TWI715247B - 天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置 - Google Patents

天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置 Download PDF

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Abstract

一種天線陣列的波束調準方法，包括下列步驟：基地台採用多組多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式；用戶設備掃描同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及其所對應的接收波束方向，並藉由隨機接取通道傳送包括(明示或暗示)最強同步訊號之索引資訊的初始接取訊息；基地台在隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收初始接取訊息，並判斷對初始接取訊息之接收功率最強的單峰波束樣式，以將其與初始接取訊息中的該接收功率最強的同步訊號之索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給用戶設備的最佳波束方向。

Description

天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置
本發明是有關於一種波束傳輸方法及波束傳輸系統，且特別是有關於一種天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置。
為了克服在毫微米波(millimeter-wave, mm-wave)頻段之嚴重傳播損耗問題，傳輸端與接收端通常皆採用方向性波束成型(directional beamforming)以提高傳輸效率。然而，在行動通訊環境中，初始接取(initial access)階段通常尚未取得有效波束方向之資訊，因此如何尋找有效率之波束方向(又稱為波束調準(beam alignment, BA))為初始接取階段建立有效鏈路之關鍵必備技術。
傳統波束調準可以透過規則的循序搜尋(sequential search)方式來達成，但是此方式的效率極低且造成較大的搜尋延遲。例如，假設傳輸端與接收端分別擁有 N T 波束及 N R 波束，則共有 N T × N R 個可能的波束配對；傳輸端必須確定 N T 個波束中的最佳波束，而接收端同樣的必須確定 N R 個波束中的最佳波束。
考慮第五代(5G)新無線電(new radio, NR)標準，基地台(base station, BS)在實體廣播通道(physical broadcast channel, PBC)傳送同步訊號(synchronization signal, SS)，而每一個同步訊號相關於某一個特定的波束樣式(beam pattern)，設定該同步訊號傳送波束指向，以作為用戶設備(user equipment, UE)端的波束調準之用。
在進行初始接取之前，用戶設備端會量測基地台所傳送之所有同步訊號，以取得波束調準之資訊。當完成所有同步訊號之接收與量測，用戶設備端需確定擁有最強接收訊號功率之同步訊號及與其相關的接收波束方向；之後，用戶設備端在該最強同步訊號所指派的無線資源區塊(resource block, RB)中傳送隨機接取前文(random access preamble)，以進行初始接取。基地台藉由所接收到的隨機接取前文，將可以確認用戶設備端所觀測到的最強同步訊號；因此，基地台將可以確定對應至此用戶設備端的最佳傳送波束指向，亦即雙方之波束調準程序已經完成。
傳統上，每一個同步訊號相對於單一波束方向，例如使用離散傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform, DFT)單一基底之波束樣式，即為單一指向之波束樣式。此外，基地台在實體廣播通道可使用的同步訊號數目通常有限制，例如目前 5G NR 標準中之同步訊號數目上限為 64，而在角度域(angular domain)之解析度取決於同步訊號之數目。如果基地台在實體廣播通道使用的同步訊號數目為 N，則單一平板天線(panel antenna)在其涵蓋的角度域被分割為 N個波束方向，而此 N個同步訊號表示為 SS n ， n=0, 1, …, N-1。
圖1繪示傳統收發點(Transmission/Reception Point, TRxP)的波束掃描(beam sweep)方法。請參照圖1，收發點BS例如是傳統的基地台，其採用波束掃動(Beam sweeping)的方式，以單一波束的形式依圖1所示的波束方向依序發送同步訊號SS1~SS5。其中，每個同步訊號使用SS RB1~SS RB5其中一個資源區塊，使得接收到同步訊號的用戶裝置能夠藉由解碼資源區塊SS RB1~SS RB5的訊號，得知各個同步訊號波束的強度，並將最強同步訊號的索引資訊回傳至收發點BS，以供收發點判斷並據以完成波束調準程序。
為了增強波束在角度域上的解析度，實體廣播通道應該增加使用的同步訊號數目，然而，搜尋時間與無線電資源的消耗都將增加，導致初始接取階段的時間延遲增加。
本發明提供一種天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置，可提升初始接取階段的波束調準效能與效益。
本發明提供一種天線陣列的波束調準方法，適於包括基地台及用戶設備的多波束傳輸系統。此方法包括下列步驟：基地台採用多組多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式，其中單一多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的多峰波束樣式彼此之間的主波束的方向不重疊；用戶設備掃描同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及其對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送初始接取訊息，該初始接取訊息包括(明示或是暗示)該接收功率最強的同步訊號之索引；基地台在隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收初始接取訊息，其中各單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括每一個多峰波束樣式的其中一個主波束；以及基地台判斷對初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的接取功率最強的單峰波束樣式與初始接取訊息中的該接收功率最強的同步訊號之索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給用戶設備的最佳波束方向。
在本發明的一實施例中，上述基地台所採用之多組多峰波束樣式，可以利用多個離散傅立葉轉換單一基底之波束樣式組合成具有多個方向的多峰波束的多峰波束樣式，其中包括將離散傅立葉轉換單一基底之波束成型向量乘上預定相位後相加，而取相加後波束成型向量中各元素的相位加上固定振幅，以作為多峰波束樣式。
本發明提供一種多波束傳輸系統，其包括基地台及用戶設備。其中，基地台採用多組多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式，其中各多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的多峰波束樣式彼此之間的主波束的方向不重疊。用戶設備掃描同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及其對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括此接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息。其中，基地台在隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收初始接取訊息，其中各單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各多峰波束樣式的主波束其中之一，且基地台判斷對初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的接取功率最強的單峰波束樣式與初始接取訊息中的接收功率最強的同步訊號之索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給用戶設備的最佳波束方向。
在本發明的一實施例中，上述單一多峰波束樣式的主波束彼此間具有可區別主波束的間距，且各主波束與多個高解析度單峰正交波束之一的波束方向一致。
在本發明的一實施例中，上述基地台包括採用均勻線性陣列天線(Uniform Linear Array, ULA)或均勻平面陣列天線(uniform planar array, UPA)產生多峰波束樣式的波束。
本發明提供一種多波束傳輸裝置，其包括陣列天線、收發器及處理器。其中，收發器耦接陣列天線，利用陣列天線產生多組多峰波束樣式及多組單峰波束樣式的波束，其中各多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的多峰波束樣式彼此之間的主波束的方向不重疊。處理器耦接收發器，用以控制收發器以採用多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式至用戶設備，其中用戶設備包括掃描同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及其對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息。此外，處理器控制收發器以在隨機接取通道上採用單峰波束樣式接收由用戶設備傳送的初始接取訊息，其中各單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各多峰波束樣式的主波束其中之一。再者，處理器判斷對初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的接取功率最強的單峰波束樣式與初始接取訊息中的接收功率最強的同步訊號之索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給用戶設備的最佳波束方向。
在本發明的一實施例中，上述陣列天線包括均勻線性陣列天線或均勻平面陣列天線。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明實施例提出一個使用具有多峰(multimodal)波束樣式來傳送同步訊號之技術，來提升初始接取階段波束調準效能與效益。假設基地台所希望之角度域解析度為 N，則在
Figure 02_image001
的角度範圍被一組 N個正交波束(orthogonal beams)
Figure 02_image003
所切割，而其相對應的波束方向(beam direction)表示為
Figure 02_image005
。例如，圖1表示當 N=16之所有正交波束樣式與其相對應的波束方向，波束調準即在確認對於某一個用戶設備之最佳波束方向。
不同於傳統設計採用單峰(single-modal)波束樣式(例如正交波束)來傳送同步訊號，本專利提出採用 K峰值( K-modal)波束樣式來傳送同步訊號。單一 K峰值波束樣式在
Figure 02_image001
的角度範圍內擁有 K個主波束(main lobe)，其中每一個主波束相對應的波束方向與原 N個正交波束之一的波束方向一致，僅有極小的誤差。為了涵蓋原先完整的 N個角度域方向，共有 M=N/K個不同的 K峰值波束樣式，表示為
Figure 02_image007
， m=0, 1, …, M-1，分別提供做為 M個同步訊號傳送之波束樣式。例如，圖2表示當 N=16及 K=4所使用之 M=4個 K峰值波束樣式，分別相對於 M=4個同步訊號
Figure 02_image009
， m=0, 1,2, 3。
以下說明本發明實施例產生多峰波束樣式的方式。
首先，定義出離散傅立葉轉換(discrete Fourier transform, DFT)矩陣U，其數學形式為:
Figure 02_image011
其中
Figure 02_image013
其中， θ代表對應方向、 N代表波束個數，因此，矩陣U中的每個行向量(column vector)就代表著不同方向的波束成型向量(beamforming vector)，若假定 N=16的情況，則在
Figure 02_image001
的角度範圍內會有16個方向的正交波束(Orthogonal beam)，如圖2A所示。
接著，利用多個正交波束(Orthogonal beam)組合成有著多個方向的多峰波束(Multi-modal beam)，若以 N=16為例並且逆時針將波束編號1至16，則可以分成四組4峰波束(4-modal beam)，分別為{1,5,9,13}、{2,6,10,14}、{3,7,11,15}以及{4,8,12,16}。
最直觀的作法則是將4個波束成型向量直接相加，但這樣會沒有符合固定振幅(constant amplitude)的限制，也就是說波束成型向量中的每個元素(element)只能調整其相位且振幅為固定。
為了符合固定振幅的限制，本發明實施例藉由將波束成型向量在相加之前先乘上一個相位，並在相加後取每個元素的相位再乘上固定的振幅，若以{1,5,9,13}這組4峰波束樣式(4-modal beam pattern)為例，其數學形式為：
Figure 02_image015
其中
Figure 02_image017
接著，取其相位：
Figure 02_image019
本發明實施例利用兩個指標當成
Figure 02_image023
的搜尋標準。第一個是波束洩漏比(beam to leakage ratio, BLR)，指的是波束樣式中需求範圍(desired range)內的平均功率(power)跟需求範圍外的平均功率的比值，波束洩漏比
Figure 02_image025
的數學式如下:
Figure 02_image027
其中 P S 以及 P L 代表波束樣式中的主波束範圍功率、主波束範圍外功率，其數學式如下：
Figure 02_image029
Figure 02_image031
其中，
Figure 02_image033
為 P S 寬度， P S 以及 P L 在波束樣式上的示意圖如圖3所述。
第二個搜尋標準則是基於波束樣式在需求範圍中的增益(gain)的變化不能太大，因此定義了在需求範圍中平均功率的變異數(variance)
Figure 02_image035
，其數學式為:
Figure 02_image037
藉由上述兩個指標，本發明實施例就可以把波束樣式設計的最佳化問題(optimization problem)表示成：
Figure 02_image039
其中
Figure 02_image041
為門檻值。
以 N=16為例，求得的相位
Figure 02_image043
,並以此相位得到四組4峰波束樣式(4-modal beam pattern)，如圖2B~2E所示。
為了可以有效區別同一個波束樣式
Figure 02_image007
中之 K個峰值對應方向， K個主波束例如為近似等間距地分散，指向為相對於原先正交波束
Figure 02_image045
， n= m, m+M, …, m+( K-1) M，共 K個正交波束，也就是波束樣式
Figure 02_image007
包含如下集合中之波束方向：
Figure 02_image047
。例如，在圖4A中，繪示 N=16時所有正交波束樣式與其相對應的波束方向D 1~D 15。在圖4B中，繪示 N=16時及 K=4所使用之 M=4個 K峰值波束樣式，其中波束樣式
Figure 02_image049
包含之波束方向為
Figure 02_image051
。在圖5中，繪示 N=16及 K=2所使用之 M=8個 K峰值波束樣式，其中波束樣式
Figure 02_image049
包含之波束方向為
Figure 02_image053
。
下表一提供四種不同情境下所設計 K峰值波束樣式之波束方向集合。
表一
參數 同步訊號數目 主波束之波束方向集合
Figure 02_image055
,
Figure 02_image057
Figure 02_image059
Figure 02_image061
,
Figure 02_image063
,
Figure 02_image065
,
Figure 02_image067
Figure 02_image055
,
Figure 02_image069
Figure 02_image071
Figure 02_image073
,
Figure 02_image075
,
Figure 02_image077
,
Figure 02_image079
,
Figure 02_image081
,
Figure 02_image083
,
Figure 02_image085
,
Figure 02_image087
Figure 02_image089
,
Figure 02_image091
Figure 02_image071
Figure 02_image093
,
Figure 02_image095
,
Figure 02_image097
,
Figure 02_image099
,
Figure 02_image101
,
Figure 02_image103
,
Figure 02_image105
,
Figure 02_image107
Figure 02_image089
,
Figure 02_image110
Figure 02_image112
Figure 02_image114
,
Figure 02_image116
,
Figure 02_image118
,
Figure 02_image120
,
Figure 02_image122
,
Figure 02_image124
,
Figure 02_image126
,
Figure 02_image128
,
Figure 02_image130
,
Figure 02_image132
,
Figure 02_image134
,
Figure 02_image136
,
Figure 02_image138
,
Figure 02_image140
,
Figure 02_image142
,
Figure 02_image144
在初始接取(initial access)程序中，用戶設備會掃描所有由基地台傳送出來的同步訊號，並量測每個同步訊號的平均接收功率以做為比較。此外，用戶設備端會確認接收到最強平均接收功率之同步訊號及其對應之接收波束與指向。假設
Figure 02_image146
為用戶設備端量測到具有最強平均接收功率之同步訊號，則用戶設備端會經由隨機接取通道傳送一個初始接取訊息給基地台，其中包含具最強平均接收功率同步訊號之索引
Figure 02_image148
，不論該索引的傳送方式是採用明確性(explicitly)或是隱含性(implicitly)的傳送。單純藉由同步訊號索引
Figure 02_image148
，基地台並無法在波束方向D 0~D 15中唯一確定最佳之傳送波束指向。
假設基地台在隨機接取通道上採用 Q個不同的單峰(single-modal)波束樣式(例如基於離散傅立葉轉換( DFT)基底之波束樣式)來接收用戶設備端傳送之初始接取訊息，其中隨機接取波束樣式表示為
Figure 02_image150
， q=0, 1, …, Q-1，且隨機接取波束樣式之解析度 Q小於原來希望之角度域解析度 N，即 Q> N。每個隨機接取波束樣式在角度域涵蓋連續 N/ Q個在 O之正交波束的範圍，即是隨機接取接收波束樣式
Figure 02_image150
涵蓋如下集合中之波束方向
Figure 02_image152
。
例如，圖6A繪示 N=16及 Q=4所使用之隨機接取單峰波束樣式，圖6B繪示各個波束樣式
Figure 02_image150
包含之波束方向，例如波束樣式
Figure 02_image154
包含之波束方向為
Figure 02_image156
。進一步假設
Figure 02_image158
，則在單一的隨機接取接收波束樣式
Figure 02_image150
之涵蓋範圍內，對於任何一個 K峰值同步訊號波束樣式
Figure 02_image007
而言，最多僅包含有
Figure 02_image007
之一個主波束方向。
例如，根據圖4B與圖6B，波束樣式
Figure 02_image154
僅包含同步訊號波束樣式
Figure 02_image160
之一個主波束方向
Figure 02_image162
、同步訊號波束樣式
Figure 02_image164
之一個主波束方向
Figure 02_image166
、同步訊號波束樣式
Figure 02_image049
之一個主波束方向
Figure 02_image168
，及同步訊號波束樣式
Figure 02_image170
之一個主波束方向
Figure 02_image172
。
假設用戶設備端之初始接取訊息在隨機接取波束樣式
Figure 02_image174
具有最強的接收功率，則基地台可以藉由
Figure 02_image176
及
Figure 02_image178
兩個集合之交集來唯一確定傳送給此用戶設備之最佳波束方向，而其交集
Figure 02_image180
僅有一個元素。
以下說明本發明實施例的多波束傳輸系統的架構。
圖7A與圖7B是依照本揭露的實施例的一種多波束傳輸系統的示意圖。請先參照圖7Ａ，多波束傳輸系統100例如是正交分頻多工通訊系統等5G 無線通訊系統，其中包括用戶設備10與基地台20。用戶設備10可以是支援5G新無線電（new radio, NR）的固定或行動通信裝置，例如，行動站、伺服器、個人電腦、平板PC、手機、個人數位助理等。基地台20可以是蜂窩網路節點，例如，下一代節點B（gNodeB或gNB）。
請參照圖7B，用戶設備10至少包含收發器12、處理器14和天線16。收發器12例如配置在用戶設備10中，用以透過天線16將無線信號傳輸到基地台22並且從基地台22接收無線信號。天線16例如是均勻線性陣列天線(Uniform Linear Array, ULA)或均勻平面陣列天線(uniform planar array, UPA)或其他型式的天線。處理器14例如是可程式化的計算裝置，例如，微處理器、微控制器、中央處理單元（central processing unit, CPU）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、現場可程式設計閘陣列（field programmable gate array, FPGA）、特殊應用積體電路（application-specific integrated circuit, ASIC）等，並且被配置用以控制用戶設備10的操作。
基地台20亦至少包含收發器22、處理器24和天線26。收發器22例如是用以透過天線26將無線信號傳輸到用戶設備10的收發器12並且從用戶設備10的收發器12 。天線26例如是均勻線性陣列天線(Uniform Linear Array, ULA)或均勻平面陣列天線(uniform planar array, UPA)或其他型式的天線，而可用以產生前述的多峰波束樣式的波束。在一實施例中，基地台20可以進一步包含，但不限於，放大器、混頻器、振盪器、類比/數位轉換器（analog-to-digital converter, ADC）、數位/類比轉換器（digital-to-analog converter, DAC）、濾波器或其它硬體元件，以便執行例如低雜訊放大、阻抗匹配、頻率混合、上變頻或下變頻、濾波等操作。處理器24是可程式化的計算裝置，例如，微處理器、微控制器、CPU、DSP、FPGA、ASIC等，並且被配置用以控制基地台20的操作。
圖8是根據本發明的一實施例說明基於多峰波束樣式的波束調準方法的流程圖。參考圖8，本發明的實施例的方法適用於如前述實施例中描述的用戶設備10與基地台20。下文參考圖7B的用戶設備10與基地台20中的不同元件描述本方法的詳細步驟。
首先，在步驟S802中，由基地台20的處理器24控制收發器22採用多組多峰波束樣式作為天線26傳送數個同步訊號之波束樣式。其中，各多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的多峰波束樣式彼此之間的主波束的方向不重疊。例如，圖4B所示的波束樣式
Figure 02_image160
至
Figure 02_image170
。
接著，在步驟S804中，由用戶設備10的處理器14控制收發器12而利用天線16掃描同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及其對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括此接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息。其中，處理器14例如是以每個同步訊號的平均接收功率做為比較，以確認接收到最強平均接收功率之同步訊號及其接收波束與指向，並將包含具最強平均接收功率同步訊號之索引資訊加入初始接取訊息，以通過隨機接取通道傳送給基地台20。
然後，在步驟S806中，由基地台20的處理器24控制收發器22利用天線26在隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收初始接取訊息。其中，各單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各多峰波束樣式的其中一個主波束。例如，圖6B所示的波束樣式
Figure 02_image182
至
Figure 02_image184
。其中，
Figure 02_image154
的涵蓋範圍僅包括多峰波束樣式
Figure 02_image160
的主波束D 4、多峰波束樣式
Figure 02_image164
的主波束D 5、多峰波束樣式
Figure 02_image049
的主波束D 6、多峰波束樣式
Figure 02_image170
的主波束D 7。
最後，在步驟S808中，由基地台20判斷對初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的接取功率最強的單峰波束樣式與初始接取訊息中的接收功率最強的同步訊號之索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給用戶設備10的最佳波束方向。
舉例來說，若基地台20判斷的對初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式為波束樣式
Figure 02_image184
，其主波束的涵蓋範圍包括D 12～D 15，而初始接取訊息中的索引對應於多峰波束樣式
Figure 02_image164
，其主波束包括D 1、D 5、D 9、D 13，取兩者的交集後，即可得到重疊的主波束D 13。藉此，本實施例的基地台20可確定傳送給用戶設備10的最佳波束方向為D 13。
由前述說明，在固定角度域解析度要求下，本發明實施例所提出之初始接取階段波束調準技術可以將所需要的同步訊號數目大幅度降低，減少搜尋時間與無線電資源的消耗。如表一所示，當解析度要求為 N=64，所需要的同步訊號數目可以輕易降低至 M=8。
為進一步評估本發明實施例之初始接取階段波束調準效能，在此提供使用固定同步訊號數目的情境下，本發明實施例與傳統技術在達成波束調準之後，所建立鏈路可以獲得的訊雜比(signal-to-noise ratio, SNR)效能模擬評估。
假設所使用的同步訊號數目為 M，則傳統技術達成波束調準後之角度域解析度為 M；相較之下，本發明實施例達成波束調準後之角度域解析度為 M× K，因此角度域解析度可以大幅度的提升，進而提升所建立鏈路之訊雜比。圖9為使用相同數目 M=4之同步訊號情境下， N=16、 K=4、 M=4之鏈路訊雜比分佈比較結果，其中橫軸代表同步訊號的訊雜比、縱軸代表其累積分布函數(cumulative distribution function, CDF)。通道情況假設為瑞雷衰褪(Rayleigh fading)，從圖中可以明顯看出，使用本發明實施例的方法可以達到更好的鏈路訊雜比，整體改善超過5 dB。
綜上所述，在本發明實施例的天線陣列的波束調準方法、多波束傳輸系統及裝置中，藉由使用多組多峰波束樣式作為傳送同步訊號之波束樣式，並使用解析度較低的波束樣式來接收初始接取訊息，從而由接取功率最強的波束樣式及初始接取訊息中記錄的波束樣式訊息，唯一確定傳送給此用戶設備之最佳波束方向。藉此，可提升初始接取階段波束調準效能與效益。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:用戶設備 20、BS:基地台 12、22:收發器 14、24:處理器 16、26:天線 100:多波束傳輸系統
Figure 02_image160
~
Figure 02_image170
、
Figure 02_image182
~
Figure 02_image184
:波束樣式 D 0~D 15:波束方向 P S、P L:主波束範圍功率、主波束範圍外功率 SS1~SS5:同步訊號 SS RB1~SS RB5:資源區塊 S802~S808:步驟
圖1繪示傳統收發點的波束掃描方法。 圖2A繪示 N=16時所有正交波束樣式與其相對應的波束方向。 圖2B至圖2E表示當 N=16及 K=4所使用之 M=4個 K峰值波束樣式。 圖3表示主波束範圍功率 P S 以及主波束範圍外功率 P L 在波束樣式上的示意圖。 圖4A繪示 N=16時所有正交波束樣式與其相對應的波束方向。 圖4B繪示 N=16時及 K=4所使用之 M=4個 K峰值波束樣式。 圖5繪示 N=16及 K=2所使用之 M=8個 K峰值波束樣式。 圖6A繪示 N=16及 Q=4所使用之隨機接取單峰波束樣式，圖6B繪示各個波束樣式包含之波束方向。 圖7A與圖7B是依照本揭露的實施例的一種多波束傳輸系統的示意圖。 圖8是根據本發明的一實施例說明基於多峰波束樣式的波束調準方法的流程圖。 圖9為使用相同數目 M=4之同步訊號情境下， N=16、 K=4、 M=4之鏈路訊雜比分佈比較結果。
S802~S808:步驟

Claims (7)

  1. 一種天線陣列的波束調準方法，適於包括基地台及用戶設備的多波束傳輸系統，所述方法包括下列步驟： 所述基地台採用多組多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式，其中各所述多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的所述多峰波束樣式彼此之間的所述主波束的方向不重疊； 所述用戶設備掃描所述同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及所述接收功率最強的同步訊號對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括所述接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息； 所述基地台在所述隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收所述初始接取訊息，其中各所述單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各所述多峰波束樣式的所述主波束其中之一；以及 所述基地台判斷對所述初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的所述接取功率最強的單峰波束樣式與所述初始接取訊息中的所述接收功率最強的同步訊號之所述索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給所述用戶設備的最佳波束方向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中各所述多峰波束樣式的所述主波束彼此間具有可區別所述主波束的間距，且各所述主波束與多個高解析度單峰正交波束之一的波束方向一致。
  3. 一種多波束傳輸系統，包括： 基地台，採用多組多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式，其中各所述多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的所述多峰波束樣式彼此之間的所述主波束的方向不重疊；以及 用戶設備，掃描所述同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及所述接收功率最強的同步訊號對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括所述接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息，其中 所述基地台在所述隨機接取通道上採用多組單峰波束樣式接收所述初始接取訊息，其中各所述單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各所述多峰波束樣式的所述主波束其中之一；以及 所述基地台判斷對所述初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的所述接取功率最強的單峰波束樣式與所述初始接取訊息中的所述接收功率最強的同步訊號之所述索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給所述用戶設備的最佳波束方向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的多波束傳輸系統，其中所述基地台包括採用均勻線性陣列天線(Uniform Linear Array, ULA)或均勻平面陣列天線(uniform planar array, UPA)產生所述多峰波束樣式的波束。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的多波束傳輸系統，其中各所述多峰波束樣式的所述主波束彼此間具有可區別所述主波束的間距，且各所述主波束與多個高解析度單峰正交波束之一的波束方向一致。
  6. 一種多波束傳輸裝置，包括： 陣列天線； 收發器，耦接所述陣列天線，利用所述陣列天線產生多組多峰波束樣式及多組單峰波束樣式的波束，其中各所述多峰波束樣式包括可區別方向的多個主波束，且不同的所述多峰波束樣式彼此之間的所述主波束的方向不重疊；以及 處理器，耦接所述收發器，控制所述收發器以： 採用所述多峰波束樣式作為傳送數個同步訊號之波束樣式至用戶設備，其中所述用戶設備包括掃描所述同步訊號，並判斷接收功率最強的同步訊號及所述接收功率最強的同步訊號對應的接收波束方向，藉由隨機接取通道傳送包括所述接收功率最強的同步訊號之索引資訊的初始接取訊息； 在所述隨機接取通道上採用所述單峰波束樣式接收由用戶設備傳送的初始接取訊息，其中各所述單峰波束樣式的主波束的涵蓋範圍僅包括各所述多峰波束樣式的所述主波束其中之一；以及 判斷對所述初始接取訊息的接取功率最強的單峰波束樣式，並將所判斷的所述接取功率最強的單峰波束樣式與所述初始接取訊息中的所述接收功率最強的同步訊號之所述索引資訊所對應的多峰波束樣式的主波束進行比對，以確定傳送給所述用戶設備的最佳波束方向。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的多波束傳輸裝置，其中所述陣列天線包括均勻線性陣列天線或均勻平面陣列天線。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11736180B2 (en) * 2020-01-10 2023-08-22 Qualcomm Incorporated Millimeter-wave multi-beams
CN114697980B (zh) * 2020-12-25 2024-04-16 大唐移动通信设备有限公司 信号发送方法、目标感知方法、设备和存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070111760A1 (en) * 2002-04-16 2007-05-17 Omri Hovers Method and apparatus for synchronizing a smart antenna apparatus with a base station transceiver
US20140225777A1 (en) * 2013-02-08 2014-08-14 Magnolia Broadband Inc. Multi-beam mimo time division duplex base station using subset of radios
US20170302355A1 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Qualcomm Incorporated System and method for beam management
TW201924262A (zh) * 2017-10-11 2019-06-16 日商Ｎｔｔ都科摩股份有限公司 使用者終端及無線通訊方法

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5079189B2 (ja) * 2001-04-13 2012-11-21 Ｋｄｄｉ株式会社 多ビームセルラ無線基地局、移動機及びスペクトラム拡散信号送信方法
FR2840756B1 (fr) * 2002-06-06 2004-12-17 Cit Alcatel Procede de synchronisation de stations de base de type dect interconnectees via un reseau lan d'architecture de type ip
JP4299083B2 (ja) * 2003-09-09 2009-07-22 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ 無線通信装置及び無線通信方法
US8036669B2 (en) 2006-04-20 2011-10-11 Qualcomm Incorporated Orthogonal resource reuse with SDMA beams
JP2010206667A (ja) * 2009-03-05 2010-09-16 Sony Corp 通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システム
EP2501192B1 (en) * 2011-02-28 2014-12-24 Alcatel Lucent Method of assigning radio resources to mobile terminals based on the relative distance between said mobile terminals and a base station
US20140073337A1 (en) 2012-09-11 2014-03-13 Electronics And Telecommunications Research Institute Communication device and communication method using millimeter-wave frequency band
JP6123481B2 (ja) * 2013-05-23 2017-05-10 富士通株式会社 基地局装置、タイミング調整方法及びプログラム
CN105474556B (zh) 2013-09-05 2019-10-22 英特尔公司 用于空间区域的适应性扇区化的节点、方法和系统
US10348541B2 (en) 2013-11-27 2019-07-09 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Sending and detecting synchronization signals and an associated information message
US20160302115A1 (en) * 2013-12-04 2016-10-13 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Backhaul of Client Network Nodes
JP2015211292A (ja) * 2014-04-24 2015-11-24 富士通株式会社 システム、基地局および端末
US9496975B2 (en) * 2014-09-19 2016-11-15 Qualcomm Incorporated Dynamic directional synchronization signals in wireless communications
ES2778204T3 (es) * 2014-11-13 2020-08-10 Huawei Tech Co Ltd Método y dispositivo de sincronización de señal para la comunicación de alta frecuencia
WO2016147994A1 (ja) * 2015-03-13 2016-09-22 シャープ株式会社 端末装置および通信方法
US10455608B2 (en) * 2015-04-24 2019-10-22 Skylark Wireless, Llc Control channel design for many-antenna MU-MIMO systems
WO2016200229A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Lg Electronics Inc. Method and apparatus for supporting time division duplex for celluar internet-of-things in wireless communication system
US9424456B1 (en) * 2015-06-24 2016-08-23 Amazon Technologies, Inc. Ultrasonic fingerprint authentication based on beam forming
US10568140B2 (en) * 2016-05-16 2020-02-18 Qualcomm Incorporated Beam and symbol selection to transmit RACH
WO2018002154A1 (en) 2016-06-28 2018-01-04 Ipcom Gmbh & Co. Kg Directional radio beam information in a mobile communications system
CN109479330B (zh) * 2016-07-15 2023-05-30 株式会社Ntt都科摩 用户终端和无线通信方法
EP3473031B1 (en) * 2016-08-10 2020-05-06 Huawei Technologies Co., Ltd. Communication link acquisition and tracking in millimeter wave bands
AR109501A1 (es) * 2016-08-11 2018-12-19 Ericsson Telefon Ab L M Método y aparato para la sincronización de dispositivos inalámbricos en un sistema de comunicaciones basado en haces
CN110114986B (zh) * 2017-01-05 2023-02-17 瑞典爱立信有限公司 波束成形模式的配置
KR102399978B1 (ko) * 2017-01-06 2022-05-19 삼성전자 주식회사 셀룰라 통신 시스템의 시간 및 주파수 트랙킹 방법 및 장치
US10257835B2 (en) * 2017-03-24 2019-04-09 At&T Intellectual Property I, L.P. Facilitating enhanced beam management in a wireless communication system
US10779259B2 (en) * 2017-04-03 2020-09-15 Qualcomm Incorporated Quasi co-location of antenna ports used to transmit paging message and synchronization signals
WO2018204863A1 (en) * 2017-05-04 2018-11-08 Ofinno Technologies, Llc Beam-based measurement configuration
US10757583B2 (en) * 2017-08-10 2020-08-25 Qualcomm Incorporated Uplink-based positioning reference signaling in multi-beam systems
EP3668194A4 (en) * 2017-08-11 2021-03-24 Fujitsu Limited METHOD AND DEVICE FOR DIRECT ACCESS PERFORMANCE CONTROL AND COMMUNICATION SYSTEM
WO2019072392A1 (en) * 2017-10-12 2019-04-18 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) BEAM FORMATION FOR SYNCHRONIZATION SIGNALS
US10091662B1 (en) * 2017-10-13 2018-10-02 At&T Intellectual Property I, L.P. Customer premises equipment deployment in beamformed wireless communication systems
US10277349B1 (en) * 2018-04-30 2019-04-30 Nxp Usa, Inc. Method and apparatus for fast and robust cell search for 5G and millimeter-wave wireless communication systems
US11357050B2 (en) * 2018-09-24 2022-06-07 Nxp Usa, Inc. Optimal beamforming in millimeter-wave cellular networks using multiple random access preambles
US10517061B1 (en) * 2018-10-10 2019-12-24 Qualcomm Incorporated Enhanced cell identification location determination
US11438955B2 (en) * 2019-01-03 2022-09-06 Qualcomm Incorporated Hierarchical mobility
US11463980B2 (en) * 2019-02-22 2022-10-04 Huawei Technologies Co., Ltd. Methods and apparatuses using sensing system in cooperation with wireless communication system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070111760A1 (en) * 2002-04-16 2007-05-17 Omri Hovers Method and apparatus for synchronizing a smart antenna apparatus with a base station transceiver
US20140225777A1 (en) * 2013-02-08 2014-08-14 Magnolia Broadband Inc. Multi-beam mimo time division duplex base station using subset of radios
US20170302355A1 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Qualcomm Incorporated System and method for beam management
TW201924262A (zh) * 2017-10-11 2019-06-16 日商Ｎｔｔ都科摩股份有限公司 使用者終端及無線通訊方法

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