CN106888076A - 一种波束训练中实现同步的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波束训练中实现同步的方法及装置，包括发送设备和接收设备在波束训练中，切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束；发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，接收设备执行定时同步和载波同步。通过本发明提供的技术方案，发送设备和接收设备在波束训练阶段实现了在相同参考基准下的(即相同物理传播环境)高精度的定时同步和载波同步，这样，很好地支持了波束训练阶段的不同探测波束下的信道估计结果依然具备相同的基准时延，基准相位和可忽略的收发端频偏，从而保证了波束训练的有效性。

Description

一种波束训练中实现同步的方法及装置
技术领域
本发明涉及但不限于高频段通信技术，尤指一种波束训练中实现同步的方法及装置。
背景技术
随着无线电通信技术的不断发展，各种各样的无线电业务大量涌现，特别是近几年的智能终端的热潮，消费者对于移动通信容量的需求正呈现指数倍的提升。然而，现有2G、3G、4G移动通信无线电业务所依托的频谱资源集中于非常拥挤的300MHz～3GHz以下的中低频段。拥塞的频谱资源已经制约了移动通信技术的发展，无法满足未来无线通信的需求。
在日益兴起的第五代移动通信技术(5G)中，更高载波频率的使用已经在工业界和学术界达成了普遍共识。潜在的载波频谱，比如28GHz、45GHz和60GHz等。虽然高频段带来了更为丰富的频谱资源，但是，高频信道具有自由空间传播路径损失较大、空气(特别是氧气)吸收更大、雨衰影响较重等缺点，这都影响了高频段通信系统的覆盖范围和使用场景。为了解决上述问题，通过利用高频段波长较短和易于天线集成等特点，高频段通信可以使用多天线阵列和波束赋形方案来获取高天线增益和对抗信号传输损耗以确保链路余量。
在采用波束赋形方案后，发送端可以将能量集中在某一方向上，而接收端同时只从特定的方向接收信号。此时，其他方向发送/接收信号量很弱，继而实现了无线通信的方向性传输。如果基站和用户端需要获得优异的波束赋形天线权重矢量以最大化天线增益，对于基带和终端而言，需要测量和有效的反馈特定的信道状态信息、天线权值或序号，才能确保基站和终端可以使用最优波束组合来实现下行业务和上行业务的传输。
现行的波束训练策略大致分成两大类，一类是基于接收信号能量测量的波束训练策略，另外一种是基于信道估计的波束训练策略。其中，基于接收信号能量测量的波束训练策略是指，收发端使用定向波束，探测潜在最优波束组合的接收信号能量，直接基于接收信号的能量大小来决定最优波束组合的序号；基于信道估计的波束训练策略是指，收发端使用定向或者非定向波束，精确估计在不同波束组合下的信道响应(不同相对时延下的信道响应径的幅度和能量大小)，进而估计最优的收发方向角度或者检测数据传输可选码本的定向收发波束序号。
上述基于接收信号能量测量的波束训练策略，实现相对简单，并且不需要已知发送端的定向天线的发送矢量或者接收端测量的信道状态信息(CSI)，但是，该方案无法有效利用信道的稀疏特性和多径时域可分辨特性；而基于信道估计的波束训练策略，可以有效利用信道稀疏特性和多径时域可分辨等特性，相较于基于接收信号能量测量的策略可以有效节省训练花销，提高训练效率。
在实际部署中，精确的定时同步和载波同步提供了不同波束组合下的到达信号幅度和相位信息的相同参考基准，对于波束训练非常重要。特别是，对于基于信道估计的波束训练策略而言，精确的定时同步和载波同步是其信道估计算法有效性的基础。但是，在基于信道估计的波束训练中，因为定向波束的切换，无线信号的主要物理传播路径可能会发生变化，路径相对延迟的信息发生改变。如果依然使用对于收发波束组合无区分的现有定时同步方案，收发端的时钟会随着定向波束的切换而可能发生变化，统一的参考基准就会丧失，不同波束组合下的信道估计结果不再具有统一的参考基准，进而无法有效的支撑随后的基于信道估计的波束训练算法。
目前，现有技术对确保波束训练阶段的定时同步和载波同步并不支持也没有相关技术方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种波束训练中实现同步的方法及装置，能够确保波束训练阶段的定时同步和载波同步，保证波束训练的有效性。
为了达到本发明目的，本发明提供了一种波束训练中实现同步的方法，包括：
发送设备和接收设备在波束训练中，切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束；
发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，接收设备执行定时同步和载波同步。
可选地，所述切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束包括：
每隔预先设置的同步周期，所述发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，所述接收设备调整接收波束为特定参考波束。
可选地，所述发送设备使用扩频技术发送所述同步参考序列。
可选地，所述发送设备和所述接收设备使用多输入多输出MIMO和天线阵列混合架构时，使用其中一条链路用于发送和接收所述特定参考波束。
可选地，所述切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束包括：
所述发送设备或所述接收设备发送要求所述接收设备或所述发送设备使用特定参考波束实现接收或发送的请求时，所述发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，所述接收设备调整接收波束为特定参考波束。
可选地，所述请求使用所述波束训练阶段频段下的控制信令发送，或者，使用其他频段发送。
可选地，所述特定参考波束为：所述波束训练前，所述发送设备和所述接收设备进行当前控制信令收发所使用的发送波束和接收波束。
可选地，所述特定参考波束为定向波束，或全向波束。
可选地，所述同步参考序列为：用于定时同步和载波同步的所述接收设备已知的辅助序列。
可选地，所述辅助序列为m序列、或Golay序列、或长期演进LTE使用的主同步信号PSS。
可选地，所述定时同步为：所述发送设备和所述接收设备两端采样时钟之间的频率同步和相位同步；
所述载波同步为：所述发送设备和所述接收设备两端调制载波和接收载波之间的载波频率同步和载波相位同步。
可选地，所述波束训练包括使用定向波束的波束训练策略；或使用非定向波束或者随机波束的波束训练策略；或数据传输阶段内的波束追踪。
本发明还公开了一种波束训练中实现同步的装置，至少包括波束切换模块，同步模块；其中，
波束切换模块，用于在波束训练中，切换到特定参考波束；
同步模块，用于使用特定参考波束发送或接收同步参考序列，当设置在接收设备中时，执行定时同步和载波同步。
可选地，所述波束切换模块具体用于：每隔预先设置的同步周期，调整发送波束或接收波束为特定参考波束；或者，接收到要求使用所述特定参考波束实现发送或接收的请求时，调整发送波束或接收波束为所述特定参考波束。
可选地，所述波束切换模块还用于：发送要求使用所述特定参考波束实现发送或接收的请求。
可选地，当所述波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，所述同步模块使用扩频技术发送所述同步参考序列。
可选地，当所述波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，如果该装置所在发送设备及接收设备使用MIMO和天线阵列混合架构时，所述同步模块使用其中一条链路用于发送和接收所述特定参考波束。
可选地，该装置还包括波束训练模块，用于执行完所述定时同步和所述载波同步，进行波束训练。
可选地，所述波束训练包括使用定向波束的波束训练策略；或使用非定向波束或者随机波束的波束训练策略；或数据传输阶段内的波束追踪。
与现有技术相比，本申请技术方案包括：发送设备和接收设备在波束训练中，切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束；发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，接收设备执行定时同步和载波同步。通过本发明提供的技术方案，发送设备和接收设备在波束训练阶段实现了在相同参考基准下的(即相同物理传播环境)高精度的定时同步和载波同步，这样，很好地支持了波束训练阶段的不同探测波束下的信道估计结果依然具备相同的基准时延，基准相位和可忽略的收发端频偏，从而保证了波束训练的有效性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明波束训练中实现同步的方法的流程图；
图2为本发明第一实施例的流程示意图；
图3为本发明波束训练阶段的定时同步和载波同步帧结构示意图；
图4为本发明第二实施例的流程示意图；
图5为本发明第三实施例的流程示意图；
图6为本发明波束训练中实现同步的装置的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1为本发明波束训练中实现同步的方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤100：发送设备和接收设备在波束训练中，切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束。
本步骤中的切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束包括：
每隔预先设置的同步周期，发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，接收设备调整接收波束为特定参考波束。
或者，
发送设备/接收设备发送要求接收设备/发送设备使用特定参考波束实现接收/发送的请求时，发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，接收设备调整接收波束为特定参考波束。其中，
发送设备/接收设备发送的请求，既可以使用波束训练阶段频段下的控制信令发送，也可以使用其他频段，比如6GHz以下低频段2G/3G/4G低频段辅助控制信令传输下的控制信令发送。
需要说明的是，在波束训练阶段，一旦波束训练启动，接收设备和发送设备的每一个时间点做任何操作，都是确定的。这里，“同时”是表示发送设备与接收设备在预先规定的时间开始调整接收波束为特定参考波束，但是，并不是非常精确的同时，只是表示一种近似同时，或者说，允许一定的误差。
本发明中，
波束训练既包括使用定向波束的波束训练策略，也包括使用非定向波束或者随机波束的波束训练策略；此外，还包括数据传输阶段内的波束追踪，波束追踪是指在数据传输中，由于设备的移动和环境的变化，在已知此前最优传输方向的前提下，小范围寻找(或者称为追踪)接收设备和发送设备双方的最优波束组合，部署追踪也归为已知上一时间节点最佳波束收发方向的波束训练的特例。
发送设备既包括集成有天线阵列的通过配置天线权重矢量生成特定波束的发送设备，也包括使用喇叭天线的通过物理旋转生成特定波束的发送设备；此外，若在蜂窝通信中，发送设备可以为基站也可以为用户设备。
接收设备既包括集成有天线阵列的通过配置天线权重矢量生成特定波束的接收设备，也包括使用喇叭天线的通过物理旋转生成特定波束的接收设备；此外，在蜂窝通信中，接收设备可以为基站也可以为用户设备。
特定参考波束为：波束训练前发送设备和接收设备进行当前控制信令收发所使用的发送和接收波束，可以是定向波束，也可以是全向波束。
步骤101：发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，接收设备执行定时同步和载波同步。
本发明中，同步参考序列为：用于定时同步和载波同步的接收设备已知的辅助序列，如m序列、Golay序列、或者长期演进(LTE)使用的主同步信号(PSS，Primary Synchronization Signal)等。
定时同步为：发送设备和接收设备两端采样时钟之间的频率同步和相位同步，定时同步也称作码片同步。比如，可以采用对信道响应不敏感的经典无数据辅助的Gardner算法，在接收到特定参考波束发送的辅助序列后，进行定时同步的更新和纠正。
载波同步包括两个部分：发送设备和接收设备两端调制载波，和接收载波之间的载波频率同步和载波相位同步。具体而言，
载波频率同步所需的收发设备之间的频偏频率估计如公式(1)所示：
公式(1)中，表示频偏估计的结果，L0表示载波同步的起始位置，Lp表示特定参考波束的发送数量，Ls表示相邻特定参考波束所对应的同步参考序列之间所有码片的长度，P表示用于频偏估计的同步参考序列(即特定参考波束)的数目，T表示一个码片或者符号的周期，z表示接收到的信号。
相位同步所需要的相偏估计如公式(2)所示：
公式(2)中，c表示发送符号。
与现有同步技术不同，本发明中的定时同步和载波同步，在波束训练阶段，接收设备/发送设备只能使用特定参考波束收发的已知的同步参考信号(已知信号)进行定时同步和载波同步的操作。也就是说，由非特定参考波束收发的任何参考信号或者未知信号都不可对定时同步和载波同步进行调整，
通过本发明提供的技术方案，发送设备和接收设备在波束训练阶段实现了在相同参考基准下的(即相同物理传播环境)高精度的定时同步和载波同步，这样，很好地支持了波束训练阶段的不同探测波束下的信道估计结果依然具备相同的基准时延，基准相位和可忽略的收发端频偏，从而保证了波束训练的有效性。
对于切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束采用：每隔预先设置的同步周期，发送设备调整发送波束特定参考波束，同时，接收设备调整接收波束为特定参考波束的方法时，
进一步地，
步骤101中的发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列包括：
发送设备使用扩频技术发送同步参考序列，这样提升了同步信号的有效覆盖范围。其中，
扩频技术为：每个符号被映射成一组特定符号组合，两种之间有一一映射关系，以提升信号接收时的信噪比。
进一步地，
当发送设备和接收设备使用多输入多输出(MIMO)和天线阵列混合架构时，使用其中一条链路用于发送和接收特定参考波束；其他链路用于信道测量、波束训练或者数据传输。其中，
MIMO和天线阵列混合架构，既包括天线阵列的分离结构，即每个收发射频链路对于一组专属的天线阵列；也包括天线阵列的共享架构，即所有的收发射频链路共享整个天线阵列。
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细描述。
第一实施例，波束训练中，周期性发送和接收特定参考波束的场景。图2为本发明第一实施例的流程示意图，如图2所示，包括：
步骤200：波束训练开始，发送设备和接收设备切换到发送设备和接收设备双方(简称为收发双方)的特定参考波束方向。
步骤201：发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，执行接收设备的定时同步和载波同步。
步骤202：发送设备切换到新的定向或者非定向训练波束，接收设备切换到新的定向或者非定向训练波束。
也就是说，在同步周期内，执行完步骤201的定时同步和载波同步后，便进行波束训练。
步骤203：发送设备发送波束训练序列，接收设备接收波束训练序列，执行信道或者能量估计。
步骤204：判断是否达到预先设置的同步周期，如果达到，进入步骤200；如果未达到，进入步骤205。
步骤205：判端是否完成训练，如果没有完成，返回步骤202；如果已完成，表明训练完成，输出波束训练结果，并结束本流程。
其中，波束训练结果包括但不局限于以下内容：发送设备和接收设备的最优定向波束组合序号、和/或发送设备和接收设备的次优定向波束组合序号、和/或不同波束训练波束下的信道估计结果等；
图3为本发明波束训练阶段的定时同步和载波同步帧结构的示意图，如图3所示，其中，ut，ref和ur，ref分别表示特定参考波束的发送设备天线权重矢量和接收设备的天线权重矢量，ut，i和ur，i分别表示波束训练阶段第i个训练波束使用的发送天线权重矢量和接收天线权重矢量，ξ表示波束训练阶段收发使用波束组合数；两个相邻同步参考导频的间隔为n个波束训练序列。需要特别说明，所有同步参考序列都是由相同的特定参考波束进行收发的，而每个波束训练序列都对应于各自的训练波束，训练波束两两之间可以不同。
第二实施例，接收设备发送要求发送设备使用特定参考波束实现发送的请求的场景，图4为本发明第二实施例的流程示意图，如图4所示，包括：
步骤400：在波束训练阶段，接收设备根据实际需求向发送设备发送要求发送设备使用特定参考波束实现发送的请求，如图4中的请求发送同步参考序列指令。
步骤401：发送设备调整发送波束到特定参考波束同时，接收设备调整接收波束到特定的参考接收波束。
步骤402：发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列。
步骤403：接收设备即请求发送同步参考序列指令的发起方执行其定时同步和载波同步。
第三实施例，发送设备发送要求接收设备使用特定参考波束实现接收的请求的场景，图5为本发明第三实施例的流程示意图，如图5所示，包括：
步骤500：在波束训练阶段，发送设备根据实际需求向接收设备发送要求接收设备使用特定参考波束实现接收的请求，如图5中的请求接收同步参考序列指令。
步骤501：发送设备调整发送波束到特定参考波束同时，接收设备调整接收波束到特定的参考接收波束。
步骤502：发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列。
步骤503：接收设备即接收到请求发送同步参考序列指令的响应方执行其定时同步和载波同步。
图6为本发明波束训练中实现同步的装置的组成结构示意图，如图6所示，至少包括波束切换模块，同步模块；其中，
波束切换模块，用于在波束训练中，切换到特定参考波束；
同步模块，用于使用特定参考波束发送或接收同步参考序列，当设置在接收设备中时，执行定时同步和载波同步。
其中，
波束切换模块具体用于：每隔预先设置的同步周期，调整发送波束和或接收波束为特定参考波束；或者，接收到要求使用特定参考波束实现发送或接收的请求时，调整发送波束或接收波束为特定参考波束。
波束切换模块还用于：发送要求使用特定参考波束实现发送或接收的请求。
当波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，同步模块使用扩频技术发送同步参考序列。
当波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，如果该装置所在发送设备及接收设备使用MIMO和天线阵列混合架构时，同步模块使用其中一条链路用于发送和接收特定参考波束；其他链路用于信道测量、波束训练或者数据传输。
本发明装置还包括波束训练模块，用于执行完定时同步和载波同步，进行波束训练。
以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种波束训练中实现同步的方法，其特征在于，包括：
发送设备和接收设备在波束训练中，切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束；
发送设备使用特定参考波束发送同步参考序列，接收设备使用特定参考波束接收同步参考序列，接收设备执行定时同步和载波同步。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束包括：
每隔预先设置的同步周期，所述发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，所述接收设备调整接收波束为特定参考波束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发送设备使用扩频技术发送所述同步参考序列。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发送设备和所述接收设备使用多输入多输出MIMO和天线阵列混合架构时，使用其中一条链路用于发送和接收所述特定参考波束。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切换到发送设备和接收设备双方的特定参考波束包括：
所述发送设备或所述接收设备发送要求所述接收设备或所述发送设备使用特定参考波束实现接收或发送的请求时，所述发送设备调整发送波束为特定参考波束，同时，所述接收设备调整接收波束为特定参考波束。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述请求使用所述波束训练阶段频段下的控制信令发送，或者，使用其他频段发送。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述特定参考波束为：所述波束训练前，所述发送设备和所述接收设备进行当前控制信令收发所使用的发送波束和接收波束。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述特定参考波束为定向波束，或全向波束。
9.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述同步参考序列为：用于定时同步和载波同步的所述接收设备已知的辅助序列。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述辅助序列为m序列、或Golay序列、或长期演进LTE使用的主同步信号PSS。
11.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，
所述定时同步为：所述发送设备和所述接收设备两端采样时钟之间的频率同步和相位同步；
所述载波同步为：所述发送设备和所述接收设备两端调制载波和接收载波之间的载波频率同步和载波相位同步。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波束训练包括使用定向波束的波束训练策略；或使用非定向波束或者随机波束的波束训练策略；或数据传输阶段内的波束追踪。
13.一种波束训练中实现同步的装置，其特征在于，至少包括波束切换模块，同步模块；其中，
波束切换模块，用于在波束训练中，切换到特定参考波束；
同步模块，用于使用特定参考波束发送或接收同步参考序列，当设置在接收设备中时，执行定时同步和载波同步。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述波束切换模块具体用于：每隔预先设置的同步周期，调整发送波束或接收波束为特定参考波束；或者，接收到要求使用所述特定参考波束实现发送或接收的请求时，调整发送波束或接收波束为所述特定参考波束。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述波束切换模块还用于：发送要求使用所述特定参考波束实现发送或接收的请求。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，当所述波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，所述同步模块使用扩频技术发送所述同步参考序列。
17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，当所述波束切换模块具体用于每隔预先设置的同步周期，调整发送或接收波束为特定参考波束时，如果该装置所在发送设备及接收设备使用MIMO和天线阵列混合架构时，所述同步模块使用其中一条链路用于发送和接收所述特定参考波束。
18.根据权利要求13～17任一项所述的装置，其特征在于，该装置还包括波束训练模块，用于执行完所述定时同步和所述载波同步，进行波束训练。
19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述波束训练包括使用定向波束的波束训练策略；或使用非定向波束或者随机波束的波束训练策略；或数据传输阶段内的波束追踪。
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