CN107888237A - 初始接入和随机接入的方法、基站设备及用户设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法、基站设备及用户设备；其中，一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法包括：基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；在具有相关性的至少两个基站波束上接收用户设备发送的前导序列；基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；通过调整后的基站波束与用户设备进行数据的发送及接收。本发明在初始接入的过程中在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送初始接入数据，能够更快地确定基站侧的最优波束方向，同时降低冲突概率。

Description

初始接入和随机接入的方法、基站设备及用户设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体而言，本发明涉及基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入方法、基站设备及用户设备。
背景技术
随着信息产业的快速发展，特别是来自移动互联网和物联网(IoT,internet ofthings)的增长需求，给未来移动通信技术带来前所未有的挑战。如根据国际电信联盟ITU的报告ITU-R M.[IMT.BEYOND 2020.TRAFFIC]，可以预计到2020年，移动业务量增长相对2010年(4G时代)将增长近1000倍，UE(User Equipment，用户设备)连接数也将超过170亿，随着海量的IoT设备逐渐渗透到移动通信网络，连接设备数将更加惊人。为了应对这前所未有的挑战，通信产业界和学术界已经展开了广泛的第五代移动通信技术研究(5G)，面向2020年代。目前在ITU的报告ITU-R M.[IMT.VISION]中已经在讨论未来5G的框架和整体目标,其中对5G的需求展望、应用场景和各项重要性能指标做了详细说明。针对5G中的新需求，ITU的报告ITU-R M.[IMT.FUTURE TECHNOLOGY TRENDS]提供了针对5G的技术趋势相关的信息，旨在解决系统吞吐量显著提升、用户体验一致性、扩展性以支持IoT、时延、能效、成本、网络灵活性、新兴业务的支持和灵活的频谱利用等显著问题。
初始接入(Initial Access)和随机接入(Random Access)过程是无线通信系统中的重要步骤，用于UE与基站间建立下行同步和上行同步，以及基站为UE分配用于识别用户的ID等。初始接入和随机接入的性能直接影响到UE的体验。其中，对于传统的无线通信系统，如LTE以及LTE-Advanced中，随机接入过程被应用于如建立初始链接、小区切换、重新建立上行链接、RRC连接重建等多个场景，并根据UE是否独占前导序列资源划分为基于竞争的随机接入(Contention-based Random Access)以及基于非竞争的随机接入(Contention-free Random Access)。由于基于竞争的随机接入中，各个UE在尝试建立上行链接的过程中，从相同的前导序列资源中选择前导序列，可能会出现多个UE选择相同的前导序列发送给基站，因此冲突解决机制是随机接入中的重要研究方向，如何降低冲突概率、如何快速解决已经发生的冲突，是影响随机接入性能的关键指标。
LTE-A中随机接入过程在初始接入过程后进行。在初始接入过程中，UE通过检测基站发送的下行同步信号(Synchronization Signal)与基站建立连接，同时得到包含随机接入信道配置信息在内的一些必要系统配置信息。基于这些信息，UE进行后续的随机接入过程。
初始接入和基于竞争的随机接入过程分为五步，如图1所示。第一步为初始接入过程，UE获得随机接入信道配置信息，第二步至第五步为随机接入过程。第二步中，UE从前导序列资源池中随机选择一个前导序列，发送给基站。基站对接收信号进行相关性检测，从而识别出UE所发送的前导序列；第三步中，基站向UE发送RAR(Random Access Response，随机接入响应)，包含随机接入前导序列标识符、根据UE与基站间时延估计所确定的定时提前指令、C-RNTI(Cell-Radio Network Temporary Identifier,临时小区无线网络临时标识)，以及为UE下次上行传输所分配的时频资源；第四步中，UE根据RAR中的信息，向基站发送第三条消息(Msg3)。Msg3中包含用于UE标识以及RRC链接请求等信息，其中，该UE标识是UE唯一的标识，用于解决冲突；第五步中，基站向UE发送冲突解决标识，包含了冲突解决中胜出的UE的UE标识。UE在检测出自己的标识后，将临时C-RNTI升级为C-RNTI，并向基站发送ACK信号，完成随机接入过程，并等待基站的调度。否则，UE将在一段延时后开始新的随机接入过程。
对于基于非竞争的随机接入过程，由于基站已知UE标识，可以为UE分配前导序列。因此UE在发送前导序列时，不需要随机选择序列，而会使用分配好的前导序列。基站在检测到分配好的前导序列后，会发送相应随机接入响应，包括定时提前以及上行资源分配等信息。UE接收到随机接入响应后，认为已完成上行同步，等待基站的进一步调度。因此，初始接入和基于非竞争的随机接入过程仅包含三个步骤：步骤一为初始接入；步骤二为发送前导序列；步骤三为随机接入响应的发送。
毫米波通信是5G可能的一项关键技术。通过提高载波频率到毫米波频段，可用带宽将大大增加，因此能够极大的提高系统的传输速率。为对抗毫米波波段无线信道中高衰落、高损耗等特性，毫米波通信系统一般采用波束赋形(Beamforming)技术，即通过使用加权因子，将波束能量集中于某一方向。进行无线通信时，基站与UE通过轮询等方式搜索出最优的波束对，从而最大化基站侧和UE侧的接收信噪比。由于建立初始链接时UE与基站并不知晓最优波束对的方向，因此毫米波通信系统中初始接入和随机接入面临着极大的挑战。一种可能的方式是在初始接入阶段和发送前导序列阶段尝试全部可能的收发波束配对，从中找出最优的下行波束对和上行波束对，后续的步骤中均采用最优的波束对。在现有方案中，收发两端在每次尝试时均采用单天线端口单波束的收发方式，一次尝试只能检测单一方向，找出最优波束对所需要的尝试次数较多。因此，该方案虽然能够在前两步就得到最优的波束对，但是会导致初始接入和随机接入检测的时间变长，因此还有较大的性能提升空间。
综上所述，为进一步提升毫米波通信系统在5G候选技术中的竞争力，需要解决毫米波系统中初始接入和随机接入过程的问题，提高毫米波通信系统中初始接入和随机接入过程的性能，以期为UE提供更低的接入延时和更好的接入体验。
发明内容
为了解决现有技术中，在基于波束赋形的毫米波通信系统中随机接入过程寻找最优波束对时需要较长时间，导致前导序列发送时间过长的问题。
本发明实施例提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，包括：
基站设备在至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；
在至少两个基站波束上接收所述用户设备发送的前导序列；
基于所述前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
通过调整后的基站波束与所述用户设备进行数据的发送及接收。
优选地，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列，包括：
基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束发送方式向用户设备发送同步信号序列；
其中，通过在至少两个基站波束上接收用户设备发送的前导序列，包括：
在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收用户设备发送的前导序列。
优选地，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤之后，还包括：
通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道或高层信令配置向用户设备发送随机接入信息配置；
其中，随机接入信息配置包括基站发送波束方向及角度偏差与前导序列及资源的映射关系、或基站发送波束方向与前导序列及资源的映射关系。
优选地，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道，基站设备通过和波束发送第一分量数据序列，并通过差分波束发送第二分量数据序列；
其中，同步信号序列包括第一分量数据序列及第二分量数据序列；或同步信号序列与第一分量数据序列及第二分量数据序列相同。
优选地，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
以预定的时频资源通过和波束及差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送同步信号序列。
优选地，预定的时频资源至少包括以下任一项：
相互正交的不同时域资源；相互正交的不同频域资源；相互正交的码字在相同的时频资源。
优选地，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
基站设备在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送相同或不同的同步信号序列。
优选地，在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收用户设备发送的前导序列的步骤，包括：
基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收用户设备发送的初始接入数据；
对初始接入数据进行前导序列相关性检测，以确定初始接入数据包括的前导序列和前导序列所占时频资源。
优选地，基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差。
优选地，基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的基站接收波束方向以及基站接收波束方向角度偏差；
基于前导序列和前导序列所占时频资源以及随机接入信息配置，来确定能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差。
优选地，根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整的步骤，包括：
根据能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差进行基站发送波束调整，并根据能量最大的基站接收波束方向以及基站接收波束方向角度偏差进行基站接收波束调整；
其中，通过调整后的基站波束与用户设备进行数据的发送及接收的步骤，包括：
通过调整后的基站发送波束向用户设备发送数据，并通过调整后的基站接收波束接收来自用户设备的数据。
优选地，当前导序列是用户设备通过差分波束发送方式发送的，该方法还包括：
基于接收到的用户设备通过和波束及差分波束发送的前导序列进行用户波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。
优选地，基于接收到的用户设备通过和波束及差分波束发送的前导序列进行用户波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于接收到的用户设备通过和波束及差分波束发送的前导序列进行用户发送波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差。
优选地，通过调整后的基站发送波束向用户设备发送数据的步骤，包括：
通过调整后的基站发送波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息。本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，包括：
用户设备接收基站设备在至少两个基站波束上发送的初始接入数据；
对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
接收所述基站设备发送的随机接入信息配置，并基于所述随机接入信息配置，结合已确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源；
向所述基站设备发送前导序列；
与所述基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
优选地，用户设备接收基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上发送方式发送的初始接入数据，包括：
用户设备接收基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束发送方式发送的初始接入数据。
优选地，对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测的步骤，包括：
对通过和波束发送的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对任一同步信号序列的第一相关性检测结果；
对通过差分波束发送的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对该同步信号序列的第二相关性检测结果；
若判断第一相关性检测结果和/或第二相关性检测结果满足第一判定条件时，确定检测到初始接入数据包括同步信号序列。
优选地，第一判定条件包括以下至少任一项：
第一相关性检测结果大于第一检测门限，且第二相关性检测结果大于第一检测门限；
第一相关性检测结果大于第二检测门限；
第二相关性检测结果大于第二检测门限；
其中，第一检测门限不大于第二检测门限。
优选地，根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于第一相关性检测结果及第二相关性检测结果，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差。
优选地，根据确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源的步骤，包括：
依据基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系，并结合确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源。
优选地，该方法还包括：
接收基站设备发送的随机接入信息配置；
从随机接入信息配置中确定基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系。
优选地，与基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输的步骤，包括以下至少一种情形：
通过调整后的用户波束向基站设备发送消息3，并接收基站设备通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案；
接收基站设备通过调整后的基站波束发送的随机接入响应及能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息；基于接收到基站设备发送的能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息，进行用户发送波束调整；通过调整后的用户发送波束向基站设备发送消息3，并接收基站设备通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案。
本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，包括：
基站设备向用户设备发送同步信号序列；
接收所述用户设备在至少两个用户波束上发送的前导序列；
基于所述前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
通过调整后的基站波束向所述用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；
通过调整后的基站波束与基于所述指示信息调整用户波束后的所述用户设备进行数据的发送及接收。
优选地，接收用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上发送的前导序列，包括：
接收用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束发送方式发送的前导序列。
优选地，前导序列是用户设备在相互正交的不同时域资源或相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下通过差分波束发送方式发送的。
优选地，前导序列是用户设备在相互正交的不同时域资源下在一个或多个天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送的；或前导序列是用户设备在相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下在多个天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送的。
优选地，接收用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束发送方式发送的前导序列的步骤，包括：
基站设备接收用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束发送方式发送的初始接入数据；
对初始接入数据进行前导序列相关性检测，以确定初始接入数据包括的前导序列和前导序列所占时频资源。
优选地，基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。
优选地，基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差；
其中，通过调整后的基站波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息的步骤，包括：
通过调整后的基站波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息。
优选地，通过调整后的基站波束与基于指示信息调整用户波束后的用户设备进行数据的发送及接收的步骤，包括：
基站设备接收基于指示信息调整用户波束后的用户设备发送的消息3，并通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案。
本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，包括：
用户设备在至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；
对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；
向所述基站设备发送前导序列；
通过调整后的用户波束与所述基站设备进行数据传输。
优选地，用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据，包括：
用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
优选地，用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据，包括：
用户设备在相互正交的不同时域资源或相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
优选地，用户设备在相互正交的不同时域资源下在一个或多个天线阵列上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据；或用户设备在相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下在多个天线阵列上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
优选地，接收到基站设备发送的初始接入数据之后，还包括：
接收基站设备发送的随机接入信息配置，随机接入信息配置包括基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系；
基于随机接入信息配置，并结合通过轮询方式确定的能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源；
其中，向基站设备发送前导序列的步骤，包括：
使用前导序列所占时频资源，向基站设备发送前导序列。
优选地，对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测的步骤，包括：
对基于和波束接收的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对任一同步信号序列的第三相关性检测结果；
对基于差分波束接收的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对该同步信号序列的第四相关性检测结果；
若判断第三相关性检测结果和/或第四相关性检测结果满足第二判定条件时，确定检测到初始接入数据包括同步信号序列。
其中，第二判定条件包括以下至少一项：
第三相关性检测结果大于第五检测门限，且第四相关性检测结果大于第五检测门限；
第三相关性检测结果大于第六检测门限；
第四相关性检测结果大于第六检测门限；
其中，第三检测门限不大于第四检测门限。
优选地，根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于第三相关性检测结果及第四相关性检测结果，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。
优选地，向基站设备发送前导序列的步骤，包括：
通过调整后的用户波束向基站设备发送前导序列；
其中，通过调整后的用户波束与基站设备进行数据传输的步骤，包括：
通过调整后的用户波束接收基站设备发送的随机接入响应；
通过调整后的用户波束向基站设备发送消息3；
通过调整后的用户波束接收基站设备发送的冲突解决方案。
优选地，根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的步骤，包括：
根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户接收波束方向以及用户接收波束方向角度偏差；
其中，根据能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整的步骤，包括：
根据能量最大的用户接收波束方向以及用户接收波束方向角度偏差进行用户接收波束调整。
优选地，还包括：
当接收到基站设备发送的能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息时，基于指示信息进行用户发送波束调整。
优选地，当用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束接收方式接收到基站设备在至少两个用户波束上通过差分波束发送方式发送的初始接入数据时，
对通过差分波束发送方式发送的初始接入数据进行基站发送波束方向偏差检测，来确定能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差。
优选地，还包括：
基于接收到的基站设备发送的随机接入信息配置，并结合通过基站发送波束方向偏差检测确定的能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列。
本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备，包括：
第一发送模块，用于在至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；
第一接收模块，用于在至少两个基站波束上接收所述用户设备发送的前导序列；
第一确定模块，用于基于所述前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第一调整模块，用于根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
第一收发模块，用于通过调整后的基站波束与所述用户设备进行数据的发送及接收。
本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备，包括：
第二发送模块，用于接收基站设备在至少两个基站波束上发送的初始接入数据；
第二确定模块，用于对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第三确定模块，用于接收所述基站设备发送的随机接入信息配置，并基于所述随机接入信息配置，结合已确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列；
第三发送模块，用于向所述基站设备发送前导序列；
第二收发模块，用于与所述基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
本发明实施例还提供了基站设备中基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备，包括：
第四发送模块，用于向用户设备发送同步信号序列；
第二接收模块，用于接收所述用户设备在至少两个用户波束上发送的前导序列；
第四确定模块，用于基于所述前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第二调整模块，用于根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
第五发送模块，用于通过调整后的基站波束向所述用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；
第三收发模块，用于通过调整后的基站波束与基于所述指示信息调整用户波束后的所述用户设备进行数据的发送及接收。
本发明实施例还提供了一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备，包括：
第六发送模块，用于在至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；
第五确定模块，用于对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；
第三调整模块，用于根据所述能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；
第六发送模块，用于向所述基站设备发送前导序列；
第四收发模块，用于通过调整后的用户波束与所述基站设备进行数据传输。
本发明的一个实施例中，在初始接入的过程中基站设备在至少两个基站波束上向用户设备发送初始接入数据，能够更快地确定基站侧的最优波束方向，同时降低冲突概率。因此本实施例中的方案能够提高随机接入过程的性能。
本发明的又一个实施例中，与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，在用户设备侧采用多天线端口多波束传输方案的随机接入过程能够缩短搜索最优波束对所需要的时间。这是由于多天线端口多波束传输方案能够以较高的精度确定角度偏差，因此用户设备在接收同步信号序列与发送前导序列时可以使用较宽的波束，并通过RAR中携带的角度偏差信息调整波束方向，并使用较窄的波束完成后续步骤信号的接收与发送。这样，用户设备侧轮询发送前导序列的次数可以显著降低。
本发明提出的上述方案，对现有系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术中LTE/LTE-A中初始接入和基于竞争的随机接入过程示意图；
图2为和波束与差分波束接收能量示意图；
图3为差分波束与和波束接收信号比值示意图；
图4为基于差分波束的初始接入和随机接入过程流程图；
图5为实施例一的基于天线阵列的发射端结构示意图；
图6为实施例一的基于天线阵列的接收端结构示意图；
图7为实施例一的前导序列示意图；
图8为实施例一的同步信号序列与前导序列发送及接收方法示意图；
图9为实施例一的采用差分波束方案发送的同步信号序列结构图；
图10为实施例一的用户设备检测同步信号序列的流程图；
图11为实施例一的采用不同资源传输的同步信号序列结构图；
图12为实施例一的基站对接收信号处理流程示意图；
图13为实施例一的多个波束对扫描接收前导序列示意图；
图14为实施例一的接收波束扫描方式的示意图；
图15为实施例三的用户设备差分波束轮询方案以及相应帧结构的示意图；
图16为实施例三的用户对接收信号处理流程的示意图；
图17为实施例三的采用差分波束发送前导序列的随机接入信道结构的示意图；
图18为实施例三的基站检测前导序列的流程图；
图19为实施例三的采用不同资源传输前导序列的随机接入信道结构的示意图；
图20为实施例五的同步信号序列结构的示意图；
图21为实施例五的随机接入信道结构的示意图；
图22为本发明中的一个具体实施例的基站设备中基于多端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图；
图23为本发明中的一个具体实施例的用户设备中基于多端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图；
图24为本发明中的又一个具体实施例的基站设备中基于多端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图；
图25为本发明中的又一具体实施例的用户设备中基于多端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图；
图26为本发明中的一个具体实施例的基于多端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备的结构示意图；
图27为本发明中的一个具体实施例的基于多端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备的结构示意图；
图28为本发明中的又一个具体实施例的基于多端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备的结构示意图；
图29为本发明中的又一具体实施例的基于多端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
基于多天线端口多波束的信道方向信息获取技术能够获得较为精确的信道方向信息，应用于基于波束赋形的毫米波通信系统中时，能够以更低的开销获得更加精确的信道方向信息，缩短初始接入和随机接入的检测时间。其基本原理为，在收发波束配对的每次尝试中，收发两端使用两个或多个不同的天线端口发送和接收波束，且这些波束间具有一定的相关性。由于相关性的存在，收端能够通过不同接收波束间的能量比较得到接收波束的角度偏差估计，调整接收波束方向，提高收端的接收信噪比；此外，收端还能够通过接收到的不同发射波束间的能量比较得到发送波束的角度偏差估计，通过该角度偏差估计的反馈，发端可以调整波束的方向，使其对准收端，从而提高收端的接收信噪比。在这种情况下，一次波束对的尝试可以同时检测多个方向，大大缩短检测时间，大幅度提高初始接入和随机接入过程的性能。
在两天线端口的条件下，一种优选的波束赋形系数可以写为如下形式：
其中，N为偶数，表示基站发射端天线数，d表示天线间隔，λ表示波长，θ表示发射端发射波束的方向。两个波束分别在两个天线端口上发送。从上述波束赋形系数可以看到，wsum即为波束方向为θ的传统波束赋形系数，本发明中将之称为和波束；而wdif中前半部分元素与和波束wsum中相同，后半部分为wsum相应元素的相反数，可以看做波束wsum的差分波束。在本发明中，这种波束赋形的方式被称作差分波束。若天线端口数量大于2，则可以根据实际情况将天线端口任意分为两部分，一部分发送和波束，另一部分发送差分波束。
以发射端配备8根天线为例，图2所示为和波束和差分波束接收能量示意图。可以看到，虽然和波束和差分波束的指向方向是相同的，但是两个波束的能量分布并不相同，因此可以使用两个波束接收能量的比值作为判别与中心波束方向偏差的依据。
图3所示为差分波束与和波束接收能量比值示意图。从图中可以看到，在一定角度偏差范围内，角度偏差与接收信号比值是一一对应的。在图3所示示例中，该角度偏差范围约为[-15°,15°]。若角度偏差在此范围内，可以依据接收信号比值与对应角度偏差制作查找表，根据接收信号比值从查找表中读出相应的角度偏差，并由收端反馈给发端，用以调整发射波束方向。
毫米波通信系统中的初始接入和随机接入过程中面临着最优波束对选择的问题。针对此问题，本发明将结合前述差分波束算法，提出基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入过程。图4为本发明所述基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入过程的基本流程图。
图4中，随机接入过程仍然在初始接入过程结束后进行。初始接入和随机接入过程仍然分为五个步骤。图4所示的方案中基站与UE均采取差分波束收发方式。
步骤一中，UE通过检测同步信号与基站建立连接。基站使用差分波束发送方案方式同步信号，UE使用差分波束接收方式。这样，UE能够根据差分波束接收信号与和波束接收信号获知用户最优接收波束及角度偏差，并将该方向用于后续步骤的数据接收；同时也可以根据接收到的基站发送的差分波束信号与和波束信号，得到基站最优发送波束方向及角度偏差。随后，基站将随机接入信道配置信息发送给用户，配置信息内包括基站发射波束方向及角度偏差和前导序列及资源的映射关系。
步骤二中，UE向基站发送前导序列，UE端使用差分波束发送方式，基站使用差分波束接收方式。UE基于步骤一中获得的基站发送波束方向及角度偏差和前导序列及资源的映射关系，使用基站最优发送波束方向及角度偏差所对应前导序列及资源。这样，基站可以根据发送波束方向及角度偏差和前导序列及资源的映射关系，获得基站最优发送波束方向及角度偏差，并将该方向用于后续步骤的数据发送。此外，基站能够根据差分波束接收信号与和波束接收信号获知基站最优接收波束方向及角度偏差，并将该方向用于后续步骤的数据接收；同时根据接收到的用户所发送的差分波束信号与和波束信号，得到用户的最佳发送波束方向及方向偏差。
步骤三中，基站根据步骤二得到的最优发射波束方向，发送随机接入响应RAR。此外，基站将步骤二中得到的用户最优发射波束方向及角度偏差与RAR一起发送给UE。UE根据步骤一中的所确定的最优波束方向接收RAR。
步骤四中，UE根据步骤三接收到的最优波束方向及角度偏差调整发送波束方向，发送Msg3；基站根据步骤二中所确定的最优波束方向接收Msg3。
步骤五中，基站根据步骤二中所确定的最优波束方向发送冲突解决方案，UE根据步骤一中的所确定的最优波束方向接收冲突解决方案。
上述步骤中，UE与基站均使用了差分波束方案。需要说明的是，可以仅在基站或UE一端使用差分波束方案，另一侧仍然可以使用传统的波束轮询的方案。由于使用了差分波束方案，上述初始接入和随机接入过程能够缩短波束对选择的过程，同时降低冲突发生的概率，从而能够提高基于波束赋形的毫米波通信系统中初始接入和随机接入过程的性能。
图4所示流程适用于基于竞争的随机接入过程。对于基于非竞争的随机接入过程，虽然UE所发送的前导序列是基站所分配的，但是仍然需要确定基站与UE之前的最优发送-接收波束对，因此在确定最优波束对时，仍然可以采用本方案所提供的基于差分波束的方式来完成。
如果基站侧或UE侧的天线阵列具有方向互易性，则最优发送波束方向与最优接收波束方向相同。基于基站侧或UE侧天线阵列方向互易性，图4所示流程还可以进一步优化。
图22为本发明中的一个具体实施例的基站设备中基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图。
步骤S101：基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；步骤S102：在具有相关性的至少两个基站波束上接收用户设备发送的前导序列；步骤S103：基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；步骤S104：根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；步骤S105：通过调整后的基站波束与用户设备进行数据的发送及接收。
优选地，步骤S101具体包括基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束发送方式向用户设备发送同步信号序列；步骤S102具体包括在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收用户设备发送的前导序列。
优选地，步骤S101之后，还包括步骤S106(图中未示出)，步骤S106：通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道或高层信令配置向用户设备发送随机接入信息配置，随机接入信息配置包括基站发送波束方向及角度偏差与前导序列及资源的映射关系、或基站发送波束方向与前导序列及资源的映射关系。
可选地，步骤S101：通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道，基站设备通过和波束发送第一分量数据序列，并通过差分波束发送第二分量数据序列；其中，同步信号序列包括第一分量数据序列及所述第二分量数据序列；或同步信号序列与第一分量数据序列及所述第二分量数据序列相同。
可选地，步骤S101：以预定的时频资源通过和波束及差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送同步信号序列。
其中，预定的时频资源至少包括以下任一项：
相互正交的不同时域资源；相互正交的不同频域资源；相互正交的码字在相同的时频资源。
可选地，步骤S101：基站设备在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送相同或不同的同步信号序列。
相同或不同的同步信号序列使用不同的天线阵列进行传输。例如，使用两个天线阵列进行相同同步信号序列的发送。其中，第一个阵列使用和波束进行发送；第二个阵列使用差分波束进行发送。
使用不同的天线阵列发送同步信号序列时，可以使用相互正交的码字在相同的频率资源分别发送和波束序列与差分波束序列，也可以使用正交或非正交的码字在不同的频率资源上分别发送和波束序列或差分波束序列。
优选地，步骤S102包括步骤S1021(图中未示出)和步骤S1022(图中未示出)；步骤S1021：基站设备通过差分波束接收方式接收用户设备发送的初始接入数据；步骤S1022：对初始接入数据进行前导序列相关性检测，以确定初始接入数据包括的前导序列和前导序列所占时频资源。
可选地，步骤S103：基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差。此情况为基站设备的天线阵列具有天线互易性，即当基站设备的发送、接收波束方向相同时的处理方案。
可选地，步骤S103包括步骤S1031(图中未示出)和步骤1032(图中未示出)；步骤S1031：基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的基站接收波束方向以及基站接收波束方向角度偏差；步骤S1032：基于前导序列和前导序列所占时频资源以及随机接入信息配置，来确定能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差。此情况为基站设备的天线阵列不具有天线互易性，即当基站设备的发送波束方向及接收波束方向不相同时的处理方案。优选地，步骤S104：根据能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差进行基站发送波束调整，并根据能量最大的基站接收波束方向以及基站接收波束方向角度偏差进行基站接收波束调整；步骤S105：通过调整后的基站发送波束向用户设备发送数据，并通过调整后的基站接收波束接收来自用户设备的数据。
优选地，当前导序列是用户设备通过差分波束发送方式发送的，该方法还包括步骤S107(图中未示出)；步骤S107：基于接收到的用户设备通过和波束及差分波束发送的所述前导序列进行用户波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。
可选地，步骤S107：基于接收到的用户设备通过和波束及差分波束发送的前导序列进行用户发送波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差。此情况为用户设备的天线阵列不具有天线互易性，即当用户设备的发送波束方向及接收波束方向不相同时的处理方案。优选地，步骤S105：通过调整后的基站发送波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息。
与图22相对应，图23为本发明中的一个具体实施例的用户设备中基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图。
步骤S201：用户设备接收基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上发送的初始接入数据；步骤S202：对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；步骤S203：根据确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源；步骤S204：使用所述前导序列所占时频资源，向基站设备发送前导序列；步骤S205：与基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
优选地，步骤S201具体包括用户设备接收基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束发送方式发送的初始接入数据。
优选地，步骤S202包括步骤S2021(图中未示出)、步骤S2022(图中未示出)和步骤S2023(图中未示出)；步骤S2021：对通过和波束发送的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对任一同步信号序列的第一相关性检测结果；步骤S2022：对通过差分波束发送的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对该同步信号序列的第二相关性检测结果；步骤S2023：若判断第一相关性检测结果和/或第二相关性检测结果满足第一判定条件时，确定检测到初始接入数据包括同步信号序列。
其中，第一判定条件包括以下至少任一项：
第一相关性检测结果大于第一检测门限，且第二相关性检测结果大于第一检测门限；
第一相关性检测结果大于第二检测门限；
第二相关性检测结果大于第二检测门限；
其中，第一检测门限不大于第二检测门限。
优选地，步骤S202包括步骤S2024(图中未示出)；步骤S2024：基于第一相关性检测结果及第二相关性检测结果，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差。
优选地，步骤S203：依据基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系，并结合确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源。
更优选地，该方法还包括：接收基站设备发送的随机接入信息配置；从随机接入信息配置中确定基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系。
优选地，步骤S205：通过调整后的用户波束向基站设备发送消息3，并接收基站设备通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案。此情况为用户设备的天线阵列具有天线互易性，即当用户设备的发送、接收波束方向相同时的处理方式。
可选地，步骤S205包括步骤S2051(图中未示出)、步骤S2052(图中未示出)和步骤S2053(图中未示出)；步骤S2051：接收基站设备通过调整后的基站波束发送的随机接入响应及能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息；步骤S2052：基于接收到基站设备发送的能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息，进行用户发送波束调整；步骤S2053：通过调整后的用户发送波束向基站设备发送消息3，并接收基站设备通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案。此情况为用户设备的天线阵列不具有天线互易性，即当用户设备的发送、接收波束方向不相同时的处理方式。
实施例一：
在本实施例中，我们结合具体的系统参数设置来介绍一种基于差分波束的初始接入和随机接入过程。考虑一个工作于毫米波段的系统，基站与用户均采用如图5、图6所示的基于天线阵列的传输结构。
其中，图5为发射机结构，图6为UE结构。图5中，经过基带处理后的每条链路经过上变频与数字-模拟转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)与一个由N_st个天线单元组成的天线阵列相连，天线阵列中的各个天线仅能调整相位。通过调整相位，天线阵列可以形成合适方向的波束，完成毫米波系统的波束赋形。图6中的UE结构与图5类似。每个基带链路与一个由N_sr个天线单元组成的天线阵列相连，天线单元仅能调整相位，通过调整相位，天线阵列可以将接收波束调整到合适的方向，以增强接收信噪比。
从图5、6可以看到，对于工作于毫米波波段的通信系统依赖于波束赋形，相互匹配的波束赋形能够提供最大的接收信噪比。因此，对于毫米波通信系统来说，随机接入除要完成上行同步与定时提前的估计外，还需要确定最优的发送、接收的波束对，即确定相应的波束赋形系数。
本实施例中的前导序列在随机接入信道中传输。考虑到毫米波系统的可用带宽普遍较大，为便于基站检测，随机接入信道放置于上行可用带宽的中间，频域上占用6个RB(Resource Block，资源块)，时间上持续一个或数个子帧。随机接入信道由序列本身、循环前缀与保护间隔三部分组成。图7所示为持续一个子帧的随机接入信道示意图。
基于以上结构，本实施例将介绍在基站侧与UE侧均没有方向互易性的条件下，基站使用差分波束方案而UE使用传统轮询方案的初始接入和随机接入过程。若基站的天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若基站的天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。基站与UE采用基于天线阵列的传输结构。图8所示为本实施例中基站发送同步信号和随机接入配置、UE发送随机接入前导序列的示意图。
在第一步骤中，基站发送同步信号序列，UE对接收信号进行相关性检测。基站在发送同步信号时，采用差分的方式进行发送。具体方式为：
1.将同步信号序列分为两部分，第一部分使用和波束发送，第二部分使用差分波束发送，采用这种方式的同步信号序列结构如图9所示。
需要说明的是，图9所示的结构中，和波束序列与差分波束序列属于同一同步信号序列，但和波束序列，即图9中同步信号序列的前半部分，采用和波束发送，其波束赋形权重系数为：
其中，N_BS表示基站波束赋形所用的天线数量，φ表示波束赋形指向的方向。图9中的后半部分，差分序列，采用差分波束发送，其波束赋形权重系数为：
同步信号序列检测时所用的方式为相关性检测，其中和波束序列的相关性检测结果可以作为和波束接收信号，差分序列的相关性检测结果可以作为差分波束接收信号。采用这种同步信号序列发送方式时，UE检测同步信号序列与波束发送方向偏差的流程如图10所示。
图10中，UE对接收信号进行相关性检测，并分别输出各个同步信号序列中，和波束序列部分的相关性检测结果与差分波束序列的相关性检测结果。虽然波束方向相同，但是和波束与差分波束的波束特性并不相同，因此不能使用单一的阈值对检测结果进行判定。一种优选的判定方式为：设和波束序列部分与某一个同步信号序列的相关性检测结果为差分波束序列部分与同一个同步信号序列的相关性检测结果为则满足如下条件之一时，认为检测到该前导序列：a.b.c.其中，η1与η2分别为第一检测门限与第二检测门限，并满足η1≤η2。第一检测门限η1与第二检测门限η2根据小区半径、同步信号序列发送过程中UE与基站用于波束赋形的天线数量、同步信号序列长度等因素共同决定。
若检测到某同步信号序列，则将该同步信号序列相应的相关性检测结果作为和波束信号与差分波束信号，计算信号比值，从而根据差分波束方案的原理，可以得到基站发送波束方向的偏差。
2.相同的同步信号序列使用不同的资源进行传输。例如，使用两段连续的系统资源进行相同的同步信号序列的发送。其中，第一段资源使用和波束进行发送；第二段资源使用差分波束进行发送。采用这种方式的同步信号序列结构如图11所示。
这种发送方式仍然可以使用图10所示的同步信号序列检测流程图，即先检测同步信号序列，若检测到了同步信号序列的发送，则进一步检测发送波束的方向及角度偏差。
3.相同或不同的同步信号序列使用不同的天线阵列进行传输。例如，使用两个天线阵列进行相同同步信号序列的发送。其中，第一个阵列使用和波束进行发送；第二个阵列使用差分波束进行发送。
使用不同的天线阵列发送同步信号序列时，可以使用相互正交的码字在相同的频率资源分别发送和波束序列与差分波束序列，也可以使用正交或非正交的码字在不同的频率资源上分别发送和波束序列或差分波束序列。
这种发射方式仍然可以使用图10所示的同步信号序列检测流程图，即先检测同步信号序列，若检测到了同步信号序列的发送，则进一步检测发送波束的方向及角度偏差。
随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户。与传统的随机接入信息配置相比，除包括随机接入信道配置信息以及前导序列配置信息外，还需包括基站发送波束方向及角度偏差和前导序列及资源的映射关系，或者基站发送波束方向和前导序列及资源的映射关系。
UE通过轮询方式检测出基站的最优发射波束方向及角度偏差，并确定UE最优接收波束。在后续步骤中，UE使用该方向波束进行信号的接收。
在第二步骤中，UE基于检测到的基站最优发射波束方向及角度偏差和其与前导序列及资源的映射关系，或者基站发送波束方向和前导序列及资源的映射关系，使用对应的前导序列及资源。需要说明的是，同一基站最优发射波束方向及角度偏差，可以对应多个前导序列和前导序列所占时频资源。
如图8所示，UE使用方向不同的发送波束发送相同或不相同的前导序列。发送相同的前导序列时，从对应的前导序列集合中随机选择一个序列在每个波束方向上发送；发送不相同的前导序列时，将对应的前导序列集合分为多个不相交的子集，每个波束方向从子集中选择一个前导序列进行发送。例如，图8所示示例中，UE使用三个不同方向的波束进行前导序列的发送，则将可用前导序列集合∑划分为三个不相交的子集∑1，∑2，Σ3，满足：
Σ1∪Σ2∪Σ3＝Σ
上述条件可以放松，即第二个公式中，各个子集的并为前导序列集合Σ的子集，从而预留一部分前导序列用于例如基于非竞争的随机接入过程。
UE使用第一个方向的波束发送前导序列时，从子集∑1中随机选择；使用第二个方向的波束发送前导序列时，从子集∑2中随机选择；使用第三个方向的波束发送前导序列时，从子集∑3中随机选择。
以上这两种发送方式各有优劣。使用相同的前导序列时，每个UE每次随机接入仅需选择一个前导序列，前导序列的利用率较高，同时基站对每个前导序列做相关性检测的复杂度较低；但是由于基站并不知道UE发送的时序，因此需要较长的前导序列。同时，使用不同的前导序列时，基站的检测复杂度较高，但是可以使用较短的前导序列。
随后基站对接收信号进行相关性检测，并采用基于差分波束的接收方式确定波束方向与波束方向偏差。如图8所示，在第二步骤中的前导序列发送中，基站采用两个阵列进行检测，其中一个阵列使用传统的波束权重系数作为接收波束的权重系数，例如使用如下波束权重系数：
其中，为基站接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向。可以看到，这相当于使用前述和波束权重系数作为其中一个阵列的权重系数。另一个阵列使用与上述和波束的方向相同，并与和波束有一定相关性的波束作为权重系数。一种优选的方案为使用和波束的差分波束，如下所示：
其中，为使用差分波束作为权重系数的接收阵列所用的天线数。两个阵列的天线数可以相同，也可以不同，但本实施例中假设 即两个阵列使用的天线数是相同的。通过调整整个阵列的天线个数NBS，能够调整波束的宽度，从而调整波束的覆盖范围。需要说明的是，图8中的和波束阵列与差分波束阵列均可以由图6中的多个天线阵列组成。
基站对接收信号的处理流程如图12所示。和波束阵列与差分波束阵列都对接收信号前导序列做相关性检测，前导序列检测判决模块对两个阵列相关性检测的结果综合，决定是否检测出前导序列。一种优选的判决方案为根据和波束阵列与差分波束阵列相关性检测所得到相关性因子综合判决。例如，假设某时刻和波束阵列相关性检测模块输出的与某一前导序列的相关性检测结果为同一时刻差分波束相关性检测模块输出的与同一前导序列的相关性检测结果为判决依据为：若且或或则判定检测出该前导序列，否则没有检测出该前导序列。其中，η3与η4分别为第三检测门限和第四检测门限，η3≤η4。该判决准则依据为，如图2所示，和波束与差分波束的能量分布是互补的，即和波束接收能量最大时，差分波束接收能量为零；和波束接收能量为零时，差分波束接收能量最大，这两种情况分别对应于波束方向对准UE和差分波束的峰值方向对准UE。此时应对差分波束与和波束使用较大的阈值作为判别前导序列检测的依据。否则，应使用较小的阈值同时对两个阵列的检测结果做判别。第三检测门限η3与第四检测门限η4根据小区半径、前导序列发送过程中UE与基站用于波束赋形的天线数量、前导序列长度等因素共同决定。
若相关性检测模块输出结果是未检测出任何前导序列，则不进行后续的步骤；若相关性检测模块检测出一个或多个前导序列，则分别对检测出的每个前导序列做波束方向偏差检测，即根据和波束阵列相关性检测结果和差分波束阵列相关性检测结果得到接收方向与阵列波束方向间的偏差。具体来说，根据前述对差分波束方案的描述，可以制作差分波束接收信号与和波束接收信号比值与对应波束方向角度偏差间的查找表，根据两个阵列实际接收到的能量比值确定角度偏差。该角度偏差将用于后续步骤的基站接收波束方向修正。此外，基于检测出的前导序列及资源和其与基站发送波束方向及角度偏差的映射关系，基站可以确定最优发送波束方向及角度偏差。该角度偏差将用于后续步骤的基站发送波束方向修正。
为降低搜索时间，同时保证波束覆盖，基站采用一个或多个较宽的和/差分波束阵列对不同的方向进行扫描。图13所示为一个采用多个波束以扫描方式提高前导序列检测成功率的系统。如图所示，一个小区被分为三个分区，每个分区覆盖120°的范围，不同分区间可以认为是独立的。对分区1所覆盖的120°范围来说，采用四个波束宽度为30°的波束对进行覆盖接收。每个波束对均包含一个和波束与一个相同波束方向的差分波束。不同波束方向的波束对通过时分的方式区分，例如，每个方向持续时间为τ，接收扫描时序如图14所示。
图中，波束1-4表示用于覆盖一个分区的4个接收波束方向，即相应的和波束方向。每个方向的接收波束对持续时间为τ，以此扫描每个波束方向，4个方向均完成扫描接收后，开始下一个周期的扫描。每一个方向的接收波束接收一个或多个随机接入子信道。
在这一步骤检测到某一前导序列的发送后，并能够确定接收该前导序列的波束方向以及相应的方向角度偏差。此外，基于检测到的前导序列及资源，基站可以确定最优的发射波束方向以及相应的方向角度偏差。在后续的步骤中，采用波束宽度较窄的波束作为发送以及接收波束。例如，图13所示示例中，第二步骤中前导序列的检测使用波束宽度为30°，随机接入的后续步骤中，使用更窄的波束进行信号接收与发送，例如通过增加基站天线阵元数量，调整波束宽度为30°，进行第三步骤RAR的发送，第四步骤Msg3的接收以及第五步骤冲突解决方案的发送。
使用较宽的波束检测前导序列，同时使用差分接收的方法检测波束方向偏差，能够比传统波束轮询的方式更快的找到基站侧的最优波束；使用较细的波束，同时根据差分波束检测得到的波束方向偏差调整波束方向，能够提高后续步骤的接收信噪比，有利于提高随机接入过程的性能；此外，波束方向的调整还有利于降低冲突概率。
基站在第二步骤检测出前导序列后，能够根据前导序列的接收信号强度确定用户的最优发射波束方向，并在第三步骤中通过下行控制信道或是下行共享信道，或是下行广播信道通知用户。后续步骤中，用户使用该方向波束进行信号的发送。
与传统的基于波束方向轮询的随机接入过程相比，本实施例中的方案能够更快的确定基站侧的最优波束方向，同时降低冲突概率。因此本实施例中的方案能够提高随机接入过程的性能。但是由于在前导序列检测的过程中，为提高检测的速度，采用了波束宽度较宽的差分波束，因此在小区覆盖上将会比传统的波束方向轮询方案略低。为增加小区覆盖，可以采用更长的前导序列。例如，如图13所示示例，若波束方向轮询方案使用波束宽度为10°的波束来覆盖120°的分区，同时使用相同的前导序列长度，则与图13所示示例相比，由于宽度较窄的波束能量更为集中，因此其所能支持的小区半径更大，但同时完成一个分区的波束方向扫描是图13所示示例的3倍。为弥补差分波束方案在小区覆盖上的劣势，其前导序列的长度设置为传统方案的两倍，此时波束扫描周期上，传统方案仍然是本实施例的1.5倍，而考虑到本实施例所提出的方案中，采用了两个阵列做相关性检测，因此增加前导序列长度后，小区覆盖上将会与传统方案近似，甚至拥有更好的性能。可以采用如下两种方式加长前导序列：1.重复相同的前导序列；2.设计更长的前导序列。
实施例二：
本实施例将介绍在基站侧和用户设备侧天线阵列方向互易性均成立的条件下，在基站侧使用差分波束方案而用户设备使用传统轮询方案的初始接入和随机接入过程。若基站的天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若基站的天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。系统配置与实施例一类似，基站与用户设备均配备基于天线阵列的传输结构，并且基站使用差分传输方案，用户设备使用传统轮询方案。
在第一步骤中，基站发送同步信号序列，用户设备对接收信号进行相关性检测。基站在采用差分的方式进行发送同步信号时，可以将同步信号序列分为两部分，第一部分使用和波束发送，第二部分使用差分波束发送，此方式对应的同步信号序列结构如图9所示；也可以对相同的同步信号序列使用不同的资源进行传输，此方式对应的同步信号序列如图11所示。
用户设备使用图10所示的同步信号序列检测流程，即先检测同步信号序列，若检测到了同步信号序列的发送，则进一步检测波束的方向。用户设备通过轮询方式确定用户设备最优接收波束方向。在后续步骤中，用户设备使用该方向波束进行信号的发送和接收。随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户设备。
在第二步骤中，用户设备发送前导序列，基站对接收信号进行相关性检测，并采用基于差分波束的接收方式确定波束方向与角度偏差。用户设备从前导序列集合中随机选择一个前导序列，使用第一步骤中得到的最优波束进行发送。基站采用两个天线数相同的阵列进行检测，其中一个阵列使用和接收波束，另一个阵列使用差分接收波束。基站对通过调整每个接收阵列的天线个数，可以调整波束的宽度，从而调整波束的覆盖范围。基站对接收信号的处理流程如图12所示。
若相关性检测模块输出结果是未检测出任何前导序列，则不进行后续的步骤；若相关性检测模块检测出前导序列，则分别对检测出的前导序列做波束方向偏差检测，即根据和波束阵列相关性检测结果和差分波束阵列相关性检测结果得到接收方向与阵列波束方向间的偏差。具体来说，根据前述对差分波束方案的描述，可以制作差分波束接收信号与和波束接收信号比值与对应波束方向角度偏差间的查找表，根据两个阵列实际接收到的信号比值确定角度偏差。该角度偏差将用于后续步骤的基站波束方向修正。
为降低搜索时间，同时保证波束覆盖，基站采用一个或多个较宽的和/差分波束阵列对不同的方向进行扫描。在这一步骤检测到某一前导序列的发送后，并能够确定接收该前导序列的最优波束方向以及相应的方向角度偏差。在后续的随机接入步骤中，采用波束宽度较窄的波束作为发送以及接收波束。例如可以通过增加基站天线阵元数量，降低波束宽度，进行第三步骤RAR的发送，第四步骤Msg3的接收以及第五步骤冲突解决方案的发送。
与传统的基于波束方向轮询的随机接入过程相比，本实施例中的方案能够更快的确定基站侧的最优波束方向，同时降低冲突概率。因此本实施例中的方案能够提高随机接入过程的性能。
需要说明的是，实施例一、实施例二中所提出的方案适用于基于竞争的随机接入过程，但是通过在基站采用差分接收的方式确定基站侧的最优波束方向也同样适用于基于非竞争的随机接入过程。具体来说，用户设备基于基站不同的发送波束方向及角度偏差发送分配的前导序列，基站通过和波束阵列与差分波束阵列接收，找到相关性检测最大的方向以及相应的波束方向偏差。基站基于检测到的前导序列及资源调整波束方向，并使用较细的波束进行随机接入响应的发送。用户设备接收到随机接入响应之后，完成基于非竞争的随机接入过程，等待基站的进一步调度。
图24为本发明中的又一具体实施例的基站设备中基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，包括：
步骤S301：基站设备向用户设备发送同步信号序列；步骤S302：接收用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上发送的前导序列；步骤S303：基于前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；步骤S304：根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；步骤S305：通过调整后的基站波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；步骤S306：通过调整后的基站波束与基于指示信息调整用户波束后的用户设备进行数据的发送及接收。
优选地，步骤S302具体包括：接收用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束发送方式发送的前导序列。
优选地，步骤S302包括步骤S3021(图中未示出)和步骤S3022(图中未示出)；步骤S3021：基站设备接收用户设备通过差分波束发送方式发送的初始接入数据；步骤S3022：对初始接入数据进行前导序列相关性检测，以确定初始接入数据包括的前导序列和前导序列所占时频资源。
其中，前导序列是用户设备在相互正交的不同时域资源或相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下通过差分波束发送方式发送的。
具体地，前导序列是用户设备在相互正交的不同时域资源下在一个或多个天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送的；前导序列是用户设备在相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下在多个天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送的。
优选地，步骤S303：基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。此情况为用户设备的天线阵列具有天线互易性，即当用户设备的发送、接收波束方向相同时的处理方式。
优选地，步骤S303：基于对初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差；步骤S305：通过调整后的基站波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户发送波束方向以及用户发送波束方向角度偏差的指示信息。此情况为用户设备的天线阵列不具有天线互易性，即当用户设备的发送、接收波束方向不相同时的处理方式。
优选地，步骤S306：基站设备接收基于指示信息调整用户波束后的用户设备发送的消息3，并通过调整后的基站波束发送的冲突解决方案。
与图24相对应，图25为本发明中的一个具体实施例的用户设备中基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法流程示意图。
步骤S401：用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；步骤S402：对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；步骤S403：根据能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；步骤S404：向基站设备发送前导序列；步骤S405：通过调整后的用户波束与基站设备进行数据传输。
优选地，步骤S401具体包括：用户设备在至少两个用户波束上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
优选地，用户设备在相互正交的不同时域资源或相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
具体地，用户设备在相互正交的不同时域资源下在一个或多个天线阵列上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据；或用户设备在相互正交的不同频率资源或相互正交的码字在相同的时频资源下在多个天线阵列上通过差分波束接收方式接收基站设备发送的初始接入数据。
优选地，在步骤S401接收到基站设备发送的初始接入数据之后，还包括步骤S406(图中未示出)和步骤S407(图中未示出)；步骤S406：接收基站设备发送的随机接入信息配置，随机接入信息配置包括基站波束方向及角度偏差与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系、或基站波束方向与前导序列及前导序列所占时频资源的映射关系；步骤S407：基于随机接入信息配置，并结合通过轮询方式确定的能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列。
优选地，步骤S404：使用所述前导序列所占时频资源，向所述基站设备发送前导序列。
优选地，步骤S402包括步骤S4021(图中未示出)、步骤S4022(图中未示出)和步骤S4023(图中未示出)；步骤S4021：对基于和波束接收的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对任一同步信号序列的第三相关性检测结果；步骤S4022：对基于差分波束接收的初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，以确定针对该同步信号序列的第四相关性检测结果；步骤S4023：若判断第三相关性检测结果和/或第四相关性检测结果满足第二判定条件时，确定检测到初始接入数据包括同步信号序列。
其中，第二判定条件包括以下至少一项：
第三相关性检测结果大于第五检测门限，且第四相关性检测结果大于第五检测门限；
第三相关性检测结果大于第六检测门限；
第四相关性检测结果大于第六检测门限；
其中，第三检测门限不大于第四检测门限。
优选地，步骤S402包括步骤S4024：步骤S4024：基于第三相关性检测结果及第四相关性检测结果，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差。
优选地，步骤S404：通过调整后的用户波束向基站设备发送前导序列；步骤S405：通过调整后的用户波束接收基站设备发送的随机接入响应；通过调整后的用户波束向基站设备发送消息3；通过调整后的用户波束接收基站设备发送的冲突解决方案。
优选地，步骤S402：根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户接收波束方向以及用户接收波束方向角度偏差；步骤S403：根据能量最大的用户接收波束方向以及用户接收波束方向角度偏差进行用户接收波束调整。此情况为用户设备的天线阵列不具有天线互易性，即当用户设备的发送、接收波束方向不相同时的处理方式。
优选地，还包括步骤S408(图中未示出)；步骤S408：当接收到基站设备发送的能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息时，基于指示信息进行用户发送波束调整。
优选地，当用户设备通过差分波束接收方式接收到基站设备通过差分波束发送方式发送的初始接入数据时，对通过差分波束发送方式发送的初始接入数据进行基站发送波束方向偏差检测，来确定能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差。
优选地，还包括步骤S409(图中未示出)；步骤S409：基于接收到的基站设备发送的随机接入信息配置，并结合通过基站发送波束方向偏差检测确定的能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列。
实施例三：
在本实施例中，结合具体的系统参数设置来介绍一种基于差分波束的随机接入过程。系统设置与实施例一类似，基站与用户设备采用基于天线阵列的传输结构。本实施例中将描述在基站侧与用户设备侧均没有方向互易性的条件下，用户设备采用差分传输方案而基站采用传统的轮询方案的初始接入和随机接入过程流程。若用户的天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若用户的天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。
本实施例将介绍用户设备配备较多天线时采用差分方案的随机接入过程。系统配置与实施例三相同，基站与用户设备均配备基于天线阵列的传输结构，并且用户设备使用差分传输方案完成随机接入过程。
当用户设备配备的天线阵列由较多天线阵元组成时，用户设备能够产生波束宽度较细的波束。此时，为了保证波束覆盖，需要依次使用不同指向的多个波束，如图15所示。图15中，两个重叠的波束表示一对方向相同的和/差分波束，用户设备使用六对和/差分波束对完成空间的覆盖。
在第一步骤中，基站使用方向不同的发送波束发送相同或者不相同的同步信号序列。发送相同的同步信号序列时，从同步信号序列集合中随机选择一个序列在每个波束方向上发送；发送不相同的同步信号序列时，将同步信号序列集合分为多个不相交的子集，每个波束方向从子集中选择一个同步信号序列进行发送。
例如，基站使用三个不同方向的波束进行同步信号序列的发送，则将可用同步信号序列集合Φ划分为三个不相交的子集Φ1，Φ2，Φ3，满足：
Φ1∪Φ2∪Φ3＝Φ
基站使用第一个方向的波束发送前导序列时，从子集Φ1中随机选择；使用第二个方向的波束发送前导序列时，从子集Φ2中随机选择；使用第三个方向的波束发送前导序列时，从子集Φ3中随机选择。
用户设备使用两个阵列进行检测，其中一个阵列使用传统的波束权重系数作为接收波束的权重系数，例如使用如下波束权重系数：
其中，为用户设备接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向。可以看到，这相当于使用前述和波束权重系数作为其中一个阵列的权重系数。另一个阵列使用与上述和波束的方向相同，并与和波束有一定相关性的波束作为权重系数。一种优选的方案为使用和波束的差分波束，如下所示：
其中，为使用差分波束作为权重系数的接收阵列所用的天线数。两个阵列的天线数可以相同，也可以不同，但在本实施例中假设 即两个阵列使用的天线数是相同的，其中NUE为用户设备天线阵列的总天线数。通过调整整个阵列的天线个数NUE，能够调整波束的宽度，从而调整波束的覆盖范围。
用户设备对接收信号的处理流程如图16所示。和波束阵列与差分波束阵列都对接收同步信号序列做相关性检测，同步信号序列检测判决模块对两个阵列相关性检测的结果综合，决定是否检测出同步信号序列。一种优选的判决方案为根据和波束阵列与差分波束阵列相关性检测所得到相关性因子综合判决。例如，假设某时刻和波束阵列相关性检测模块输出的与某一同步信号序列的相关性检测结果为同一时刻差分波束相关性检测模块输出的与同一同步信号序列的相关性检测结果为判决依据为：若且或或则判定检测出该同步信号序列，否则没有检测出该同步信号序列。其中，η5与η6分别为第五检测门限和第六检测门限，η5≤η6。该判决准则依据为，如图2所示，和波束与差分波束的能量分布是互补的，即和波束接收能量最大时，差分波束接收能量为零；和波束接收能量为零时，差分波束接收能量最大，这两种情况分别对应于波束方向对准基站和差分波束的峰值方向对准基站。此时应对差分波束与和波束使用较大的阈值作为判别前导序列检测的依据。否则，应使用较小的阈值同时对两个阵列的检测结果做判别。第五检测门限η5与第六检测门限η6根据小区半径、同步信号序列发送过程中用户设备与基站用于波束赋形的天线数量、前导序列长度等因素共同决定。
若相关性检测模块输出结果是未检测出任何同步信号序列，则不进行后续的步骤；若相关性检测模块检测出一个或多个同步信号序列，则分别对检测出的每个同步信号序列做波束方向偏差检测，即根据和波束阵列相关性检测结果和差分波束阵列相关性检测结果得到接收方向与阵列波束方向间的偏差。具体来说，根据前述对差分波束方案的描述，可以制作差分波束接收信号与和波束接收信号比值与对应波束方向角度偏差间的查找表，根据两个阵列实际接收到的信号比值确定角度偏差。该角度偏差将用于后续步骤的接收波束方向修正。此外，用户设备也可以确定基站的最优发送波束方向。
随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户设备。与传统的随机接入信息配置相比，除包括随机接入信道配置信息以及前导序列配置信息外，还需包括基站发送波束方向和前导序列及资源的映射关系。
在第二步骤中，用户设备基于检测到的基站最优发射波束方向和其与前导序列及资源的映射关系，使用对应的前导序列及资源。需要说明的是，同一基站最优发射波束方向及角度偏差，可以对应使用多个前导序列和前导序列所占时频资源。用户设备在发送前导序列时，采用差分的方式进行发送。具体方式为：
1.将前导序列分为两部分，第一部分使用和波束发送，第二部分使用差分波束发送，采用此结构的随机接入信道如图17所示。
需要说明的是，图17所示结构中，和波束序列与差分波束序列属于同一前导序列，但和波束序列，即图17中前导序列的前半部分，采用和波束发送，其波束赋形权重系数为：
其中，NUE表示用户波束赋形所用的天线数量，表示波束赋形指向的方向。图18中的后半部分，差分序列，采用差分波束发送，其波束赋形权重系数为：
前导序列检测时所用的方式为相关性检测，其中和波束序列的相关性检测结果可以作为和波束接收信号，差分序列的相关性检测结果可以作为差分波束接收能量。采用这种前导序列发送方式时，基站检测前导序列与波束发送方向偏差的流程如图18所示。
图18中，基站对接收信号做相关性检测，并分别输出各个前导序列中，和波束序列部分的相关性检测结果与差分波束序列的相关性检测结果。虽然波束方向相同，但是和波束与差分波束的波束特性并不相同，因此不能使用单一的阈值对检测结果进行判定。一种优选的判定方式为：设和波束序列部分与某一个前导序列的相关性检测结果为差分波束序列部分与同一个前导序列的相关性检测结果为则满足如下条件之一时，认为检测到该前导序列：a.b.c.其中，η7与η8分别为第七检测门限与第八检测门限，并满足η7≤η8。第七检测门限η7与第八检测门限η8根据小区半径、前导序列发送过程中用户设备与基站用于波束赋形的天线数量、前导序列长度等因素共同决定。
若检测到某前导序列，则将该前导序列相应的相关性检测结果作为和波束能量与差分波束能量，计算能量比值，从而根据差分波束方案的原理，可以得到用户设备发送波束方向的偏差。
2.相同的前导序列使用不同的资源进行传输。例如，使用连续的两个随机接入子信道进行相同的前导序列的发送。其中，第一个随机接入子信道使用和波束进行发送；第二个随机接入子信道使用差分波束进行发送。采用这种方式的随机接入信道结构如图19所示。
图19中，第一随机接入子信道使用和波束传输，第二随机接入子信道使用差分波束传输。这种方式中，仍然可以使用图19所示前导序列检测流程图，即先检测前导序列，若检测到了前导序列的发送，则进一步检测发送波束的角度偏差。
3.相同或不同的前导序列使用不同的天线阵列进行传输。例如，使用两个天线阵列进行相同的前导序列的发送。其中，第一个天线阵列使用和波束进行发送；第二个天线阵列使用差分波束进行发送。
这种方式中，可以使用相互正交的码字在相同的频率资源分别发送和波束序列与差分波束序列，也可以使用正交或非正交的码字在不同的频率资源上分别发送和波束序列或差分波束序列。
这种方式中，仍然可以使用图19所示前导序列检测流程图，即先检测前导序列，若检测到了前导序列的发送，则进一步检测发送波束的角度偏差。使用不同方向的波束对发送的前导序列可以相同或不同。发送相同的前导序列时，用户设备从对应前导序列资源池中随机选择一个前导序列，进行发送；不同波束方向发送不同的前导序列时，将可用前导序列资源池划分为互不相交的几个资源池子集，每个波束方向对应一个资源池子集。用户发送前导序列时，从每个资源池子集中随机选择一个前导序列，分别用对应的波束对依次发送。
基站通过轮询方式检测到基站的最优接收波束方向与相应前导序列，以及用户设备的最优发送波束方向及角度偏差。基于检测到的前导序列及资源和其与基站发送波束方向的映射关系，基站可以确定最优发送波束方向。
在第三步骤中，基站需要进行RAR的发送。除原有RAR所应包含的随机接入前导序列标识符、定时提前指令、C-RNTI，以及为用户设备下次上行传输所分配的时频资源等外，还包含基站检测出的用户最优发射波束方向及角度偏差，以便于用户设备调整波束方向。用户波束方向角度偏差信息的传递可以使用查找表方式完成，即将可能出现的角度偏差值量化，并制作相应的查找表。基站在检测出发送波束的角度偏差后，将该角度偏差量化，从查找表中找到相应的索引，并在RAR中一同发送给用户设备。用户设备使用第一步骤中所确定的经过方向调整后较细的波束接收相应的RAR。
具体来说，若用户设备使用不同方向的波束传输相同的前导序列，基站估计接收能量，并得到接收能量最强的时隙，估计该时隙上用户设备发送方向的偏差，将时隙的索引与发送方向偏差的量化值通过RAR发送给用户设备。用户设备接收到RAR后，根据时隙索引得知最优的发射波束方向，并通过角度偏差值选择最优的窄波束进行后续信号的发送。
若用户设备使用不同方向的波束传输不同的前导序列，基站估计接收能量，得到能量最强的前导序列，并估计该前导序列对应发送方向的角度偏差。这种情况下，基站通过RAR需要发送前导序列标识符(RAR中原有字段)以及发送方向偏差的量化值。用户设备接收到RAR后，根据前导序列标识符得到最优的发射波束方向，并通过角度偏差值选择最优的窄波束进行后续信号的发送。
第四步骤中，用户设备调整波束方向，并使用波束宽度较窄的波束发送Msg3。第五步骤中，用户设备在接收基站发送的冲突解决方案时，使用第一步骤中所确定的最优波束接收，以增加接收信噪比。
与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，在用户设备侧采用差分波束传输方案的随机接入过程能够缩短搜索最优波束对所需要的时间。这是由于差分波束方案能够以较高的精度确定角度偏差，因此用户设备在接收同步信号序列与发送前导序列时可以使用较宽的波束，并通过RAR中携带的角度偏差信息调整波束方向，并使用较窄的波束完成后续步骤信号的接收与发送。这样，用户设备侧轮询发送前导序列的次数可以显著降低。
实施例四：
本实施例将介绍在基站侧和用户设备侧天线阵列方向互易性均成立的条件下，在基站侧使用传统轮询方案而用户设备使用差分波束方案的初始接入和随机接入过程。系统配置与实施例三类似，基站与用户设备均配备基于天线阵列的传输结构，并且基站使用传统轮询方案，用户设备使用差分传输方案。若用户的天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若用户的天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。
在第一步骤中，基站发送同步信号序列，用户设备对接收信号进行相关性检测。基站使用方向不同的发送波束发送相同或者不相同的同步信号序列。发送相同的同步信号序列时，从同步信号序列集合中随机选择一个序列在每个波束方向上发送；发送不相同的同步信号序列时，将同步信号序列集合分为多个不相交的子集，每个波束方向从子集中选择一个同步信号序列进行发送。
用户设备使用天线数量相同两个阵列进行检测，其中一个阵列使用和波束作为权重系数，另一个阵列使用对应的差分波束作为权重系数。通过调整阵列的天线数量，可以调整波束的宽度，从而调整波束的覆盖范围。用户设备对接收信号的处理流程如图16所示。
若相关性检测模块输出结果是未检测出任何同步信号序列，则不进行后续的步骤；若相关性检测模块检测出一个或多个同步信号序列，则分别对检测出的每个同步信号序列做波束方向偏差检测，即根据和波束阵列相关性检测结果和差分波束阵列相关性检测结果得到接收方向与阵列波束方向间的偏差。具体来说，根据前述对差分波束方案的描述，可以制作差分波束接收信号与和波束接收信号比值与对应波束方向角度偏差间的查找表，根据两个阵列实际接收到的信号比值确定角度偏差。该角度偏差将用于后续步骤的波束方向修正。在后续步骤中，用户设备使用该方向波束进行信号的发送和接收。随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户。
在第二步骤中，用户设备发送前导序列，基站对接收信号进行相关性检测。用户设备从前导序列集合中随机选择一个前导序列，使用第一步骤中得到的波束宽度较窄的最优波束进行发送。基站使用图18所示的前导序列检测流程，即先检测前导序列，若检测到了前导序列的发送，则进一步检测波束方向。基站通过轮询方式确定基站最优接收波束方向。在后续步骤中，基站使用该方向波束进行信号的发送和接收。
在第三、第四和第五步骤中，用户设备和基站分别使用第一步骤和第二步骤确定的较窄最优波束进行RAR的发送与接收、Msg3的发送与接收和冲突解决方案的发送与接收。
与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，在用户设备采用差分波束传输方案的随机接入过程能够缩短搜索最优波束对所需要的时间。这是由于差分波束方案能够以较高的精度确定角度偏差，因此用户设备在接收同步信号序列与发送前导序列时可以使用较宽的波束，并通过RAR中携带的角度偏差信息调整波束方向，并使用较窄的波束完成后续步骤信号的接收与发送。这样，用户设备轮询发送前导序列的次数可以显著降低。
需要说明的是，实施例三、实施例四中所述方案适用于基于竞争的随机接入过程，但是用户设备采用差分方式发送前导序列，基站检测前导序列并估计发送方向偏差，通过随机接入响应指示用户的方式仍然适用于基于非竞争的随机接入过程。不同之处在于，用户设备基于基站不同的最优发送波束方向使用分配的前导序列；用户设备接收到步骤三中的随机接入响应以及波束方向偏差等信息后，随机接入过程结束，但是用户设备仍然会调整波束方向，用于进行后续与基站的通信。
实施例五：
本实施例将介绍基站设备与用户设备均没有方向互易性的条件下，收发两端均采用差分波束传输方案的初始接入和随机接入过程。系统配置与实施例一类似，用户设备与基站均采用基于天线阵列的传输结构。对于基站和用户，若天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。
在第一步骤中，基站发送同步信号序列，用户设备对接收信号进行相关性检测。用户设备波束扫描周期与基站波束扫描周期以子帧数为单位，规定了基站传输同步信号序列的信道结构。例如，若用户设备扫描周期为NU，即用户设备需要扫描NU个波束方向以完成全部空间的覆盖；基站扫描周期为NB，即基站需要扫描NB个波束方向以完成全部空间的覆盖。在这种情况下，基站需要发送NBNU次同步信号序列完成一次差分波束轮询，如图20所示。与现有方案相比，由于接收端与发送端均使用了差分发送的方案，基站设备与用户设备的扫描周期都可以降低，同时使用更宽的波束进行覆盖，从而降低了基站设备与用户设备波束配对选择的时间以及发送同步信号序列所需要的时间。为了提高所支持的小区半径，可以在同一个同步信号序列中重复传输相同的子序列的方式。
基站在发送同步信号时，采用差分的方式进行发送。基站采用实施例一中所述的差分方案发送，即将同步信号序列等分为两部分，第一部分采用和波束发送，第二部分采用差分波束发送；或是在相互正交的时频资源上两个不同的天线端口分别采用和波束与差分波束发送相同的同步信号序列；或是在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送相同或不同的同步信号序列。采用和波束发送的序列称为和波束序列，采用差分波束发送的序列称为差分波束序列。对于采用将前导序列分为两部分分别发送的方式，和波束序列与差分波束序列可以使用相同的序列(即同一序列重复生成同步信号序列)或是将一个同步信号序列分为两部分。
用户设备采用实施例三的类似的差分方案接收，即采用两个天线阵列进行接收，第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收。用户设备首先对同步信号序列进行相关性检测，若检测到同步信号序列的发送，则确定接收能量最大的发送-接收波束对，之后估计用户最优接收波束方向及角度偏差与基站最优发送波束方向及角度偏差。在后续步骤中，用户设备使用该接收波束方向进行信号的接收。
用户设备对同步信号序列进行相关性检测时，分别在和波束接收阵列与差分波束接收阵列上进行相关性检测，根据相关性检测结果综合判定是否检测到同步信号序列的发送。检测到同步信号序列的发送后，选择和波束接收阵列与差分波束接收阵列的接收能量和最大的波束方向对做进一步处理。为确定接收波束方向偏差，取差分波束接收阵列的相关性检测结果与和波束接收阵列的相关性检测结果的比值，根据查找表确定接收波束方向偏差。为确定发送波束方向偏差，取和波束接收阵列与差分波束接收阵列接收到的差分序列相关性检测值，与和波束接收阵列与差分波束接收阵列接收到的和序列相关性检测值的比值，根据查找表确定发送波束方向偏差。
随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户设备。与传统的随机接入信息配置相比，除包括随机接入信道配置信息以及前导序列配置信息外，还需包括基站发送波束方向及角度偏差和前导序列及资源的映射关系，或者基站发送波束方向和前导序列及资源的映射关系。
在第二步骤中，用户设备基于检测到的基站最优发射波束方向及角度偏差和其与前导序列及资源的映射关系，或者基站发送波束方向和前导序列及资源的映射关系，使用对应的前导序列及资源。需要说明的是，同一基站最优发射波束方向及角度偏差，可以对应多个前导序列和前导序列所占时频资源。用户波束扫描周期与基站波束扫描周期以子帧数为单位，规定了用户传输前导序列的随机接入信道结构。例如，若用户设备扫描周期为NU，即用户设备需要扫描NU个波束方向以完成全部空间的覆盖；基站扫描周期为NB，即基站需要扫描NB个波束方向以完成全部空间的覆盖。则用户设备需要将随机接入信道划分为NBNU个随机接入子信道，如图21所示。与现有方案相比，由于接收端与发送端均使用了差分发送的方案，基站与用户设备的扫描周期都可以降低，同时使用更宽的波束进行覆盖，从而降低了基站设备与用户设备波束配对选择的时间以及发送前导序列所需要的时间。为了提高所支持的小区半径，可以在同一个前导序列中重复传输相同的子序列的方式。
用户设备发送前导序列时，可采用实施例三中所述的差分方案发送，即将前导序列等分为两部分，第一部分采用和波束发送，第二部分采用差分波束发送；或是在相互正交的时频资源上两个或多个不同的天线端口分别采用和波束与差分波束发送相同的前导序列；或是在两个天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送相同或不同的前导序列。采用和波束发送的序列称为和波束序列，采用差分波束发送的序列称为差分波束序列。对于采用将前导序列分为两部分分别发送的方式，和波束序列与差分波束序列可以使用相同的序列(即同一序列重复生成前导序列)或是将一个前导序列分为两部分。
基站采用实施例一类似的差分方案接收，即采用两个天线阵列进行接收，第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收。基站首先对前导序列进行相关性检测，若检测到前导序列的发送，则确定接收能量最大的发送-接收波束对，之后估计基站最优接收波束方向及角度偏差与用户最优发送波束方向及角度偏差。此外，基于检测出的前导序列及资源和其与基站发送波束方向及角度偏差的映射关系，基站可以确定最优发送波束方向及角度偏差。
基站对前导序列进行相关性检测时，分别在和波束接收阵列与差分波束接收阵列上进行相关性检测，根据相关性检测结果综合判定是否检测到前导序列的发送。检测到前导序列的发送后，选择和波束接收阵列与差分波束接收阵列的接收能量和最大的波束方向对做进一步处理。为确定接收波束方向偏差，取差分波束接收阵列的相关性检测结果与和波束接收阵列的相关性检测结果的比值，根据查找表确定接收波束方向偏差。为确定发送波束方向偏差，取和波束接收阵列与差分波束接收阵列接收到的差分序列相关性检测值，与和波束接收阵列与差分波束接收阵列接收到的和序列相关性检测值的比值，根据查找表确定发送波束方向偏差。
第三步骤中，基站根据第二步骤中确定的最优发射方向及角度偏差，选择波束宽度较窄的波束进行随机接入响应的发送。随机接入响应中，除需包含前导序列标识符、根据用户设备与基站间时延估计所确定的定时提前指令、C-RNTI，以及为用户设备下次上行传输所分配的时频资源外，还包含用户设备的最优发送波束方向以及发送方向偏差。其中，接收能量最大的发送波束方向通过波束ID指示，而发送方向偏差经过量化后通过查找表的方式指示，即仅发送相应索引，用户设备通过索引从查找表中读出方向偏差。用户设备使用第一步骤中所确定的最优方向，使用波束宽度较窄的波束进行接收。
第四步骤中，用户设备根据第三步骤中确定最优的发射波束方向，使用波束宽度较窄的波束进行Msg3的发送。基站使用第二步骤中所确定的最优方向，使用波束宽度较窄的波束进行接收。
第五步骤中，基站使用第二步骤中所确定的最优方向，使用波束宽度较窄的波束发送冲突解决方案。用户设备使用第一步骤中所确定的最优方向的较窄波束进行接收，完成随机接入过程，等待基站的上行资源分配。
与传统的基于波束轮询的随机接入方式相比，本实施例所提出的基于差分波束的初始接入和随机接入方式能够有效降低寻找最优发送-接收波束对所需要的时间，从而降低初始接入和随机接入过程的延时，提高用户体验。具体来说，假设使用最优波束对进行发送与接收时，需要波束宽度为10°的波束，可以使用由16根天线阵元组成的均匀线阵实现；同时设采用差分方式进行接收与发送时使用由8根天线阵元组成的均匀线阵，其可分辨范围为30°。因此与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，其基站扫描周期与用户扫描周期均可以降低三倍。此时，用于同步信号序列传输、前导序列传输和最优波束对搜索的时间降低了九倍。即使为弥补小区覆盖上的劣势，基于差分波束的方案需要使用重复的前导序列，例如由于天线数的减少两倍，接收能量会降低四倍，为弥补能量上的差距，前导序列需要重复四次进行传输。这种情况下，同步信号序列传输、前导序列传输与最优波束配对搜索的时间仍然只有传统波束轮询方案的4/9，初始接入和随机接入过程的效率大大提升了。
本实施例提出的基于差分波束的随机接入方案能够使得发送冲突时，具有较低优先级的用户设备更快的触发失败。例如，同一个接收扫描波束方向中，若有不同的用户设备发送了相同的前导序列，而其中一个用户设备由于多次尝试接入失败而具有较高的发射功率，另一个用户设备尝试次数较少因而发射功率较低。这种情况下，基于差分接收的基站仍然会检测出相应的前导序列，但是估计出的方向偏差会更加偏向于高功率的用户设备方向。功率差距越大，差分波束接收方案所估计出的波束方向就越靠近功率较大的用户方向。经过波束方向调整，并使用较窄的波束发送随机接入响应时，低功率用户的波束赋形增益较低，因此接收到的能量也较低，会导致低功率用户随机接入响应接收性能较差甚至接收不到。若低功率用户接收随机响应超时时，会提高发射功率重新发送前导序列开始新的随机接入过程。此时高功率用户受到的影响则较小。从上面的描述中可以看到，基于差分波束的随机接入过程能够更快的解决冲突，提高冲突解决的效率。
实施例六：
本实施例将介绍在基站设备和用户设备天线阵列方向互易性均成立的条件下，收发两端均采用差分波束传输方案的初始接入和随机接入过程。系统配置与实施例五类似，用户设备与基站设备均采用基于天线阵列的传输结构。对于基站和用户，若天线端口数量为2，则一个端口收发和波束序列，另一个端口收发差分波束序列；若天线端口数量大于等于3，可以将天线端口任意分为两部分，一部分收发和波束序列，另一部分收发差分波束序列。
在第一步骤中，基站发送同步信号序列，用户设备对接收信号进行相关性检测。用户波束扫描周期与基站波束扫描周期以子帧数为单位，规定了基站传输同步信号序列的信道结构。基站在发送同步信号时，采用差分的方式进行发送。基站采用实施例一中所述的差分方案发送，即将同步信号序列等分为两部分，第一部分采用和波束发送，第二部分采用差分波束发送；或是在相互正交的时频资源上两个不同的天线端口分别采用和波束与差分波束发送相同的同步信号序列；或是在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送相同或不同的同步信号序列。采用和波束发送的序列称为和波束序列，采用差分波束发送的序列称为差分波束序列。对于采用将前导序列分为两部分分别发送的方式，和波束序列与差分波束序列可以使用相同的序列(即同一序列重复生成同步信号序列)或是将一个同步信号序列分为两部分。
用户设备采用实施例三的类似的差分方案接收，即采用两个天线阵列进行接收，第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收。用户首先对同步信号序列进行相关性检测，若检测到同步信号序列的发送，则确定接收能量最大的发送-接收波束对，之后估计用户最优接收波束方向及角度偏差与基站最优发送波束方向及角度偏差。在后续步骤中，用户设备使用该波束方向进行信号的发送和接收。用户对同步信号序列进行相关性检测时，分别在和波束接收阵列与差分波束接收阵列上进行相关性检测，根据相关性检测结果综合判定是否检测到同步信号序列的发送。检测到同步信号序列的发送后，选择和波束接收阵列与差分波束接收阵列的接收能量和最大的波束方向对做进一步处理。为确定接收波束方向偏差，取差分波束接收阵列的相关性检测结果与和波束接收阵列的相关性检测结果的比值，根据查找表确定接收波束方向偏差。
随后基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户。
在第二步骤中，用户设备从前导序列集合中随机选择一个前导序列，使用第一步骤中得到的最优波束进行发送。基站采用实施例一类似的差分方案接收，即采用两个天线阵列进行接收，第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收。基站首先对前导序列进行相关性检测，若检测到前导序列的发送，则确定接收能量最大的接收波束，之后估计基站最优接收波束方向及角度偏差。在后续步骤中，基站使用该方向进行信号的发送和接收。基站对前导序列进行相关性检测时，分别在和波束接收阵列与差分波束接收阵列上进行相关性检测，根据相关性检测结果综合判定是否检测到前导序列的发送。检测到前导序列的发送后，选择和波束接收阵列与差分波束接收阵列的接收能量和最大的波束方向对做进一步处理。为确定接收波束方向偏差，取差分波束接收阵列的相关性检测结果与和波束接收阵列的相关性检测结果的比值，根据查找表确定接收波束方向偏差。
在第三、第四和第五步骤中，用户设备和基站设备分别使用第一步骤和第二步骤确定的较窄最优波束进行RAR的发送与接收、Msg3的发送与接收和冲突解决方案的发送与接收。
与传统的基于波束轮询的随机接入方式相比，本实施例所提出的基于差分波束的初始接入和随机接入方式能够有效降低寻找最优发送-接收波束对所需要的时间，从而降低初始接入和随机接入过程的延时，提高用户体验。除此以外，本实施例提出的基于差分波束的随机接入方案能够使得发送冲突时，具有较低优先级的用户设备更快的触发失败。
需要说明的是，用户设备与基站设备是否使用差分波束发送与接收前导序列均可以根据实际场景调整。此外，虽然实施例五、实施例六提出的方案适用于基于竞争的随机接入过程，但其中步骤一、步骤二与步骤三所用方案仍然适用于基于非竞争的随机接入过程。区别在于，用户设备基于基站设备不同的最优发送波束方向使用分配的前导序列；用户设备在接收到基站设备的随机接入响应以及波束调整信息后，随机接入过程结束；用户设备与基站设备仍然会根据波束方向偏差调整波束，用于后续的通信。实施例七：
本实施例将介绍收发两端均采用差分波束传输方案的初始接入过程。系统配置与实施例一类似，用户设备与基站均采用基于天线阵列的传输结构。
在第一步骤中，基站首先发送主同步信号(PSS)序列，用户设备对接收信号进行相关性检测。用户波束扫描周期与基站波束扫描周期以子帧数为单位，规定了基站传输主同步信号序列的信道结构。基站在发送主同步信号时，采用差分的方式进行发送。基站采用实施例一中所述的差分方案发送，即将同步信号序列等分为两部分，第一部分采用和波束发送，第二部分采用差分波束发送；或是在相互正交的时频资源上在两个不同的天线端口分别采用和波束与差分波束发送相同的同步信号序列；或是在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束发送相同或不同的同步信号序列。采用和波束发送的序列称为和波束序列，采用差分波束发送的序列称为差分波束序列。对于采用将前导序列分为两部分分别发送的方式，和波束序列与差分波束序列可以使用相同的序列(即同一序列重复生成同步信号序列)或是将一个同步信号序列分为两部分。
用户设备采用实施例三的类似的差分方案接收，即采用两个天线阵列进行接收，第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收。用户首先对同步信号序列进行相关性检测，若检测到主同步信号序列的发送，则确定接收能量最大的发送-接收波束对，之后估计用户最优接收波束方向及角度偏差与基站最优发送波束方向及角度偏差。在后续步骤中，用户设备使用该波束方向进行信号的接收。
在第二步骤中，基站设备采用轮询方式使用较窄波束发送次同步信号(SSS)、增强同步信号(ESS)等同步信号中除主同步信号外的其他同步信号。用户设备使用第一步骤确定的较窄最优波束进行接收。
在第三步骤中，基站设备将随机接入信息配置通过下行控制信道或是下行共享信道或是下行广播信道或是高层信令配置发送给用户。至此，初始接入过程完成。
图26为本发明中的一个具体实施例的基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备的结构示意图。
第一发送模块510在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；第一接收模块520在具有相关性的至少两个基站波束上接收用户设备发送的前导序列；第一确定模块530基于前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；第一调整模块540根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；第一收发模块550通过调整后的基站波束与用户设备进行数据的发送及接收。
图27为本发明中的一个具体实施例的基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备的结构示意图。
第二发送模块610接收基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上发送的初始接入数据；第二确定模块620对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；第三确定模块630接收基站设备发送的随机接入信息配置，并基于随机接入信息配置，结合已确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列；第三发送模块640向基站设备发送前导序列；第二收发模块650与基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
图28为本发明中的又一具体实施例的基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备的结构示意图。
第四发送模块710向用户设备发送同步信号序列；第二接收模块720接收用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上发送的前导序列；第四确定模块730基于前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；第二调整模块740根据能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；第五发送模块750通过调整后的基站波束向用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；第三收发模块760通过调整后的基站波束与基于指示信息调整用户波束后的用户设备进行数据的发送及接收。
图29为本发明中的又一具体实施例的基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备的结构示意图。
第六发送模块810在具有相关性的至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；第五确定模块820对初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；第三调整模块830根据能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；第六发送模块840向基站设备发送前导序列；第四收发模块850通过调整后的用户波束与基站设备进行数据传输。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，其特征在于，包括：
基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；
在具有相关性的至少两个基站波束上接收所述用户设备发送的前导序列；
基于所述前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
通过调整后的基站波束与所述用户设备进行数据的发送及接收。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列，包括：
基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束发送方式向用户设备发送同步信号序列；
其中，通过在至少两个基站波束上接收所述用户设备发送的前导序列，包括：
在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收所述用户设备发送的前导序列。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤之后，还包括：
通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道或高层信令配置向所述用户设备发送随机接入信息配置；
其中，所述随机接入信息配置包括基站发送波束方向及角度偏差与前导序列及资源的映射关系、或基站发送波束方向与前导序列及资源的映射关系。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道，基站设备通过和波束发送第一分量数据序列，并通过差分波束发送第二分量数据序列；
其中，所述同步信号序列包括第一分量数据序列及所述第二分量数据序列；或所述同步信号序列与第一分量数据序列及所述第二分量数据序列相同。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
以预定的时频资源通过和波束及差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送同步信号序列。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列的步骤，包括：
基站设备在两个不同的天线阵列上分别采用和波束与差分波束通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送相同或不同的同步信号序列。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收所述用户设备发送的前导序列的步骤，包括：
所述基站设备在至少两个基站波束上通过差分波束接收方式接收所述用户设备发送的初始接入数据；
对所述初始接入数据进行前导序列相关性检测，以确定所述初始接入数据包括的前导序列和前导序列所占时频资源。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基于所述前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差的步骤，包括：
基于对所述初始接入数据的前导序列相关性检测结果来确定能量最大的基站接收波束方向以及基站接收波束方向角度偏差；
基于所述前导序列和前导序列所占时频资源以及随机接入信息配置，来确定能量最大的基站发送波束方向以及基站发送波束方向角度偏差。
9.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，其特征在于，包括：
用户设备接收基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上发送的初始接入数据；
对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
根据确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源；
使用所述前导序列所占时频资源，向所述基站设备发送前导序列；
与所述基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
10.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，其特征在于，包括：
基站设备向用户设备发送同步信号序列；
接收所述用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上发送的前导序列；
基于所述前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
通过调整后的基站波束向所述用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；
通过调整后的基站波束与基于所述指示信息调整用户波束后的所述用户设备进行数据的发送及接收。
11.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的方法，其特征在于，包括：
用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；
对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；
根据所述能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；
向所述基站设备发送前导序列；
通过调整后的用户波束与所述基站设备进行数据传输。
12.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备，其特征在于，包括：
第一发送模块，用于在具有相关性的至少两个基站波束上向用户设备发送同步信号序列；
第一接收模块，用于在具有相关性的至少两个基站波束上接收所述用户设备发送的前导序列；
第一确定模块，用于基于所述前导序列，来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第一调整模块，用于根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
第一收发模块，用于通过调整后的基站波束与所述用户设备进行数据的发送及接收。
13.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备，其特征在于，包括：
第二发送模块，用于接收基站设备在具有相关性的至少两个基站波束上发送的初始接入数据；
第二确定模块，用于对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第三确定模块，用于根据确定的能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，来确定相应的前导序列和前导序列所占时频资源；
第三发送模块，用于使用所述前导序列所占时频资源，向所述基站设备发送前导序列；
第二收发模块，用于与所述基站设备通过调整后的基站波束进行数据传输。
14.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的基站设备，其特征在于，包括：
第四发送模块，用于向用户设备发送同步信号序列；
第二接收模块，用于接收所述用户设备在具有相关性的至少两个用户波束上发送的前导序列；
第四确定模块，用于基于所述前导序列，来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差，并通过轮询方式确定能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差；
第二调整模块，用于根据所述能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差进行基站波束调整；
第五发送模块，用于通过调整后的基站波束向所述用户设备发送随机接入响应及能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差的指示信息；
第三收发模块，用于通过调整后的基站波束与基于所述指示信息调整用户波束后的所述用户设备进行数据的发送及接收。
15.一种基于多天线端口多波束的初始接入和随机接入的用户设备，其特征在于，包括：
第六发送模块，用于在具有相关性的至少两个用户波束上接收基站设备发送的初始接入数据；
第五确定模块，用于对所述初始接入数据进行同步信号序列相关性检测，并根据同步信号序列相关性检测结果来确定能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差；
第三调整模块，用于根据所述能量最大的用户波束方向以及用户波束方向角度偏差进行用户波束调整；
第六发送模块，用于向所述基站设备发送前导序列；
第四收发模块，用于通过调整后的用户波束与所述基站设备进行数据传输。
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