CN104521312B - 用于在无线网络中利用多个天线的随机接入的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种无线网络中用于利用多个天线的随机接入的装置和方法。基站使得移动站能够在无线通信网络中采用随机接入重发方案。移动站包括被配置为与基站通信的多个天线。该移动站还包括被耦接到多个天线的处理电路。处理电路被配置为在随机接入信道(RACH)突发脉冲期间执行随机接入。处理电路还被配置为执行以下至少一个：以初始发送功率电平和初始发送波束宽度中的至少一个发送随机接入信号，以及响应于随机接入尝试失败，改变发送(Tx)功率电平和Tx波束宽度中的至少一个并且重发随机接入信号。

Description

用于在无线网络中利用多个天线的随机接入的装置和方法
技术领域
本申请一般涉及无线通信，并且更具体地，涉及用于使用多个天线执行随机接入的系统和方法。
背景技术
预计下一代移动宽带通信系统(5G)将需要传递比当前4G系统(诸如长期演进(LTE)和全球微波互联接入(WiMAX))多100～1000倍的容量来满足期望的移动业务量增长。现有的增加谱效率的方法不太可能满足无线数据的爆炸性需求。当前4G系统使用包括正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)、多用户分集、空分多址(SDMA)、高阶调制和高级编码和链路适配的各种高级技术来实质上消除理论极限和实际达到的之间的差异。因此，预计像载波聚合、高阶MIMO、协调多点(CoMP)传输和中继的更新的技术在谱效率上仅提供轻微改善。增加已经在过去表现良好的系统容量的一个策略是使用更小的小区。然而，要求获取的资本和操作成本、安装和维持大量的小区可能是挑战性的，这是因为容量上增加1000倍，理论上将使得所部署的小区数量增加1000倍。此外因为小区尺寸缩小，所以需要执行频繁的切换，其增加了网络信令开销和延迟。
发明内容
技术方案
提供了一种移动站。该移动站包括被配置为与至少一个基站通信的多个天线。该移动站还包括被耦接到多个天线的处理电路。处理电路被配置为在随机接入信道(RACH)突发脉冲期间执行随机接入。处理电路还被配置为执行以下至少一个：以初始发送功率电平和初始发送波束宽度中的至少一个发送随机接入信号，以及响应于随机接入尝试失败，改变发送(Tx)功率电平和Tx波束宽度中的至少一个并且重发随机接入信号。
提供了一种方法。该方法包括通过移动站在随机接入信道(RACH)突发脉冲期间尝试至少一个基站的随机接入。该方法还包括以下至少一个：以初始发送功率电平和初始发送波束宽度中的至少一个发送随机接入信号，以及响应于随机接入尝试失败，改变发送(Tx)功率电平和Tx波束宽度中的至少一个并且重发随机接入信号。
提供了一种基站。该基站包括被配置为与至少一个移动站通信的多个天线。该基站还包括被耦接到多个天线的处理电路。处理电路被配置为使得至少一个移动站能够在随机接入信道(RACH)突发脉冲期间执行随机接入。所述至少一个移动站被配置为执行以下至少一个：以初始发送功率电平和初始发送波束宽度中的至少一个发送随机接入信号，以及响应于随机接入尝试失败，改变发送(Tx)功率电平和Tx波束宽度中的至少一个并且重发随机接入信号。
在进行下面的“具体实施方式”之前，阐述遍及此专利文档中使用的某些词语和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其衍生词意思是没有限制的包括；术语“或”是包括的，意思是和/或；短语“与……相关联”和“与其相关联的”及其衍生词可以意指包括、被包括在……之内、与……互连、包含、被包含在……之内、连接到或与……连接、耦接到或与……耦接、与……可通信的、与……合作、交织、并置、接近、绑定到或与……绑定、具有、具有……的属性等等；并且术语“控制器”意思是控制至少一个操作的任何设备、系统或其部分，这样的设备可以用硬件、固件或软件、或至少其中两个的某种组合来实现。应该注意到，与任何特定的控制器相关联的功能可以是集中或分布的，不管是本地的还是远程的。贯穿此专利文档提供某些词语和短语的定义，本领域普通技术人员应该理解，如果不是大多数情况，也是在许多情况中，这样的定义适用于如此定义的词语和短语的先前以及未来的使用。
附图说明
为了更完全地理解本公开及其优点，现在参考以下结合附图的描述，在附图中，相似的参考标号代表相似的部分：
图1示出根据本公开一实施例的无线网络；
图2a示出根据此公开一实施例的无线发送路径的高层示图；
图2b示出根据此公开一实施例的无线接收路径的高层示图；
图3示出根据本公开一示范性实施例的用户站；
图4示出根据本公开的实施例的用于波束成形的示例系统架构；
图5a示出根据本公开的各种实施例的用于多输入多输出(MIMO)基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的发送路径；
图5b示出根据本公开的各种实施例的用于MIMO基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的另一发送路径；
图5c示出根据本公开的各种实施例的用于MIMO基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的接收路径；
图5d示出根据本公开的各种实施例的用于MIMO基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的另一接收路径；
图6示出根据本公开的各种实施例的使用天线阵列的无线通信系统；
图7a示出根据本公开的实施例的随机接入资源配置。
图7b示出根据本公开的实施例的上行链路通信；
图8示出根据本公开的实施例的阶段性随机接入重发；
图9示出根据本公开的实施例的第一波束宽度和功率缓升、重发过程；
图10示出根据本公开的实施例的第二波束宽度和功率缓升、重发过程；
图11示出根据本公开的实施例的第三波束宽度和功率缓升、重发过程；
图12示出根据本公开的实施例的第一、第二和第三重发方案；
图13示出根据本公开的实施例的BS的最优化随机接入；以及
图14示出根据本公开的实施例的MS的最优化随机接入。
具体实施方式
下面讨论的图1至14以及此专利文献中用于描述本公开的原理的各种实施例仅作为说明，而不应该以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解可以在任何适当布置的无线通信系统中实现本公开的原理。
据此将以下文献和标准描述合并到本公开中就像在此被完全阐述一样：Z.Pi和F.Khan，“An introduction to millimeter-wave mobile broadband systems(毫米波移动宽带系统的介绍)，”IEEE通信杂志，2011年6月(REF 1)，Z.Pi和F.Khan，“System designand network architecture for a millimeter-wave mobile broadband(MMB)system(关于毫米波移动宽带(MMB)系统的系统设计和网络架构)，”Proc.Sarnoff论文集，2011年(REF2)；以及3GPP TS36.221，“Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Medium Access Control(MAC)protocol specification(演进通用陆地无线电接入(E-UTRA)；媒体访问控制(MAC)协议规范)，”版本10，2012年(REF 3)。
关于下一代移动通信(5G)的一个提议是毫米波移动宽带(MMB)系统，其提倡使用3-300GHz范围中的大量未使用的频谱。在这样的高频处成功操作的主要障碍是严峻的(harsh)传播环境。毫米波信号不能很好地穿透固体物质，并且被树叶和雨严重吸收。替换地，在更高频率处，用在基站(BS)和移动设备中的天线可以被做得更小，这允许更大量的天线(有时候被称为大量MIMO)被挤入紧凑的区域中。大量天线的可用性通过使用发送和/或接收波束成形给予实现高增益的能力，其中可以采用波束成形来减轻传播路径损耗。使用大量天线，在BS和多个移动设备之间在空间上分离下行链路和上行链路传输也变得可能，从而收获增加系统容量的空分多址的能力。例如，在6千兆赫(GHz)处的宽带通信系统的波长仅为五厘米(cm)，这允许以合理的形成因子在移动站(MS)处放置64单元天线。这样的MS可以容易地形成大量具有不同的方向增益级别的关于上行链路发送和下行链路接收的波束图案。随着天线技术的发展和更高频率的使用，以更高级别的方向性形成甚至更大数量的波束图案将变得可行。
关于在BS和MS处都采用多天线的系统的随机接入机制的设计提供了挑战和机遇两者。MS和BS可以使用不同的Tx(发送)和接收(Rx)波束的组合来接收随机接入消息来确保充分的覆盖。因为蜂窝系统中的随机接入通常具有很紧的延迟要求(常常是数十毫秒)，所以要求用于确定合适的Rx-Tx对的高效过程。在信道相互性保持的一些情形(例如，TDD)中，MS可以依赖于下行链路Tx波束测量来识别合适的上行链路Tx波束。然而在很多其它情形中这样的假设不可靠。例如，在FDD系统中，或者当MS使用分开的数字链(digital chain)用于Tx和Rx时。甚至在TDD系统中，以高速移动的MS可能不能依赖于下行链路测量来形成上行链路Tx波束。
MS还需要选择用于发送随机消息的波束的种类。具体地，具有多个天线的MS可以部署例如以半功率波束宽度(HPBW)表示的不同宽度的波束。如果MS采用窄波束，那么BS可能能够在空间上分开来自不同MS的传输并且减少竞争MS之间的冲突的频率。替换地，使用窄波束的MS将需要尝试在多个空间方向上的传输来确保成功的接收，这增加了与随机接入过程相关联的延迟。只要满足上行链路覆盖要求的充足的方向性增益被满足，MS就可以通过使用更宽的波束来减少与搜索过程相关联的延迟。使用宽波束的缺点是来自不同MS的上行链路传输更可能干扰，这增加了冲突的可能性并影响随机接入性能。波束宽度的适当的选择很可能是小区中MS的数量、它们的地理分布、发送功率能力和波束成形能力的复杂函数。
在传统的随机接入设计中，诸如在LTE(例如，如在REF 3中描述的)或WiMAX中，MS可以被配置为在检测到随机接入失败之后斜坡向上增加(ramp up)其传输的功率。使用多个天线，开发空间自由度也变得可能。例如，MS可以在连续的重发尝试中部署具有更高方向性增益的更窄波束。需要设想出合并功率缓升(ramp)与波束宽度选择的重发机制。
图1示出根据本公开的一个实施例的无线网络100。在图1中所示的无线网络100的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用无线网络100的其它实施例。
无线网络100包括基站(演进节点B(eNB)101、eNB 102和eNB 103)。eNB 101与eNB102和eNB 103通信。eNB 101还与互联网协议(IP)网络130(诸如因特网、私有IP网络或其它数据网络)通信。
取决于网络类型，可以使用其它公知术语(诸如“基站”或“接入点”)来代替“演进节点B”。为了方便起见，在此将使用术语“演进节点B”来指代向远程终端提供无线接入的网络基础结构组件。另外，不管UE是移动设备(例如，蜂窝电话机)还是正常地被认为是固定设备(例如，台式个人计算机、贩卖机等)，在此都使用术语“用户设备”或“UE”来指定无线地接入eNB并且可以由消费者用来经由无线通信网络访问服务的任何远程无线设备。关于远程终端的其它公知术语包括“移动站”(MS)和“用户站”(SS)、“远程终端”(RT)、“无线终端”(WT)等等。
eNB 102向在eNB 102的覆盖区域120之内的第一多个用户设备(UE)提供到网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括可以位于小型企业中的UE 111；可以位于企业中的UE112；可以位于WiFi热点中的UE 113；可以位于第一住宅中的UE 114；可以位于第二住宅中的UE 115；以及可以是诸如蜂窝电话、无线膝上型计算机、无线PDA等的移动设备的UE 116。UE111-116可以是任何无线通信设备，诸如但不限于移动电话机、移动PDA和任何移动站(MS)。
eNB 103向在eNB 103的覆盖区域之内的第二多个UE提供无线宽带接入。第二多个UE包括UE 115和UE 116。在一些实施例中，eNB 101-103的一个或多个可以使用5G、LTE、LTE-A或WiMAX技术彼此以及与UE111-116通信，所述技术包括如本公开的实施例中所述的使用多个天线的随机接入的技术。
虚线显示覆盖区域120和125的近似范围，仅出于说明和解释的目的将其显示为近似圆形。应该清楚地理解，取决于基站的配置和与自然障碍物和人造障碍物相关联的无线电环境的变化，与基站相关联的覆盖区域(例如，覆盖区域120和125)可以具有其它形状，包括不规则的形状。
虽然图1描绘了无线网络100的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，另一种类型的数据网络(诸如有线网络)可以代替无线网络100。在有线网络中，网络终端可以代替eNB 101-103和UE 111-116。有线连接可以代替图1中描绘的无线连接。
图2a是无线发送路径的高层示图。图2b是无线接收路径的高层示图。在图2a和图2b中，发送路径200可以例如在eNB 102中被实现，并且接收路径250可以例如在UE(诸如图1的UE 116)中被实现。然而，将理解，接收路径250可以在eNB(例如，图1的eNB 102)中被实现，并且发送路径200可以在UE中被实现。在某些实施例中，发送路径200和接收路径250可以被配置为执行如在本公开的实施例中描述的使用多个天线的随机接入的方法。
发送路径200包括信道编码和调制块205、串到并(S到P)块210、尺寸为N的快速傅立叶逆变换(IFFT)块215、并到串(P到S)块220、添加循环前缀块225、上变频器(UC)230。接收路径250包括下变频器(DC)255、移除循环前缀块260、串到并(S到P)块265、尺寸为N的快速傅立叶变换(FFT)块270、并到串(P到S)块275、信道解码和解调块280。
图2a和2b中的至少一些组件可以用软件实现，而其它组件可以通过可配置硬件(例如，处理器)或软件和可配置硬件的混合来实现。特别是，注意到在此公开文档中描述的FFT块和IFFT块可以被实现为可配置的软件算法，其中可以根据实现方式来修改尺寸N的值。
此外，虽然此公开针对的是实现快速傅立叶变换和快速傅立叶逆变换的实施例，但这仅作为说明而不应该被解释为限制本公开的范围。将理解，在本公开的替换实施例中，快速傅立叶变换和快速傅立叶逆变换可以分别容易地被离散傅立叶变换(DFT)函数和离散傅立叶逆变换(IDFT)函数代替。将理解，对于DFT和IDFT函数，N变量的值可以是任何整数(即，1，2，3，4等)，而对于FFT和IFFT函数，N变量的值可以是作为2的幂的任何整数(即，1，2，4，8，16等)。
在发送路径200中，信道编码和调制块205接收信息比特组，施加编码(例如，LDPC编码)并调制(例如，四相相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM))输入比特以产生频域调制符号的序列。串到并块210将串行调制符号转换(即，解复用)为并行数据来产生N个并行符号流，其中N是用在eNB 102和UE 116中的IFFT/FFT尺寸。尺寸为N的IFFT块215然后对N个并行符号流执行IFFT操作来产生时域输出信号。并到串块220转换(即，复用)来自尺寸为N的IFFT块215的并行时域输出符号来产生串行时域信号。添加循环前缀块225然后向时域信号插入循环前缀。最终，上变频器230将添加循环前缀块225的输出调制(即，上变频)为RF频率以用于经由无线信道的传输。信号也可以在转换为RF频率之前在基带处被滤波。
所发送的RF信号在经过无线信道之后到达UE 116，并且与在eNB 102的相反的操作被执行。下变频器255将所接收的信号下变频到基带频率，并且移除循环前缀块260移除循环前缀来产生串行时域基带信号。串到并块265将时域基带信号转换为并行时域信号。尺寸为N的FFT块270然后执行FFT算法来产生N个并行频域信号。并到串块275将并行频域信号转换为经调制的数据符号的序列。信道解码和解调块280解调并且然后解码所调制的符号来恢复原始输入数据流。
eNB 101-103的每个可以实现类似于在下行链路中向UE 111-116发送的发送路径，并且可以实现类似于在上行链路中从UE 111-116接收的接收路径。同样地，UE 111-116的每个可以实现与在上行链路中向eNB 101-103发送的架构对应的发送路径，并且可以实现与在下行链路中从eNB 101-103接收的架构对应的接收路径。
图3示出根据本公开的实施例的用户站。在图3中示出的诸如UE 116的用户站的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用无线用户站的其它实施例。
UE 116包括天线305、射频(RF)收发器310、发送(Tx)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。虽然被显示为单个天线，但是天线305可以包括多个天线。SS 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口(IF)345、键盘350、显示器335和存储器360。存储器360还包括基本操作系统(OS)程序361和多个应用362。多个应用可以包括一个或多个资源映射表(下面在此更详细地描述的表1-10)。
射频(RF)收发器310从天线305接收到来的由无线网络100的基站发送的RF信号。射频(RF)收发器310将到来的RF信号下变频来产生中间频率(IF)或基带信号。IF或基带信号被发送给接收器(RX)处理电路325，RX处理电路325通过对基带或IF信号滤波、解码和/或数字化来产生经处理的基带信号。接收器(RX)处理电路325发送经处理的基带信号到扬声器330(即，语音数据)或到主处理器340用于进一步的处理(例如，网络浏览)。
发送器(TX)处理电路315从主处理器340接收来自麦克风320的模拟或数字语音数据或其它外发的基带数据(例如，web数据、电子邮件、交互式视频游戏数据)。发送器(TX)处理电路315编码、复用和/或数字化外发的基带数据来产生经处理的基带或IF信号。射频(RF)收发器310从发送器(TX)处理电路315接收外发的经处理的基带或IF信号。射频(RF)收发器310将基带或IF信号上变频为经由天线305被发送的射频(RF)信号。
在某些实施例中，主处理器340是微处理器或微控制器。存储器360耦接到主处理器340。根据本公开的一些实施例，存储器360的一部分包括随机存取存储器(RAM)，而存储器360的另一部分包括闪存，其充当只读存储器(ROM)。
主处理器340运行在存储器360中存储的基本操作系统(OS)程序361，以便控制无线用户站116的整体操作。在一个这样的操作中，根据公知原理，主处理器340控制通过射频(RF)收发器310、接收器(RX)处理电路325和发送器(TX)处理电路315的前向信道信号的接收和反向信道信号的发送。
主处理器340能够运行存在于存储器360中的其它进程和程序，诸如在本公开的实施例中描述的使用多个天线执行随机接入的操作。如运行过程所要求的，主处理器340可以将数据移动到存储器360中或移出存储器360。在一些实施例中，主处理器340被配置为运行多个应用362，诸如用于CoMP通信和MU-MIMO通信的应用。主处理器340可以基于OS程序361或响应于从BS 102接收的信号来操作多个应用362。主处理器340还被耦接到I/O接口345。I/O接口345向用户站116提供连接至诸如膝上型计算机和手持计算机的其它设备的能力。I/O接口345是这些附件和主控制器340之间的通信路径。
主处理器340还被耦接到键盘350和显示单元355。用户站116的操作者使用键盘350来将数据输入到用户站116中。显示器355可以是能够再现来自网站的文本和/或至少有限的图形的液晶显示器。替换实施例可以使用其它类型的显示器。
本公开的实施例提供在其中BS和MS都具有到多个天线的接入的系统中执行随机接入的方法和装置。为了说明的目的，本公开的实施例使用术语波束宽度来区分可以被形成用于发送和接收的不同种类的波束的空间特征(signature)。术语波束宽度应该被解释为包括波束图案的其它可能描述，例如包括(可能不同的尺寸)的码本和与特定的波束图案相关联的方向性增益。
图4示出根据本公开的实施例的关于波束成形的示例系统架构。在图4中所示的系统架构的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
BS可以服务于一个或多个小区。在图4中所示的示例中，将小区40划分为三个扇区405(进一步用实线表示)，每个在方位角上覆盖120°。将扇区405进一步再划分为片410来管理扇区内移动性。BS可以被配置为接收关于小区400、扇区405或片410级别的随机接入消息。BS可以采用多个Rx波束成形配置415来接收随机接入消息。Rx波束成形配置415可以涉及在一个或多个方向上接收信号，并且涉及波束宽度的特定选择。特定的Rx波束成形配置415可以涉及一个或多个数字链。
在本公开的各种实施例中，BS可以具有一个或多个小区，并且每个小区可以具有一个或多个天线阵列，其中小区之内的每个阵列可以具有不同的帧结构，(例如，在时分双工(TDD)系统中不同的上行链路和下行链路比)。可以在一个阵列或在一个小区中应用多个TX/RX(发送/接收)链。小区中的一个或多个天线阵列可以具有相同的下行链路控制信道(例如，同步信道、物理广播信道等)传输，而其它信道(例如数据信道)可以以特定于每个天线阵列的帧结构被发送。
基站可以使用一个或多个天线或天线阵列来执行波束形成。天线阵列可以形成具有不同宽度的波束(例如，宽波束、窄波束等)。下行链路控制信道信息、广播信号和消息以及广播数据信道和控制信道可以例如在宽波束中被发送。宽波束可以包括一次发送的单个宽波束或者在顺序时间的窄波束的扫描。多播和单播数据和控制信号和消息可以例如在窄波束中被发送。
小区的标识符可以被携带在同步信道中。阵列、波束等的标识符可以隐含或明确地被携带在下行链路控制信道(例如，同步信道、物理广播信道等)中。这些信道可以在宽波束上被发送。通过获取这些信道，移动站(MS)可以检测标识符。
移动站(MS)也可以使用一个或多个天线或天线阵列来执行波束成形。如在BS天线阵列中，在MS处的天线阵列可以形成具有不同宽度的波束(例如，宽波束、窄波束等)。广播信号和消息和广播数据信道和控制信道可以例如在宽波束中被发送。多播和单播数据和控制信号和消息可以例如在窄波束中被发送。
波束可以是各种形状或者可以具有各种波束图案。波束形状或波束图案可以是规则的或不规则的，例如，铅笔波束形状、圆锥波束形状、不规则的带有侧瓣的主瓣等等。可以使用例如图5a至5d中的发送路径和接收路径来形成、发送、接收波束。例如，图5a至5d的发送路径和接收路径可以位于无线通信中的不同点处的无线通信设备的收发器中(例如，在图1中的基站101-103或移动站111-116的一个或多个中的发送路径和接收路径)。
图5a示出根据此公开的实施例的用于多输入多输出(MIMO)基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的发送路径。发送路径500包括波束成形架构，其中从基带处理输出的所有信号被完全连接至天线阵列的所有相移器和功率放大器(PA)。
如图5a中显示，Ns信息流被基带处理器(未显示)处理，并且被输入到基带TX MIMO处理块510。在基带TX MIMO处理之后，信息流在数字和模拟转换器(DAC)512处被转换，并且进一步被中频(IF)和RF上变频器514处理，IF和RF上变频器514将基带信号转换为RF载波频带中的信号。在一些实施例中，一个信息流可以被分裂成I(同相)和Q(正交)信号以用于调制。在IF和RF上变频器514之后，信号被输入到TX波束成形模块516。
图5a示出了关于TX波束成形模块516的一个可能架构，其中信号被完全地连接至发送天线的所有相移器和功率放大器(PA)。来自IF和RF上变频器514的每个信号可以通过一个相移器518和一个PA 520，并且经由组合器522，所有信号可以被组合以投送(contribute)至TX天线阵列524的一个天线。在图5a中，在TX天线阵列524中存在Nt个发送天线。每个天线可以具有一个或多个天线单元。每个天线通过空气发送信号。控制器530可以与TX模块交互，TX模块包括基带处理器、IF和RF上变频器514、TX波束成形模块516和TX天线阵列524。接收模块532可以接收反馈信号，并且反馈信号可以被输入到控制器530。控制器530可以处理反馈信号并且调整TX模块。
图5b示出根据此公开的实施例的用于MIMO基带处理的和利用大量天线的模拟波束成形的另一发送路径。发送路径501包括下述波束成形架构，其中从基带处理输出的信号被连接至天线阵列的子阵列的相移器和功率放大器(PA)。发送路径501类似于图5a的发送路径500，除了TX波束成形模块516中的不同。
如图5b中所示，来自基带的信号通过IF和RF上变频器514被处理，并且被输入到天线阵列524的子阵列的相移器518和功率放大器520，其中子天线具有Nf个天线。对于来自基带处理的Nd个信号(例如，MIMO处理的输出)，如果每个信号去到具有Nf个天线的子阵列，则发送天线的总数Nt应该是Nd*Nf。对于每个子阵列，发送路径501包括相等数量的天线。然而，本公开不限于此。而是，用于每个子阵列的天线数量不需要在所有子阵列中相等。
发送路径501包括来自MIMO处理的一个输出信号作为到利用一个天线子阵列的RF处理的输入。然而，此公开不限于此。而是，来自基带处理的Nd个信号的一个或多个信号(例如，MIMO处理的输出)可以是到一个子阵列的输入。当来自MIMO处理的多个输出信号作为到一个子阵列的输入时，来自MIMO处理的多个输出信号的每个可以被连接至子阵列的部分或全部天线。例如，利用天线子阵列的每个的RF和IF信号处理可以与如图5a中的利用天线阵列的处理、或者任何类型的利用天线阵列的RF和IF信号处理相同。与一个天线子阵列有关的过程可以被称为一个“RF链”。
图5c示出根据此公开的实施例的用于MIMO基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的接收路径。接收路径550包括波束成形架构，其中在RX天线处接收到的所有信号通过放大器(例如，低噪放大器(LNA))和相移器被处理。信号然后被组合以形成可以进一步被转换为基带信号并在基带中处理的模拟流。
如图5c中所示，NR个接收天线560接收由发送天线在空气中发送的信号。每个接收天线可以具有一个或多个天线单元。来自RX天线的信号通过LNA 562和相移器564被处理。然后信号在组合器566处被组合来形成模拟流。总共，可以形成Nd个模拟流。每个模拟流可以进一步经由RF和IF下变频器568和模数转换器(ADC)570被转换为基带信号。经转换得到的数字信号可以在基带RX MIMO处理模块572和其它基带处理中被处理，以获得恢复的NS个信息流。控制器580可以与RX模块交互，RX模块包括基带处理器、RF和IF下变频器568、RX波束成形模块563和RX天线阵列模块560。控制器580可以向发送器模块582发送信号，发送器模块582可以发送反馈信号。控制器580可以调整RX模块，并且确定和形成反馈信号。
图5d示出根据此公开的实施例的用于MIMO基带处理和利用大量天线的模拟波束成形的另一接收路径。接收路径551包括波束下述成形架构，其中由天线阵列的子阵列接收的信号可以被放大器和相移器处理以形成可以在基带中被转换和处理的模拟流。接收路径551类似于图5c的接收路径550，除了波束成形模块563中的不同。
如图5d中所示，由RX天线阵列560的子阵列的NfR个天线接收的信号被LNA 562和相移器564处理，并且在组合器566处被组合以形成模拟流。可以存在NdR个子阵列(NdR＝NR/NFR)，每个子阵列形成一个模拟流。因此，总共可以形成NdR个模拟流。每个模拟流可以经由RF和IF下变频器568和ADC 570被转换为基带信号。NdR个数字信号在基带模块572中被处理来恢复Ns个信息流。接收路径551对于每个子阵列包括相等数量的天线。然而，本公开不限于此。而是，关于每个子阵列的天线数量不需要在所有子阵列中相等。
接收路径551包括来自利用一个天线子阵列的RF处理的一个输出信号，作为到基带处理的一个输入。然而，此公开不限于此。而是，来自利用一个天线子阵列的RF处理的一个或多个输出信号可以是到基带处理的输入。当来自利用一个天线子阵列的RF处理的多个输出信号是输入时，来自利用一个天线子阵列的RF处理的多个输出信号的每一个都可以被连接到子阵列的部分或全部天线。例如，利用每个天线子阵列的RF和IF信号处理可以与如图5c中的利用天线阵列的处理，或者任何类型的利用天线阵列的RF和IF信号处理。与一个天线子阵列有关的过程可以被称为一个“RF处理链”。
在其它实施例中，可以有与图5a至5d中的路径类似，但是具有不同的波束成形结构的其它发送和接收路径。例如，功率放大器520可以在组合器522之后，所以可以减少放大器的数量。
图6示出根据此公开的实施例的使用天线阵列的无线通信系统。在图6中所示的无线电通信体系600的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用无线电通信系统600的其它实施例。
如图6中所示，系统600包括基站601-603和移动站610-630。基站601-603可以代表图1的基站101-103的一个或多个。同样地，移动站610-630可以代表图1的移动站111-116的一个或多个。
BS 601包括三个小区：小区0、小区1和小区2。每个小区包括两个阵列，阵列0和阵列1。在BS 601的小区0中，天线阵列0和阵列1可以在宽波束上发送相同的下行链路控制信道。但是，阵列0可以具有与阵列1不同的帧结构。例如，阵列0可以接收来自MS 620的上行链路单播通信，而阵列1可以发送与BS 602的小区2阵列0的下行链路回程通信。BS 602包括连接至一个或多个回程网络611的有线回程。同步信道(SCH)和广播信道(BCH)也可以在波束宽度不与图6中所示的来自BS 601的最宽的传输波束一样宽的多个波束上被发送。用于SCH或BCH的这些多个波束的每个可以具有宽于用于单播数据通信的波束的波束宽度，其中用于单播数据通信的波束可以用于基站和单个移动站之间的通信。
遍及公开，可以通过发诸如图5a和5b中所示的发送路径来形成发送波束。同样地，可以通过诸如图5c和5d中所示的接收路径来形成接收波束。
由于LOS阻断(例如，诸如人或汽车的对象移动到LOS中)，在图6中所示的无线链路的一个或多个可能被阻断，或者NLOS可能不具有强到足以维持通信的射线。即使MS离BS很近并且MS仅移动了短距离，链路也可能被阻断。在这样的情况中，如果当前链路不能被恢复，则MS可能需要切换链路。即使MS不位于小区边缘，MS也可能需要切换链路。
如果阵列中的每个天线没有位于高地势，那么可以使用基本上覆盖球形的TX或RX波束。例如，如果每个波束的形状像铅笔，那么在方位角搜索的360度圆的每个采样点处，可能需要180度仰角搜索。替换地，如果每个天线都位于高地势，那么在方位角搜索的360度圆的每个采样点处，少于180度的仰角搜索可能就足够了。
遍及公开，波束可以被称为能量辐射的发射或传播流。可以通过施加相移器和其它因子的调整来将辐射的能量集中在特定方向上来发送或接收信号来执行波束成形。被集中的辐射被称为空间波束。通过改变施加的相移(例如，在相移器518或564处)，可以形成不同的空间波束。波束可以具有在可以形成的其它波束当中唯一地标识该波束的标识符。波束可以是宽波束或窄波束。波束可以是任何形状，例如，铅笔状波束、圆锥状波束、在三个维度上具有不平均的幅度的具有不规则形状的波束等等。波束可以用于数据通信或用于控制信道通信。通信可以从BS到MS、从MS到BS、从BS到另一BS、或者从MS到另一MS，等等。
图7a示出根据本公开的实施例的随机接入资源配置。在图7a中示出的随机接入资源配置的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
系统100的随机接入配置包括在BS 102处的Rx波束成形配置和对于每个随机接入机会要由MS 116使用的上行链路时间和频率资源。系统100利用被编索引号的随机接入配置集，并且BS 102广播正在应用的随机接入配置的索引。
图7a示出随着时间的随机接入信道(RACH)机会的分布的三个可能示例，例如，第一配置705、第二配置710和第三配置715。在这些示例中，存在四种可能的BS Rx波束成形配置。每个随机接入机会被标记为该机会部署的BS Rx波束成形配置的索引。
每个RACH机会被示出为持续单个子帧。然而，在某些实施例中，RACH机会跨越若干子帧。在某些实施例中，RACH机会跨越仅仅子帧的部分。在每个RACH机会中，MS 116可以发送随机接入消息。在此，术语RACH突发脉冲用于描述通过MS 116的随机消息的单个发送。在单个RACH机会期间，MS 116可以发送一个或多个RACH突发脉冲。
如果BS 102能够成功地解码来自MS 116的RACH突发脉冲，那么BS102也能够确定由MS 116采用来发送相应RACH突发脉冲的Tx波束或空间配置。例如，这可以通过在RACH消息中包括携载必要配置或身份的有效载荷或者通过为每个Tx波束采用区别的前导码序列来实现。
MS 116需要选择Tx功率和Tx波束宽度以用于发送随机接入消息。不同的MS在其形成不同宽度的波束的能力上不同是可能的。无论如何，每个MS确定可以用于确保充分的覆盖的Tx功率和Tx波束宽度对的有效集。
图7b示出根据本公开的实施例的上行链路通信。在图7b中所示的上行链路通信的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，对于利用多个天线或利用天线阵列的典型上行链路通信，UE116向BS 102发送发送(TX)波束，并且BS 102使用接收(RX)波束来接收来自UE 116的信号。为了通信发生，UE的TX功率加上UE的TX天线增益减去路径损耗加上BS RX天线增益应该不少于某一阈值(例如，基于要求)UL_THreshold，对于所有功率或增益或损耗的单位为对数，例如，dB、或者dBm等，诸如根据公式1。
UE TX功率+UE TX天线增益(UE TX波束宽度的函数)-路径损耗+BS RX天线增益(BS RX波束宽度)
>＝UL_Threshold(要求) (1)
基于要求的阈值UL_Threshold可以是BS 102可以收到UE 116的信(hear from)，或者BS 102可以检测和解码来自UE 116的信号所至少需要的值。UL_Threshold也可以考虑噪声。对于天线增益，如果天线阵列用于形成波束，则天线增益也可以被称为天线阵列增益。天线(阵列)增益可以考虑到天线形成因子以及来自天线单元的增益。通常当天线(阵列)增益变大时，形成的波束的波束宽度应该变窄。当天线(阵列)增益变小时，形成的波束的波束宽度应该变宽。天线(阵列)增益可以是波束宽度的函数，或者在规范化来看，半功率波束宽度(HPBW)。从另一视角来看，UE TX波束的波束宽度也可以是UE TX天线增益或天线阵列的函数。这两个函数可以是彼此的反函数。
在图7b中示出的上行链路通信的示例中，UE 116向BS 102发送发送(TX)波束720。BS 102使用接收(RX)波束725来接收来自UE 116的信号。为了通信发生，UE的TX功率加上UE的TX天线增益减去路径损耗加上BS RX天线增益应该不少于某一阈值(例如，基于要求)，对于所有功率或增益或损耗的单位为dB、或者dBm等。天线(阵列)增益可以是波束宽度的函数，或者在规范化来看，半功率波束宽度(HPBW)。通常当天线(阵列)增益变大时，形成的波束的波束宽度应该变窄。当天线(阵列)增益变小时，形成的波束的波束宽度应该变宽。
在某些实施例中，MS 116将其初始Tx功率和Tx波束宽度设置为由BS 102指定的随机接入配置和由MS 116计算的下行链路路径损耗估计的函数。系统100可以采用表格的族(family)来指定作为观察到的下行链路路径损耗的函数的额定波束宽度，如表1中所示。
表1：由MS用来确定波束宽度的表的示例
表1
在某些实施例中，BS 102将要被MS 116使用的表格的索引包括作为由BS 102广播的随机接入有关参数的集的一部分。例如，BS 102可以使用被定义为MS 116的最大允许发送功率的Pmax来选择合适的表。
当全部MS能够支持额定波束宽度的每个值时，MS 116然后基于由BS 102指示的表格来确定其初始Tx波束宽度。MS 116根据公式2来确定初始Tx功率，Pinit(以dB为单位)：
Pinit＝min(Pmax,RECEIVED_TARGET_POWER+PL-DIR_GAIN(W)+POWER_OFFSET(W)(2)
其中W是由MS部署的波束的HPBW，PL是由MS估计的下行链路路径损耗，并且DIR_GAIN是关于HPBW W的波束的MS特定的方向性增益。接入参数Pmax和RECEIVED_TARGET_POWER由BS 102向MS 116广播。POWER_OFFSET(W)项被BS 102配置为波束宽度的函数。例如，BS102可以广播表格的族的索引，其中每个表格提供作为使用的波束宽度的函数的POWER_OFFSET。
在某些实施例中，MS(例如，MS 111-MS 116和MS 610-MS 630)在它们支持不同波束宽度的能力不上同。为此原因，MS 116可能不能够支持由BS 102指定的额定波束宽度。MS116将要使用的实际波束宽度确定为额定波束宽度的函数。假设W是MS 116所支持的波束宽度的集，并且WNB是根据由BS 102指定的每个表格和下行链路路径损耗估计确定的额定波束宽度。那么，在一个示例中，根据公式3，实际波束宽度WA是MS 116支持的最小波束宽度，其大于或等于额定波束宽度：
WA＝min{W∈W:W≥WNB} (3)
在另一个示例中，实际波束宽度可以是小于或等于额定波束宽度的MS所支持的最大波束宽度。
WA＝max{W∈W:W≤WNB} (4)
在另一个示例中，实际波束宽度可以是最接近额定波束宽度的波束宽度。
WA＝argmin{W∈W}|W-WNB| (5)
MS将如下确定初始Tx功率Pinit(以dB为单位)：
Pinit＝min(Pmax,RECEIVED_TARGET_POWER+PL-DIR_GAIN(W)+POWER_OFFSET(W)+POWER_CORR) (6)
其中W是被MS 116采用的波束的HPBW，RECEIVED_TARGET_POWER是在BS处的目标接收功率，PL是由MS 116估计的下行链路路径损耗，DIR_GAIN是关于HPBW W的波束的MS特定的方向性增益，POWER_OFFSET是由BS 102配置的功率偏移，POWER_CORR是可以用于计算(account for)额定和实际波束宽度之间的差的附加功率项。在某些实施例中，系统100采用表格的族来将功率偏移指定为额定和实际波束宽度之间的差的函数，如表2中显示。BS102可以将要被MS 116使用的表格的索引包括作为由BS 102广播的随机接入有关参数的集的一部分，如表2中显示。
表2：由MS用来确定POWER_OFFSET的表格的示例
表2
在某些实施例中，BS 102将MS 116的最大发送功率配置为由MS 116使用的Tx波束宽度的函数。系统100可以采用表格的族来指定作为Tx波束宽度的函数的最大Tx功率，如表3中显示。
表3：由BS用来配置最大Tx功率的表的示例
表3
图8示出根据本公开的实施例的阶段性随机接入重发。在图8中示出的阶段性随机接入重发800的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，MS 116在多个空间方向上发送随机接入消息或前导码。为此目的，MS 116将其发送尝试划分成阶段。在每个阶段的开始处，MS 116将选择Tx功率和Tx波束宽度值。
在由BS 102广告的每个随机接入机会805处，MS 116使用为RACH机会805落在其中的阶段选择的Tx功率和Tx波束宽度而在不同的方向上发送随机接入消息或前导码810。
在特定的阶段期间，MS 116尝试在所有可能方向上发送。MS 116随机地选择发送的方向，注意确保它尽可能地不重复先前选择的方向。如果阶段中可用的随机接入突发脉冲的数量超过用于特定Tx波束宽度的方向的数量，那么MS 116在当前阶段中选择先前被选择的方向。选择方向的次序可以由随机种子驱动，该随机种子可以是MS身份的函数，目标是减少随机接入冲突。
BS 102配置阶段的数量和每个阶段的持续时间。BS 102广播参数MAX_NUM_RETRANSMIT_STAGES，其为MS 116可以使用来发送随机接入消息的阶段的最大数量。如果甚至在MAX_NUM_RETRANSMIT_STAGES个阶段之后随机接入还是不成功，那么MS 116向高层宣布随机接入失败。
每个阶段的持续时间可以用几种方式来指定，诸如帧的数量、RACH机会的数量或RACH突发脉冲的数量。BS 102也可以变化连续的阶段的长度。例如，BS 102可以明确地指定前几个阶段的长度。MS 116然后使用由BS 102提供的阶段长度用于前几个指定的阶段，然后使用用于最后的指定阶段的值或者由BS 102配置的某个其它公共值以用于其余阶段(如果有的话)。关于阶段结构的信息可以由MS 116在系统消息中广播，或者由BS 102在BS 102检测到RACH机会中的随机接入传输时由BS 102发送的随机接入响应消息中发送。系统100采用若干预配置的阶段结构，并且BS 102可以指示要应用的阶段配置的索引。在表4中提供可能的阶段配置的示例。
表4：可能的阶段配置的示例
表4
图9示出根据本公开的实施例的第一波束宽度和功率缓升、重发过程。在图9中示出的第一波束宽度和功率缓升、重发过程(重发方案1)的实施例900仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，BS 102使得MS 116能够在连续的随机接入阶段中采用波束宽度减小，随后功率缓升。在框905，BS 102广播波束宽度减小步长ΔW和功率缓升步长ΔP。MS116为初始重复初始化初始Tx功率P1和Tx波束宽度W1(例如，设置i＝1)。MS 116选择用于阶段1的初始Tx功率P1和Tx波束宽度W1。在框910中，MS 116在阶段i中尝试随机接入。在框915中，MS 116确定随机接入是否成功。如果在框915中随机接入成功，则MS 116在框920中向高层宣布随机接入成功。如果在框915中随机接入不成功，则MS 116尝试重发方案1。在重发方案1中，MS 116在每个继续的阶段中将Tx波束宽度减小ΔW，直到波束宽度被减小为MS 116所支持的最小波束宽度Wmin。MS 116然后在继续的阶段中将Tx功率增加ΔP，直到到达最大功率Pmax。根据公式7和8给出阶段i+1中的Tx功率和Tx波束宽度的计算：
如果Wi＝Wmin：
Wi+1＝Wmin和Pi+1＝min(Pmax,Pi+ΔP) (7)
否则：
Wi+1＝max(Wmin,Wi-ΔW)和Pi+1＝P1 (8)
如此，在框925中，MS 116确定是否已经执行阈值数量的重发尝试。如果尚未执行阈值数量的重发尝试，则MS 116要么在框930中根据公式7和8减小Tx波束宽度或增加Tx功率，要么尝试关于下一阶段的随机接入(例如，返回到框910)。如果已经执行阈值数量的重发尝试，则MS 116在框935中向高层宣布随机接入失败。
BS 102配置MS使用的Wmin的值。MS 116可能不支持在重发方案1过程中计算的波束宽度(诸如被配置为使得MS 116和/或BS 102的处理电路执行此重发过程的多个指令或算法)是可能的。在那种情况下，MS 116可以使用如在早先的实施例中描述的波束宽度或挑选接下来较小的波束宽度。算法(例如，多个指令)可以被延伸到BS 102将最大Tx功率配置为Tx波束宽度的函数的情形。
图10示出根据本公开的实施例的第二波束宽度和功率缓升、重发过程。在图10中示出的第二波束宽度和功率缓升、重发过程(重发方案2)的实施例1000仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
BS 102使得MS 116能够在连续的随机接入阶段中采用功率缓升，随后波束宽度减小。在框1005中，BS 102广播波束宽度减小步长ΔW和功率缓升步长ΔP。MS 116为初始重复初始化初始Tx功率P1和Tx波束宽度W1(例如，设置i＝1)。MS 116选择用于初始发送的初始Tx功率P1和Tx波束宽度W1(阶段1)。在框1010中，MS 116在阶段i中尝试随机接入。在框1015中，MS 116确定随机接入是否成功。如果在框1015中随机接入成功，则MS 116在框1020中向高层宣布随机接入成功。如果在框1015中随机接入不成功，则MS 226尝试重发方案2。在此重发方案(重发方案2)中，MS 116将每个继续的阶段中的Tx功率增加ΔP，直到达到最大功率Pmax。MS 116然后将在继续的阶段中的Tx波束宽度减小ΔW，直到达到MS所支持的最小波束宽度。由公式9和10给出阶段i+1中的Tx功率和Tx波束宽度的计算：
如果Pi＝Pmax：
Wi+1＝max(Wmin,Wi-ΔW)和Pi+1＝Pmax (9)
否则：
Wi+1＝W1和Pi+1＝min(Pmax(Wi+1),Pi+ΔP) (10)
如此，在框1025中，MS 116确定是否已经执行阈值数量的重发尝试。如果尚未执行阈值数量的重发尝试，则MS 116要么在框1030中根据公式9和10减小Tx波束宽度或增加Tx功率，要么尝试关于下一阶段的随机接入(例如，返回到框1010)。如果已经执行阈值数量的重发尝试，则MS 116在框1035中向高层宣布随机接入失败。
BS 102配置MS使用的Pmax和Wmin的值。MS 116可能不支持在重发方案2过程中计算的波束宽度(诸如被配置为使得MS 116和/或BS 102的处理电路执行此重发过程的多个指令或算法)是可能的。在那种情况下，MS 116选择如在早先的实施例中描述的波束宽度或挑选接下来较小的波束宽度。算法(多个指令)可以被延伸到BS 102将最大Tx功率配置为Tx波束宽度的函数的情形。
图11示出根据本公开的实施例的第三波束宽度和功率缓升、重发过程。在图11中示出的第三波束宽度和功率缓升、重发过程(重发方案3)的实施例1110仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，BS 102使得MS 116能够在连续的随机接入阶段中采用波束宽度减小和功率缓升。在框1105中，BS 102广播波束宽度减小步长ΔW和功率缓升步长ΔP。MS116为初始重复初始化Tx功率P1和Tx波束宽度W1(例如，设置i＝1)。MS 116选择用于初始随机接入的初始Tx功率P1和Tx波束宽度W1(阶段1)。在框1110中，MS 116在阶段i中尝试随机接入。在框1115中，MS 116确定随机接入是否成功。如果在框1115中随机接入成功，则MS 116在框1120中向高层宣布随机接入成功。如果在框1115中随机接入不成功，则MS 116尝试重发方案3。在此方案(重发方案3)中，MS 116很可能在每个继续的阶段中增加Tx功率并减小Tx波束宽度。
MS 116然后在继续的阶段中将Tx波束宽度减小ΔW，直到达到MS所支持的最小波束宽度。由公式11和12给出阶段i+1中的Tx功率和Tx波束宽度的计算：
如果Pi<Pmax：
Pi+1＝min(Pmax,Pi+ΔP)，概率为qi (11)
如果Wi>Wmin
Wi+1＝max(Wmin,Wi-ΔW)，概率为ri (12)
如此，在框1125中，MS 116确定是否已经执行阈值数量的重发尝试。如果尚未执行阈值数量的重发尝试，则MS 116要么在框1130中根据公式11减小Tx波束宽度或增加Tx功率，要么尝试关于下一阶段的随机接入(例如，返回到框1110)。如果已经执行阈值数量的重发尝试，则MS 116在框1035中向高层宣布随机接入失败。
例如，MS 116可以在阶段i的末尾以概率qi增加Tx功率。同样地，MS 116可以在阶段i的末尾以概率ri减小波束宽度。在某些实施例中，利用更复杂的策略。例如，某些策略涉及减小Tx功率和增加Tx波束宽度。BS 102配置MS使用的Pmax和Wmin的值。BS 102配置要由MS使用的qi和ri的值。MS可能不支持通过方案3中提供的算法计算(即通过多个指令计算)的波束宽度是可能的。在那种情况下，MS 116选择如在早先的实施例中描述的波束宽度或挑选接下来较小的波束宽度。算法(即，多个指令)可以被延伸到BS 102将最大Tx功率配置为Tx波束宽度的函数的情形。
在某些实施例中，BS 102约束确保充分的覆盖的发送功率和发送波束宽度的一些组合。在一种方法中，MS 116基于以上技术(例如，以上实施例)之一来确定初始Tx波束宽度和Tx功率。BS 102将MS 116需要施加以便使用更宽的Tx波束宽度的超过初始Tx功率的最小功率偏移配置为初始Tx波束宽度和所提出的Tx波束宽度之间的差的函数，如表5中例示：
表5：最小功率偏移规范的示例
表5
图12示出根据本公开的实施例的第一、第二和第三重发方案。在图12中显示的重发方案1200的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在图12中显示上面讨论的三个重发方案的图解说明。在图12中，被标记无效的Tx功率和Tx波束宽度的一些组合指的是不满足在此公开中描述的条件的那些对。例如，无效区域1205标识Tx功率太低并且Tx波束宽度太宽而不能完成成功的随机接入的Tx功率和Tx波束宽度组合。
在重发方案-1 1210中，如果随机接入不成功，则MS 116通过在连续的迭代中首先将它的Tx功率提升1212ΔP直到随机接入被实现或直到达到阈值电平Pmax为止，来尝试重发。阈值Tx功率电平可以是最大功率电平或某种预定或特定的功率电平。之后，如果仍然尚未实现随机接入，则MS 116在连续的迭代中将其Tx波束宽度减小1214ΔW直到随机接入被实现或者直到达到阈值水平Wmin为止。阈值Tx波束宽度水平可以是最小波束宽度水平或某种预定或特定的波束宽度水平。
在重发方案-2 1220中，如果随机接入不成功，则MS 116通过在连续的迭代中首先将其波束宽度减小1222ΔW直到实现随机接入或直到达到阈值水平Wmin为止，来尝试重发。阈值Tx波束宽度水平可以是最小波束宽度水平或某种预定或特定的波束宽度水平。之后，如果仍然尚未实现随机接入，则MS 116在连续的迭代中将其Tx功率提升1224ΔP，直到实现随机接入或直到达到阈值电平Pmax为止。阈值Tx功率电平可以是最大功率电平或某种预定或特定的功率电平。
在重发方案-3 1230中，如果随机接入不成功，则MS 116通过在连续的迭代中提升其Tx功率和减小其Tx波束宽度来尝试重发。例如，在第一重发尝试中，MS 116减小其Tx波束宽度1232。如果随机接入不成功，则MS 116提升其Tx功率1234并重新尝试随机接入。MS 116继续在连续的迭代中将其Tx波束宽度减小1232ΔW将其Tx功率电平提升1234ΔP，直到实现随机接入，直到达到阈值水平Wmin，或者直到达到阈值电平Pmax为止。
图13示出根据本公开的实施例的BS最优化的随机接入。在图13中示出的BS最优化的随机接入1300的实施例仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，在MS 116已经成功地运行随机接入过程之后，BS 102指令MS116使用优选的Rx和Tx波束成形配置用于未来的随机接入尝试。此配置包括BS Rx波束成形配置、MS Tx波束、Tx功率、Tx波束宽度和Tx空间定向。一旦MS 116和BS 102已经发现工作的Rx-Tx组合，优选的Rx和Tx波束成形配置(也被称为BS最优化的随机接入)就降低了随机接入延迟。在一个示例中，优选的波束成形配置可以是用于先前成功的随机接入尝试的配置。在另一示例中，优选的波束成形配置可以是当MS 116处于涉及上行链路数据发送的连接状态中时发现的不同的配置。
在某些实施例中，BS 102包括关于定时器的值，诸如PREFERRED_BFC_RA_TIME，其指示在从BS 102接收到消息之后由BS 102指定的随机接入配置有效的时间。此定时器的值可以取决于BS 102对MS 116的移动性的估计，其或者直接从MS 116获得，或者经由诸如信道状态报告的间接测量获得。在某些实施例中，BS 102包括最大尝试参数，诸如PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS，其为MS 116将使用优选的波束成形配置的RACH突发脉冲尝试的最大数量。BS 102可以配置MS 116在每个不成功的随机接入尝试之后采用功率缓升。一旦MS 116用完所允许的PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS，MS 116就可以恢复这里在上面相对于图7至12所略述的技术中描述的标准随机接入过程。
图13示出根据本公开的实施例的用于BS最优化的随机接入的过程。在框1305中，MS 116开始随机接入过程。在框1310中，MS 116确定定时器值是否超过阈时间值，诸如PREFERRED_BFC_RA_TIME。如果定时器值超过阈值(即，定时器>PREFFED_BFC_RA_TIME)，则MS 116在框1315中使用标准随机接入过程来执行随机接入。如果定时器值小于阈值(即，定时器<PREFERRED_BFC_RA_TIME)，则MS 116在框1320中设置如BS指定的W1、P1、ΔW、ΔP和方向，并且初始化i＝1。MS 116在框1325中在接下来的可用突发脉冲中执行随机接入。在框1330中，MS 116确定随机接入是否成功。如果随机接入成功，则MS 116在框1335中向高层宣布随机接入成功。如果随机接入不成功，则在框1340中，MS 116确定i是否超过阈重复数(即，i<PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS)。如果重复数量少于阈量(即，i<PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS是真或“是”)，则MS 116在框1345中调整其功率电平，并且在框1325中在接下来的可用突发脉冲中尝试随机接入。如果重复数量超过阈量(即，i<PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS不为真或为“否”)，则MS 116进行为在框1350中执行标准随机接入，其中设置W＝W1并且P＝Pi。
图14示出根据本公开的实施例的MS最优化的随机接入。在图14中示出的MS最优化的随机接入的实施例1400仅用于说明。在不脱离此公开的范围的情况下可以使用其它实施例。
在某些实施例中，在MS 116已经成功地运行随机接入过程之后，MS 116(内部地在存储器360中)存储随机接入波束成形配置以用于未来的随机接入尝试。此配置包括BS Rx波束成形配置、MS Tx波束、Tx功率、Tx波束宽度和Tx空间定向。通过存储随机接入波束成形配置，MS 116被配置为一旦MS 116和BS 102发现了工作的Rx-Tx组合，就能减少随机接入延迟。在一个示例中，优选的波束成形配置可以是用于先前成功的随机接入尝试的配置。在另一示例中，优选的波束成形配置可以是当MS 116处于涉及上行链路数据发送的连接状态中时发现的不同的配置。在另一示例中，优选的波束成形配置可以基于Tx波束的下行链路测量。
BS 102经由最优化配置参数OPTIMIZED_RA_ENABLE配置MS 116使用其优选的随机接入配置。如果被启用，则BS 102包括阈尝试参数OPTIMIZED_RA_MAX_ATTEMPTS，其为用于MS 116将使用优选波束成形配置的RACH突发脉冲尝试的最大数量。在某些实施例中，BS102配置MS 116在每个不成功的随机接入尝试之后采用功率缓升。一旦MS 116用完所允许的PREFERRED_RA_MAX_ATTEMPTS，MS 116就恢复这里在上面相对于图7至12所略述的技术中描述的标准随机接入过程。
图14示出根据本公开的实施例的用于MS最优化的随机接入的过程。在框1405中，MS 116开始随机接入过程。在框1410中，MS 116确定最优化配置参数OPTIMIZED_RA_ENABLE是否被启用。如果最优化配置参数OPTIMIZED_RA_ENABLE没有被启用(即，“否”)，则MS 116在框1415中使用标准随机接入过程来执行随机接入。如果最优化配置参数OPTIMIZED_RA_ENABLE被启用(即，“是”)，则MS 116在框1420中设置如BS 120指定的W1、P1、ΔW、ΔP和方向，并且初始化i＝1。MS 116在框1425中在接下来的可用突发脉冲中执行随机接入。在框1430中，MS 116确定随机接入是否成功。如果随机接入成功，则MS 116在框1435中向高层宣布随机接入成功。如果随机接入不成功，则在框1440中，MS 116确定i是否超过阈重复数(即，i<PREFERRED_RA_MAX_ATTEMPTS)。如果重复数量少于阈量(即，i<PREFERRED_RA_MAX_ATTEMPTS是真或“是”)，则MS 116在框1445中调整其功率电平，并且在框1425中在接下来的可用突发脉冲中尝试随机接入。如果重复数量超过阈量(即，i<PREFERRED_RA_MAX_ATTEMPTS不为真或为“否”)，则MS 116进行为在框1450中执行标准随机接入，其中设置W＝W1并且P＝Pi。
在某些实施例中，BS 102使用多个Tx波束发送下行链路广播信道(例如，共享信道(SCH)和广播信道(BCH))和/或参考信号。MS 116测量这些Tx波束的信号质量(例如，接收信号强度或信噪比)，并识别具有可接受质量的一个或多个Tx波束/方向。MS 116然后优先尝试在这些方向上发送其随机接入消息。在某些实施例中，这涉及取决于Tx和Rx天线阵列(如果分开的天线阵列被用于Tx和Rx目的)的相对位置而添加固定的角偏移。例如，在RACH时机中，MS 116可以在选择其它方向之前首先挑选这些方向。在另一示例中，MS 116分配更高的概率来挑选这些波束。
在某些实施例中，MS 116接入多个数字链，使得MS 116能够同时发送多个随机接入消息。此方法可以用于通过行使(exercise)多个空间方向而减小延迟。MS 116确保被选择用于同时发送的方向足够分离以避免自干扰。此方法的缺点是由于多个发送而导致的增加的干扰以及对于在其处理处仅具有单个数字链的MS所导致的不公平。为了减轻这个影响，在某些实施例中，BS 102请求MS 116将其Tx功率减小作为被使用的数字链的数量的函数的值POWER_RED_OFFSET(以dB为单位)。在表6中提供示例。
表6：由MS用来确定POWER_RED_OFFSET的表的示例
表6
在某些实施例中，BS 102配置MS 116使用更少的RACH时机。例如，如果MS 116具有N个数字链，那么BS 102可以约束MS 116仅使用每个MULT_CYCLE_thRACH时机。在表7中提供示例。
表7：由MS用来确定MULT_CYCLE的表的示例
表7
在某些实施例中，BS 102指定不同的随机接入参数集(例如，RECEIVED_TARGET_POWER、确定作为路径损耗的函数的波束宽度的表的索引、确定作为额定波束宽度和实际波束宽度的函数的功率偏移的表的索引、回退参数、阶段配置、Pmax、Wmin、ri、qi、PREFERRED_BFC_RA_TIME、PREFERRED_BFC_MAX_ATTEMPTS、POWER_RED_OFFSET和MULT_CYCLE)用于每个广告的Rx波束成形配置。MS 116维持分开的用于随机接入目的的状态机用于每个BS Rx波束成形配置。
虽然已经以示范性实施例描述了本公开，但是对于本领域技术人员可以建议各种改变和修改。本公开旨在将这样的改变和修改涵盖为落入所附权利要求的范围之内。

Claims (21)

1.一种无线通信系统中的终端，包括：
收发器，被配置成与至少一个基站通信；以及
一个或多个处理器，被配置成执行对所述至少一个基站的随机接入，
其中，所述一个或多个处理器被配置成控制所述收发器：
利用第一发送Tx波束以第一功率发送用于第一随机接入的随机接入信道RACH序列；
响应于第一随机接入失败，利用第一发送Tx波束以高于第一功率的第二功率发送用于第二随机接入的RACH序列，并且
响应于第二随机接入失败，利用第二Tx波束以第二功率发送用于第三随机接入的RACH序列，
其中，第二Tx波束的空间方向不同于第一Tx波束的空间方向。
2.如权利要求1所述的终端，其中，所述一个或多个处理器进一步被配置成确定第一功率、第二功率、第一Tx波束和第二Tx波束，以及
其中，第一Tx波束包括具有第一Tx波束宽带的波束，以及第二Tx波束包括具有第二Tx波束宽带的波束。
3.如权利要求2所述的终端，其中，第二Tx波束宽带窄于第一Tx波束宽带。
4.如权利要求2所述的终端，其中，所述收发器被配置成从所述至少一个基站接收配置信息，
其中，所述一个或多个处理器被配置成基于所述配置信息确定第一功率、第二功率、第一Tx波束和第二Tx波束，以及
其中，所述配置信息包括下述中的至少一个：
从路径损耗到下述中的至少一个的映射：
初始Tx波束宽度(W1),
初始Tx功率电平(P1),
用于重发的Tx波束宽度，
用于重发的Tx功率电平，
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
其中，所述路径损耗处于所述终端和所述至少一个基站之间，并且所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；
从所述终端能够支持的波束宽度集到下述中的至少一个的映射:
初始Tx功率电平(P1)，
用于重发的Tx功率电平，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
初始Tx波束宽度(W1)；
初始Tx功率电平(P1)；
用于重发的Tx波束宽度；
用于重发的Tx功率电平；
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW；和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP。
5.如权利要求2所述的终端，其中，所述一个或多个处理器被配置成基于下述中的至少一个来确定初始Tx波束宽度(W1)和初始Tx功率电平(P1)中的至少一个：
在所述终端和所述基站之间的路径的路径损耗，其中，所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；和
所述终端能够支持的波束宽度集。
6.如权利要求1所述的终端，其中，第二功率是对终端的用于发送RACH序列的Tx波束允许的最大功率；以及
其中，所述一个或多个处理器被配置成通过将Tx波束的功率保持为最大功率来将终端的Tx波束从第一Tx波束改变为第二Tx波束。
7.如权利要求1所述的终端，其中，所述一个或多个处理器被配置成在连续的迭代中在将Tx波束宽度减小调整的Tx波束宽度ΔW和将Tx功率电平提升调整的Tx功率电平ΔP之间交替直到以下至少一个为止：
随机接入成功；或者
达到最小Tx波束宽度Wmin和最大Tx功率电平Pmax。
8.一种用于在终端中执行随机接入的方法，该方法包括：
利用第一发送Tx波束以第一功率发送用于第一随机接入的随机接入信道RACH序列，
响应于第一随机接入失败，利用第一Tx波束以高于第一功率的第二功率发送用于第二随机接入的RACH序列，并且
响应于第二随机接入失败，利用第二Tx波束以第二功率来发送用于第三随机接入的RACH序列，
其中，第二Tx波束的空间方向不同于第一Tx波束的空间方向。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
确定第一功率、第二功率、第一Tx波束和第二Tx波束，以及
其中，第一Tx波束包括具有第一Tx波束宽带的波束，以及第二Tx波束包括具有第二Tx波束宽带的波束。
10.如权利要求9所述的方法，其中，第二Tx波束宽带窄于第一Tx波束宽带。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：
从至少一个基站接收配置信息，
其中，确定第一功率、第二功率、第一Tx波束和第二Tx波束包括基于所述配置信息确定第一功率、第二功率、第一Tx波束和第二Tx波束，以及
其中，所述配置信息可以包括下述中的至少一个：
从路径损耗到下述中的至少一个的映射:
初始Tx波束宽度(W1),
初始Tx功率电平(P1),
用于重发的Tx波束宽度，
用于重发的Tx功率电平，
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
其中，所述路径损耗处于所述终端和所述至少一个基站之间，并且所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；
从所述终端能够支持的波束宽度集到下述中的至少一个的映射:
初始Tx功率电平(P1)，
用于重发的Tx功率电平，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
初始Tx波束宽度(W1)；
初始Tx功率电平(P1)；
用于重发的Tx波束宽度；
用于重发的Tx功率电平；
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW；和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP。
12.如权利要求9所述的方法，还包括：
基于下述中的至少一个确定初始Tx波束宽度(W1)和初始Tx功率电平(P1)中的至少一个：
在所述终端和基站之间的路径的路径损耗，其中，所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；和
所述终端能够支持的波束宽度集。
13.如权利要求8所述的方法，其中，第二功率是对终端的用于发送RACH序列的Tx波束允许的最大功率，还包括：
通过将Tx波束的功率保持为最大功率来将终端的Tx波束从第一Tx波束改变为第二Tx波束。
14.如权利要求8所述的方法，还包括：
在连续的迭代中在将Tx波束宽度减小调整的Tx波束宽度ΔW和将Tx功率电平提升调整的Tx功率电平ΔP之间交替直到以下至少一个为止：
随机接入成功；或者
达到最小Tx波束宽度Wmin和最大Tx功率电平Pmax。
15.一种无线通信系统中的基站，包括：
收发器，被配置成与终端通信；以及
一个或多个处理器，被配置成控制所述收发器：
从终端接收使用第二发送Tx波束以第二功率发送的用于第三随机接入的随机接入信道RACH序列，
其中，所述用于第三随机接入的RACH序列是响应于第二随机接入失败而发送的，
其中，用于第二随机接入的RACH序列是响应于第一随机接入失败而利用第一Tx波束以第二功率发送的，
其中，用于第一随机接入的RACH序列是利用第一Tx波束以低于第二功率的第一功率发送的，以及
其中，第二Tx波束的空间方向不同于第一Tx波束的空间方向。
16.如权利要求15所述的基站，其中，第一Tx波束包括具有第一Tx波束宽带的波束，以及第二Tx波束包括具有第二Tx波束宽带的波束。
17.如权利要求16所述的基站，其中，第二Tx波束宽带窄于第一Tx波束宽带。
18.如权利要求16所述的基站，其中，所述收发器被配置成向所述终端发送配置信息，其中，所述配置信息包括下述中的至少一个：
从路径损耗到下述中的至少一个的映射:
初始Tx波束宽度(W1),
初始Tx功率电平(P1),
用于重发的Tx波束宽度，
用于重发的Tx功率电平，
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
其中，所述路径损耗处于所述终端和所述至少一个基站之间，并且所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；
从所述终端能够支持的波束宽度集到下述中的至少一个的映射:
初始Tx功率电平(P1)，
用于重发的Tx功率电平，和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP,
初始Tx波束宽度(W1)；
初始Tx功率电平(P1)；
用于重发的Tx波束宽度；
用于重发的Tx功率电平；
用于重发的调整的Tx波束宽度ΔW；和
用于重发的调整的Tx功率电平ΔP。
19.如权利要求16所述的基站，其中，所述终端被配置成基于下述的至少一个设置初始Tx波束宽度(W1)和初始Tx功率电平(P1)中的至少一个：
在所述终端和所述基站之间的路径的路径损耗，其中，所述路径损耗可以由所述终端测量和估计；和
所述终端能够支持的波束宽度集。
20.如权利要求15所述的基站，其中，第二功率是对终端的用于发送RACH序列的Tx波束允许的最大功率，以及
其中，所述终端被配置成：通过将Tx波束的功率保持为最大功率来将终端的Tx波束从第一Tx波束改变为第二Tx波束。
21.如权利要求15所述的基站，其中，所述终端被配置成在连续的迭代中在将Tx波束宽度减小调整的Tx波束宽度ΔW和将Tx功率电平提升调整的Tx功率电平ΔP之间交替直到以下至少一个为止：
随机接入成功；或者
达到最大Tx功率电平Pmax。
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