用于SU-BF和MU-MIMO操作的统一速率适配的方法和系统

摘要

描述了一种提供多用户无线通信系统中的速率适配的方法，该多用户无线通信系统包括单用户波束成形(SU-BF)和多用户多输入多输出(MU-MIMO)。在该方法中，确定作为用于SU-BF的调制和编码方案(MCS)的主速率。使用速率映射来从主速率导出每一种发射模式的MCS。使用来自映射的结果，跟踪主速率，而不是针对每一种发射模式的MCS。在一个实施例中，映射校准是周期性地执行的。

说明书

背景

本发明一般涉及传输速率适配，尤其涉及多用户系统中的统一速率适配。

相关领域

IEEE 802.11指的是用于实现例如2.4、3.6和5GHz频带中的无线局域网(WLAN)通信的一组标准。WLAN通信允许设备无线地与一个或多个其他设备交换数据。Wi-Fi是使用IEEE 802.11标准中的任何一个标准的WLAN产品的商标名称。

IEEE 802.11ac是正被开发以支持5GHz频带中的甚高吞吐量(VHT)操作的新标准。为了获取该VHT操作，802.11ac设备使用发射机和接收机两者处的多个天线(在无线工业中被称为多输入多输出，即MIMO)来使用最多达8个空间流的宽RF(射频)带宽，由此允许终端同时在相同的频带中向/从多个用户传送或接收信号。VHT操作还使用最多达256QAM(正交振幅调制)的高密度调制。

波束成形是通过多个天线使用定向信号发射或接收来实现空间选择性的技术。例如，发射机可控制信号在每一天线处的相位和振幅以创建波阵面中的相长和相消干扰的模式。

为了正确地形成波束以便进行MIMO通信，发射机需要知晓信道的特性。为了获取这些信道特性，发射机可以向设备发送已知信号，该信号允许该设备生成关于信道的当前质量的信息。该设备然后可将该信道状态信息(CSI)发回到发射机，发射机进而可应用正确的相位和振幅以形成定向到该设备的经优化的波束。该过程被称为信道探通或信道估计(此处被称为探通过程)。

在802.11ac通信中，接入点(AP)可使用探通过程来从一个或多个潜在的目的地站收集CSI。之后，AP可将收集到的CSI用作当前信道估计，以便在多用户MIMO(MU-MIMO)帧中将下行链路数据发送到多个站。还注意，收集到的CSI可用于在SU-MIMO帧中向一个站发送下行链路数据，其中SU-MIMO是单用户MIMO(在一个站处使用多个天线的波束成形技术)。

当SU-BF或MU-MIMO数据在探通过程后被立即(例如，1-10ms)发出时，用于SU-BF/MU-MIMO数据传输的CSI信息是新鲜的，并且分组将具有更高的成功递送机率。另一方面，如果SU-BF/MU-MIMO数据甚至是在最后一个探通过程后的简短时间发出的，则在生成单用户波束成形(SU-BF)或MU-MIMO数据传输时使用的CSI信息可能是陈旧的，并且分组可具有较低的成功递送机率。

单用户(SU)Wi-Fi系统中的传统速率适配算法基于传输成功或失败的最近历史来选择新速率。如果探通已经是最近的，则通常基于探通的CSI使用适当的调制和编码方案(MCS)来成功地递送分组，并且发送方将在下一次尝试探测更高的MCS。相反，如果分组是使用特定MCS以高分组错误率(PER)递送的，则发送方将尝试降低MCS以增大未来的分组将被成功递送的机率。

在给定信道状况下选择适当的MCS的过程被称为速率适配。在MU Wi-Fi系统中执行速率适配不是直接的。具体而言，速率适配算法可被请求以向目的地节点提供SU-OP(单用户开环，被称为非波束成形)、SU-BF或MU-MIMO速率。消除SU-OP的选项不会简化该问题，因为速率适配仍然需要为SU-BF和MU-MIMO传输两者选择最佳MCS，而不管针对每一者的最佳速率可以显著地不同的这一事实。

取决于信道状况或MU-MIMO水平(2用户或3用户)，3用户MU-MIMO、2用户MU-MIMO和SU-BF传输的SINR(信号干扰噪声比)可以显著地不同，即使CSI信息具有相同的龄期。

该情况甚至会更复杂，因为在不同的信道状况下(例如具有多普勒和没有多普勒的情况下)，3用户MU、2用户MU和SU-BF之间的SINR间隙也可以显著地不同。这些变化使得速率选择变得甚至更加困难。

一种执行用于MU-MIMO系统的速率适配的直接方式是针对不同的发射(TX)模式单独地跟踪最佳MCS。在这一方案下，SU-BF、2用户MU-MIMO和3用户MU-MIMO的传输历史将被彼此独立地跟踪，并且每一者将如在传统的速率适配算法中所描述的那样执行。然而，这样做将显著地增加存储器需求和算法的复杂性。另一缺陷是在某一特定历时，发送方可使用至目的地的相同TX模式，以使得该特定TX模式的速率能被很好地跟踪。然而，当切换至不同的TX模式时，发送方必须花费预定时段来确定新TX模式的最佳MCS。

因此，需要一种供在包括Wi-Fi系统的MU WLAN系统中使用的具有改进的计算成本的速率适配方法。

实施例的概述

提供了一种用于提供多用户无线通信系统中的速率适配的方法，该多用户无线通信系统包括单用户波束成形(SU-BF)和多用户多输入多输出(MU-MIMO)。在该方法中，确定作为用于SU-BF的调制和编码方案(MCS)的主速率。使用速率映射函数来从主速率导出每一种发射模式的MCS。使用来自该映射的结果，跟踪主速率，而不是每一发射模式的MCS，由此降低跟踪每一发射模式的单独MCS的计算成本。在另一实施例中，周期性地执行映射校准以保证速率映射函数的持续有效性。

提供了一种存储计算机指令的计算机可读介质，这些计算机指令在被执行时执行所描述的速率适配方法。还提供了一种包括用于执行所描述的速率适配方法的可编程平台的无线通信系统。

附图简述

图1A解说了包括AP和两个站(STA1和STA2)的示例基本服务集(BSS)。

图1B解说了图1A中所示的AP与站STA1和STA2之间的示例性通信时序图，包括用于确定当前通信信道质量的探通过程。

图2解说了图1A中所示的AP与站STA1和STA2之间的时序图，包括第一探通过程和之后的多个数据过程以及第二探通过程。

图3解说了一种用于确定并周期性地调整用于通信系统(诸如图1A所示的通信系统)的调制和编码方案(MCS)的示例性统一速率适配方法。

图4解说了包括可执行图3中所示的统一速率适配方法的速率控制块的简化电子设备。

附图详细描述

以下描述了用于速率适配的系统和方法的实施例，包括但不限于改进计算成本以供在包括Wi-Fi系统的MU WLAN系统中使用。对于WLAN系统(尤其是MU Wi-Fi系统)，统一速率适配算法能够有利地且并发地跟踪不同的TX模式(例如，SU-BF、SU-MIMO、MU-MIMO等)的所注意到的最佳速率，由此节省存储器和计算的显著开销以及相比于单独的TX模式跟踪提供更准确且及时的MCS建议。

图1A解说了包括AP 130和两个站(STA1 132和STA2 134)的示例基本服务集(BSS)100。在一个实施例中，每一个设备130、132和134包括被配置成根据WLAN标准(例如，IEEE 802.11ac标准)来操作的收发机120(发射机和接收机)。在描述以下附图时将参考图1A以供解说。然而，不应基于BSS 100的解说而限制本公开的实施例。例如，BSS 100可包括不止两个STA(为了简明地描述本公开的实施例而未解说)。另外，AP 130可以是BSS 100的专用AP、软AP、或者以其他方式担当AP的STA等。此外，虽然解说了用于每一设备的两个、三个或四个天线，但本公开的实施例不限于用于这些设备的特定数量的天线或特定数量的发射/接收链。

图1B解说了图1A的AP 130与站STA1 132和STA2 134之间的示例性通信时序图。图1B中所示的通信包括两个过程：探通过程110和数据过程111。探通过程110开始于AP 130向站STA1 132和STA2 134发送空数据分组通告(NDPA)信号101，其中NDPA信号101指示没有数据将在后续分组中发送。在NDPA信号101之后，AP 130发送空数据分组(NDP)信号102。该NDP信号102可用作已知信号以用于从站STA1 132和STA2 134获取信道特性。在接收到NDP信号102之后，站STA1 132可以在波束成形(BF)报告1信号103中向AP 130发送其CSI。在接收BF报告1信号103时，AP 130可发送指示站STA2 134能够向AP 130发送其CSI的BF轮询信号104。响应于接收到BF轮询信号104，STA2 134可以在BF报告2信号105中向AP 130发送其CSI。

使用来自其相关联的站STA1 132和STA2 134的CSI，AP 130可通过并发地向STA1 132发送MU-MIMO数据106并且向STA2 134发送MU-MIMO数据107来开始数据过程111。注意，尽管术语MU-MIMO被用来描述数据，但在其他实施例中数据也可以是SU-MIMO。在接收到数据106之后，站STA1132可以向AP 130发送块确收(BA)信号108。当接收到来自STA1 132的BA信号108时，AP 130可以向STA2 134发送块确收请求(BAR)信号109。响应于接收到BAR信号109，STA2 134可将其BA信号110发送到AP 130。注意，尽管图1A示出了与两个站相关联的AP，但在其他实施例中，AP可以与任何数量的站相关联，每一站可以在探通过程110期间发送BF报告信号并且在数据过程111期间发送BA信号。

因为探通过程具有介质空中时间方面的较大开销，所以AP 130可被配置成不在每一MU-MIMO数据传输之前进行探通，如图2的时序图中解说的。

图2解说了第一探通过程201(1)以及之后的多个数据过程202(1)-202(N)，其中N是大于1的整数。在N个数据过程完成之后，在执行另一多个数据过程(未示出)之前执行第二探通过程201(2)。

传输的可能数据速率可受到传输中所使用的空间流的数量、调制类型和编码率的限制。因此，空间流的数量、调制类型和编码率以及结果得到的最大数据速率(或这些信息的一部分)可被包括在STA的调制和编码方案(MCS)中。例如，IEEE 802.11标准族定义各种调制和编码方案，并通过索引值来表示这些方案。在关于IEEE 802.11n的一个具体示例(但适用于其他WLAN系统，例如802.11ac)中，以下表1(取自IEEE 802.11n)示出了示例性MCS索引值及其各自的空间流、调制类型、编码率和结果得到的最大数据速率。注意，提供了针对20MHz和40MHz信道以及800ns和400ns保护区间(GI)的数据速率。

表1

发射机(例如，来自AP 130的收发机120)尝试确定在其下发送数据帧的可接受MCS参数。使用更高MCS可增加某些接收机解码数据帧的失败，由此增大PER。然而，使用更低MCS可导致介质使用低效和网络拥塞，由此减慢传输速度。因此，为数据帧传输选择合适的MCS是可靠性和速度之间的折衷以找到可接受的妥协。

图3解说了用于确定并周期性地调整用于通信系统(诸如图1所示的通信系统)的调制和编码方案(MCS)的示例性统一速率适配方法300。在步骤301，定义主速率M。在一个优选实施例中，主速率M是SU-BF的当前建议的MCS，例如1SS MCS9。

在步骤302，可使用速率映射函数来从主速率导出不同TX模式的MCS。在任何给定时刻，可以使用速率映射来直接从主速率M导出不同TX模式的推荐MCS。速率映射的一个示例是速率映射函数(f)，并由此可使用该函数的逆函数(f’)来导出主速率M。从主速率到不同TX模式的建议速率的速率映射函数f考虑其他输入参数，诸如信道状况、自从上一次有效探通以来逝去的时间，等等。在一些实施例中，速率映射函数f中的参数被包含在查找表中，该查找表中的内容是从离线仿真导出的。或者，查找表通过如在步骤304中描述的在线校准来导出。例如，从关于合适的T2和T3值的过往传输的PER历史中学习速率映射函数时间边界值，合适的T2和T3值在使用2用户MU-MIMO的情况下确定MCS下降1。例如，如果在过往的2用户MU-MIMO传输中，当使用M-1时，PER在探通后10ms与40ms之间小于10％，则可更新查找表以使得T2被延长为10ms，而T3被延长为40ms。

用于导出特定TX模式的建议速率的速率映射函数的示例如下给出：

其中变量d是通过探通收集到的上一CSI数据的龄期，而变量模式是TX模式。常量T1-T7以ms为单位来表达，并表示CSI龄期变量d的边界值。在示例性速率映射函数f中，使用以下边界值：T1＝T2＝T4＝5ms，T3＝T6＝15ms，且T5＝T7＝10ms。由此，在示例性函数f中，当TX模式为SU-BF或者上一CSI数据的龄期d小于5ms时，MCS被设为主速率的值M。然而，如果TX模式为2用户MU且上一CSI数据的龄期d在5ms和15ms之间，则MCS被设为值M-1。类似地，如果TX模式为3用户MU且上一CSI数据的龄期d在5ms和10ms之间，则MCS被设为值M-1。如果TX模式为2用户MU且上一CSI数据的龄期d长于15ms，则MCS被设为值M-2。类似地，如果TX模式为3用户MU且上一CSI数据的龄期d长于10ms，则MCS被设为值M-2。注意，在MCS值变为负的情况下，该负值由0代替，因为负MCS值未被定义(参见表1)。另外，虽然为SU-BF、2用户MU和3用户MU定义示例函数f，但速率映射函数可包括如可能存在于例如将来标准中的更多用户MU的实例。

在步骤303，例如以与基于PER的传统的速率适配算法相同的方式跟踪主速率M。虽然在图3中被示为303在302之后，但在一个实施例中，跟踪与步骤302的速率映射并发地进行，以使得跟踪是调整主速率M的值(因为调整值M也将由于所提及的速率映射函数而调整针对不同发射模式的值)。无论出于什么理由，当发射模式改变时，可重新初始化主速率M的值。出于该目的，用于新发射模式的MCS速率被用来使用速率映射函数f的逆函数f’计算其对应的主速率M。通常但并非始终地，该新发射模式不是SU-BF模式。因此，在一个实施例中，当前发射模式的所使用的速率使用逆函数f’来转变回主速率M。在转换到主速率后，如果在使用新TX模式的情况下存在重复成功，则可探测更高的主速率M以供将来传输。另一方面，如果在使用新发射模式的情况下存在超出指定阈值的失败(例如，超过15％的MPDU丢失)，则可降低主速率M。

在步骤304，在固定的时间区间中校验速率映射函数(例如，如下所述)。由于速率映射函数只需在信道特性变化时改变，因此这无需频繁地发生。固定区间的示例是1秒。示例区间范围可以是200ms到2秒。或者，在基于信道状况而动态地适配的不同时间区间中校验速率映射函数f，以确定该函数是否应被修改/校准。在一些实施例中，速率映射函数校准包括调整速率映射函数f中所表达的时间边界值。时间边界值的示例在上述示例性速率映射函数中找到，例如在表达式“如果(模式＝2用户MU且T2≤d<T3)”中找到，其中T2＝5ms，T3＝15ms且T2、T3是时间边界值。

校验和校准的过程确保主速率和建议速率之间的映射保持有效。在校验的一个实施例中，发送方有意地使用不同TX模式来向相同的目的地发送背靠背的聚集MAC协议数据单元(AMPDU)。如果收集到的对这些TX模式的PER估计在指定范围内(例如，彼此的10％内)，则上述速率映射函数f被确定为是可接受的并且将不被改变/校准。如果不同模式的PER显著地不同，则相应地调整速率映射函数f。在一个实施例中，如果函数f被调整，则执行对经更新的函数f的校验以确定调整是否是充分的(例如，使用AMPDU的对TX模式的PER估计在指定范围内)或者是否需要进一步调整。操作继续，经由路径305返回到步骤302。

如图3中解说的速率适配方法300的某些方面可采取全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)的形式，或组合了软件与硬件方面的实施例的形式，其在本文都可被统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开的各实施例可采取实施在任何有形表达介质中的计算机程序产品的形式，该有形表达介质中实施有计算机可使用程序代码。所描述的实施例可作为可包括其上存储有指令的机器可读介质的计算机程序产品、或软件来提供，这些指令可用来编程计算机系统(或其他(诸)电子设备)以根据实施例来执行过程——无论本文中是否有所描述。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)来存储(“机器可读存储介质”)或传送(“机器可读信号介质”)信息的任何机构。机器可读存储介质可包括但不限于：磁存储介质(例如，软盘)、光存储介质(例如，CD-ROM)、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪存、或其他类型的适于存储(例如，可由一个或多个处理单元执行的)电子指令的介质。另外，机器可读信号介质的各实施例可用电、光、声或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)、或者有线、无线或其他通信介质来实现。

用于执行诸实施例的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写，包括面向对象编程语言(诸如Java、Smalltalk、C++或类似语言)、以及常规过程编程语言(诸如“C”编程语言或类似编程语言)。该程序代码可完全地在用户的计算机上、部分地在用户的计算机上、作为自立软件包、部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上、或者完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一情景中，远程计算机可通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)、个域网(PAN)、或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者该连接可(例如，使用因特网服务供应商来通过因特网)对外部计算机进行。

尽管速率控制方法可由AP执行，但具有无线能力的电子设备通常包括可以被或不被表征为AP的一部分的某些组件。实际上，在一些实施例中，电子设备的某些组件可被表征为在AP外部，但仍然辅助数据调度技术中的一个或多个步骤。

图4解说了包括实质上可执行统一速率适配方法300的速率控制块405A的简化电子设备400。电子设备400可以是笔记本计算机、台式计算机、平板计算机、上网本、移动电话、游戏控制台、个人数字助理(PDA)、或具有无线(以及在一些情况下为有线)通信能力的其他电子系统。

电子设备400可包括处理器块402(有可能包括多处理器、多核、多节点、和/或实现多线程等)。电子设备400还可包括存储器块403，存储器块403可包括高速缓存、SRAM、DRAM、零电容器RAM、双晶体管RAM、eDRAM、EDO RAM、DDR RAM、EEPROM、NRAM、RRAM、SONOS、PRAM、和/或另一类型的存储器单元阵列。电子设备400还包括网络接口块404，网络接口块404可至少包括WLAN 802.11接口。其他网络接口可包括蓝牙接口、WiMAX接口、接口、无线USB接口、和/或有线网络接口(诸如以太网接口、或电力线通信接口等)。处理器块402、存储器块403以及网络接口块404耦合到总线401，总线401可根据PCI、ISA、PCI-Express、NuBus、AHB、AXI、或另一总线标准来实现。

电子设备400还包括通信块405，该通信块可包括速率控制块405A和另一处理块405B。另一处理块405B可包括但不限于用于处理收到信号、用于处理待发射信号、以及用于协调接收机部分和发射机部分的动作的收发机的各部分。其他实施例可包括更少的组件或包括图4中未解说的附加组件，诸如视频卡、音频卡、附加网络接口、和/或外围设备等。在一个实施例中，存储器块403可直接连接到处理器块402以增加系统处理。

提供前面对所公开的实施例的描述是为了使本领域任何技术人员皆能制作或使用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，且本文所定义的一般原理可被应用于其他实施例而不背离本发明的精神或范围。例如，尽管在上文中详细描述了选择数据速率，但该选择可被表征为也选择MCS(调制和编码方案)(参见表1)。因此，本发明不是旨在限于本文所示的各实施例，而是应被授予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。