CN110430584A - 一种毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入方法。具体的，非活跃用户发送上行参考信号进行全向波束扫描，小站侧收集各个用户的SINR信息并建立波束对信息记录表，保存SINR值最大的两个波束对的相关信息；宏站接收控制范围内小站的波束对信息记录表并判决非活跃用户的最优波束对和次优波束对，将最优波束对信息告知小站和用户进行波束对连接；无线链路失败检测并利用次优波束对进行快速波束恢复，若仍无法满足链路性能需求，由下一次波束扫描的最优波束对恢复波束连接。本发明分析了波束扫描周期、小站密度、用户速率对初始接入性能的影响，通过和现有波束初始接入方法比较验证初始接入性能增益。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及第五代移动通信系统(the 5thgeneration，简称为5G)中毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入的研究。
背景技术
移动互联网和智能终端的快速发展带来了移动数据业务的爆发式增长，数据流量呈现指数式增长。这些变化引发了业界对第五代(5G)移动通信的讨论。未来的网络将面对巨大的挑战，这些挑战包括更大的容量，更低的时延等。而毫米波(mmWave)通信是第五代移动通信的关键技术之一，可以利用毫米波范围巨大的带宽有效地提高链路的容量。
传统的用户状态包括无线资源控制连接态(RRC Connected)和空闲态(RRCIdle)，为了节约用户能耗并且提高用户从空闲态到连接态的速度，最近的学术界和产业界将用户状态重新划分为三个状态，包括无线资源控制空闲状态、非活跃状态(RRCInactive)和活跃状态(RRC Active)，其中活跃状态相当于之前的连接态而非活跃状态为一个新的状态。该新状态相对于RRC Idle态的主要特征为虽然用户和站点(transmissionand reception points，即TRP)之间没有数据传输但接入网和核心网之间的接口被保留。
初始接入(Initial Access)是指在用户与核心网之间建立初始连接的过程，该过程是任何后续通信的关键先决条件。在mmWave网络中如何进行初始接入连接是初始接入设计的主要挑战之一，主要原因如下：首先，mmWave链路通常需要高度方向性的波束才能达到足够信干噪比(SINR)，但是UE和TRP在初始接入过程中并不知道发送和接收波束的方向。因此，UE和TRP必须在一个较大的波束空间中搜索互相的发送和接收波束方向。其次，由于使用高度方向性的波束实现mmWave通信，mmWave链路容易被阻塞或者由用户移动导致波束失准，初始接入过程需要频繁进行。由于mmWave蜂窝网络中初始接入设计中初始接入设计的重要性，设计有效的初始接入协议是必要的。
由于在不活跃用户与附近的TRP之间相互信息较少，用户在该状态下只需要通过波束扫描建立初始的波束接入，而不是精确的波束对准，在用户由非活跃状态进入活跃状态后再进行精确的波束对准。因此，如何利用波束扫描完成非活跃用户的初始接入，减少非活跃用户完成初始接入的时延，并在适当增加复杂度的情况下可以大幅提高初始接入的链路性能是需要解决的关键问题。
现有方案——波束对初始接入方法一介绍：TRP侧接收用户的上行参考信号，基于上行波束扫描的结果建立波束对信息记录表(RT)，每个RT存储该TRP附近所有用户的SINR值最大的波束对。gNB接收覆盖范围内的TRP的RT并由此判决出每个用户的最优波束对和次优波束对，将最优波束对作为服务波束对，将次优波束对作为备份波束对。gNB将服务波束对信息告知该用户和目标TRP，从而使该用户和目标TRP建立波束对连接。随着用户的移动，当服务波束对性能无法低于最小的SINR界限时利用备份波束对进行快速波束恢复。
在上述现有方案中，虽然相比于传统的基于下行测量的波束扫描进行初始接入方法，初始接入时延降低，但是TRP侧建立RT时只保留每个用户SINR值最大的波束对相关信息，即由gNB决策的备份波束对一定与服务波束对属于不同的TRP。然而在某些场景下，如TRP侧和用户的波束数目较多并且TRP的分布较稀疏时，很大概率上备份波束对的性能低于原服务波束对所在TRP的其他波束对，因此现有方案存在改进的必要。
发明内容
本发明的初始接入方法主要应用于毫米波蜂窝网络中，非活跃用户可以通过毫米波的波束对与附近的多个TRP建立关联，由宏站gNB覆盖控制范围内的多个TRP，负责用户波束切换和站点调度决策，在非活跃用户进入活跃状态后与该用户建立波束对关联的TRP将通过传统的高容量回传链路将数据回传到gNB。
本发明的非活跃用户的上行多波束初始接入方法描述如下：
步骤200，非活跃用户发送上行参考信号进行全向波束扫描，小站侧收集各个用户的SINR信息并建立波束对信息记录表，保存SINR值最大的两个波束对的相关信息。
毫米波蜂窝网络中的每个非活跃用户通过发射波束发送上行参考信号，进行全向波束扫描，TRP侧的接收波束也进行全向波束扫描。TRP侧采用混合波束赋形或者数字波束赋形，因此对同一个发射波束TRP侧可以在同一时刻完成接收波束扫描。UEi和TRPj间的信干噪比表示为
其中，上述式(1)中，发射端到接收端的波束赋形增益为其中，Hi，j为TRPi和UEj之间的信道矩阵，为接收端的波束赋形矩阵，为发射端的波束赋形矩阵，W为波束带宽，N0为功率谱密度。
通过粗波束扫描过程，TRP侧将具有附近用户所有波束对的SINR信息，TRP侧判决出附近每个用户的最优波束对和次优波束对并建立保存波束对信息的记录表(reporttable，即RT)，保存波束对标识和相应的SINR值。
步骤210，宏站接收控制范围内小站的波束对信息记录表，判决每个非活跃用户的最优波束对和次优波束对，并将最优波束对信息告知小站和用户从而进行波束对连接。
TRP通过回传链路将RT信息发送给gNB，gNB接收控制范围内所有TRP的RT信息后建立一个完整的记录表(complete report table，即CRT)。gNB根据CRT确定每个用户连接的最优TRP和次优TRP(最优波束对和次优波束对属于不同TRP)或者最优TRP(最优波束对和次优波束对属于同一TRP)。
gNB将该用户最优的波束对信息告知目标TRP和该用户，同时gNB保留次优波束对信息作为备份链路。目标TRP向用户发送随机接入响应信号，随后用户向目标TRP发送连接请求消息，完成用户的随机接入过程，用户和目标TRP通过最优波束对建立波束对连接。
步骤220，无线链路失败检测并利用次优波束对进行快速波束恢复，若仍无法满足链路性能需求，由下一次波束扫描的最优波束对恢复波束连接。
波束扫描为周期性的，在两次波束扫描的间隔中如果最优波束对链路由于障碍物等原因发生链路失败，需要进行快速的链路恢复。由于在宏站中有上次波束扫描选择的次优波束对信息，此时，gNB将次优波束对信息告知目标TRP和该用户，并建立新的波束对连接。
如果新建立的波束对链路的性能仍不满足需求，则需要等待下一次的波束扫描由最优波束对建立连接波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对。
有益效果
本发明毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入方法中，假设波束扫描为周期性，检测到无线链路失败(RLF)时，用备份波束对进行快速波束恢复；首先，由于数字波束赋形技术的应用且考虑到基站侧的波束数目要多于用户侧，和基于下行测量的粗波束扫描相比，基于上行测量的粗波束扫描的时延显著降低，从而带来链路性能和容量性能的提升；其次，在用户和基站侧的扫描波束较多时，作为备份波束对的次优波束对可能与最优波束对同属于一个基站，相比于只考虑次优波束对属于不同基站，在适当增加复杂度的情况下可以获得链路性能和容量性能的提升。
附图说明
图1是本发明毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入场景示意图；
图2是本发明基于上行测量的多波束初始接入过程流程图；
图3是本发明的算法实施流程图；
图4是TRPj处的波束对信息记录表(RT)的示意图；
图5是宏站侧的完整波束对信息记录表(CRT)的示意图；
图6是不同波束扫描周期时本发明和现有波束对初始接入方案一的链路中断概率比较；
图7是不同TRP密度下本发明和现有波束对初始接入方案一的用户平均速率比较；
具体实施方式
本发明应用的系统架构或场景
本发明的初始接入方法主要应用于毫米波蜂窝网络中，非活跃用户可以通过毫米波波束对与附近多个TRP建立关联，由gNB覆盖控制范围内的多个TRP负责用户波束切换和站点调度决策，在非活跃用户进入活跃状态后与该用户建立波束对关联的TRP将通过传统的高容量回传链路将数据回传到gNB。
如图1所示，假设在限定的区域中有I个非活跃用户和J个TRP在宏站gNB的控制范围中。随着非活跃用户以速度v移动，该用户的最优波束对和次优波束对可能将在下一次波束扫描中发生变化。
本发明的非活跃用户的上行多波束初始接入方法实施步骤
如图2所示，非活跃用户的上行多波束初始接入方法主要通过上行波束扫描过程、网络决策和随机接入过程和无线链路检测快速波束恢复过程进行波束管理。图2中的服务TRP(serving TRP)和候选TRP(candidate TRP)均属于邻近TRP(neighboring TRPs)中的一个小站。
1)上行波束扫描过程
毫米波蜂窝网络中的每个非活跃用户通过发射波束发送上行参考信号，如探测参考信号(sounding reference signals，即SRS)和随机接入序列(random accesspreambles，即RAPs)，进行全向波束扫描，TRP侧的接收波束也进行全向波束扫描。TRP侧采用混合波束赋形或者数字波束赋形，因此对同一个发射波束TRP侧可以在同一时刻完成接收波束扫描。
通过上行波束扫描过程，TRP侧将具有附近用户所有波束对的SINR信息，TRP侧判决出附近每个用户的最优波束对和次优波束对，并建立保存波束对信息的记录表保存波束对标识和相应的SINR值，如图4所示。其中，表示UEi和TRPj之间SINR值最大的波束对的标识及其数值，表示UEi和TRPj之间SINR值第二大的波束对的标识及其数值
2)网络决策和随机接入过程
TRP通过回传链路将RT信息发送给gNB，gNB接收控制范围内所有TRP的RT信息后建立一个完整的波束对信息记录表(CRT)，如图5所示。gNB根据CRT中SINR值的大小确定每个用户连接的最优波束对和次优波束对，将最优波束对作为服务波束对并将次优波束对作为备份波束对，这里需要考虑两种情况：a)最优波束对和次优波束对属于不同的TRP；b)最优波束对和次优波束对属于相同的TRP。
gNB将该用户最优波束对信息告知目标TRP和目标用户，同时gNB保留次优波束对信息作为备份链路。目标TRP向用户发送随机接入响应信号(random access response，即RAR)，随后用户向目标TRP发送连接请求消息(connection request messages，即CRMs)，完成用户的随机接入过程，非活跃用户和目标TRP通过最优波束对建立波束对连接。
3)无线链路检测波束恢复过程
波束扫描为周期性的，在两次波束扫描的间隔中如果最优波束对链路由于障碍物等原因发生链路失败，需要进行快速的链路恢复。由于在gNB中有上次波束扫描选择的次优波束对信息，此时，gNB将次优波束对信息告知目标TRP和该用户，并建立新的波束对连接。
如果新建立的波束对链路的性能仍不满足需求，则需要等待下一次的波束扫描由最优波束对建立连接波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对。
本发明初始接入时延分析
相对于传统的基于下行测量波束扫描进行波束对初始接入方法，本发明的在初始接入时延方面存在增益，分析如下：
1)由于数字波束赋形和混合波束赋形结构需要更多的能耗，更适于应用在基站侧而不是用户侧。若在接收端采用数字或者混合波束赋形结构，则接收端在一个时隙可以完成对同一个发射波束的所有接收波束的扫描。
对于传统的初始接入方法和本发明而言，由于(a)波束切换时间为纳秒的尺度，可以忽略；(b)RTs是通过X2链路发送的，X2链路是有线或者无线回程，回传的时延可以忽略不计；(c)网络决策通过全向LTE消息告知TRP和用户，如果用户已经和TRP建立了链路连接，该过程时延可以忽略不计。因此，初始接入过程的时延可以近似由波束扫描时延确定。对于非活跃用户和TRP之间波束扫描的时延可表示为
其中，NTRP为TRP侧接收波束数目，NUE为非活跃用户侧发射波束数目；L为在波束扫描过程中TRP和用户侧不同波束赋形结构下，一次可以扫描的波束数目；Tper为一个波束对的扫描时间。
在本发明的条件下，若NTRP＝l6、NUE＝8、Tper＝200us，则本发明基于上行波束扫描方法的时延为1.6ms，基于传统下行波束扫描方法的时延为25.6ms，可见本发明基于上行波束扫描方法的时延远远小于基于传统下行波束扫描的时延。
2)基于上行测量过程，减少了基于下行测量过程中用户向基站反馈测量报告的过程，从而减少了波束对选择的时延。
本发明方案实施的技术效果
对于UEi和TRPj，如果SINRi，j＜Γout，UEi将无法向TRPj传输上行参考信号，其中Γout为最小SINR界限，在本发明的仿真中Γout为-5dB。一旦检测到作为服务波束对的最优波束对的SINR值低于Γout，则触发TTT计时。若最优波束对的链路质量在TTT计时内一直低于Γout，快速波束恢复过程将被触发。本发明在仿真中中断检测的计时时间为50ms，存在两个周期分别为波束扫描周期和波束链路检测周期，波束扫描周期从0.1s到1s，波束链路检测周期远小于波束扫描周期，假定链路检测周期为5ms。
为了证明本发明在初始接入性能上与现有波束初始接入方案相比存在增益，从两个方面进行验证，包括链路中断概率和用户从RRC Inactive状态进入RRC Active状态后的平均速率。其中，本发明链路中断的定义为：若服务波束对的链路性能低于SINR界限时，触发计时器计时，在计时器时间内检测到链路性能均低于SINR界限时为发生链路中断；本发明的初始接入方法的用户瞬时速率表示为
R＝B*log2(1+SINR1)或者R＝B*log2(1+SINR2) (3)
图6为不同波束扫描周期下本发明和现有波束初始接入方法一的中断概率比较，TRP密度为100个/每平方千米。随着波束扫描周期的增大，两种初始接入方法的中断概率均增大，但现有波束初始接入方法一的中断概率增长的更快。当用户运动速率v为10m/s并且波束扫描周期为0.5s时，本发明的初始接入方法相比于现有波束初始接入方法一的中断概率减少了约33％。原因是本发明的备份波束对可能与原服务波束对来自同一个TRP，这种情况在本仿真假设条件下(TRP侧和用户侧进行波束对扫描的波束数目较多，且TRP的密度较小)将由较大概率发生。
图7为不同TRP密度时本发明和现有波束初始接入方法一的用户平均速率比较，用户移动速度v为10m/s。从图7中可见，当波束扫描周期T为0.1s而TRP密度为100个/每平方千米时，本发明的初始接入方法相对于现有波束初始接入方法一平均用户速率增加了约18％。原因是本发明的备份波束对可能与原服务波束对来自同一个TRP，这种情况在本仿真假设条件下(TRP侧和用户侧进行波束对扫描的波束数目较多，且TRP的密度较小)将由较大概率发生。此外，本发明在用户平均速率的增益上随着TRP密度的增加在逐渐减小。
Claims (4)
1.一种毫米波网络中非活跃用户的上行多波束初始接入方法，其特征在于，包括：非活跃用户发送上行参考信号进行全向粗波束扫描，小站侧收集各个用户的SINR信息并建立波束对信息记录表，保存SINR值最大的两个波束对的相关信息；宏站接收控制范围内小站的波束对信息记录表，判决每个非活跃用户的最优波束对和次优波束对，并将最优波束对信息告知小站和用户从而进行波束对连接；无线链路失败检测并利用次优波束对进行快速波束恢复，若仍无法满足链路性能需求，由下一次波束扫描的最优波束对恢复波束连接。本发明针对非活跃用户，相对于活跃用户虽然保留了无线链路接口但交互信令较少，只通过粗波束扫描选择大致波束方向，在用户转为活跃状态后再将原有粗波束分为若干窄波束进行波束扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本发明的波束对选择基于上行测量的波束扫描过程，在小站侧使用数字波束赋形或混合波束赋性结构，用户侧由于功耗限制使用模拟波束赋形结构，相比于原有基于下行测量的波束扫描过程，小站侧可以在同一个时隙完成对用户侧同一发射波束的所有接收波束的扫描，并减少了原有的用户反馈测量报告的过程，从而有效减少波束初始接入时延。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，小站侧的波束对信息记录表存储非活跃用户的两个SINR值最大的波束对信息，宏站侧收集各个小站的波束对信息记录表判决得到的用户最优波束对和次优波束对可能属于同一个小站或者两个不同的小站，而原有波束对选择方法中由于小站侧只回传宏站SINR值最大的波束对信息，判决得到的用户最优和次优波束对一定属于不同小站。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，本发明在非活跃用户的最优波束对无法满足链路性能需求时，使用次优波束对进行快速波束恢复，原有快速波束恢复过程由于次优波束对和最优波束对属于不同小站，需要进行站点切换，而本发明最优波束对和次优波束对可能同属一个小站，波束恢复过程只需要在相同小站完成波束切换，从而有效减少信令开销和波束恢复时延。
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| CN110430584B (zh) | 2020-10-23 |
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