CN110086553A - 用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法及其系统 - Google Patents

用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用在毫米波通信系统中，基于椭球面反射实现的波束对齐测试方法，同时也公开了相应的波束对齐测试系统。本发明中专门设计了前导序列/同步信号块和多波束测试信号的时‑频域结构。利用该时‑频域结构，能够确定各发射波束‑接收波束中是否存在测试信号并确定接收信号的强度。然后，被测终端/用户设备根据接收信号强度最强的原则，找到基站与用户设备之间的最优发送波束‑接收波束配对，能够高效地测量毫米波通信系统中的发射波束‑接收波束实现对齐的搜索时延和随机接入时延。

Description

用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种发射波束-接收波束的对齐测试方法，尤其涉及一种用在毫米波通信系统中，基于椭球面反射实现的波束对齐测试方法，同时也涉及相应的波束对齐测试系统，属于毫米波通信技术领域。
背景技术
目前，第五代移动通信网络(5G)已经开始进入商用化的前夜，各类5G新业务，例如自动驾驶、虚拟现实等正在积极推进之中。在频段分配上，5G分成两个部分：一个是sub-6GHz频段，一个是毫米波频段。由于sub-6Ghz频段已经十分拥挤，各类电子设备的互干扰严重，而毫米波频段相对比较“干净”；加上毫米波频段能够提供更大的信号带宽，并且可能为自动驾驶业务提供厘米级的定位精度，因此被普遍认为是5G中最有潜力的技术方向。
图1为毫米波(mm-Wave)通信系统的典型结构示意图。其中，假设发射端(transmitter)的天线数为MTX，接收端(receiver)的天线数为MRX。此外，假设发射端TX的发射波束形成码本中有GTX个波束接收端RX的接收合并码本中有GRX个波束MTX×GTX维矩阵收集了所有的发射波束，MRX×GRX维矩阵收集了所有的接收波束。
在毫米波通信系统中，需要借助大规模MIMO(多输入多输出)技术中的窄波束和波束形成(Beamforming)来克服大的信号衰减，这就需要发射机与接收机之间的波束对齐。在高用户密度和高移动性的移动通信网络中，会发生频繁的阻挡和波束对齐的丢失，因此需要频繁的发射波束-接收波束的对齐操作。目前，针对毫米波通信系统中的波束对齐需求，现有技术中已经提出了若干方案。其中，最普遍使用的是穷举搜索方案，即基站(BS)和用户设备(UE)依次搜索所有可能的发射波束-接收波束模式的组合。另外，有人提出了一种迭代搜索方案，其中基站(BS)首先使用较宽的波束在较宽的区域中搜索，然后使用较窄的波束在最佳区域中进行精细搜索。还有人提出一种称之为二区域搜索的吞吐量最化搜索方案，该方案使用具有前一个最优区域的一半宽度的波束，在前一个最优区域中进行细化搜索。
另一方面，OTA(Over the Air)测试是评估无线通信设备的整机射频性能的基本测试手段。随着第五代移动通信网络(5G)的实施日益临近，更加复杂的无线通信设备对测试的要求越来越高。新的测试理论与测试设备的开发迫在眉睫。然而，对于毫米波通信系统中大规模MIMO UE OTA的波束对齐性能测试，仍然存在很多需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用在毫米波通信系统中，基于椭球面反射实现的波束对齐测试方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于实施上述测试方法的波束对齐测试系统。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法，包括如下步骤：
步骤1：生成测试信号；
步骤2：生成测试信号的多径波束信号；
步骤3：生成波束扫描信号；
步骤4：发射端发送波束扫描信号与测试信号；
步骤5：寻找最优发送波束-接收波束配对，测量相应的时延。
其中较优地，步骤5中进一步包括如下子步骤：
步骤51：在接收波束中接收所述波束扫描信号，并完成同步；
步骤52：检测各发射波束-接收波束中是否存在测试信号，并确定各发射波束-接收波束中的接收信号强度；
步骤53：根据接收信号最强原则，确定最优发射波束-接收波束配对，并在该最优发射波束-接收波束中进行随机接入；
步骤54：确定最优发射波束-接收波束配对的搜索时延和随机接入时延。
其中较优地，所述步骤54中，被测终端开始波束搜索的起始时刻记为t1，确定最优发送波束-接收波束配对的时刻记为t2；
当获得最优发射波束-接收波束配对之后，被测终端与基站之间建立随机接入，并将建立无线资源控制连接的时刻记为t3；
最优发射波束-接收波束配对的搜索时延为Δt1＝t2-t1，随机接入时延为Δt2＝t3-t1。
其中较优地，所述步骤4中，将测试信号置于同步信号块所属时隙的空白符号中。或者，将测试信号置于同步信号块所属时隙的空白资源块中。
其中较优地，所述步骤1中，由基站模拟器产生测试信号，其中测试信号为Zadoff-Chu序列b0∈CN。
其中较优地，所述步骤2中，由信道模拟器生成测试信号的多径波束信号。
其中较优地，根据发射机与接收机之间的多径波束数产生相应的发射波束，接收机通过相应的接收波束接收来自发射机的信号。
其中较优地，所述步骤3中，利用基站模拟器生成各发射波束中的波束扫描信号或前导序列/同步信号块。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于毫米波通信系统的波束对齐测试系统，包括毫米波阵列天线、信道模拟器、基站模拟器和被测终端；
所述毫米波阵列天线位于椭球长轴的一个焦点上，并连接所述信道模拟器，被测终端位于椭球长轴的另一个焦点上；
所述信道模拟器连接所述基站模拟器；
所述信道模拟器按照毫米波信道产生由多个波束组成的信道矩阵，然后由所述毫米波阵列天线将信号发射出去，经过多个波束方向到达所述被测终端。
与现有技术相比较，本发明利用椭球反射体的反射特性，给出了发射波束-接收波束实现对齐和随机接入的时延测试方案。而且，本发明中专门设计了前导序列/同步信号块和多波束测试信号的时-频域结构。利用该时-频域结构，能够确定各发射波束-接收波束中是否存在测试信号并确定接收信号的强度。然后，被测终端/用户设备根据接收信号强度最强的原则，找到基站与用户设备之间的最优发送波束-接收波束配对，能够高效地测量毫米波通信系统中的发射波束-接收波束实现对齐的搜索时延和随机接入时延。
附图说明
图1为毫米波通信系统的典型结构示意图；
图2(a)显示了同步信号块的频域结构，图2(b)显示了同步信号突发集到时隙的映射
图3为同步(SYNC)和随机接入(RACH)过程中资源/时隙的结构示意图；
图4为发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案1的时序图；
图5为发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案2的时序图；
图6为发射波束-接收波束实现对齐的迭代搜索方案的时序图；
图7为椭球反射体所具有的反射特性示意图；
图8为用于毫米波通信系统的波束对齐测试系统的实施例示意图；
图9为波束扫描信号和测试信号的时-频域结构示意图，其中图9(a)中将测试信号置于同步信号块所属时隙的空白符号中，图9(b)将测试信号置于空白资源块(RBs)中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
目前，3GPP组织发布了5G NR(New Radio)的系列技术标准。其中，接入网要求支持FDD(频分双工)和TDD(时分双工)，使用不同的参数集(numerologies)来支持5G的不同使用场景。子载波间隔为15×2nkHz，n∈{1,2,3,4}。例如在5G标准的Release 15版本中，对于最大带宽400MHz，最多可以有3300个子载波。5G的帧结构采用类似于LTE的时频网格点，长度为10ms，其中可以有10个1ms的子帧。在1个子帧中有多个时隙，其数量取决于所使用的参数集。
在5G NR的技术标准中，包含一系列与波束管理相关的控制过程。这些控制过程可以归类为如下4种不同的类型：
(1)波束扫描：根据预定义的区间和方向，让发射波束-接收波束覆盖某个空间区域。
(2)波束测量：gNB(5G基站)或用户设备(UE)对所接收信号的质量评估。
(3)波束选择：根据波束测量过程中得到的测量值，选择gNB或UE处的恰当波束。
(4)波束上报：将波束测量得到的波束质量信息以及波束选择的决策信息发送到接入网。
这些控制过程周期性地重复，从而不断更新最优的发射波束-接收波束对。
波束管理操作是基于发射机与接收机之间周期性地交换控制信息(信令)实现的。下面结合表1，具体说明5G NR所支持的、关于波束管理操作的DL(下行)和UL(上行)的参考信号。
表1 DL和UL中关于波束管理操作的参考信号
初始接入(Idle UE) 跟踪(Connected UE)
DL 同步信号块(携带PSS，SSS和PBCH) CSI-RSs和同步信号块
UL 3GPP在初始接入中不使用上行链路信号 SRSs
在3GPP组织发布的5G技术标准中，同步信号块(SS块)和同步信号突发(SS突发)用于实现5G基站的周期性同步信号的传输。其中，同步信号块为时间上4个OFDM符号和频率上240个子载波(即20个资源块)构成的组，如图2(a)和图2(b)所示。其中，图2(a)显示了同步信号块的频域结构，图2(b)显示了同步信号突发集到时隙的映射。在1个同步信号块中，包含主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)和/或物理广播信道(PBCH)。与PBCH有关的解调参考信号(DMRS)，可以用于估计同步信号块的参考信号接收功率(RSRP)。1个或多个同步信号块构成1个同步信号突发；1个或多个同步信号突发构成1个同步信号突发集合。其中，不同的同步信号块使用不同的波束形成矩阵，并在不同的方向上发送。当需要进行波束管理操作时，各个同步信号块可以映射到一个特定的角度方向。为了降低传输过程带来的影响，同步信号块可通过宽波束发送，而关于活跃UE的数据传输通常是通过窄波束进行的(以增加由波束形成产生的增益)。
图3显示了5G NR中，同步(SYNC)和随机接入(RACH)的资源/时隙结构。其中对于随机接入(RACH)过程，RACH突发可能具有NRA个RACH块，而且各块可以包含1个循环前缀(CP)和1个RACH前导序列(SEQ)。如果用户设备(UE)得到了波束对应关系，则UE可以将最优的下行同步资源映射到用于前导传输的RACH符号中。
基于上述的SYNC/RACH的资源/时隙结构，有人提出了多种发射波束-接收波束实现对齐的搜索方案，包括：(1)BS全向-UE全向方案；(2)穷举搜索方案1；(3)穷举搜索方案2；(4)迭代搜索方案。下面对此展开具体说明：
(1)BS全向-UE全向方案
在该方案中，基站(BS)和用户设备(UE)都使用全向天线实现随机接入，因此没有天线增益，也没有波束对齐过程，而且随机接入过程与LTE系统中的随机接入过程相同。
具体而言，对于同步(SYNC)过程，同步信号突发集仅包含1个同步信号突发(即M＝1)，各同步信号突发仅包含1个同步信号块(即NSS＝1)；对于随机接入(RACH)过程，RA突发仅包含1个RA块(即NRA＝1)。
(2)发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案1
在穷举搜索方案1中，基站(BS)在同步(SYNC)过程中通过其所有的窄波束进行穷举的波束搜索。如图4所示。该方案的具体步骤如下：
步骤1：在各同步信号突发中，基站(BS)在NSS,NB＝GTX个窄波束方向上重复发送前导序列/同步信号块。假设用户设备(UE)有GRX个波束方向，则同步信号突发集将由GRX个同步信号突发组成。这样，基站(BS)需要发送GRX个同步信号突发。
步骤2：在基站(BS)发送的各同步信号突发中，用户设备(UE)在GRX个接收波束中的各波束中接收来自GTX个发送波束上的信号。
在同步(SYNC)过程完成之后，用户设备(UE)根据接收信号最强的原则，找到了用户设备(UE)与基站(BS)之间的最优发送波束-接收波束配对。当获得了最优发送波束-接收波束配对之后，用户设备(UE)在随机接入(RACH)过程中使用该最优发送波束-接收波束发送随机接入前导，以进行随机接入。
(3)发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案2
该穷举搜索方案2的时序图如图5所示。基站(BS)在所有其GTX个窄波束中穷举搜索，用户设备(UE)利用全向接收/响应。只在基站(BS)端有天线增益。该穷举搜索方案2的SNR增益小于上面的穷举搜索方案1，但所消耗的资源少并具有较小的时延。
(4)发射波束-接收波束实现对齐的迭代搜索方案
在同步(SYNC)过程中，对于各SYNC突发，基站(BS)使用宽波束来发送SYNC序列，如图6所示。在各SYNC突发中，使用不同的宽波束重复发送同步信号块GTX,WB次，其中GTX,WB为基站端的宽波束个数；各SYNC突发重复发送GRX次，以适应GRX个不同的波束方向。
为了评估这些发射波束-接收波束对齐搜索方案的时延性能，本发明利用椭球反射面的反射特性，提出一种评估毫米波通信系统中发射波束-接收波束对齐性能的OTA测试方法(简称为波束对齐测试方法)。该方法能够有效地评估发射波束-接收波束实现对齐时的搜索时延和随机接入时延等性能。
如图7所示，椭圆具有的反射特性为：当一条射线离开1个焦点并与该椭圆上的任意1点相遇时，它将从椭圆的切线反射出去并通过另1个焦点。相同的原理适用于椭球形反射体(ER)和椭圆柱形发射体(ECR)。本发明所提供的波束对齐测试方法及波束对齐测试系统，同样利用椭球形反射体和椭圆柱形发射体的反射特性，产生可控制的模拟实际信道条件的三维空间环境。
图8为用于毫米波通信系统的波束对齐测试系统的实施例示意图。其中，毫米波阵列天线(Feeder)放在椭球长轴的1个焦点上，并且连接信道模拟器。信道模拟器连接基站模拟器。被测终端(DUT)放置于椭球长轴的另1个焦点上。在毫米波阵列天线(Feeder)端有GTX个发射波束，被测终端(DUT)端有GRX个接收波束。
信道模拟器按照毫米波信道产生由多个波束组成的信道矩阵，然后由毫米波阵列天线(Feeder)将信号发射出去。这样，毫米波阵列天线(Feeder)经过多个波束方向到达被测终端(DUT)。例如，图8中信道模拟器产生的信号经发射波束l和发射波束k发射出去，通过椭球反射体后分别经接收波束i和接收波束j到达被测终端(DUT)。
在被测终端(DUT)进行初始接入时，并不知道使用哪个波束进行随机接入，所以可以通过上面所列的发射波束-接收波束的搜索方案来找到最优发射波束-接收波束的配对(对齐)，使发射机与接收机之间的增益最大。但是，最优发射波束-接收波束的搜索需要时间，直接影响到终端初始接入网络的时间。因此，需要评估各种波束对齐方案的时延性能，以确定最优的发射波束-接收波束对齐方案。
下面以穷举搜索方案1为例，具体说明本发明所提供的波束对齐测试方法。
步骤1：生成测试信号
由基站模拟器生成测试信号，其中测试信号为Zadoff-Chu(ZC)序列b0∈CN。ZC序列b0的第k个元素为：
式(1)中，μ0为ZC序列的根序号，并且必须与N互质。采用子载波数量为Nc的OFDM调制，测试信号的时域信号表示为在此需要说明的是，测试信号主要用于确定发射机与接收机之间是否存在该波束及确定接收信号的强度，因此测试信号也可以使用其他类型的信号。
步骤2：生成测试信号的多径波束信号
由信道模拟器生成测试信号的多径波束信号。根据发射机与接收机之间的多径波束数产生相应的发射波束，接收机通过相应的接收波束接收来自发射机的信号。其中，不同发射波束-接收波束上的总增益是不同的，可以根据实际测量来设置。例如，图8中在发射机与接收机之间存在2条多径波束：(发射波束k，接收波束i)和(发射波束l，接收波束j)。
步骤3：生成波束扫描信号(或前导序列/同步信号块)
利用基站模拟器，生成各发射波束中的波束扫描信号(或前导序列/同步信号块)。发射端有GTX个波束。第k个波束上的同步序列为bk∈CN，其中同步序列为Zadoff-Chu(ZC)序列,其根序号为μk。采用子载波数量为Nc的OFDM调制，同步序列bk的时域同步信号表示为
步骤4：发射端发送波束扫描信号(或前导序列/同步信号块)与测试信号
波束扫描信号和测试信号的时-频域结构如图9(a)或图9(b)所示，其中测试信号主要用于确定发射机与接收机之间是否存在该波束和确定接收信号强度，可以置于同步信号块所属时隙的空白符号中(参见图9(a)所示)或空白资源块(RBs)中(参见图9(b)所示)。利用该时-频域结构，将波束扫描信号(或前导序列/同步信号块)与测试信号从各发射波束中发射出去。
根据图9(a)或图9(b)所示的时-频域结构，在毫米波阵列天线(Feeder)端发射波束扫描信号和测试信号(如果在某一波束上没有测试信号，则仅发送波束扫描信号)，具体说明如下：
在各同步信号突发中，毫米波阵列天线(Feeder)按照图9(a)或图9(b)所示的时-频域结构，在NSS,NB＝GTX个窄波束方向上重复发送前导序列/同步信号块。假设UE有GRX个波束方向，则同步信号突发集将由GRX个同步信号突发组成。这样，基站(BS)需要发送GRX个同步信号突发。
利用该时-频域结构，DUT/UE(被测终端/用户设备)能快速地确定各发射波束-接收波束中是否存在测试信号，并能确定所接收到测试信号的信号强度。而且，DUT/UE根据接收信号最强的原则，确定DUT/UE与毫米波阵列天线(Feeder)之间的最优发射波束-接收波束配对，并在此最优发送波束-接收波束中进行随机接入。
步骤5：寻找最优发送波束-接收波束配对，测量相应的时延
在毫米波阵列天线(Feeder)发送的各同步信号突发中，DUT/UE在GRX个接收波束中的各波束中接收来自GTX个发送波束上的波束扫描信号(即前导序列/同步信号块)和测试信号，并完成同步(SYNC)过程。
在完成同步(SYNC)过程之后，DUT/UE检测各波束中是否存在测试信号。如果没有检测到测试信号，则表明在毫米波阵列天线(Feeder)与DUT/UE之间不存在该信道。如果检测到了测试信号，则表明在毫米波阵列天线(Feeder)与DUT/UE之间存在该信道，进一步确定该信道中的接收信号强度。
然后，DUT/UE根据接收信号最强的原则，找到了DUT/UE与基站(BS)之间的最优发送波束-接收波束配对。假设DUT/UE开始波束搜索的起始时刻记为t1，确定了最优发送波束-接收波束配对的时刻记为t2。当获得了最优发送波束-接收波束配对之后，DUT/UE在随机接入(RACH)过程中继续使用该最优发射波束-接收波束发送随机接入前导，以便进行随机接入。
如果DUT/UE与基站(BS)之间的随机接入成功，则将成功与基站(BS)之间建立RRC(无线资源控制)连接的时刻记为t3。那么，发射波束-接收波束搜索配对的时延为Δt1＝t2-t1，随机接入的时延为Δt2＝t3-t1。
上述波束对齐测试方法同样适用于其它的发射波束-接收波束对齐的UE OTA测试，只需将上述步骤中的穷举搜索方案用其它的发射波束-接收波束对齐搜索方案代替即可。
与现有技术相比较，本发明利用椭球反射体的反射特性，给出了发射波束-接收波束实现对齐和随机接入的时延测试方案。而且，本发明中专门设计了前导序列/同步信号块和多波束测试信号的时-频域结构。利用该时-频域结构，能够确定各发射波束-接收波束中是否存在测试信号并确定接收信号的强度。然后，被测终端/用户设备根据接收信号强度最强的原则，找到基站与用户设备之间的最优发送波束-接收波束配对，能够高效地测量毫米波通信系统中的发射波束-接收波束实现对齐的搜索时延和随机接入时延。
上面对本发明所提供的用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法及其系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种用于毫米波通信系统的波束对齐测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：生成测试信号；
步骤2：生成测试信号的多径波束信号；
步骤3：生成波束扫描信号；
步骤4：发射端发送波束扫描信号与测试信号；
步骤5：寻找最优发送波束-接收波束配对，测量相应的时延。
2.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于所述步骤5中进一步包括如下子步骤：
步骤51：在接收波束中接收所述波束扫描信号，并完成同步；
步骤52：检测各发射波束-接收波束中是否存在测试信号，并确定各发射波束-接收波束中的接收信号强度；
步骤53：根据接收信号最强原则，确定最优发射波束-接收波束配对，并在该最优发射波束-接收波束中进行随机接入；
步骤54：确定最优发射波束-接收波束配对的搜索时延和随机接入时延。
3.如权利要求2所述的波束对齐测试方法，其特征在于所述步骤54中，被测终端开始波束搜索的起始时刻记为t1，确定最优发送波束-接收波束配对的时刻记为t2；
当获得最优发射波束-接收波束配对之后，被测终端与基站之间建立随机接入，并将建立无线资源控制连接的时刻记为t3；
最优发射波束-接收波束配对的搜索时延为Δt1＝t2-t1，随机接入时延为Δt2＝t3-t1。
4.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
所述步骤4中，将测试信号置于同步信号块所属时隙的空白符号中。
5.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
所述步骤4中，将测试信号置于同步信号块所属时隙的空白资源块中。
6.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
所述步骤1中，由基站模拟器产生测试信号，其中测试信号为Zadoff-Chu序列b0∈CN。
7.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
所述步骤2中，由信道模拟器生成测试信号的多径波束信号。
8.如权利要求7所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
根据发射机与接收机之间的多径波束数产生相应的发射波束，接收机通过相应的接收波束接收来自发射机的信号。
9.如权利要求1所述的波束对齐测试方法，其特征在于：
所述步骤3中，利用基站模拟器生成各发射波束中的波束扫描信号或前导序列/同步信号块。
10.一种用于毫米波通信系统的波束对齐测试系统，其特征在于包括毫米波阵列天线、信道模拟器、基站模拟器和被测终端；
所述毫米波阵列天线位于椭球长轴的一个焦点上，并连接所述信道模拟器，被测终端位于椭球长轴的另一个焦点上；
所述信道模拟器连接所述基站模拟器；
所述信道模拟器按照毫米波信道产生由多个波束组成的信道矩阵，然后由所述毫米波阵列天线将信号发射出去，经过多个波束方向到达所述被测终端。
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