一种实现空分复用的方法和设备 【技术领域】
本发明涉及无线宽带接入技术， 特别涉及一种实现空分复用的方法和设备。背景技术 随着 wifi 网络的大规模部署， 用户间的干扰问题越来越严重， 严重降低链路的速 率和性能， 而且 wifi 网络本身受限于 AP(Access Point， 接入点 ) 的传输范围， 使得区域内 AP 部署过于密集， 增加了部署成本， 也使得 wifi 网络的性能大打折扣。
采用定向传输 ( 波束成形 ) 可以增大覆盖范围， 有效避免不必要的干扰。 由于定向 传输在空间上又引入了自由度， 因此可以实现 SDMA(Spatial DivisionMultiple Access， 空分复用 ) 通信， 使得 AP 在同一时刻在相同的信道上可以和至少 2 个用户同时通信 ( 可以 同时通信的用户组成一个 SDMA 分组 )， 从而大大提升 wifi 系统的吞吐量。
目前可以利用基带波束成形来实现空分复用， 首先根据不同的优先级策略选择空 分复用分组的成员， 然后让信道在一段时间内保存静默， 依次获取各个分组成员的信道状 态信息 (CSI ： channel state information)， 然后根据 CSI 计算波束成形权重， 并采用相应 的权重发送和接收信号。
在实现本发明的过程中发明人发现， 利用基带波束成形实现空分复用， 需要已知 信道状态信息， 而目前常见的商用 wifi 芯片很难获取到信道状态信息， 因此需要修改 wifi 芯片， 另外需要修改的 wifi 芯片进行信道估计以及波束成形权重的一系列矩阵计算， 处理 复杂度高。
发明内容 本发明实施例提供一种实现空分复用的方法和设备， 能够降低处理的复杂度。
本发明实施例采用如下技术方案 ：
一种实现空分复用的方法， 包括 ：
根据收集的天线阵信息， 选择空分复用分组的用户终端 ；
控制天线阵， 形成指向所述空分复用分组用户终端的波束 ；
根据所述波束， 向所述空分复用分组的用户终端定向发送数据。
一种实现空分复用的设备， 包括天线阵 ；
天线阵信息收集单元， 用于收集天线阵信息 ；
用户选择单元， 用于根据所述天线阵信息， 选择空分复用分组的用户终端 ；
天线阵控制单元， 用于控制所述天线阵， 形成指向所述用户选择单元选择的空分 复用分组用户终端的波束 ；
收发控制单元， 用于根据所述形成的波束， 向所述空分复用分组的用户终端定向 发送数据。
由本发明实施例的技术方案可知， 通过收集的天线阵信息选择空分复用分组的用 户终端， 并控制天线阵形成指向所述空分复用分组用户终端的波束， 然后根据所述波束向
所述空分复用分组的用户终端定向发送数据， 从而能够直接利用天线阵信息进行空分复用 分组和波束成形， 与现有技术相比， 由于天线阵信息易于收集， 不需要已知信道状态信息， 因此不需要修改常见的商用 wifi 芯片， 从而降低了处理的复杂度。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作一简单地介绍。
图 1 为本发明实施例提供的实现空分复用的方法流程图 ；
图 2 为本发明实施例进行填充处理之前向 SDMA 分组中各用户终端发送数据的示 意图 ；
图 3 为本发明实施例提供的实现空分复用的设备结构图 ；
图 4 为本发明实施例提供的另一种实现空分复用的设备结构图 ；
图 5 为本发明实施例的实现空分复用的设备的通信流程图。
具体实施方式 在 WLAN(Wireless Local Area Network， 无线局域网 ) 系统中， 可以利用天线阵的 射频波束成形来实现空分复用。由于直接利用天线阵信息进行空分复用分组和波束成形， 不需要已知信道状态信息， 因此不需要修改常见的商用 wifi 芯片， 从而能够降低处理的复 杂度。
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述。
本发明实施例针对 WLAN 网络提出了一种实现空分复用的方法， 如图 1 所示， 本发 明实施例提供的实现空分复用的方法， 在接入设备 AP 的处理主要包括 ：
步骤 11， 根据收集的天线阵信息， 选择空分复用分组的用户终端。
组成 SDMA 分组必须同时满足下述两个条件 ：
(1) 用户终端之间的干扰比较小 ； (2)SDMA 通信时吞吐量有增益。
对条件 (1) 而言， 即存在 N 个 (2 ≤ N ≤最大通信对端的数目 ) 相互间干扰符合预 设条件的用户终端， 满足 ：
用户终端 1 在某个波束下的接收信号强度指示确认信号 ACK RSSI(ReceiveSignal Strength Indicator) 很大， 用户终端 2、 3、 ...、 N 在这个波束下的 ACK RSSI 很小 ；
用户终端 2 在某个波束下的 ACK RSSI 很大， 用户终端 1、 3、 ...、 N 在这个波束下的 ACK RSSI 很小 ；
......
用户终端 N 在某个波束下的 ACK RSSI 很大， 用户终端 1、 2、 ...、 N-1 在这个波束下 的 ACK RSSI 很小 ；
并且用户终端 1、 2、 ...、 N 的上述波束对应的方向图在空间上隔离得比较好。例如 用户终端 1 在波束方向图中的主瓣与用户终端 2 在波束方向图的主瓣有比如 50％的部分交 迭在一起， 那么这两个用户终端就不适合组成 SDMA 分组。
也即是说， 对所述 N 个用户终端， 任一用户终端在某个波束下的非 SDMA 时的 ACK
RSSI 大于其他 N-1 个用户终端在该波束下的非 SDMA 时的 ACKRSSI， 并且该用户终端在波束 方向图中的 3db 波束宽度与其他 N-1 个用户终端在波束方向图中 3db 波束宽度之间的角度 交迭部分小于设定阈值， 例如小于 10 度。
上述的交迭部分可以利用交迭角度来判断。比如用户 1 的 3db 波束宽度是从 60 度到 100 度， 宽度是 40 度 ； 用户 2 的 3db 波束宽度是从 70 度到 90 度， 宽度是 20 度， 则这两 个用户间的交迭角度就是 20 度。
对条件 (2) 而言， 即是比较组成 SDMA 通信的总速率是否大于非 SDMA 通信时的最 优波束对应的速率的总和， 如果总速率较大， 则认为 SDMA 通信时吞吐量有增益。
具体而言， 对于满足上述条件 (1) 的 N 个相互间干扰符合预设条件的用户终端， 根 据所述 N 个用户终端非 SDMA 时的不同波束对应的 ACK RSSI， 计算每个用户终端非 SDMA 时 的信噪比 SNR(Signal to Noise Ratio) 和 SDMA 时的信号与干扰加噪声比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) ；
根据 SNR 和 SINR 以及最优波束对应的速率， 得到 1， 2， ...N 个用户终端 SDMA 时的 各自的速率 r1， r2， ...rN ；
根据总速率 r_sdma ＝ N*min(r1， r2， r3...rN)， 得到所述 N 个用户终端 SDMA 时的 总速率 ； 在所述 N 个用户终端 SDMA 时的总速率 r_sdma ＞用户终端 1 最优波束下的速率 r1_ max+...+ 用户终端 N 最优波束下的速率 rN_max 时， 将所述 N 个用户终端组成 SDMA 分组。
有必要说明的是， SDMA 分组的判断需要依据一定的天线阵信息， 这些天线阵信息 包括 ： 用户终端 non-SDMA( 非 SDMA， 发送端采用定向传输的方式， 在同一时刻同一频点下只 和一个用户终端通信 ) 时的不同波束对应的 ACKRSSI， 用户终端 non-SDMA 时的最优波束以 及最优波束对应的速率。其中， 最优波束是指用户速率最优时的波束。
由于最开始没有任何天线阵历史信息， 因此需要先 non-SDMA 与用户终端通信一 段时间， 收集这些天线阵信息。另外， 在天线阵及控制单元设计好后， 还需要通过暗室测试 的方法获得天线阵不同开关组合的方向图信息， 以便进行 SDMA 分组的射频波束成形。
步骤 12， 控制天线阵， 形成指向所述空分复用分组用户终端的的波束。
本发明实施例的天线阵是由一系列带有开关的定向天线单元组成， 不同的收发单 元各自都有一套天线开关与天线阵的天线相连， 通过控制天线阵的天线开关的通断， 可以 形成指向 SDMA 分组用户终端的波束， 达到射频波束成形的目的。
需要说明的是， 此时 SDMA 通信时对每个用户终端采用的波束就是上述条件 (1) 中 确定的波束。一旦波束确定， 天线阵相应的天线开关的通断也就确定了。
步骤 13， 根据所述波束， 向所述空分复用分组的用户终端定向发送数据。
发送端发送 SDMA 数据时， 不希望其它的终端竞争信道， 否则会发生碰撞， 影响到 正常的 SDMA 通信， 因此需要采用一定的措施保证一段时间内信道被发送端占用。本发明 实施例在发送 SDMA 数据包之前， 让信道在一段时间内保持静默 ： 先发送 DTIM(Delivery Traffic Indication Message， 延缓传输指示消息 )， DTIM 中包括一个广播比特， 设为 1 时， 所有的终端将会等待一个广播帧 ； 然后再马上发送 CTS-to-self 广播帧。CTS-to-self 帧 是无线局域网标准协议定义的一种特殊的 CTS(Clear To Send， 允许发送 ) 帧， 即 CTS 帧的 接收端地址和 CTS 发送端的地址相同。 CTS-to-self 帧中设置了一段时间长度， 所有收到此
帧的终端在这段时间内不会发送上行信息， 也就不会影响正常的 SDMA 通信。
另外， SDMA 分组中各用户终端由于数据包长以及速率的差异， 会导致发送时间 ( 发送时间＝数据包长度 / 速率 ) 不同， 如图 2 所示。用户终端 2 的数据包还在发送的时 候， 用户终端 1 就回复了 ACK 帧， 这在发送端就会产生干扰。
为避免上述情况发生， 发送端需要对待发送的数据包进行填充处理， 以使各数据 包的发送时间相同， 有两种可能的处理方法 ：
(1) 如果 SDMA 分组中各用户终端采用相同的速率， 要保证数据包一样长。数据包 长不一样时， 在短数据包后面填充 0 ；
(2) 如果 SDMA 分组中各用户终端采用不同的速率， 要保证发送时间一样长。数据 包长度不合适时， 在数据包后面填充 0。
经过上述填充处理后可以保证各用户终端数据包的发送时间相同， 这样发送端就 可以向 SDMA 分组的用户终端同时发送数据， 使得发送端在同一时刻在相同的信道上可以 和至少 2 个用户终端同时通信， 从而能够在不增加额外频率资源的前提下， 提升 wifi 系统 的覆盖范围和容量。
需要说明的是， 在根据收集的天线阵信息选择 SDMA 分组的用户终端时， 可能会得 到多个 SDMA 分组， 这时可以根据空分复用分组的速率和空分复用分组的业务优先级确定 多个 SDMA 分组的发送顺序。具体而言， 有两种方式来确定多个 SDMA 分组的发送顺序 ： 一种方式为吞吐量最大化， 兼顾 QoS ： 根据 SDMA 分组的速率确定 SDMA 分组的发送 顺序 ( 例如按照 SDMA 分组的速率从高到低的顺序确定 SDMA 分组的发送顺序 )， 并在 SDMA 分组的速率相同时， 根据 SDMA 分组的业务优先级 ( 例如从高到低 ) 确定 SDMA 分组的发送 顺序 ；
另一种方式可以为优先保证 QoS， 兼顾吞吐量 ： 根据 SDMA 分组的业务优先级 ( 例 如从高到低 ) 确定 SDMA 分组的发送顺序， 并在 SDMA 分组的业务优先级相同时， 根据 SDMA 分 组的速率确定 SDMA 分组的发送顺序 ( 例如按照 SDMA 分组的速率从高到低的顺序确定 SDMA 分组的发送顺序 ) ；
其中， SDMA 分组的业务优先级是由 SDMA 分组内用户终端的最高业务优先级确定。
另外， 在进行 SDMA 通信过程中， 有必要进行 SDMA 分组的更新， 例如用户终端 1 移 动导致它不再适合与用户终端 2 组成 SDMA 分组。判断更新的依据是 ：
在某个 SDMA 分组通信一段时间后， 获取该 SDMA 分组的平均误包率 ； 在所述 SDMA 分组的平均误包率大于等于设定门限值时， 例如 50％， 需要修改 SDMA 分组的用户终端。
获取 SDMA 分组的平均误包率的方法为， SDMA 分组内的各用户终端收到发送端发 送的数据包之后， 短帧间间隔 (Short InterFrame Space， SIFS， 802.11 协议标准规定的一 个时间长度 ) 的时间回复 ACK 帧给发送端， 发送端根据 ACK 帧就可以统计各通信终端的误 包率 PER(Packet Error Ratio)。
综上所述， 本发明实施例提供的实现空分复用的方法， 通过收集的天线阵信息选 择 SDMA 分组的用户终端， 并控制天线阵形成指向所述 SDMA 分组用户终端的波束， 然后根据 所述波束向所述 SDMA 分组的用户终端定向发送数据， 从而能够直接根据天线阵信息进行 SDMA 分组和波束成形， 与现有技术相比， 由于天线阵信息易于收集， 不需要已知信道状态信 息， 不需要自己设计适合 SDMA 分组的 wifi 芯片， 普通的商用 wifi 芯片即可满足要求， 因此
降低了处理的复杂度。
同时本发明实施例还给出一种通讯设备， 该设备执行上述的方法， 前述方法中的 各步骤都可以应用于该设备中。
如图 3 所示， 本发明实施例提供的实现空分复用的设备， 包括天线阵 31、 收发单元 35， 以及
天线阵信息收集单元 32， 用于收集天线阵信息 ；
用户选择单元 33， 用于根据所述天线阵信息， 选择空分复用分组的用户终端 ；
天线阵控制单元 34， 用于控制所述天线阵 31， 形成指向所述空分复用分组用户终 端的波束 ；
收发控制单元 36， 用于根据所述形成的波束， 控制所述收发单元 35 向所述空分复 用分组的用户终端定向发送数据。
其中， 所述收发单元 35 至少两个， 且每个收发单元各自采用不同的天线开关与同 一个所述天线阵 31 连接。每个收发单元可实现标准的无线局域网标准协议 PHY( 物理层 ) 及 MAC(Media Access Control， 介质访问控制 ) 功能 ； 收发单元的数目决定了最大的 SDMA 用户终端数， 是 SDMA 分组内用户终端数的上限。
所述天线阵信息收集单元 32 收集的天线阵信息包括 ： 用户终端 non-SDMA 时的不 同波束对应的 ACK RSSI， 用户终端 non-SDMA 时的最优波束以及最优波束对应的速率， 其 中， 最优波束是指用户速率最优时的波束。
所述用户选择单元 33 选择 SDMA 分组的用户终端包括 ：
选择 N 个用户终端， 其中 2 ≤ N ≤最大的通信对端数目 ；
根据所述 N 个用户终端 non-SDMA 时的不同波束对应的 ACK RSSI， 获得所述 N 个用 户终端 SDMA 时的总速率 ；
在所述 N 个用户终端 SDMA 时的总速率大于每个用户终端的最优波束对应的速率 的总和时， 将所述 N 个用户终端组成 SDMA 分组。
如图 3 所示的天线阵结构， 它是由一系列的定向天线单元组成， 不同的收发单元 各自都有一套天线开关与天线阵的天线相连， 天线阵控制单元 34 通过控制天线开关的通 断形成需要的波束， 达到射频波束成形的目的， 不同的天线开关组合形成不同的波束形态， 对应不同的方向图。
进一步地， 参见附图 4， 本发明实施例提供的实现空分复用的设备还可以包括 ：
分组选择单元 41， 用于在可选择的空分复用分组为多个时， 根据 SDMA 分组的速率 和 SDMA 分组的业务优先级确定所述多个 SDMA 分组的发送顺序。
具体而言， 分组选择单元可以 ：
进一步用于根据 SDMA 分组的速率确定 SDMA 分组的发送顺序， ( 例如按照 SDMA 分 组的速率从高到低的顺序确定 SDMA 分组的发送顺序 )， 并在 SDMA 分组的速率相同时， 根据 SDMA 分组的业务优先级 ( 例如从高到低 ) 确定 SDMA 分组的发送顺序 ； 或者，
还可以进一步用于根据 SDMA 分组的业务优先级 ( 例如从高到低 ) 确定 SDMA 分组 的发送顺序， 并在 SDMA 分组的业务优先级相同时， 根据 SDMA 分组的速率确定 SDMA 分组的 发送顺序， ( 例如按照 SDMA 分组的速率从高到低的顺序确定 SDMA 分组的发送顺序 ) ；
其中， SDMA 分组的业务优先级是由组内用户终端的最高业务优先级确定。更进一步地， 仍参见附图 4， 本发明实施例提供的实现空分复用的设备还可以包括： 更新单元 42， 用于获取 SDMA 分组用户终端的平均误包率， 并在所述 SDMA 分组用 户终端的平均误包率大于等于设定门限值时， 修改 SDMA 分组的用户终端。判断更新的依据 是：
在某个 SDMA 分组通信一段时间后， 获取该 SDMA 分组的平均误包率 ； 在所述 SDMA 分组的平均误包率大于等于设定门限值时， 例如 50％， 修改所述 SDMA 分组的用户终端。
另外， 由于 SDMA 分组中各用户终端由于数据包长以及速率的差异， 会导致发送时 间 ( 发送时间＝数据包长度 / 速率 ) 不同， 在发送端产生干扰。为避免上述情况发生， 优选 地， 所述收发控制单元 36， 还用于在向所述 SDMA 分组中的用户同时发送数据之前， 对待发 送的数据包进行填充处理以使各数据包的发送时间相同。有两种可能的处理方法 ：
一种是， 如果 SDMA 分组中各用户终端采用相同的速率， 要保证数据包一样长。数 据包长不一样时， 在短数据包后面填充 0 ；
另一种是， 如果 SDMA 分组中各用户终端采用不同的速率， 要保证发送时间一样 长。数据包长度不合适时， 在数据包后面填充 0。
经过上述填充处理后可以保证各用户终端数据包的发送时间相同。
本发明实施例的实现空分复用的设备的具体通信流程如图 5 所示。由于设备最 开始没有任何历史信息时， 无法进行 SDMA 分组的选择， 也就无法 SDMA 通信， 因此需要先 non-SDMA 通信一段时间， 这段时间内天线阵信息收集单元收集天线阵的相关信息 ； 由分组 选择单元和用户选择单元根据天线阵信息判断所有可能的 SDMA 分组的用户终端， 然后进 一步根据设计的准则选择其中一个 SDMA 分组进行通信 ； 收发控制单元控制收发单元发送 CTS-to-self 广播帧预留无线信道 ； 天线阵控制单元根据收集的天线阵信息控制天线阵形 成指向所述选择的空分复用分组用户终端的波束 ； 收发控制单元控制多个收发单元定向发 送数据 ； 用户终端接收到数据之后回复 ACK ； 天线阵信息收集单元根据 ACK 收集需要的天线 阵信息， 继续下一轮的 SDMA 通信。
其中， 天线阵信息收集单元收集的天线阵信息主要包括 ： 天线阵不同开关组合 的波束方向图 ( 天线阵及控制单元设计好之后， 可以通过暗室测试的方法获得此信息 )， non-SDMA 通信时不同波束对应的 ACK RSSI、 最优波束、 最优波束对应的速率 r_max， 以及 SDMA 通信时的平均误包率 PER。
本发明实施例的实现空分复用的设备， 通过天线阵信息收集单元收集与用户终端 通信时的天线阵信息， 并由用户选择单元根据天线阵信息选择空分复用分组的用户终端， 由天线阵控制单元控制所述天线阵， 形成指向所述用户选择单元选择的空分复用分组用户 终端的波束， 然后由收发控制单元控制收发单元根据所述形成的波束， 向所述空分复用分 组的用户终端定向发送数据， 从而直接根据天线阵信息进行空分复用分组和波束成形， 与 现有技术相比， 由于天线阵信息易于收集， 不需要已知信道状态信息， 不需要自己设计适合 空分复用的 wifi 芯片， 普通的商用 wifi 芯片即可满足要求， 因此降低了处理的复杂度。
本领域普通技术人员可以理解， 本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处 理模块中， 也可以是各个单元单独物理存在， 也可以两个或两个以上单元集成在一个模块 中。 上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现， 也可以采用软件功能模块的形式实现。 并
且实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成， 前述的程 序可以存储于一计算机可读取存储介质中， 该程序在执行时， 执行包括上述方法实施例的 步骤 ； 而前述的存储介质包括 ： ROM、 RAM、 磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述具体实施例并不用以限制本发明， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 凡 在不脱离本发明原理的前提下， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的 保护范围之内。