CSI的那些事(一)-CSI是什么

1/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353CSI的那些事（一）——CSI是什么CSI（ChannelStateInformation,信道状态信息），所谓的CSI，在无线通信领域，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，如信号散射（Scattering），环境衰弱（fading，multipathfadingorshadowingfading），距离衰减（powerdecayofdistance）等信息。CSI的主要用途是通过提供当前通信系统的信道条件，从而改变系统的传播策略，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。（来源：）。宏观理解：如图1所示，以OSI模型（OpenSystemInterconnection,开放系统互联）分类，CSI是一种物理层的信息，对于一个无线网卡设备来说，理论上，CSI信息是不可以被获得的，且不具有MAC地址标识，举个简单例子：该信息类似于光电鼠标中光感应器件所呈现的图像信息，计算机操作系统通过驱动程序只能获得经过鼠标内置DSP处理器处理并封装后的信息，不能直接获得传感器内的图像信息。不过自2010年以来，华盛顿大学的DanielHalperin通过修改固件，使得在普通Wi-Fi设备上也能获得信道状态信息。图1：OSI模型结构图微观理解：目前的基于802.11n协议的WIFI技术采用MIMO-OFDM系统（即AP多个发射天线，接收网卡多个接收天线，且利用OFDM技术进行载波调制），在20MHZHT传输模式中，一个无线通信信道利用OFDM技术被调制为64个子载波，子载波标号为[-28,-1]和[1,28]，中心直流子载波标号为0，用于传送空符号。IEEE802.11n使用了其中56个子载波，且其中52个用于传输数据信号，4个用于传输导频信号。利用DanielHalperin提供的工具软件，可以获取其中30个子2/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353载波的具体信息。如图2所示。（为什么只能获得30个？由802.11n协议和intel5300网卡决定，目前基于Atheros网卡设备可以获得全部56个载波信息）图2：OFDM技术框架因此最后得到规范化后的CSI矩阵H——n*m*30的复数矩阵，其中n为发射天线个数，m为接收天线个数，30为子载波信息个数。我们可以获得每个发射和接收天线之间信道状态信息，如图3所示，即为2*2MIMO系统发射天线和接收天线两两之间的信道幅度关于频率的响应（CFR）。图3：2*2MIMO系统的CFR3/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353名词解释：无线信道：信息传输的通道（Channel），是以无线电波信号作为传输媒体的数据信号传送通道，实际上发送端和接收端之间通路的一种形象比喻。WIFI信号信道：在常用的2.4-2.4835GHz频段上，每个信道的带宽为20MHZ。信道分布图如图4所示：图4：WIFI信号信道分布图视距（LineofSight,LOS）：信号由发送方到接收方的直线距离。信道频率响应（ChannelImpulseResponse）：信号在不同频率范围内，信号特性的响应，一般包含幅度/频率和相位/频率两种响应。信道脉冲响应（ChannelImpulseResponse,CIR）：信号经过不同时间（不同的传播路径导致传播所需时间不同）到达接收方的信号能量值。CIR和CFR满足互为傅里叶变换。相关技术介绍：1、MIMO技术MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。理解：由于无线电波传播本身的不稳定性，为了提高通信系统的准确性和高速性，在现代无线通信的世界里，MIMO技术正是为此而生。其中分集和复用又是MIMO的两项最基本的技术。简单来说，分集就是把一个数据重复发送多次，以保证接收端能够正确收到，在MIMO系统中，可以利用多个发射天线同时发送相同的信息，接收端也同时接收并解析出来，从而提高了传输准确性。而复用则4/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353是指利用所有的资源来发送不同的数据，在MIMO系统中，可以利用多个天线对发送不同的信息，从而提高通信的速度。从概念上来说，这又是一个鱼与熊掌兼得的问题？事实上，一套完整的通信物理层协议会定义许多种发送方式。在实际通信过程中，收发双方会根据即时的通信条件和传播环境等因素，自适应的调整并选择最优的方式进行通信。比如，当无线信道条件很差的时候，会更多的用到分集技术，来保证通信的可靠性；当信道条件良好的时候，就会选择复用，每次多发一些数据，以提高传输的速率。具体的发送方式也更加复杂，采取的是从时间和空间的两个角度发送——空时编码（具体与本研究无关，但需要注意的是，因为分集的存在，设备收发天线可能存在选择问题）。对于的MIMO系统的结构图如图5所示，（目前802.11n最大支持4天线）图5：MIMO系统的结构图在一个平滑衰减的信道中，信道信息在频域可以表示如下：YHXn其中，X和Y分别是信号在发射端和接收端的向量表示，H为信道状态信息复数矩阵，n为高斯白噪声向量。因此我们可以得到信道状态转移矩阵：12NyyYy12MxxXx111212122212MMNNNMhhhhhhHhhh12Mnnnn5/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353（来源：）2、OFDM技术OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用技术）是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。OFDM的主要思想是将数据流分成多个子数据流，通过不同频率的多个子信道并行传输，每个子信道使用独立的子载波，且这些子载波是相互正交的。也就是将高速串行的数据流分解为许多个彼此独立的低速并行的数据流，然后分别调制到不同的载波上。举个例子：倘若需要发送D0、D1、D2、D3、D4、D5…D11，OFDM就是先把序列划分为D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列（此处子序列个数仅为举例，不代表实际个数），然后将第一个子序列的元素依次调制到频率F1上并发送出去，第二个子序列的元素依次调制到频率F2上并发送出去，第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去，第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。F1、F2、F3、F4这四个频率满足两两正交的关系。具体如图6所示。图6：OFDM调制举例图一个典型的OFDM系统结构如图7所示：6/6机器人与信息自动化研究所南开大学，天津，中国，邮编：300353图7：典型OFDM结构框图发射端：OFDM发射机将输入数据流（一个串行的比特序列）进行信道编码（比如卷积编码），用于降低因信道影响的接收端信息错误率。根据采用的调制方式，对这个串/行的二进制序列映射成PSK或QAM调制的符号序列。符号序列经过串并转换变成多个互相独立的并行数据流，再经过逆傅里叶调制器作用，转变到时域上的信号。然后这个OFDM信号经过并串转换器重新回到串行的数据形式。在OFDM信号之前加入循环前缀，简称CP。接着该信号经过数模转换变成模拟信号。最后OFDM信号经过射频调制后，通过发射端的天线出去。在接收端：首先是射频解调，经过模数处理，变成数字信号，同时保持时间和频率的同步。对串行的OFDM信号去除循环前缀CP。然后这个数字信号经过串/并处理，回到并行的数据流。对该数据流进行相应的傅立叶解调，并/串转换，重新得到符号序列。该符号序列经过解映射器和信道解码，重新变成原始的发送比特序列流。