CN108075817A - 一种波束赋形方向的搜索方法和基站 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种波束赋形方向的搜索方法，基站在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；并在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；基站在初始最优发射波束方向上，选择N3个子方向，并采用至少两个天线端口发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；基站在初始最优接收波束方向上，选择N4个子方向，依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；N1、N2、N3和N4为正整数。本申请还公开了一种基站设备。应用本申请，能够提高5G通信系统中波束赋形方向搜索的性能和效率。

Description

一种波束赋形方向的搜索方法和基站

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种波束赋形方向的搜索方法和基站。

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，移动业务量相对2010年(4G时代)将增长近1000倍，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。

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，基站与用户通过单端口轮询等穷举方式搜索出最优的波束对，从而最大化基站侧和用户侧的接收信噪比。该方案虽然能够得到最优的窄波束对，但是会导致搜索的时间较长。另一方面，虽然可以通过在多端口发送差分波束等方向相关波束的方式进行快速的方向搜索，但是系统的覆盖能力也会被削弱。

发明内容

本申请提供了一种波束赋形方向的搜索方法和基站，以提高5G通信系统中波束赋形方向搜索的性能和效率。

本申请公开了一种波束赋形方向的搜索方法，包括：

基站在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；

基站在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；

基站在所述初始最优发射波束方向上，选择N3个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；

基站在所述初始最优接收波束方向上，选择N4个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；

其中，N1、N2、N3和N4均为正整数。

较佳的，所述通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向包括：根据终端的反馈确定基站的初始最优发射波束方向，并通过比较每次接收波束的能量，确定基站的初始最优接收波束方向；

所述在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向包括：根据终端的反馈确定基站的最优发射波束方向，并通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向。

较佳的，所述通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向包括：通过比较每次接收波束的能量，确定基站的初始最优接收波束方向，基站的初始最优发射波束方向与基站的初始最优接收波束方向相同；

所述在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向包括：通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向，基站的最优发射波束方向与基站的最优接收波束方向相同。

较佳的，所述通过比较每次接收波束的相关性检测结果，确定基站的初始最优接收波束方向包括：

对每个接收信号进行相关性检测，分别得到每个接收波束的能量，将能量最大的接收波束确定为初始最优接收波束。

较佳的，所述通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向包括：

对每个接收信号进行相关性检测，分别得到各个接收信号的和波束序列的相关性检测结果与差分波束序列的相关性检测结果当满足条件a～c之一时，判定检测到信号序列：

a.且

b.

c.

其中，η₃与η₄分别为第三检测门限与第四检测门限，并满足η₃≤η₄；

若检测到信号序列，则根据和波束序列的相关性检测结果和差分波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向。

较佳的，所述在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束包括：

在每个子方向上采用至少两个不同的天线端口在相互正交的资源上分别发送和波束和差分波束。

较佳的，所述相互正交的资源包括以下的至少一种：正交的时域资源、正交的频域资源、正交的码字。

较佳的，发送和波束和差分波束的方式包括以下的至少一种：

第一种方式：将待发送的信号序列分为两部分，一部分使用和波束发送，另一部分使用差分波束发送；

第二种方式：使用两段连续的系统资源发送相同的待发送的信号序列，其中，第一资源使用和波束发送所述信号序列，第二资源使用差分波束发送所述信号序列；

第三种方式：使用两个天线阵列进行相同的待发送的信号序列，其中，一个天线阵列使用和波束发送所述信号序列，另一个天线阵列使用差分波束发送所述信号序列。

较佳的，所述和波束的波束赋形权重系数为：

所述差分波束的波束赋形权重系数为：

其中，N_BS为偶数，表示基站波束赋形所用的天线数量，d表示天线间隔，λ表示波长，表示波束赋形指向的方向。

本申请还公开了一种基站，包括：第一层波束发送模块、第一层波束处理模块、第二层波束发送模块和第二层处理模块，其中：

第一层波束发送模块，用于在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；

第一层处理模块，用于在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；

第二层波束发送模块，用于在所述初始最优发射波束方向上，选择N3个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；

第二层处理模块，用于在所述初始最优接收波束方向上，选择N4个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；

其中，N1、N2、N3和N4均为正整数。

由上述技术方案可见，本申请提供的波束赋形方向的搜索方法和设备，通过采用分层的结构，在第一层采用单端口单波束轮询的方式，在第二层采用多端口多波束轮询的方式，兼顾了覆盖范围和搜索时间两方面的性能，可以显著提高5G通信系统中波束赋形方向搜索的性能和效率。

附图说明

图1为和波束与差分波束接收能量示意图；

图2为差分波束与和波束接收信号比值示意图；

图3为本发明基站侧波束赋形方向搜索步骤示意图；

图4为本发明实施例一中基于天线阵列的发射端结构示意图；

图5为本发明实施例一中基站端指定波束方向示意图；

图6为本发明实施例一中基站端波束轮询方案以及相应帧结构示意图；

图7为本发明实施例一中基站端差分波束轮询方案以及相应帧结构示意图；

图8为本发明实施例一采用差分波束方案发送的信号序列结构示意图；

图9为本发明实施例一终端检测信号序列流程图；

图10为本发明实施例一采用不同资源传输的信号序列结构示意图；

图11为本发明实施例一基站接收反馈信号方法示意图；

图12为本发明实施例一基站对接收信号进行处理的流程示意图；

图13为本发明一较佳基站设备的的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

通过对现有技术的分析，本申请的发明人发现波束赋形方向的搜索主要有两个方面的需求，一个是具有较大的覆盖范围(以保证正常服务小区边缘的用户)，一个是具有较短的搜索时间(以保证通信的效率)。本发明提出一种新的波束赋形搜索方法兼顾以上两方面的需求，同时可以根据实际情况灵活调整具体参数，以满足不同的覆盖范围与搜索时间需求。

本发明提出一种分层的波束赋形方向搜索方法，其基本原理为：在第一层采用波束轮询方式，通过单端口依次发送单波束，在保证覆盖性的前提下搜索出一个较宽的波束方向；在第二层采用多天线端口多波束的方式，在第一层得到的波束方向范围内采用差分波束等方式快速搜索出一个较窄的波束方向，作为最终的波束方向搜索结果。

其中，第一层所采用的波束轮询方式为：在多个预先设定的方向上使用单端口依次发送单一波束，并根据接收能量确定最优的波束方向。例如，一种波束赋形系数可以表示为如下形式：

其中，M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。采用单端口发送单一波束的方式可以保证波束具有良好的覆盖性，但搜索速度较慢。

第二层采用多波束的方式，其基本原理为：基站使用两个或多个不同的端口在正交资源上分别发送两个或多个波束，且发射的波束间具有一定的相关性，能够使得接收端通过信号比较得到发送端波束的角度偏差估计。例如，一种优选的两端口波束赋形系数可以表示为如下形式：

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表示波束赋形指向的方向。从上述波束赋形系数可以看到，w_sum即为波束方向为θ的波束赋形系数，与单端口发送单一波束的示例相同，本发明中将之称为和波束；而w_dif中前半部分元素与和波束w_sum中相同，后半部分为w_sum相应元素的相反数，可以看作波束w_sum的差分波束。

以发射端配备8根天线为例，图1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的接收信号的比值作为判别与中心波束方向偏差的依据。

图2所示为差分波束与和波束接收信号比值示意图。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2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。

与第一层所采用的波束轮询(Beam Sweeping)扫描方案相比，第二层所采用的基于多波束的波束方向获取方案能够使用更低的开销获取更高的波束方向估计准确度，具有更快的搜索速度。

图3为本发明所述的基站侧波束赋形方向搜索方法的基本流程图。参见图3，本发明波束赋形方向搜索分为4个步骤。

步骤一中，基站选定若干个初始发射波束方向，通过单天线端口依次发送单一波束，用户根据接收波束的能量，确定基站的初始最优发射波束方向并反馈给基站。

步骤二中，基站在选定的若干个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收用户反馈，确定基站的初始最优发射波束方向，并根据接收波束的能量，确定基站的初始最优接收波束方向。需要说明的是，步骤二中基站选定的接收波束方向，可以与步骤一中选定的发射波束方向相同，也可以不同。

步骤三中，基站在步骤二中确定的初始最优发射波束方向上，选定若干个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上依次通过多个天线端口发送多个波束，用户根据接收到的不同波束信号，通过比较得到基站发射波束方向的偏差估计，确定基站的最优发射波束方向并反馈给基站。

步骤四中，基站在步骤二中确定的初始最优接收波束方向上，选定若干个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次通过多个天线端口使用多个波束接收用户反馈，确定基站的最优发射波束方向，并根据不同接收波束信号，通过比较得到基站的最优接收波束方向。需要说明的是，此步骤中基站选定的接收波束子方向，可以与步骤三中选定的发射波束子方向相同，也可以不同。此外，基站也可以使用步骤二中确定的初始最优接收波束方向，使用单端口接收用户反馈，确定最优发射波束方向。

上述步骤中，应根据实际覆盖需求、实际搜索时间、天线阵列方向互易性是否成立等具体因素决定基站初始波束方向和子方向的选择。需要说明的是，若基站侧的天线阵列具有方向互易性，则最优发射波束方向与最优接收波束方向相同。基于这种方向互易性的条件，图3所示流程还可以进一步简化。

下面将结合具体的参数设计，通过几个较佳实施例介绍本发明的波束赋形方向搜索办法。

实施例一：

在本实施例中，结合具体的系统参数设置来介绍一种波束赋形方向搜索方法。本实施例中，基站采用如图4所示的基于天线阵列的传输结构。图4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，完成系统的波束赋形。

基于以上结构，本实施例将介绍在基站侧没有方向互易性的条件下，搜索基站最优发射波束和接收波束的过程。

为了保证波束覆盖，基站预先指定指向不同的多个波束方向，并在每个波束方向下，指定对应的指向不同的多个波束子方向。图5所示为本实施例中基站指定的波束方向示意图。图5中，基站使用3个较宽的波束(如图所示波束方向1、波束方向2和波束方向3)完成对空间的初步覆盖，在每个波束的方向，分别使用4对子波束完成最终的覆盖，例如：如图所示的波束方向2.1～波束方向2.4为波束方向2的4对子波束。其中，图中示出的重叠的多个波束表示分别与多天线端口对应且方向相关的多个波束，例如一对方向相同的和波束和差分波束。

在对应于图3所示的步骤一中，基站采用波束轮询发射方案，使用预先指定的方向不同的发送波束发送相同或不同的序列，例如：发送波束参考信号(BRS)、波束调整参考信号(BRRS)、主同步信号(PSS)、次同步信号(SSS)、增强同步信号(ESS)等。图6所示为本步骤中波束轮询方案对应的帧结构，其中每个波束方向的持续时间为μ1。

终端侧使用相关性检测的方法进行序列的检测，当相关性检测所使用的序列和发送的序列相匹配时，其检测结果相当于是计算了整个序列的能量。终端对接收信号进行相关性检测，并分别输出每个波束的相关性检测结果。随后终端将相关性检测结果最大值所对应的波束方向索引发送给基站。

在对应于图3所示的步骤二中，基站采用波束轮询接收方案，使用预先指定的方向不同的接收波束接收用户的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向。基站同样使用相关性检测的方法进行检测，其检测结果相当于是计算了波束的接收能量。基站对接收信号进行相关性检测，并分别输出每个波束的接收能量，再根据接收波束能量的最大值确定基站的初始最优接收波束方向。

在对应于图3所示的步骤三中，基站采用差分波束轮询方案，使用步骤二中确定的初始最优发射波束方向所对应的不同子波束对通过差分的方式进行发送。差分波束轮询方案对应的帧结构如图7所示(这里，假设步骤二中确定的初始最优发射波束方向为波束方向2)，其中每个波束方向的持续时间为μ2。

发送的具体方式有以下几种：

第一种方式：将信号序列分为两部分，一部分使用和波束发送，另一部分使用差分波束发送，采用这种方式的信号序列结构如图8所示。

需要说明的是，图8所示结构中，和波束序列与差分波束序列属于同一信号序列，但和波束序列，即图8中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为偶数，表示基站波束赋形所用的天线数量，d表示天线间隔，λ表示波长，表示波束赋形指向的方向。图8中的后半部分为差分序列，采用差分波束发送，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，d表示天线间隔，λ表示波长，表示波束赋形指向的方向。用户使用相关性检测作为序列检测时所用方式，其中，和波束序列的相关性检测结果可以作为和波束接收能量，差分序列的相关性检测结果可以作为差分波束接收能量。采用这种信号序列发送方式时，用户检测信号序列与波束发送方向偏差的流程如图9所示。

图9中，用户对接收信号进行相关性检测，并分别输出各个信号序列中得到的和波束序列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：设和波束序列与某一个信号序列的相关性检测结果为差分波束序列与所述某一个信号序列的相关性检测结果为则满足如下条件a～c之一时，判定检测到该信号序列：

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、信号序列发送过程中用户与基站用于波束赋形的天线数量、信号序列长度等因素共同决定。

若检测到某信号序列，则根据该信号序列相应的和波束序列相关性检测结果和差分波束序列相关性检测结果，计算接收信号比值，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。随后终端将检测出的基站的最优发射波束方向及角度偏差发送给基站。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。终端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，并反馈给基站。具体来说，若基站使用不同方向的波束传输相同的序列，终端估计接收能量，并得到接收能量最强的时隙，估计该时隙上基站发送方向的偏差，将时隙的索引与发送方向偏差量化值的索引发送给基站。此外终端也可直接反馈检测出的基站最优发射波束的索引。

第二种方式：相同的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信号序列的发送。其中，第一资源使用和波束发送所述信号序列；第二资源使用差分波束发送所述信号序列。采用这种方式的信号序列结构如图10所示。

这种发送方式仍然可以使用图9所示的信号序列检测流程，即先检测信号序列，若检测到了信号序列的发送，则进一步检测发送波束的方向及角度偏差。

第三种方式：相同的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信号序列的发送。其中，一个天线阵列使用和波束发送所述信号序列，另一个天线阵列使用差分波束发送所述信号序列。使用不同的天线阵列发送相同的信号序列时，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9所示的信号序列检测流程，即先检测信号序列，若检测到了信号序列的发送，则进一步检测发送波束的方向及角度偏差。

在对应于图3所示的步骤四中，基站可采用差分波束轮询接收方案，使用步骤二中确定的初始最优接收波束方向所对应的不同子波束对通过差分的方式对反馈信号进行接收，根据反馈中的索引得知发射波束方向，并通过角度偏差的量化值或其索引得到的角度偏差值得到基站最优的发射波束方向。

同时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11所示，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，d表示天线间隔，λ表示波长，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N_BS，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11中的和波束阵列与差分波束阵列均可以由图4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，包括：

首先，对接收序列进行相关性检测，其中，和波束阵列与差分波束阵列都对接收序列做相关性检测。

然后，由序列检测判决模块对两个阵列的相关性检测结果进行综合判决，判定是否检测出序列。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的相关性因子进行综合判决。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序列，否则判断没有检测出该序列。其中，η₃与η₄分别为第三检测门限和第四检测门限，η₃≤η₄。该判决准则依据如图1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用户和差分波束的峰值方向对准用户。此时应对差分波束与和波束使用较大的阈值作为判别序列检测的依据。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、序列发送过程中用户与基站用于波束赋形的天线数量、序列长度等因素共同决定。

根据图12所示流程，若相关性检测模块的输出结果是未检测出任何序列，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序列，则分别对检测出的每个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的比值确定角度偏差。该角度偏差将用于基站接收波束方向修正，最终得到基站最优的接收波束方向。

需要说明的是，在步骤三与步骤四中，若基站的天线端口数量大于或者等于3，则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。

在步骤四中，除上述差分轮询方式以外，基站也可以直接使用步骤二中确定的初始最优接收波束方向，对反馈信号进行接收，确定基站的最优发射波束方向。

与传统的波束赋形方向搜索方法相比，本实施例所提供的方案结合了单端口单波束轮询方法与多端口多波束轮询方法的优点，兼顾了覆盖范围和搜索时间两方面的需求，可以显著提高5G通信系统中波束赋形方向搜索的性能和效率。

实施例二：

本实施例将介绍在基站侧方向互易性成立的条件下，一种波束赋形方向搜索方法。本实施例的系统配置与实施例一类似，基站配备基于天线阵列的传输结构。基站预先指定指向不同的多个波束方向，并在每个波束方向下，指定对应的指向不同的多个波束子方向。

在对应于图3所示的步骤一中，基站采用波束轮询发射方案，使用预先指定的方向不同的发送波束通过发送相同或不同的序列。终端使用相关性检测的方法进行序列的检测，这种情况下，由于基站侧的天线阵列具有方向互易性，基站的最优发射波束方向与最优接收波束方向相同，因此，终端无需向基站反馈初始最优发射波束方向。

在对应于图3所示的步骤二中，基站采用波束轮询接收方案，使用预先指定的方向不同的接收波束接收用户发送的信号。基站同样使用相关性检测的方法进行检测，其检测结果相当于是计算了波束的接收能量。基站对接收信号进行相关性检测，并分别输出每个波束的接收能量，再根据接收波束能量的最大值确定初始初始最优接收波束方向。由于方向互易性的存在，基站初始最优发射波束方向与基站初始最优接收波束方向相同，因此确定基站初始最优接收波束方向后基站初始最优发射波束方向也随之确定。

在对应于图3所示的步骤三中，基站采用差分波束轮询方案，使用步骤二中确定的初始最优发射波束方向所对应的不同子波束对通过差分的方式进行发送。基站在采用差分的方式发送信号时，可以将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，此方式对应的信号序列结构如图8所示；也可以对相同的信号序列使用不同的资源进行传输，此方式对应的信号序列如图10所示；还可以使用不同的天线阵列传输相同或者不同的信号序列。用户使用图9所示的信号序列检测流程。

在对应于图3所示的步骤四中，基站采用差分波束轮询接收方案，使用步骤二中确定的初始最优接收波束方向所对应的不同子波束对通过差分的方式对用户发送的信号进行接收，并进行相关性检测，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。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。

若未检测出任何序列，则不进行后续的步骤；若检测出序列，则分别对检测出的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的比值确定角度偏差。该角度偏差将用于基站波束方向修正，最终得到基站的最优接收波束方向。由于方向互易性的存在，基站最优发射波束方向与基站最优接收波束方向相同，因此确定基站最优接收波束方向后基站最优发射波束方向也随之确定。

需要说明的是，在步骤三与步骤四中，若基站的天线端口数量大于或者等于3，则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。

在步骤四中，除上述差分轮询方式以外，基站也可以直接使用步骤二中确定的初始最优接收波束方向，对反馈信号进行接收，确定基站的最优发射波束方向。

与传统的波束赋形方向搜索方法相比，本实施例所提供的方案结合了单端口单波束轮询方法与多端口多波束轮询方法的优点，兼顾了覆盖范围和搜索时间两方面的性能，可以显著提高5G通信系统中波束赋形方向搜索的性能和效率。

对应于上述方法，本申请还提供了一种基站设备，其组成结构示意图如图13所示，该设备包括：第一层波束发送模块、第一层波束处理模块、第二层波束发送模块和第二层处理模块，其中：

第一层波束发送模块，用于在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；

第一层处理模块，用于在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；

第二层波束发送模块，用于在所述初始最优发射波束方向上，选择N3个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；

第二层处理模块，用于在所述初始最优接收波束方向上，选择N4个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；

其中，N1、N2、N3和N4均为正整数。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种波束赋形方向的搜索方法，其特征在于，包括：

基站在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；

基站在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；

基站在所述初始最优发射波束方向上，选择N3个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；

基站在所述初始最优接收波束方向上，选择N4个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；

其中，N1、N2、N3和N4均为正整数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向包括：根据终端的反馈确定基站的初始最优发射波束方向，并通过比较每次接收波束的能量，确定基站的初始最优接收波束方向；

所述在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向包括：根据终端的反馈确定基站的最优发射波束方向，并通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向包括：通过比较每次接收波束的能量，确定基站的初始最优接收波束方向，基站的初始最优发射波束方向与基站的初始最优接收波束方向相同；

所述在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向包括：通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向，基站的最优发射波束方向与基站的最优接收波束方向相同。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述通过比较每次接收波束的相关性检测结果，确定基站的初始最优接收波束方向包括：

对每个接收信号进行相关性检测，分别得到每个接收波束的能量，将能量最大的接收波束确定为初始最优接收波束。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述通过比较各个子方向上的接收波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向包括：

对每个接收信号进行相关性检测，分别得到各个接收信号的和波束序列的相关性检测结果与差分波束序列的相关性检测结果当满足条件a～c之一时，判定检测到信号序列：

a.且

b.

c.

其中，η₃与η₄分别为第三检测门限与第四检测门限，并满足η₃≤η₄；

若检测到信号序列，则根据和波束序列的相关性检测结果和差分波束的相关性检测结果，确定基站的最优接收波束方向。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束包括：

在每个子方向上采用至少两个不同的天线端口在相互正交的资源上分别发送和波束和差分波束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述相互正交的资源包括以下的至少一种：正交的时域资源、正交的频域资源、正交的码字。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，发送和波束和差分波束的方式包括以下的至少一种：

第一种方式：将待发送的信号序列分为两部分，一部分使用和波束发送，另一部分使用差分波束发送；

第二种方式：使用两段连续的系统资源发送相同的待发送的信号序列，其中，第一资源使用和波束发送所述信号序列，第二资源使用差分波束发送所述信号序列；

第三种方式：使用两个天线阵列进行相同的待发送的信号序列，其中，一个天线阵列使用和波束发送所述信号序列，另一个天线阵列使用差分波束发送所述信号序列。

9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于：

所述和波束的波束赋形权重系数为：

所述差分波束的波束赋形权重系数为：

其中，N_BS为偶数，表示基站波束赋形所用的天线数量，d表示天线间隔，λ表示波长，表示波束赋形指向的方向。

10.一种基站，其特征在于，包括：第一层波束发送模块、第一层波束处理模块、第二层波束发送模块和第二层处理模块，其中：

第一层波束发送模块，用于在选定的N1个初始发射波束方向上，使用单天线端口依次向终端发送单一波束；

第一层处理模块，用于在选定的N2个初始接收波束方向上，通过单天线端口依次接收终端的反馈，确定基站的初始最优发射波束方向和初始最优接收波束方向；

第二层波束发送模块，用于在所述初始最优发射波束方向上，选择N3个发射波束子方向，在每个发射波束子方向上采用至少两个天线端口依次发送至少两个波束，其中，所述两个波束之间具有相关性；

第二层处理模块，用于在所述初始最优接收波束方向上，选择N4个接收波束子方向，在每个接收波束子方向上依次接收终端的反馈，确定基站的最优发射波束方向和最优接收波束方向；

其中，N1、N2、N3和N4均为正整数。