CN107852683B - 用于发送和接收波束对准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供在无线通信系统的接入节点中的方法，包括：在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应。

Description

用于发送和接收波束对准的方法和装置

技术领域

本公开涉及无线通信，并且更具体地涉及采用波束成形的无线通信。

背景技术

由于毫米波(mmWave)波段充足的可用频率资源，其被考虑用于未来的接入网，从而在第五代(5G)无线网络中支持超过吉比特(Gbits)的数据速率。在毫米波波段，一个主要的挑战是传播损耗大。与运行于2.6GHz或3.5GHz的传统第四代(4G)无线网络相比，毫米波波段通信可能引入几十dB的传播损耗，关于毫米波通信以及其传播损耗的更多细节可参见M.R.Akdeniz和Y.Liu等著的、于2014年6月在IEEE Journal on Selected Areas inCommunications第32卷第1164-1179页上发表的、题目为“Millimeter wave channelmodeling and cellular capacity evaluation”的学术论文。

对于工作在毫米波段的无线通信系统，由于波长短，天线单元之间的间隔可以很小，因此可以利用适当的形状因子创建很大的天线阵列。利用大规模多输入多输出(MIMO)技术，可以设计发送波束和接收波束以补偿严重的传播损耗。尽管通过在发送侧和接收侧应用适当的波束向量能够改善信道质量并支持高数据速率传输，但是如何以短的延时来实现发送和接收波束对准，是5G毫米波网络的主要挑战之一。

目前，发送和接收波束对准的一种解决方案是利用时分复用的波束扫描。例如，在不同时隙，由基站选择不同的波束向量用于下行链路传输，而终端设备监测所有的波束扫描时段，以选择/确定其优选的传输波束，并相应地调整其接收波束与其对准，从而获得提高的信号与噪声与干扰比(SINR)。

然而上述解决方案的缺陷至少在于以下方面：

首先，在随机接入方面。由于各个波束以时分的方式发送，因此，仅有处于一个波束覆盖范围内的少数UE能够在给定时隙内实现随机接入。处于该波束覆盖范围外的UE，只能继续扫描后续波束。这明显地拖长了终端设备随机接入的等待时间。从而为5G毫米波系统中的随机接入带来一大挑战。

其次，在数据传输方面。时分复用的波束扫描也拖长了用于数据传输的等待时间。对于移动中的终端设备，移动性可能导致其传输链路的断裂，而由于要进行时分复用的波束扫描，该终端用户搜索到新的接入点和合适的波束以建立新的链路所需要的等待时间变得更长。因此，这对于5G系统中低延时和高数据速率的传输也带来一大挑战。

发明内容

下面给出了对各实施例的简要概述，以提供对各种实施例的一些方面的基本理解。该概述不旨在标识关键元素的要点或描述各种实施例的范围。其唯一目的在于以简化形式呈现一些概念，作为对后述更具体描述的前序。

本公开的第一方面提供一种在无线通信系统的接入节点中的方法。该方法包括：在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应。

在一个实施例中，向所述设备发送控制信息可以包括：基于所确定的所述下行链路发送波束成形向量向所述设备发送所述控制信息。

在另一实施例中，功率提升可以通过在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分、而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现。

在又一实施例中，下行链路广播信号可以包括以下中的至少一项：主同步信号、辅同步信号、关于小区特定参考信号的配置信息以及关于所述系统带宽的信息。

在本公开的一个实施例中，控制信息可以包括以下中的至少一项：用于上行链路的时间提前信息、以及用于上行链路的资源分配信息。

在进一步的实施例中，该方法还可以包括：通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰来优化所述下行链路发送波束成形向量。在一个实施例中，可以包括通过使所述下行链路发送波束成形向量与矩阵

的主特征向量成正比，来优化所述下行链路发送波束成形向量；其中F_eNB表示干扰协方差矩阵，H_i和H_j分别表示索引为i的所述设备和索引为j的另一设备的下行链路信道矩阵，K表示用于多用户多输入多输出MIMO传输的用户总数，(.)^H表示矩阵共轭。

本公开的第二方面提供一种在无线通信系统的设备中的方法。该方法包括：在第一时间段中从预定的天线端口接收来自接入节点的、以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；根据获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；向所述接入节点发送随机接入前导；以及从所述接入节点接收控制信息，所述控制信息是对所述随机接入前导的响应。

在本公开的一个实施例中，从所述接入节点接收控制信息可以包括从所述接入节点接收经波束成形的所述控制信息。在另一实施例中，该方法可以进一步包括：基于所述控制信息的接收来修正所述下行链路接收波束成形向量。

在另一实施例中，功率提升可以是通过由所述接入节点在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分，而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现的。

在一个实施例中，接收的下行链路广播信号可以包括以下中的至少一项：主同步信号、辅同步信号、关于小区特定参考信号的配置信息、以及关于所述系统带宽的信息。

在另一实施例中，控制信息可以包括以下中的至少一项：用于上行链路的时间提前信息、以及用于上行链路的资源分配信息。

在进一步的实施例中，该方法还可以包括通过使所述设备的接收信号与噪声和干扰比SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量。在一个示例实施例中，可以包括通过采用以下表示的波束成形向量来优化所述下行链路接收波束成形向量：

其中z_l，l＝1，…，L表示第l个干扰信道矩阵，L表示被所述设备纳入考虑的干扰总数，H_i表示所述设备的下行链路信道矩阵，σ₀表示干扰的方差，(.)^H表示矩阵共轭，(.)^-1表示矩阵的逆。

本公开的第三方面提供一种无线通信系统的接入节点中的装置。该装置包括：第一发送单元，被配置为在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；波束成形单元，被配置为接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及第二发送单元，被配置为向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应。在一个实施例中，第二发送单元被配置为采用下行链路发送波束成形向量向所述设备发送控制信息。

在一个实施例中，该装置可以进一步包括：波束成形向量优化单元，被配置为通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰来优化所述下行链路发送波束成形向量。

本公开的第四方面提供一种在无线通信系统的设备中的装置。该装置包括：第一接收单元，被配置为在第一时间段中从预定的天线端口接收来自所述无线通信系统中的接入节点的以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；接收波束成形单元，被配置为根据获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；以及随机接入单元，被配置为向所述接入节点发送随机接入前导；第二接收单元，被配置为从所述接入节点接收控制信息，所述控制信息是对所述随机接入前导的响应。

在一个实施例中，该装置可以进一步包括接收波束成形优化单元，被配置为通过使所述设备的接收信号与噪声和干扰比SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量。

根据本公开的实施例的方法或装置，能够快速实现发送和接收波束向量对准，改善无线通信系统的性能。

尽管在附图中通过示例的方式示出了特定的实施例，然而，应当理解，本文的具体实施例的描述不意在将实施例限制为所公开的具体形式。

附图说明

从下文的公开内容和权利要求中，本公开的目的、优点和其他特征将变得更加明显。这里仅出于示例的目的，参考附图来给出优选实施例的非限制性描述，在附图中：

图1示出了示例性的、能够在其中实施本公开的实施例的方法的无线通信系统的示意图；

图2示出根据本公开的实施例的、在无线通信网络的接入节点处实施的方法的流程图；

图3示出了根据本公开的实施例的、在无线通信网络的设备处实施的方法的流程图；

图4示出了根据本公开的实施例的、在无线通信网络的接入节点处实施的装置的结构图；以及

图5示出了根据本公开的实施例的、在无线通信网络的设备处实施的装置的结构图。

具体实施方式

在以下描述中，出于说明的目的而阐述许多细节。然而，本领域普通技术人员将认识到可以在不使用这些具体细节的情况下实现本公开的实施例。因此，本公开不旨在于受限于所示实施例、而是将被赋予与本文描述的原理和特征一致的最宽的范围。

应当理解，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来。而实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。另外还应当理解“包括”，“包含”仅被用来说明所陈述的特征、元素、功能或者部件的存在，然而并不排除存在一个或者多个其他的特征、元素、功能或者部件。

为了便于解释，本文中将以5G毫米波通信为背景介绍本公开的实施例，然而，如本领域技术人员可以理解的，本公开的实施例绝不限于5G毫米波通信的应用环境，相反，而是可以被应用于任何存在类似问题的无线通信系统中，例如WLAN或者WPAN，或者未来研制的其他通信系统等。同样，本公开的实施例中的设备可以是用户设备(UE)，也可以是具有无线通信功能任何终端，包括但不限于，手机、计算机、个人数字助理、游戏机、可穿戴设备、以及传感器等。该术语UE能够和移动站、订户站、移动终端、用户终端、终端设备或无线设备互换使用。另外，设备也可以是接入节点，例如节点B(Node B，或者NB)、基本收发器站(BTS)、基站(BS)、或者基站子系统(BSS)、中继、远程无线电头端(RRF)等。

在图1中给出了示例性的、能够在其中实施本公开的实施例的方法的无线通信系统100的示意图。无线通信系统100可以包括一个或者多个接入节点101，例如，在该示例中，接入节点101可以体现为基站，例如演进的节点B(eNodeB，或eNB)。应当理解的是，该接入节点101也可以体现为其它形式，例如节点B(Node B，或者NB)、基本收发器站(BTS)、基站(BS)、或者基站子系统(BSS)，中继器等。接入节点101可以为处于其覆盖范围之内的多个无线设备(例如，UE 102-103)提供无线电连接。

接入节点101可以配备有天线阵列，以提供与设备的MIMO通信。由于设备所处的位置不同，接入节点可以使用不同的发送波束用于对不同设备的下行链路传输。

在设备处(例如UE 102-103中的任一个UE处)，也可以配备有多个天线，以生成用于下行链路接收的波束以及用于上行链路发送的波束，用于补偿传播损耗，提高接收性能。每个波束由相应的波束成形向量确定，该波束成形向量限定应用于各天线单元的权重因子。波束成形向量在下文有时也被简称为波束向量。为了获得最大的波束成形增益，UE处使用的接收波束成形向量和接入节点101处使用的发送波束成形向量应当被调整，以使得UE处的接收波束与接入节点101处的发送波束对准。

如前所述，基于时分复用的波束扫描能够实现波束对准，但是其缺陷是延时很大，对于随机接入和数据传输均有不利影响。

成功执行随机接入是设备能够和基站进行通信的前提条件。在4G系统中，例如第三代合作伙伴项目(3GPP)开发的长期演进(LTE)系统中，UE通过以下步骤执行随机接入：

-首先，为支持用户对网络的接入，eNB传输主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)以帮助用户实现小区搜索和下行链路信道同步。并且eNB利用广播信道(BCH)来发送主信息块(MIB)，其中携带对于小区覆盖范围内的候选用户的主要系统信息。

-用户获得下行链路信道同步，并解码BCH，以获得主要系统信息，诸如帧定时，小区ID、系统帧号(SFN)、小区的物理混合自动重传(HARQ)指示信道(PHICH)的配置、以及小区的下行链路带宽等。获得这些信息后，UE能够在上行链路上在物理随机接入信道(PRACH)上发送随机接入(RACH)前导。

-基站根据从UE接收的随机接入前导而确定用于该UE的上行链路传输的时间提前(TA)值，并且将该TA值以及关于所分配的用于该UE的系统资源的信息发送给该UE，用于接下来的上行链路传输。

上述随机接入过程的更详细的描述可以参见Erik Dahlman和Stefan Parkvall等所著的“4G：LTE/LTEAdvanced for Mobile Broadband”，第2版，由Waltham，MA，USA：Elsevier于2014年出版。对于5G毫米波系统，该随机接入过程也可以有效。但是，由于毫米波系统所处的高频段导致的严重的传播损耗，对于在户外场景中的5G用户来说，实现上述随机接入过程颇具挑战。

在本公开中，为了解决以上所述问题的至少一部分，提出了新的方法和装置。根据本公开的实施例，能够对于数据传输实现快速的发送和接收波束对准，改善系统性能。

根据本公开的一个实施例，发送和接收波束对准能够在终端设备的随机接入时段期间利用预定的天线端口实现。根据本公开的另一实施例，所获得的波束向量可以在数据传输阶段、利用对下行链路信道和上行链路信道的测量进一步修正，以支持多用户传输。以下将参照附图2-5来描述本公开的一些优选实施例。

现在参考图2，其示出根据本公开的实施例在无线通信网络(例如图1中的网络100)中的接入节点(例如图1中的接入节点101)处的方法200的流程图。该接入节点可以是，例如eNB。在一个实施例中，该无线通信网络可以是5G毫米波通信网络，但是如本领域技术人员能够理解的，本公开的实施例不限于这种应用环境。

如图2所示，该方法200包括：在块S201处，在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备(例如UE102)发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；在块S202，接收来自该设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于该设备的下行链路发送波束成形向量；以及在块S203处，向该设备发送控制信息，作为对在块S202处接收到的上行链路随机接入前导的响应。

根据方法200，能够通过在预定的天线端口以提升的功率执行发送来改善下行链路的质量。这使得用户能够快速同步到下行链路信道、获得主要的系统信息，并在UE侧得出用于接收的波束向量。同时在基站侧能够基于设备的随机接入前导而确定用于发送的波束向量。从而实现发送和接收波束的对准。

另外，该方案对于基站覆盖范围内的所有终端设备是公平的，因为它使得所有终端设备的下行链路的质量得以改善，得到公平的随机接入机会。此外，该方法200能够避免在时分复用波束扫描方法中存在的过长的等待时间。

在一个实施例中，预定的天线端口可以是新定义的天线端口。在另一个实施例中，该预定的天线端口可以是现有的天线端口，但是根据方法200对其引入了新的限定。如本领域技术人员能够理解的，该预定的天线端口可以被灵活地配置到任意的一个或者多个物理天线。例如多个物理天线可以被虚拟成一个天线并映射到该预定的天线端口。

在一个实施例中，在块S201中发送的下行链路广播信号可以仅占用无线通信系统的系统带宽的一部分，例如，仅占用中间的几个资源块(RB)。在其他实施例中，该下行链路广播信号也可以仅占用无系统带宽中的、并非处于频带中间的一个窄带部分。

仅作为示例，该下行链路广播信号可以包括，但不限于，以下中的至少一项：主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)、关于小区特定参考信号(CRS)的配置信息、以及关于所述系统带宽的信息。在一个实施例中，在块S201，接入节点以提升的发射功率在系统带宽中用于随机接入(RA)的窄带部分中传输比如PSS/SSS和BCH。

在接入节点的每个天线的总发射功率在整个系统带宽(即所有RB)上均匀分布的情况下，分配到用于随机接入的RB上的发射功率约为：

其中，P为每个天线的总发射功率，

为整个系统带宽上的总RB数，

为用于随机接入的RB数。在这种情况下，分配到其他RB上的用于支持数据传输的功率约为：

根据本公开的一个实施例，可以设计新的天线端口，使该天线端口，在给定的时间段期间，仅在用于随机接入频段内(即

个RB内)发射，以支持随机接入和解码BCH。该新的天线端口(或者，预定的天线端口)可以被灵活配置到任意天线。根据该实施例，在该天线端口上分配的用于随机接入的功率约为：

这意味着，在给定时段(第一时间段)，被该天线端口配置的一个或者多个发射天线仅工作在具有

个RB的带宽的窄带中(即，使该天线端口在系统带宽的其余部分的发射功率为零)，用于使能随机接入操作。因此，相比于以上的公式(1)，根据2015年发布的3GPPTS 36213，v12.5.0，“Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physicallayer procedures”中的定义，在UE侧的功率谱密度(PSD)增益可以被计算为：

对于具有20MH带宽的4G无线通信系统，用于随机接入的RB数以及全部可用传输频带分别为：

和

因此，功率提升增益可以被得出为约G_RA＝12.2(dB)。这意味着，通过使用该新的天线端口，能够获得超过12dB的功率提升。对于毫米波通信系统而言，由于用于数据通信可用带宽可以更大，即

可以更大，则功率提升增益可能会更大。如本领域技术人员能够理解的，在另一实施例中，功率提升也可以允许系统带宽的其余部分(除用于使能随机接入的窄带带宽之外的部分)的发射功率不为零，而是使用较低的功率。在又一实施例中，功率提升也可以允许该天线端口在系统带宽的其余部分之中的仅一部分以非零功率发射，提保证功率提升能够补偿传播损耗。

根据本公开的实施例，用于使能随机接入的RB上的功率提升意味着分配到PSS/SSS和MIB的功率全部被提升。这意味着下行链路信道质量能够被显著地改善，并且因此UE能够更容易地通过检测PSS/SSS和BCH而同步到系统，并获得主要系统信息，比如CRS配置和系统带宽。基于所获得CRS和系统带宽的信息，UE能够执行整个频段的下行链路信道的测量，并且能够利用测量获得的信道状态信息(CSI)而设计用于下行链路接收的波束向量。

不仅能够改善UE的下行链路信道质量，根据本公开的实施例，在块S201处的发送所采取的功率提升还能够使所有的候选用户同时具有公平的机会来执行随机接入过程。这克服了基于波束扫描的方案带来的挑战。

在本公开的一个实施例中，除了功率提升增益之外，还可以在UE侧利用接收天线增益来进一步改善信道质量。在毫米波通信系统中，由于短波长，因此能够利用合适的形状因子在UE侧和基站侧构建大的天线阵列。例如，在载波频率为30GHZ处，具有16单元的平面天线阵列仅为约(2厘米 x 2厘米)大小。这种UE侧的紧凑的天线阵列能够提供12dB的接收阵列增益，并且能够被用于补偿严重的传播损耗。在这种情况下，结合发送功率提升和接收天线阵列增益两者能够提供24dB的增益以补偿高频段中的传播损耗，并且能够显著地改善下行链路信道质量。该接收天线阵列增益可以通过在UE侧利用测量获得的CSI设计用于下行链路接收的合适波束向量而获得。

在本公开的另一实施例中，接入节点在块S202中接收的来自所述设备的上行链路随机接入前导可以是未经过波束成形的。该随机接入前导可以是设备基于接收的系统信息进行的。为了在传播损耗大的情况下仍然成功地检测RACH前导，在一个实施例中，eNB侧可以通过大的天线阵列增益来实现上行链路信道质量的改善。如前所述，由于短波长，能够在eNB侧利用适当的形状因子构建很大的天线阵列。这能够获得巨大的阵列增益，以补偿传播损耗。例如，在30GHZ的载波处，具有256单元的平面阵列仅为(8厘米x8厘米)大小。这意味着，当系统工作于较高频段时，在eNB处能够使用很大的天线阵列。与4G系统中的8天线相比，可能获得约15dB的额外的天线增益，以用于补偿在高频段系统中上行链路严重的传播损耗。

基于该上行链路前导的测量，接入节点(例如eNB)能够估计UE的传输时间。此外，eNB计算波束向量，并且，利用时分双工(TDD)系统的信道互易性，该波束向量能够在块S202中被确定用作下行链路发送波束向量。

在一个实施例中，在块S203，接入节点(例如eNB)能够使用下行链路共享信道(DL-SCH)来传输用于设备的下行链路控制信息。然而，本公开的实施例不限于以该信道来传输控制信息。在另一实施例中，控制信息可以包括用于上行链路的时间提前(TA)信息，以及/或者，用于上行链路的资源分配信息。例如，eNB可以发送定时提前命令以基于在之前的步骤中估计的定时提前来调整UE的发送时间，从而建立上行链路同步。在另一示例中，eNB还可以在块S203中向UE指配用于上行链路的资源，用于在后续的操作中使用。

在本公开的一个实施例中，在块S203处，可以基于在块S202处所确定的下行链路发送波束成形向量向该设备发送控制信息，作为对在块S202处接收到的上行链路随机接入前导的响应。发送波束成形增益可以被用于补偿严重的传播损耗，改善接收质量。在一个实施例中，该控制信息的发送，即，具有波束成形的发送，能够被UE用于测量CSI并且进一步修正其接收波束成形向量，以改善其性能。

根据本公开的实施例，利用方法200，能够使UE快速地成功接入网络，并使得发送和接收波束以较低的延时对准。这提供在发射机和接收机之间的高质量链路。另外，校准操作在真正的数据传输开始之前被完成，因此，该方案能够很好地支持5G毫米波系统中的高数据速率、低延时传输。

在本公开的进一步的实施例中，方法200还可以包括第二阶段的波束向量优化。例如，对于基于大规模MIMO的毫米波系统，在同一系统资源上能够同时服务多个用户。对于多用户数据传输，可以进一步优化收发信机的波束。如图2所示，在一个示例实施例中，该优化包括：在块S204处，通过，例如在多用户MIMO发送中，减少下行链路发送波束成形向量对该无线通信系统中至少另一设备的干扰来优化该下行链路发送波束成形向量。减少对其它设备的干扰，有助于提高系统的整体性能。在一个优选实施例中，在eNB处，通过使下行链路发送波束成形向量与矩阵

的主特征向量成正比来优化下行链路发送波束成形向量，即，

其中F_eNB表示干扰协方差矩阵，H_i和H_j分别表示索引为i的所述设备和索引为j的另一设备的下行链路信道矩阵，K表示用于多用户多输入多输出MIMO传输的用户总数，(.)^H表示信道共轭。根据该实施例，能够在数据传输的过程中针对点对多点通信进一步执行波束对准的修正，从而能够进一步改善系统性能。应当注意，本公开的实施例不限于以任何特定的算法来实现该优化，而是可以涵盖以任何合适的算法优化下行链路发送向量，以减少对其他设备的干扰。

现在参考图3，其示出根据本公开的实施例在无线通信网络(例如图1中的网络100)的设备中的方法300的流程图。该方法300与方法200对应，并且可以由例如图1中所示的与接入节点101通信的UE 102-103中的任一个来执行。

如图3所示，该方法300包括：在块S301处，在第一时间段中，设备从预定的天线端口接收来自无线通信系统中的接入节点的、以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；在块S302处，根据在块S301获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，该设备执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；在块S303，设备向接入节点发送随机接入前导，以执行随机接入；并且，在决S304，设备从接入节点接收控制信息，该控制信息是对接入节点对该设备的随机接入前导的响应。

根据方法300，设备能够基于具有功率提升的广播信号实现快速同步和必要系统信息的获取，从而能够执行信道的测量，确定用于接收的波束向量；同时该必要的系统信息使得设备能够执行随机接入，该随机接入又进一步使得接入节点能够确定用于发送的波束向量。由此，能够获得发送和接收波束的对准。

在一个实施例中，设备在块S301接收的广播信号为接入节点根据方法200在块201发送的广播信号，因此，参考方法200和图2对广播信号进行的描述在此同样适用。例如下行链路广播信号可以包括以下中的至少一项：PSS、SSS、关于小区特定参考信号的配置信息、以及关于小区特定参考信号的配置信息；关于所述系统带宽W的信息。

在一个实施例中，在块S301中接收的下行链路广播信号是通过具有功率提升的第一功率发送的，并且功率提升通过由接入节点在该第一时间段中将该预定天线端口的所有发射功率集中于系统带宽的一部分，而使该天线端口在系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现。参考图2和方法200进行的关于功率提升的描述在此同样适用，并不再重复。

在另一实施例中，在块S302处，根据例如在块S301获得的CRS配置和系统带宽的信息，设备可以执行基于CRS的信道测量，获得整个带宽上的CSI。然而本公开的实施例并不限于此，也就是说，在其他实施例中，设备也可以基于其他参考信号获取部分或者全部带宽上的CSI估计。基于获得的CSI，设备可以计算用于下行链路接收的波束成形向量；利用该波束成形向量，用户能够在接收端获得可观的分集增益，以补偿，例如传播损耗。

在又一实施例中，在块S304处设备从接入节点接收的经波束成形的控制信息可以包括用于上行链路的时间提前信息，和/或，用于上行链路的资源分配信息。在一个示例实施例中，该控制信息可以在下行链路共享信道中接收，但是本公开的实施例不限于在任何特定的信道中接收该控制信息。

在一个实施例中，在块S304中，设备从接入节点接收的控制信息是经波束成形的控制信息。用于发送该控制信息的发送波束成形向量可以是由接入节点基于该设备的随机接入前导的检测而得出的。具有波束成形的控制信息能够提高该控制信息的接收质量。并且在一个实施例中，在块S305，基于在块S304中对具有波束成形的控制信息的接收，设备能够对在决S302中确定的下行链路接收波束成形向量进行修正，从而与发送波束成形向量更好地对准，以获得最大的增益。

在进一步的实施例中，该方法300还可以包括块S306，其中设备进行第二阶段的接收波束成形向量优化。例如，对于基于大规模MIMO的毫米波系统，在同一系统资源上能够同时服务多个用户。对于多用户数据传输，可以进一步优化收发信机的波束。作为示例，设备可以通过使接收SINR最大化来优化该下行链路接收波束成形向量。本公开不限于以任何特定的算法来实现基于SINR最大化的该优化。在一个优选的实施例中，设备可以通过采用以下表示的波束成形向量来进行该优化：

其中z_l，l＝1，…，L，表示第l个干扰信道矩阵，L表示被所述设备纳入考虑的干扰总数，H_i表示索引为i的该设备的下行链路信道矩阵，σ₀表示干扰的方差，(.)^H表示信道共轭，(.)^-1表示矩阵的逆。

图4示出根据本公开的实施例的、在无线通信系统中的接入节点中的装置400的示例性结构图。在一个实施例中，装置400可以被实施为例如，图1中所示的接入节点101或其一部分。装置400可操作用于执行参照图2所描述的方法200，以及任何其他的处理和方法。应当理解，方法200不局限于由装置400来执行，方法200的至少一些块也可以由其他的装置或者实体来执行。

如图4所示，装置400包括第一发送单元401，被配置为在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；波束成形单元402，被配置为接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及第二发送单元403，被配置为向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应。

由于装置400可操作用于执行参照图2所描述的方法200，因此，关于图2和方法200所进行的关于预定天线端口、功率提升、下行链路广播信号、以及控制信息等的描述在此同样适用，故相关细节不再重复。

在一个实施例中，第一发送单元401被配置为通过在该第一时间段中将预定的天线端口的所有发射功率集中于系统带宽的一部分，而使预定的天线端口在系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现该功率提升。

在本公开的一个实施例中，下行链路广播信号可以包括以下中的至少一项：PSS、SSS、关于小区特定参考信号的配置信息；以及关于所述系统带宽的信息。由于该下行链路广播信号以经过功率提升的功率发送，因此，可以使设备侧的接收SINR提高，从而快速实现同步，并获得随机接入所必要的系统信息。根据获得的必要系统信息，设备可以例如基于CRS执行信道测量，并确定应用于下行链路接收的波束成形向量。

该下行链路广播信号使得设备能够执行随机接入，即发送随机接入前导。该随机接入前导又使得接入节点能够利用波束成形单元402确定用于下行链路发送的波束成形向量，从而能够实现发送和接收波束的对准。

在本公开的一个实施例，波束成形单元402确定的用于下行链路发送的波束成形向量可以被第二发送单元403用于发送作为对随机接入前导的响应的控制信息。由于利用波束成形来发送，该控制信息的接收质量能够得以提高。另外/或者，在一个实施例中，该控制信息还可以在设备侧被用于对接收波束成形向量的修正。

根据本公开的一个实施例，控制信息包括以下中的至少一项：用于上行链路的时间提前信息；以及用于上行链路的资源分配信息。

在本公开的另一实施例中，该装置400可以包括另外的波束成形向量优化单元404，被配置为通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰来优化所述下行链路发送波束成形向量。作为示例，该波束成形向量优化单元404被配置为在于该设备的数据发送时段期间进行所述优化。该优化例如可以改善多用户MIMO通信的性能。

在一个实施例中，波束成形向量优化单元404可以通过使所述下行链路发送波束具有(5)式的形式而执行该优化。但是本公开的实施例不限于此，设计上，该波束成形向量优化单元可以采用任何合适的算法和公式来优化下行链路发送波束成形向量以减少对其他设备的干扰。

在一个实施例中，第一发送单元401、波束成形单元402、第二发送单元403、以及波束成形向量优化单元404可以分别被配置为执行方法200的块201-204的操作，因此，关于方法200的块201-204的描述在此同样适用，因此不再一一重复。

图5示出根据本公开的实施例的在无线通信网络中的设备中的装置500。在一个实施例中，装置500可以被实施为例如图1中所示的UE 102或其的一部分，并且可以与装置400进行通信。装置500可操作用于执行参照图3所描述的方法300，以及任何其他的处理和方法。应当理解，方法300不局限于由装置500来执行，方法300的至少一些块也可以由其他的装置或者实体来执行。

如图5所示，装置500包括第一接收单元501，被配置为在第一时间段中从预定的天线端口接收来自所述无线通信系统中的接入节点的以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；接收波束成形单元502，被配置为根据获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；随机接入单元503，被配置为向所述接入节点发送随机接入前导；以及第二接收单元504，被配置为从所述接入节点接收控制信息，所述控制信息是对所述随机接入前导的响应。

由于装置500可操作用于执行参照图3所描述的方法300，并与装置400通信。例如，装置500的第一接收单元501、接收波束成形单元502、随机接入单元503、第二接收单元504可以分别执行方法300的块301-304的操作。因此，关于方法300所进行的描述，包括关于下行链路广播信号、功率提升、预定的天线端口、下行链路接收波束成形向量、控制信息的描述，在此同样适用。因此，细节将不再重复。

在一个实施例中，第二接收单元504，被配置为从接入节点接收经波束成形的控制信息。在另一实施例中，该装置进一步包括接收波束成形修正单元505，其被配置为基于接收的经波束成形的控制信息来修正下行链路接收波束成形向量。

在又一个实施例中，装置500还包括接收波束成形优化单元506，其可以被配置为通过使所述设备的接收信号与噪声和干扰比SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量。在一个优选实施例中，该优化可以通过将下行链路接收波束成形向量设置为(6)式的形式来实现。

本公开的实施例所提出的方法和装置的优点包括以下的至少一项：

-使用具有功率提升的预定天线端口，能够改善下行链路的质量。这使得用户能够快速同步到下行链路信道、获得主要的系统信息、并在UE侧得出用于接收的波束向量。并且该方案对于基站覆盖范围内的所有终端设备是公平的。因为它使得所有终端设备的下行链路的质量得以提高。此外，该方案避免的时分复用波束扫描方法中的过长的等待时间。

-另外，能够实现发送端和接收端的快速的波束对准。能够在数据传输之前建立点对点的波束对准，而在数据传输的过程中针对点对多点进一步执行波束对准的修正。

-能够支持5G毫米波系统中的高数据速率和低延时传输。

尽管本公开的一些实施例在5G毫米波的背景下描述，但是本公开的实施例不限于该应用环境，而是可以被应用于任何与实施例的特征兼容的通信系统，例如用于加速接入过程、以及改善系统性能。

在本公开的另一方面中，还提供无线通信系统中的如下装置，该装置包括处理器和存储器，该存储器包括由该处理器执行的指令，由此该装置可操作为执行参考附图2或者3所述的任一方法。

在本公开的又一方面中，提供无线通信系统中的如下装置，该装置包括处理设备，该处理设备被适配为执行参考附图2或者3所述的任一方法。

本领域技术人员将容易地认识到，各种上述各种方法中的块或者步骤可以通过编程的计算机来执行。在本公开的另一方面中，提供计算机程序。当在至少一个处理器中执行时，该程序促使该处理器执行参考附图2或者3所述的任一方法。

在本公开的又一方面中，一些实施例还意在涵盖程序存储设备，例如，数字数据存储介质，其中存储机器或计算机可读的并且编码机器可执行或计算机可执行的指令程序，其中，所述指令执行上述方法的一些或所有步骤。程序存储设备可以是，例如，数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。该实施例还意在涵盖编程为执行所述上述方法的步骤的计算机。

在附图中示出的装置的各种元件的功能，可以通过使用软件、专用硬件以及与适当软件相关联的能够执行软件的硬件、或者固件、或者其结合来提供。当由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独的处理器来提供。此外，术语“处理器”可以包括但不限于，数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)，用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储装置。还可以包括其他常规和/或定制的硬件。

本领域技术人员应当理解，说明书和附图仅仅说明本公开的原理。因此，应当理解，本领域的技术人员将能够设计出各种布置，虽然这里没有明确地描述或示出，但是该布置体现本公开的原理并且被包括在本公开的精神和范围内。此外，这里阐述的所有示例主要旨在明确仅用于教学目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人贡献的用于促进本领域的概念，并且应被解释为不限于这些具体阐释的示例和条件。而且，这里阐述本公开的原理、方面和实施例的所有阐述及其具体示例也意在包含其等同物。

Claims (28)

1.一种在无线通信系统的接入节点中的方法，包括：

在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；

接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及

向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应，

其中所述经功率提升的第一发射功率是通过提升功率分配比例而被提升的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中向所述设备发送控制信息包括：

基于所确定的所述下行链路发送波束成形向量向所述设备发送所述控制信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率提升通过在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分、而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述下行链路广播信号包括以下中的至少一项：

主同步信号；

辅同步信号；

关于小区特定参考信号的配置信息；以及

关于所述系统带宽的信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制信息包括以下中的至少一项：

用于上行链路的时间提前信息；以及

用于上行链路的资源分配信息。

6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，进一步包括：

通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰，来优化所述下行链路发送波束成形向量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰，来优化所述下行链路发送波束成形向量包括：

通过使所述下行链路发送波束成形向量与矩阵

的主特征向量成正比，来优化所述下行链路发送波束成形向量；

其中F_eNB表示干扰协方差矩阵，H_i和H_j分别表示索引为i的所述设备和索引为j的另一设备的下行链路信道矩阵，K表示用于多用户多输入多输出MIMO传输的用户总数，(.)^H表示矩阵共轭。

8.一种在无线通信系统的设备中的方法，包括：

在第一时间段中从预定的天线端口接收来自接入节点的、以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；

根据获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；

向所述接入节点发送随机接入前导；以及

从所述接入节点接收控制信息，所述控制信息是对所述随机接入前导的响应，

其中所述经功率提升的第一发射功率是通过提升功率分配比例而被提升的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中从所述接入节点接收控制信息包括从所述接入节点接收经波束成形的所述控制信息，并且所述方法进一步包括：

基于所述控制信息的接收来修正所述下行链路接收波束成形向量。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述功率提升是通过由所述接入节点在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分，而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现的。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述下行链路广播信号包括以下中的至少一项：

主同步信号；

辅同步信号；

关于小区特定参考信号的配置信息；以及

关于所述系统带宽的信息。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述控制信息包括以下中的至少一项：

用于上行链路的时间提前信息；以及

用于上行链路的资源分配信息。

13.根据权利要求8到12中任一权利要求所述的方法，进一步包括：

通过使所述设备的接收信号与噪声和干扰比SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过使所述设备的接收SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量包括：

通过采用以下表示的波束成形向量来优化所述下行链路接收波束成形向量：

其中Z_l,l＝1,…,L表示第l个干扰信道矩阵，L表示被所述设备纳入考虑的干扰总数，H_i表示所述设备的下行链路信道矩阵，σ₀表示干扰的方差，(.)^H表示矩阵共轭，(.)^-1表示矩阵的逆。

15.一种无线通信系统的接入节点中的装置，包括：

第一发送单元，被配置为在第一时间段中以经功率提升的第一发射功率从预定的天线端口向设备发送下行链路广播信号，用于使所述设备获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；

波束成形单元，被配置为接收来自所述设备的上行链路随机接入前导，并基于所述随机接入前导确定用于所述设备的下行链路发送波束成形向量；以及

第二发送单元，被配置为向所述设备发送控制信息，作为对所述上行链路随机接入前导的响应，

其中所述经功率提升的第一发射功率是通过提升功率分配比例而被提升的。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述第二发送单元被配置为基于所确定的所述下行链路发送波束成形向量向所述设备发送所述控制信息。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一发送单元被配置为通过在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分，而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现所述功率提升。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述下行链路广播信号包括以下中的至少一项：

主同步信号；

辅同步信号；

关于小区特定参考信号的配置信息；以及

关于所述系统带宽的信息。

19.根据权利要求15所述的装置，其中所述控制信息包括以下中的至少一项：

用于上行链路的时间提前信息；以及

用于上行链路的资源分配信息。

20.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的装置，进一步包括：

波束成形向量优化单元，被配置为通过减少所述下行链路发送波束成形向量对所述无线通信系统中至少另一设备的干扰来优化所述下行链路发送波束成形向量。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述波束成形向量优化单元被配置为通过使所述下行链路发送波束成形向量与矩阵

的主特征向量成正比来优化所述下行链路发送波束成形向量；

其中F_eNB表示干扰协方差矩阵，H_i和H_j分别表示索引为i的所述设备和索引为j的另一设备的下行链路信道矩阵，K表示用于多用户多输入多输出MIMO传输的用户总数，(.)^H表示矩阵共轭。

22.一种在无线通信系统的设备中的装置，包括：

第一接收单元，被配置为在第一时间段中从预定的天线端口接收来自所述无线通信系统中的接入节点的以经功率提升的第一发射功率发送的下行链路广播信号，以获得下行链路同步以及获得用于随机接入的系统信息，其中所述下行链路广播信号占用所述无线通信系统的系统带宽的一部分；

接收波束成形单元，被配置为根据获得的下行链路同步以及所述用于随机接入的系统信息，执行下行链路信道测量，并由此确定下行链路接收波束成形向量；以及

随机接入单元，被配置为向所述接入节点发送随机接入前导；

第二接收单元，被配置为从所述接入节点接收控制信息，所述控制信息是对所述随机接入前导的响应，

其中所述经功率提升的第一发射功率是通过提升功率分配比例而被提升的。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述第二接收单元被配置为从所述接入节点接收经波束成形的所述控制信息；并且所述装置进一步包括：

接收波束成形修正单元，被配置为基于所述控制信息的接收来修正所述下行链路接收波束成形向量。

24.根据权利要求22所述的装置，其中所述功率提升是通过由所述接入节点在所述第一时间段中将所述预定的天线端口的所有发射功率集中于所述系统带宽的所述一部分，而使所述预定的天线端口在所述系统带宽的其余部分的第二发射功率为零而实现的。

25.根据权利要求22所述的装置，其中所述下行链路广播信号包括以下中的至少一项：

主同步信号；

辅同步信号；

关于小区特定参考信号的配置信息；以及

关于所述系统带宽的信息。

26.根据权利要求22所述的装置，其中所述控制信息包括以下中的至少一项：

用于上行链路的时间提前信息；以及

用于上行链路的资源分配信息。

27.根据权利要求22到26中任一权利要求所述的装置，进一步包括：

接收波束成形优化单元，被配置为通过使所述设备的接收信号与噪声和干扰比SINR最大化来优化所述下行链路接收波束成形向量。

28.根据权利要求27所述的装置，其中所述接收波束成形向量优化单元被配置为通过采用以下表示的波束成形向量来优化所述下行链路接收波束成形向量：

其中Z_l,l＝1,…,L表示第l个干扰信道矩阵，L表示被所述设备纳入考虑的干扰总数，H_i表示所述设备的下行链路信道矩阵，σ₀表示干扰的方差，(.)^H表示矩阵共轭，(.)^-1表示矩阵的逆。

Images