会将多个训练帧的信号功率，以及信号功率与噪声系数的对应关系放入信道状态信息csi中。因此，在这种新的信道状态信息csi中，除了常规的酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)，还包括训练帧的信号功率，以及信号功率与噪声系数的对应关系。这为ap根据新的信道状态信息csi更新预编码方案提供了基础，以此可以极大的提高波束赋形效果。

下面对station的组成结构做详细说明。

所述接收处理电路可以包括：射频电路2和处理单元3。

射频电路2适于处理多个接收天线1上的训练帧以产生对应的基带信号，射频电路2的增益值与所述接收处理电路的增益值相关。具体的，射频电路2可以对训练帧进行信号放大和混频处理以产生所述基带信号。

可选的，射频电路2包括低噪声放大器21、混频器22和可变增益放大器23，其中，射频电路2的增益值与低噪声放大器21和可变增益放大器23的增益值相关。

低噪声放大器21的输入端适于输入训练帧，所述低噪声放大器21的输出端连接混频器22的输入端。混频器22适于对其输入端接收到的信号进行混频处理，并通过其输出端输出混频处理后的信号。混频单元22可以将信号的中心频率从射频搬移到零频。可变增益放大器23的输入端连接混频器22的输出端，可变增益放大器23的输出端适于输出所述基带信号。

处理单元3适于根据所述基带信号和射频电路2的增益值获得所述训练帧的信号功率，训练帧的信号功率与接收天线的编号相对应。处理单元3可以包括：模数转换单元31、增益控制单元32和功率计算单元33。

模数转换单元31可以对射频电路2输出的基带信号进行模数转换，以产生对应的数字信号。增益控制单元32可以调节射频电路2的增益值，并将该增益值发送至功率计算单元33。功率计算单元33可以计算出基带信号对应的数字信号的功率。功率计算单元33根据计算出的数字信号的功率，以及增益控制单元32发送的增益值计算出接收天线1上训练帧的信号功率。

其中，增益控制单元32可以连接低噪声放大器21和可变增益放大器23以调节其增益值，低噪声放大器21和可变增益放大器23按照增益控制单元32调节的增益值对训练帧进行信号放大处理。增益控制单元32可以为自动增益控制(automaticgaincontrol，agc)电路。可以理解的是，噪声放大器21和可变增益放大器23的增益值实际代表了射频电路2的增益值。

本实施例的station还包括信道估计与分解单元4。ofdm系统通常有若干个子载波，信道估计与分解单元4可以对训练帧在每个子载波上的等效信道矩阵h(k)进行分解，以获得酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)。

以ap具有2个发射天线、station具有2个接收天线的系统为例，其在第k个子载波上的等效信道矩阵h(k)可以表示为：

hji为ap中第j个发射天线至station中第i个接收天线的等效信道矩阵。

等效信道矩阵h(k)可分解如下：

svd表示进行svd分解；u(k)和v(k)是酉阵；s(k)是奇异值矩阵，s1(k),s2(k),...是奇异值。diag表示对角阵，其对角线元素是s1(k),s2(k),...

组合单元5将训练帧的信号功率、信号功率与噪声系数的对应关系以及酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)组合成包，作为csi，用于向ap反馈。其中，信号功率与噪声系数的对应关系可以根据射频电路的规格或相关测试电路的参数得到的数据制作而成，预先存在组合单元5中。所述信号功率与噪声系数的对应关系，本领域技术人员可以根据实际需要进行制作。

本发明还提供一种信道状态信息反馈方法，包括：

步骤s1，接收处理电路处理多个接收天线上的训练帧，以获得多个训练帧的信号功率；

步骤s2，产生信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、所述多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数对应关系，所述噪声系数与所述射频电路的增益值相关。

具体的，所述接收处理电路可以包括射频电路，步骤s1可以包括：

步骤s11，所述射频电路处理接收天线上的训练帧以产生对应的基带信号；

步骤s12，根据所述基带信号和所述射频电路的增益值获得所述训练帧的信号功率，所述射频电路的增益值与所述接收处理电路的增益值相关。

在步骤s11中，所述射频电路可以对所述训练帧进行信号放大和混频处理以产生所述基带信号。具体的，所述射频电路按照所述增益值对所述训练帧进行信号放大处理。

步骤s12可以包括：

步骤s121，对所述基带信号进行模数转换，以产生对应的数字信号；

步骤s122，调节所述射频电路的增益值；

步骤s123，计算所述数字信号的功率，并根据所述数字信号的功率和所述射频电路的增益值获得所述训练帧的信号功率。

本实施例所述的步骤s1还可以包括：

步骤s13，调节所述射频电路的增益值。

本实施例所述的信道状态信息反馈方法还可以包括：

步骤s3，对所述训练帧在每个子载波上的等效信道矩阵进行分解，以获得所述酉阵和奇异值矩阵。

本实施例所述的信道状态信息反馈方法与上一实施例的station结构相对应，相关的详细解释可以参考上一实施例的说明，此处不再赘述。

本发明还提供一种与前述实施例station对应的ap。所述ap包括：接收单元、预测单元和更新单元。

接收单元可以接收信道状态信息csi，所述csi包括：第一对应关系、多个训练帧的信号功率以及酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)，k表示第k个子载波。其中，所述酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)与训练帧对应的等效信道矩阵h(k)相关；所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与station中接收处理电路的增益值相关，尤其是，噪声系数与station中射频电路的增益值相关。

更新单元，适于在满足第一条件时更新所述信道状态信息，所述第一条件包括：多个训练帧的信号功率不一致。例如对应第一个接收天线上训练帧的信号功率p1与对应第二个接收天线上训练帧的信号功率p2不相等。

本申请提供的ap可以接收具有第一对应关系和训练帧的信号功率的csi，当多个训练帧的信号功率不一致时，更新信道状态信息，从而提高波束赋形的效果。

本实施例的ap还可以包括：

预测单元，适于根据所述酉阵和奇异值矩阵获得预编码矩阵(可视为初始的预编码矩阵)；

预编码单元，适于在满足第一条件时，根据更新后的信道状态信息更新预编码矩阵以获得更新后的预编码矩阵。使用更新后的信道状态信息获得更新后的预编码矩阵，可以提高波束赋形的效果。

下面对ap的组成结构做详细说明。

预编码单元依据训练帧的信号功率、数据帧的信号功率和第一对应关系更新预编码矩阵。具体的，所述预编码单元可以包括功率获取单元、第一系数获取单元、第一系数获取单元和第二系数获取单元。

功率获取单元可以根据所述预编码矩阵(初始的预编码矩阵)获得数据帧的信号功率。

第一系数获取单元可以在满足第一条件时，根据训练帧的信号功率pi和第一对应关系，获得与训练帧对应的第一噪声系数nfi。

第二系数获取单元可以在满足第一条件时，根据数据帧的信号功率pi’和第一对应关系，获得与数据帧对应的第二噪声系数nf0。

更新子单元可以在满足第一条件时，根据第一噪声系数和第二噪声系数更新预编码矩阵。

下面以加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，awgn)信道为例，所有子载波的信道衰落是相同的，但不同发射天线至不同接收天线的信道衰落是独立的，故子载波号k可略去。以ap采用的预编码方案为迫零算法(zeroforce，zf)为例，预测单元可以依据下述公式2获得预编码矩阵q：

||·||²表示范数，v表示酉阵v(k)，s表示奇异值矩阵s(k)。

关于根据预编码矩阵q获得数据帧的信号功率的实现方法，可以参考下面的举例。

依然以ap具有2个发射天线、station具有2个接收天线的系统为例。ap的2个发射天线同时发送训练帧至station，所述训练帧经过station的2个接收天线后送入射频电路，然后再经过模数转换等处理，即经过station接收机处理后的、在第k个子载波上的信号(此信号是训练帧在频域上，第k个子载波上的表现)可表示为：

ri(k)表示由第i个接收天线接收到的训练帧，经过station接收机处理后、在第k个子载波上的信号，i＝1,2；gi表示对应第i个接收天线的station接收机的处理增益，是功率增益；.*表示矩阵向量对应相乘；hji(k)表示ap中第j个发射天线至station中第i个接收天线的等效信道矩阵；si(k)表示ap发射机中第i个发射天线在第k个子载波上的发送符号，通常是能量为1；ni(k)表示对应第i个接收天线的station接收机上的噪声。

第i个接收天线上接收到的训练帧的信号功率pi可表示为：

station根据信号功率与噪声系数的对应关系，可以查出训练帧的信号功率pi对应的对应的噪声系数nfi，并通过csi反馈给ap。

ap收到csi后进行预编码，假定预编码矩阵为q(2x2维度的矩阵)。那么在预编码后，所述数据帧经过station的2个接收天线后送入射频电路，然后再经过模数转换等处理，即经过station接收机处理后的、在第k个子载波上的信号为：

ri’(k)表示由第i个接收天线接收到的训练帧，经过station接收机处理后、在第k个子载波上的信号，i＝1,2；gi’表示对应第i个接收天线的station接收机的处理增益，是功率增益；.*表示矩阵向量对应相乘；hji(k)为ap中第j个发射天线至station中第i个接收天线的等效信道矩阵；q表示预编码矩阵；si(k)表示ap发射机中第i个发射天线在第k个子载波上的发送符号，通常是能量为1；ni’(k)表示对应第i个接收天线的station接收机上的噪声。

第i个接收天线接收数据帧的信号功率pi’可表示为：

||·||²表示范数，hji(k)表示ap中第j个发射天线至station中第i个接收天线的等效信道矩阵；q表示预编码矩阵；ni表示对应第i个接收天线的station接收机上的的噪声。

省略子载波号k，由于，

||·||²表示范数，h表示等效信道矩阵hji(k)，q表示预编码矩阵，u表示酉矩阵u(k)，v表示酉阵v(k)，s表示奇异值矩阵s(k)。

结合公式6和7可知，

从上述对zf算法的推导过程可以看出，根据预编码矩阵q可以获得数据帧的信号功率pi’。值得说明的是，申请人相信，本领域技术人员基于上述对zf算法的推导方式，获知其他算法下如何通过预编码矩阵q可以获得数据帧的信号功率pi’。此处不再一一进行举例，而该举例并未限制本申请所请求的权利要求范围。

当ap获得对应数据帧的信号功率pi’和csi中的训练帧的信号功率pi之后，可以比较两者是否一致，例如：假设

h′→svd→usv^-1

那么，ap可以做以下计算：

||[z1i(k)z2i(k)]||²＝1

zij为一种代号，为了方便第二行的式子的表达。

公式7中的每行的平方和均为1，因此，各个接收天线上的信号功率无变化，此时可以按原预编码方案发送数据帧即可。

但是，若假设

那么，

||[h1i(k)h2i(k)]q||²＝1

则各个接收天线上的信号功率发生变化，变得不一致，此时需要先更新预编码方案，再发送数据帧即可。

ap收到csi之后，第一系数获取单元根据csi中的训练帧的信号功率pi，查询第一对应关系，获得与训练帧对应的第一噪声系数nfi。通过预编码矩阵q获得数据帧的信号功率pi’后，第一系数获取单元可以根据第一对应关系获得与数据帧对应的第二噪声系数nf0。

更新子单元可以先根据训练帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵数据帧对应的噪声系数nf0、训练帧对应的声系数nfi，通过公式9更新波束赋形数据帧在每个子载波上的等效信道矩阵的重构矩阵

然后，更新子单元再根据数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵获得更新后的预编码矩阵q’，其中，

具体的，所述更新子单元包括：

第一矩阵获取单元，适于根据所述酉阵v(k)和奇异值矩阵s(k)获得所述训练帧对应的等效信道矩阵hi的重构矩阵

第二矩阵获取单元，适于根据所述训练帧对应的等效信道矩hi’的重构矩阵第一噪声系数nfi、第二噪声系数nf0获得数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵

矩阵更新单元，根据所述数据帧对应的等效信道矩阵hi’的重构矩阵更新所述预编码矩阵q。

本发明实施例还提供一种波束赋形方法，其特征在于，包括：

接收信道状态信息，所述信道状态信息包括：第一对应关系、多个训练帧的信号功率以及酉阵和奇异值矩阵，所述酉阵和奇异值矩阵与所述训练帧对应的等效信道矩阵相关，所述第一对应关系包括：信号功率与噪声系数的对应关系，所述噪声系数与站点中接收处理电路的增益值相关；

在满足第一条件时更新所述信道状态信息，所述第一条件包括：所述多个训练帧的信号功率的信号功率不一致。

所述波束赋形方法还可以包括：

根据所述酉阵和奇异值矩阵获得预编码矩阵；

在满足第一条件时，根据更新后的信道状态信息更新预编码矩阵以获得更新后的预编码矩阵。

所述根据更新后的信道状态信息更新预编码矩阵包括：

根据所述预编码矩阵获得数据帧的信号功率；

根据所述训练帧的信号功率和第一对应关系，获得与所述训练帧对应的第一噪声系数；

根据所述数据帧的信号功率和第一对应关系，获得与所述数据帧对应的第二噪声系数；

根据所述第一噪声系数和第二噪声系数更新所述预编码矩阵以获得更新后的预编码矩阵。

所述根据所述第一噪声系数和第二噪声系数更新所述预编码矩阵包括：

根据所述酉阵和奇异值矩阵获得所述训练帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵；

根据所述训练帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵、第一噪声系数、第二噪声系数获得所述数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵；

根据所述数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵更新所述预编码矩阵。

根据如下公式获得所述数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵：

其中，i表示站点中第i个接收天线，表示数据帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵，表示训练帧对应的等效信道矩阵的重构矩阵，噪声系数nfi表示第一噪声系数，nf0表示第二噪声系数。

在本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行，以实现上述实施例中任一种所述方法的步骤。

在具体实施中，所述计算机可读存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。