利用FPGA對(duì)大規(guī)模MIMO信道進(jìn)行特性描述與實(shí)時(shí)分析

　　多用戶(hù)MIMO（MUMIMO）是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用基礎(chǔ)架構(gòu)節(jié)點(diǎn)（例如基站和接入點(diǎn)）上的多個(gè)天線(xiàn)為多個(gè)客戶(hù)同時(shí)提供服務(wù)。MU-MIMO是未來(lái)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中必不可少的組成部分，有望為繁忙的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)顯著的性能提升。

　　人們預(yù)想隨著無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的更新?lián)Q代，基站的天線(xiàn)數(shù)量將會(huì)不斷增加，最終形成“大規(guī)模MIMO”系統(tǒng)。大規(guī)模MIMO方案將MU-MIMO基站上的天線(xiàn)數(shù)量增至數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)，以求在提高性能的同時(shí)簡(jiǎn)化基站的信號(hào)處理功能。有一種可擴(kuò)展的大規(guī)模MIMO技術(shù)被稱(chēng)為共軛波束形成［1］。該技術(shù)的一種早期實(shí)現(xiàn)方案顯示出實(shí)際性能提升潛力［2］。

　　多用戶(hù)MIMO技術(shù)離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境的準(zhǔn)確信息。一個(gè)MUMIMO基礎(chǔ)架構(gòu)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，前提條件是具備有關(guān)每個(gè)用戶(hù)無(wú)線(xiàn)信道的準(zhǔn)確的最新測(cè)量信息。實(shí)時(shí)收集信道信息極具挑戰(zhàn)性，而且陳舊或不準(zhǔn)確的信道信息對(duì)性能影響可能非常嚴(yán)重。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)出一款用于描述大規(guī)模MIMO信道特性的集成系統(tǒng)，可幫助研究人員實(shí)時(shí)分析信道的動(dòng)態(tài)特性。該系統(tǒng)的核心部分采用基于賽靈思FPGA的WARP硬件平臺(tái)和Mango Communications的802.11參考設(shè)計(jì)，可通過(guò)萊斯大學(xué)（Rice University）的Argos平臺(tái)將24個(gè)FPGA連接至96個(gè)天線(xiàn)［2］。Mango Communications開(kāi)發(fā)的Python定制框架可用來(lái)實(shí)時(shí)控制和收集來(lái)自陣列中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。Mango和萊斯大學(xué)的這兩款工具結(jié)合使用可提供深入的無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧信息，包括對(duì)大規(guī)模MIMO進(jìn)行特性描述所需的原始信道數(shù)據(jù)。

　　Mango Communications802.11定制模塊的重要功能是實(shí)時(shí)發(fā)送來(lái)自各個(gè)接收天線(xiàn)的底層基帶參數(shù)，例如AGC增益、信道估計(jì)值和原始數(shù)據(jù)包內(nèi)容（甚至是含有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包）。參考設(shè)計(jì)的這項(xiàng)功能使萊斯大學(xué)的Argos陣列作為符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的接入點(diǎn)（AP）使用，為商用Wi-Fi設(shè)備（例如智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦）提供互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)實(shí)時(shí)收集陣列天線(xiàn)與每個(gè)客戶(hù)端之間的信道數(shù)據(jù)。賽靈思FPGA是實(shí)現(xiàn)每個(gè)天線(xiàn)上的實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵。

　　它們將來(lái)自各個(gè)天線(xiàn)的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化成可由定制模塊發(fā)送和分析的每客戶(hù)端信道特性信息。

　　讓我們來(lái)具體了解一下WARP硬件平臺(tái)、Mango的802.11模塊以及針對(duì)MU-MIMO的共軛波束形成策略。最后，我們還會(huì)檢查特性分析過(guò)程，包括實(shí)時(shí)從Wi-Fi客戶(hù)端收集無(wú)線(xiàn)信道測(cè)量數(shù)據(jù)，以及處理信道數(shù)據(jù)以估計(jì)可達(dá)到的MU-MIMO性能。系統(tǒng)組件

　　無(wú)線(xiàn)開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)研究平臺(tái)（WARP）是一款全新構(gòu)建的可擴(kuò)展、可編程無(wú)線(xiàn)平臺(tái)，用于高級(jí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的原型設(shè)計(jì)。WARP能夠?qū)⒏咝阅芸删幊逃布c包含參考設(shè)計(jì)和支持資料的開(kāi)放源碼庫(kù)結(jié)合在一起。

　　WARP項(xiàng)目于2006年由萊斯大學(xué)教授A(yíng)shu Sabharwal創(chuàng)立，最初由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）提供資金支持，目前由賽靈思持續(xù)提供支持。自此，該項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)展成為能夠自我維持的開(kāi)放源碼平臺(tái)，其用戶(hù)遍布世界各地。Mango Communications于2008年從萊斯大學(xué)WARP項(xiàng)目中拆分出來(lái)，最初的目的是制造和銷(xiāo)售萊斯WARP硬件。2012年，Mango發(fā)布了經(jīng)過(guò)徹底重新設(shè)計(jì)的WARP v3硬件。如今，Mango工程師是WARP資源庫(kù)和論壇最活躍的貢獻(xiàn)者，持續(xù)提供開(kāi)發(fā)和開(kāi)放源碼WARP設(shè)計(jì)支持。

　　大規(guī)模MIMO信道測(cè)量系統(tǒng)的核心組成部分是Mango Communications的WARPv3硬件平臺(tái)。WARP v3適用于快速、實(shí)時(shí)構(gòu)建新型無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)。在硬件方面集成了一個(gè)賽靈思高性能Virtex?-6 FPGA，兩個(gè)靈活的射頻接口以及包括DDR3 DRAM和兩個(gè)1Gbps以太網(wǎng)接口在內(nèi)的多個(gè)外設(shè)。WARP v3板卡可通過(guò)Mango的雙無(wú)線(xiàn)電FMC模塊擴(kuò)展至4個(gè)射頻接口。圖1中的硬件配置可提供具有FPGA獨(dú)立數(shù)字基帶連接的4個(gè)完全可編程的射頻接口。

　　為了研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，應(yīng)該讓多個(gè)WARPv3節(jié)點(diǎn)位于相同位置并共享電源、時(shí)鐘和以太網(wǎng)連接。萊斯大學(xué)Argos項(xiàng)目能夠滿(mǎn)足這一要求。Argos v2陣列包含24個(gè)四天線(xiàn)WARP v3節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。Argos陣列旨在支持各種大規(guī)模MIMO實(shí)驗(yàn)，而且特別適合同時(shí)收集所有96個(gè)陣列天線(xiàn)的信道測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　圖2 – 萊斯大學(xué)Argos v2陣列包含24個(gè)四無(wú)線(xiàn)電WARP v3節(jié)點(diǎn)，具備共享時(shí)鐘和以太網(wǎng)連接。

　　這種實(shí)時(shí)處理能力對(duì)于我們的大規(guī)模MIMO信道特性描述設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)檫@樣系統(tǒng)就可以不斷地測(cè)量信道，并可靠地觀(guān)測(cè)小于毫秒的信道特性變化。執(zhí)行該處理的FPGA定制設(shè)計(jì)正是針對(duì)WARP v3的Mango Communications 802.11參考設(shè)計(jì)。

　　該參考設(shè)計(jì)是802.11a/g介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）和物理層（PHY）的實(shí)時(shí)FPGA實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)用來(lái)與標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi設(shè)備進(jìn)行交互操作，起到接入點(diǎn)（用于Wi-Fi客戶(hù)端）、客戶(hù)端（訪(fǎng)問(wèn)Wi-Fi接入點(diǎn)）或者監(jiān)控器（只能接收的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)無(wú)源觀(guān)測(cè)器）的作用。您可以對(duì)MAC和PHY進(jìn)行定制，以探索從標(biāo)準(zhǔn)配置衍生出的變體方案。這種互操作性與可擴(kuò)展性的完美結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)各種規(guī)模的無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。WARP v3硬件用戶(hù)可免費(fèi)獲得802.11參考設(shè)計(jì)的完整源文件。

　　圖3給出了參考設(shè)計(jì)架構(gòu)。該設(shè)計(jì)使用兩個(gè)賽靈思MicroBlaze?內(nèi)核在軟件中實(shí)現(xiàn)高電平和低電平MAC協(xié)議。MAC連接兩個(gè)FPGA核，分別用于實(shí)現(xiàn)PHY發(fā)送器和接收器。我們?cè)谫愳`思系統(tǒng)生成器中實(shí)現(xiàn)了這些PHY內(nèi)核。發(fā)送器內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了完整的字節(jié)至波形流水線(xiàn)，可從MAC讀取數(shù)據(jù)包有效載荷，創(chuàng)建OFDM波形，并將波形驅(qū)動(dòng)至射頻接口DAC。該流水線(xiàn)包含編碼、擾碼、交織、IFFT和前同步碼插入。MAC指定每個(gè)數(shù)據(jù)包的調(diào)制和編碼速率;支持802.11a/g規(guī)定的全部8種數(shù)據(jù)速率。

　　接收器設(shè)計(jì)則實(shí)現(xiàn)了完整的波形至字節(jié)流水線(xiàn)，包括AGC、同步、FFT、信道估計(jì)、均衡、檢測(cè)和解碼。

　　Argos陣列中每個(gè)WARP v3節(jié)點(diǎn)上的FPGA都可提供接近射頻接口的強(qiáng)大處理能力。在諸如Argos這樣的大規(guī)模MIMO配置中，有大量數(shù)據(jù)需要處理。例如，當(dāng)接收40MHz的帶寬時(shí)，WARP v3上的每個(gè)射頻接口都會(huì)產(chǎn)生960Mbps的采樣流（雙12位40Msps的ADC）。完整Argos陣列的總量是該值的96倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可發(fā)送到PC和實(shí)時(shí)處理的最高值。相反，該系統(tǒng)能夠利用FPGA實(shí)時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理，并顯著減少上游處理器的負(fù)擔(dān)。

　　WARPnet框架針對(duì)我們的大規(guī)模MIMO信道特性描述設(shè)計(jì)，維持著與Argos陣列中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被配置為802.11監(jiān)控器，可捕獲來(lái)自每個(gè)接收數(shù)據(jù)包的信道估計(jì)值，并通過(guò)以太網(wǎng)下載這些數(shù)據(jù)包以備進(jìn)一步分析。

　　WARPnet的完整Python源代碼在WARP庫(kù)中以開(kāi)放源碼方式提供。

　　理解MU-MIMO

　　采用MU-MIMO技術(shù)的基站需要為眾多發(fā)射天線(xiàn)創(chuàng)建波形，這些天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)信道相結(jié)合時(shí)可同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)。創(chuàng)建多用戶(hù)波形需要在基站上執(zhí)行精細(xì)復(fù)雜的處理。我們現(xiàn)已提出很多種MU-MIMO技術(shù)。對(duì)MU-MIMO設(shè)計(jì)的普遍要求是準(zhǔn)確掌握每個(gè)基站天線(xiàn)到每個(gè)客戶(hù)設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)傳播特性。

　　有一種被稱(chēng)為“迫零”的MU-MIMO方法，與單用戶(hù)技術(shù)相比，其無(wú)論從理論上還是從近期的實(shí)踐上［3］都可實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。迫零方法可最大程度地提高每個(gè)客戶(hù)接收天線(xiàn)上的信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）。將SINR實(shí)現(xiàn)最大化需要最大程度地提高達(dá)到用戶(hù)天線(xiàn)的波形中的用戶(hù)有效載荷的信號(hào)功率（即“S”），同時(shí)盡量減小其他用戶(hù)的有效載荷功率（即“I”）。迫零法需要在基站上進(jìn)行非常精細(xì)復(fù)雜的處理。采用迫零法，在計(jì)算特定基站天線(xiàn)的傳輸波形時(shí)需要了解每個(gè)用戶(hù)的有效載荷以及從其它天線(xiàn)到每個(gè)用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)信道。計(jì)算復(fù)雜性會(huì)隨著基站天線(xiàn)數(shù)量的增加而顯著提高。

　　接收器使用數(shù)據(jù)包SIGNAL字段中的RATE值自動(dòng)針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包配置解調(diào)和解碼模塊。接收器能以足夠快的速度解碼任何速率的數(shù)據(jù)包，并在接收后發(fā)出確認(rèn)字符（ACK），以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于接收至發(fā)送（Rx-to-Tx）之間嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換要求。

　　接收器中的信道估計(jì)子系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模MIMO信道的特性描述來(lái)說(shuō)特別重要。在標(biāo)準(zhǔn)OFDM接收器中，信道估計(jì)器生成每個(gè)副載波的復(fù)雜信道系數(shù)。均衡器使用這些估計(jì)系數(shù)為每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)校正信道幅度和相位衰減問(wèn)題。此外，我們的設(shè)計(jì)還將每個(gè)接收數(shù)據(jù)包的信道估計(jì)值副本保存到片上存儲(chǔ)區(qū)。MAC將這些信道估計(jì)值作為關(guān)于接收幀和標(biāo)準(zhǔn)信息（例如接收器功耗、AGC增益選擇、校驗(yàn)和狀態(tài)以及天線(xiàn)選擇等）的額外元數(shù)據(jù)。然后，信道估計(jì)值會(huì)被復(fù)制到更高電平的MAC以備進(jìn)一步處理。我們的特性描述平臺(tái)從Argos 陣列中各個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)包中收集這些估計(jì)值，以構(gòu)成對(duì)大規(guī)模MIMO傳播環(huán)境的實(shí)時(shí)視圖。

　　WARPNET實(shí)驗(yàn)框架

　　大規(guī)模MIMO特性描述系統(tǒng)的最后一個(gè)部分是WARPnet框架，用于運(yùn)行大型WARP節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)。WARPnet是一個(gè)Python定制軟件包，使用專(zhuān)用控制連接功能連接至多個(gè)WARP節(jié)點(diǎn)。該框架允許Python腳本在PC上運(yùn)行，以便實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并檢索實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。WARPnet通過(guò)每個(gè)WARP v3板卡上的次級(jí)以太網(wǎng)連接與Mango 802.11參考設(shè)計(jì)進(jìn)行交互。上部的MicroBlaze器件用于處理WARPnet命令，使框架能夠直接訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)的高電平MAC狀態(tài)以及從低電平MAC和PHY傳送上來(lái)的全部數(shù)據(jù)。

　　仿真假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)基站和八個(gè)用戶(hù)，用獨(dú)立且恒等分布的瑞利（Rayleigh）衰落信道對(duì)無(wú)線(xiàn)信道建模。仿真實(shí)驗(yàn)給出了同時(shí)服務(wù)一至八個(gè)用戶(hù)時(shí)的總體網(wǎng)絡(luò)速率與基站所用天線(xiàn)數(shù)量的對(duì)比情況。當(dāng)天線(xiàn)數(shù)量很少時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)一次對(duì)一個(gè)以上的用戶(hù)采用共軛波束形成法并沒(méi)有好處。如果基站只限制在幾個(gè)天線(xiàn)，那么帶分時(shí)功能的傳統(tǒng)單用戶(hù)波束形成法可能優(yōu)于多用戶(hù)共軛波束形成法。隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加，可以支持更多的用戶(hù)，以獲得整體網(wǎng)絡(luò)速率的顯著提升。

　　該仿真實(shí)驗(yàn)使用理想的信道模型展示說(shuō)明多用戶(hù)共軛波束形成法可實(shí)現(xiàn)性能提升。性能提升是否能夠在真實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)取決于基站與客戶(hù)端設(shè)備之間真實(shí)的無(wú)線(xiàn)信道。我們的MU-MIMO信道特性描述平臺(tái)可實(shí)時(shí)測(cè)量基站與真實(shí)用戶(hù)設(shè)備之間的信道，為評(píng)估MU-MIMO技術(shù)的真實(shí)性能提供了強(qiáng)大的工具。

　　完美集成

　　既然我們已經(jīng)了解了測(cè)量大規(guī)模MIMO信道的目的，以及Rice Argos陣列、WARP硬件和Mango 802.11參考設(shè)計(jì)所提供的工具，我們接下來(lái)就看一看如何將這些內(nèi)容組成完整的實(shí)時(shí)大規(guī)模MIMO信道特性描述平臺(tái)。

　　Argos陣列中的24個(gè)WARP v3節(jié)點(diǎn)由Mango 802.11定制參考設(shè)計(jì)版進(jìn)行配置。這個(gè)版本以只接收監(jiān)控器模式工作，使節(jié)點(diǎn)的四個(gè)天線(xiàn)都接收數(shù)據(jù)包。每次接收數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)都會(huì)為每個(gè)副載波估算復(fù)雜信道系數(shù)。

　　共軛波束形成［1］是另外一種MU-MIMO替代技術(shù)。使用這種方法時(shí)，基站會(huì)最大程度地提高發(fā)送到每個(gè)客戶(hù)端設(shè)備的有效信號(hào)功率，而不會(huì)主動(dòng)將干擾功率最小化。共軛波束形成法通過(guò)將信號(hào)功率最大化（SINR中的“S”）同時(shí)忽略干擾功率（SINR中的“I”）的方式增加每個(gè)用戶(hù)的SINR，理論上這種方式會(huì)隨天線(xiàn)數(shù)量的增加而改善。此外，進(jìn)行每個(gè)傳輸天線(xiàn)波形的共軛波束形成計(jì)算時(shí)，無(wú)需知道其它天線(xiàn)的信道特性。以上因素綜合起來(lái)使得共軛波束形成法特別適合用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其中基站天線(xiàn)數(shù)量比用戶(hù)要多得多。

　　考慮一下經(jīng)典的Shannon信道容量公式C =log（1+SINR）。無(wú)線(xiàn)信道的容量（比特/秒/Hz）與SINR成對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)添加更多用戶(hù)和天線(xiàn)時(shí)，多用戶(hù)共軛波束形成法存在兩個(gè)相互矛盾的因素。首先，多個(gè)天線(xiàn)的存在會(huì)增加接收信號(hào)功率，因?yàn)槊總€(gè)天線(xiàn)都可旋轉(zhuǎn)相位，使傳輸信號(hào)在用戶(hù)接收器端被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。第二，獨(dú)立用戶(hù)的多傳輸會(huì)增加干擾功率。疊加的干擾信號(hào)會(huì)隨機(jī)組合。隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加，有機(jī)組合的信號(hào)功率增長(zhǎng)速度超過(guò)隨機(jī)組合的干擾功率，從而增大整體的SINR。

　　圖4中的仿真結(jié)果顯示出，在使用共軛波束形成法時(shí)，基站天線(xiàn)數(shù)量的增加對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)容量的影響。

　　對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包頭和信道估計(jì)值以進(jìn)行分析。這個(gè)處理流程在陣列中所有24個(gè)并行工作的節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行。

　　為了與標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi設(shè)備通信，信道測(cè)量平臺(tái)必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的802.11接入點(diǎn)。使用另一個(gè)WARP v3節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到此目的，使Mango 802.11參考設(shè)計(jì)運(yùn)行于A(yíng)P模式。這個(gè)AP節(jié)點(diǎn)作為Argos陣列中的第25個(gè)節(jié)點(diǎn)。AP可提供開(kāi)放的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，接受商用Wi-Fi設(shè)備的關(guān)聯(lián)，并通過(guò)其主以太網(wǎng)連接提供互聯(lián)網(wǎng)接入。

　　這是Mango 802.11參考設(shè)計(jì)中AP的標(biāo)準(zhǔn)特征。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信道測(cè)量，AP需要實(shí)施一個(gè)附加功能。每次有Wi-Fi客戶(hù)端加入或離開(kāi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，AP節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)WARP v3板卡上的副以太網(wǎng)連接發(fā)送一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。信道分析應(yīng)用程序（下面將介紹）使用這些關(guān)聯(lián)更新來(lái)維護(hù)活動(dòng)客戶(hù)端本地列表。 客戶(hù)端傳輸

　　在從Wi-Fi商用設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)包中收集信道估計(jì)值時(shí)所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是確保設(shè)備的信息發(fā)送頻率足夠高。現(xiàn)代Wi-Fi設(shè)備經(jīng)常采用嚴(yán)格的節(jié)電方案，在沒(méi)有應(yīng)用程序請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)接入的情況下會(huì)關(guān)閉Wi-Fi連接。這些設(shè)備會(huì)定期與接入點(diǎn)報(bào)到，但其頻率有可能不足以確保獲得最新的陣列信道估計(jì)信息。

　　我們用兩種方法解決客戶(hù)端傳輸頻率不足的問(wèn)題。首先，修改由平臺(tái)AP發(fā)送的信標(biāo)中的流量指示圖（TIM）字段，以通知所有連接客戶(hù)端有新的數(shù)據(jù)包正排隊(duì)等待。TIM字段一般用來(lái)幫助客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)節(jié)電效果，使客戶(hù)端在純接收模式下短暫?jiǎn)拘?，以接收信?biāo)，解碼TIM，并在無(wú)流量等候時(shí)恢復(fù)到低功耗模式。通過(guò)在每個(gè)信標(biāo)的TIM字段中列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以讓節(jié)點(diǎn)較少地進(jìn)入休眠模式。

　　第二種方法是使用客戶(hù)端設(shè)備發(fā)送的ACK數(shù)據(jù)包來(lái)請(qǐng)求客戶(hù)端傳輸。該陣列可以從客戶(hù)端發(fā)送的任何數(shù)據(jù)包（包括短ACK）中提取信道估計(jì)值。不過(guò)，802.11 ACK數(shù)據(jù)包只包含一個(gè)目標(biāo)MAC地址，通常會(huì)阻止陣列識(shí)別正在傳輸?shù)目蛻?hù)端。

　　我們?cè)?02.11 MAC規(guī)范中使用一個(gè)特殊方法來(lái)解決這一問(wèn)題。該標(biāo)準(zhǔn)要求802.11器件在成功接收發(fā)送到該客戶(hù)端的單播數(shù)據(jù)包后發(fā)送一個(gè)肯定的確認(rèn)數(shù)據(jù)包。即使數(shù)據(jù)包源地址無(wú)法識(shí)別，“強(qiáng)制ACK”要求仍然適用。因此， AP可發(fā)送一個(gè)采用唯一虛假源地址的數(shù)據(jù)包，以便讓包含唯一標(biāo)識(shí)符的客戶(hù)端觸發(fā)一個(gè)ACK發(fā)送信號(hào)?？蛻?hù)端收到數(shù)據(jù)包后會(huì)將ACK發(fā)送至AP所使用的唯一虛假源地址。陣列節(jié)點(diǎn)接收ACK，并明確地將得到的信道估計(jì)值與發(fā)送客戶(hù)端進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這個(gè)技巧非常好用，能夠在陣列上為信道估計(jì)觸發(fā)頻率更新。之所以能使用這種方法，是因?yàn)镸ango802.11參考設(shè)計(jì)具備完全可編程性。

　　實(shí)時(shí)分析

　　大規(guī)模MIMO信道測(cè)量平臺(tái)的最后一個(gè)組成部分是定制應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序能夠收集陣列信道估計(jì)值，計(jì)算出可達(dá)到的多用戶(hù)容量，并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。我們采用Objective C開(kāi)發(fā)該應(yīng)用，使用本地UDP插口連接陣列的WARP v3節(jié)點(diǎn)，并利用OS X圖形框架繪出結(jié)果。

　　該應(yīng)用程序有兩個(gè)主視圖。第一個(gè)視圖顯示每個(gè)陣列天線(xiàn)針對(duì)各個(gè)副載波所收集的信道數(shù)量，共4，992個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（52個(gè)副載波x96個(gè)陣列天線(xiàn)）。該視圖顯示由陣列收集的原始信道數(shù)據(jù)，并主要負(fù)責(zé)傳達(dá)由每個(gè)陣列天線(xiàn)觀(guān)察到的大量信道值。

　　圖5給出了該視圖的屏幕截圖。實(shí)際上，該視圖會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新（10幀每秒更新活動(dòng)Wi-Fi客戶(hù)端）。

　　應(yīng)用程序的第二個(gè)視圖顯示了根據(jù)陣列信道估計(jì)值得到的容量計(jì)算結(jié)果。在圖6中給出該視圖。執(zhí)行兩個(gè)容量計(jì)算。第一張圖描繪了每個(gè)用戶(hù)的容量與所用陣列天線(xiàn)數(shù)量的對(duì)比情況。圖中的每條線(xiàn)近似等于可達(dá)到的單用戶(hù)下行鏈路容量，并假設(shè)陣列在傳統(tǒng)的單用戶(hù)波束形成配置下使用部分天線(xiàn)。每條容量曲線(xiàn)斜度隨天線(xiàn)數(shù)量增加而減小，這清楚地說(shuō)明在使用傳統(tǒng)單用戶(hù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)時(shí)多天線(xiàn)優(yōu)勢(shì)會(huì)減小。

　　第二張圖顯示了陣列使用部分天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)下行鏈路多用戶(hù)波束形成技術(shù)時(shí)的總體網(wǎng)絡(luò)容量。四條曲線(xiàn)的走勢(shì)清楚體現(xiàn)了在使用多用戶(hù)技術(shù)時(shí)更多天線(xiàn)數(shù)量所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)服務(wù)更多用戶(hù)時(shí)斜率增加體現(xiàn)了采用多用戶(hù)波束形成技術(shù)時(shí)所實(shí)現(xiàn)的“日志外（outside the log）”（常在MIMO中用 “prelog” 表達(dá)）網(wǎng)絡(luò)容量增益。