小区/无线网络的波束管理方法与流程

本申请的权利要求范围依据35U.S.C.§119要求如下申请的优先权：2014年10月7日递交的申请号为62/060,786，标题为“Beam Administration Methods for Cellular/Wireless Networks”的美国临时案，以及2015年9月29日递交的申请号为14/868,705的美国临时案。在此合并参考上述美国临时申请案的全部内容。

技术领域

本发明有关于无线通信，更具体地，有关于毫米波(Millimeter Wave，mmW)波束形成(beamforming)系统中的波束管理方法。

背景技术：

移动载波遭遇的带宽短缺问题引发了对3G与300GHz之间未充分利用的毫米波频谱进行开发以用于下一代宽频蜂窝通信网。毫米波频带的可用频谱比传统蜂窝系统的大两百倍。毫米波无线网络使用与窄波束(narrow beam)的定向通信并支持数千兆位(multi-gigabit)的数据速率。尚未充分利用的毫米波频谱具有从1mm到100mm的波长范围。毫米波频谱的极小波长可使大量的小型化天线(miniaturized antenna)放置在小的区域内。这样的小型化天线可通过电可控阵列(electrically steerable array)产生定向传送而形成高波束形成增益。

随着毫米波半导体电路的最新进展，毫米波无线系统已经成为真正落实可行的解决方案。然而，对于定向传输的严重依赖和传播环境的脆弱性对毫米波网络提出了特殊的挑战。一般而言，移动网络系统设计为要实现以下目标：1)同时服务具有广泛动态操作状况的多个用户；2)对于信道变化、流量负载及不同QoS需求具有鲁棒性；3)资源(例如带宽和功率)的有效利用。然而波束形成增加了实现这些目标的难度。

保持天线指向(pointing)和追踪(tracking)的精确度在通信流程的多个阶段是很关键的。原则上，波束管理/训练机制确保基站(base station，BS)波束和用户装置(user equipment，UE)被校准以用于数据通信，其中，波束管理/训练机制包括初始波束校准(alignment)或后续波束追踪。在无线或移动通信网络中假设分层层级波束模式(pattern)。不同的波束形成器(beamformer)可具有不同的空间解析度。例如，扇形(sector)天线可具有较短但较宽的空间覆盖，而波束形成天线可具有较长但较窄的空间覆盖。为提供适度的阵列增益，可需要大量的阵列元件。

具有两种波束形成：切换波束形成和自适应波束形成。自适应波束形成意味着数字波束形成(digital beamforming)。自适应波束形成的复杂度高且具有灵活的波束模式，而波束校准时间是可接受的。切换波束形成是模拟或混合波束形成。切换波束形成的复杂度低，然而波束模式并不是灵活的且波束校准时间长。因此需要寻找波束管理方法以执行BS和UE的波束校准和波束追踪。

技术实现要素：

本发明提出一种小区/网络中的波束管理方法。运行在Ka或更高频段的小区/无线网络需要使用方向性天线(或通过基于阵列的波束成形)以补偿服务路径损失。维护天线指向和追踪准确性在通信过程的许多阶段是基本关键的。通过使用上行链路导频信号以用于波束校准，与UE端的切换波束成形以及BS端的自适应波束成形结合，可实现有效的波束管理，减少负载、复杂度以及成本。

在一个实施例中，基站提供波束训练信息至网络中的用户装置，其中，该波束训练信息包括训练周期，窗口大小及资源映射信息。基站接收该用户装置透过一或多个用户装置波束传输的上行链路导频信号；基站对每个用户装置使用多个基站波束波束执行自适应波束形成。最后，基站传输波束训练完成指令至用户装置。该波束训练完成指令包括选择的用户装置波束识别码和相应于该选择的用户装置波束的时序提前值以用于上行链路传输。

在另一个实施例中，用户装置在无线通信网络中获取波束训练信息，其中，该波束训练信息包括训练周期，窗口大小及资源映射信息；由该用户装置基于接收的该波束训练信息透过一或多个用户装置波束传输上行链路导频信号；从基站接收波束训练完成指令，其中，该波束训练完成指令包括选择的用户装置波束识别码和相应于该选择的用户装置波束的时序提前值以用于上行链路传输。

下面详细描述了其他实施例和优点。本发明内容并不意在限制本发明。本发明是由权利要求限定的。

附图说明

附图说明了本发明的各个实施例，其中，相同的数字指示相同元件。

图1是根据本发明一个方面波束形成毫米波移动网络100中基站和用户装置间控制波束和专用波束及波束管理的示意图。

图2为根据本发明一些实施例的基站和用户装置的简化方块示意图。

图3为波束形成网络300中的波束校准和波束追踪的波束管理示意图。

图4用于波束形成的波束形成的不同选择的示意图。

图5为随机存取程序及随后的UE初始化波束校准程序的实施例示意图。

图6为波束形成系统中基于竞争的联合随机存取和波束管理程序的示意图。

图7为波束形成系统中非基于竞争的联合随机存取和波束管理程序的示意图。

图8为波束形成系统中的UE初始化波束形成程序的示意图。波束追踪程序仅在波束校准的情形下操作。

图9为波束形成系统中BS初始化波束追踪程序的示意图。

图10为根据本发明一个方面波束形成系统中UE角度的波束管理方法的流程图。

图11为根据本发明一个方面波束形成系统中BS角度的波束管理方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参阅本发明的一些实施例，这些实施例显示在附图中。

图1是根据本发明一个方面波束形成毫米波移动网络100中基站和用户装置间控制波束和专用波束及波束管理的示意图。波束形成毫米波移动通信网络100包括基站BS101和UE102。毫米波移动网络使用具有窄波束的定向通信且可支持数千兆的数据速率。定向通信通过数字(自适应)及/或模拟(切换)波束形成实现，其中，多天线元件应用了多组波束形成权重以形成多个波束。在图1的示例中，BS101定向地配置了多个小区，且每个小区覆盖有一组粗TX/RX控制波束。例如，小区110由一组四个控制波束CB1、CB2、CB3及CB4覆盖。控制波束CB1-CB4的集合覆盖了小区110的整个服务区域，且每个控制波束具有更广且更短的空间覆盖，其具有更小阵列增益(gain)。每个控制波束相应地由一组专用数据波束覆盖。例如，CB2由一组四个专用数据波束DB1、DB2、DB3及DB4所覆盖。专用数据波束的集合覆盖了一个控制波束的服务区域，且每个专用数据波束具有更窄且更长的空间覆盖，其具有更大阵列增益。

在无线或移动网络中设定分层波束模式。层级0波束模式为全向(omni-directional)且用于宏小区(macro cell)站。控制波束的集合为低层级(层级1)波束，其提供低速率控制信令以促进高层级(层级2)专用数据波束上的高速率数据通信。控制波束的组合覆盖整个小区覆盖面积且具有适度的波束形成增益。每个控制波束广播最小数量的小区专用(cell-specific)和波束专用(beam-specific)信息，上述信息类似于LTE系统中的系统信息块(System Information Block，SIB)或主信息块(Master Information Block，MIB)。控制波束和专用数据波束结构提供强健的控制信令机制以促进毫米波移动网络系统中的波束形成操作。

保持天线指向和追踪的精确度在通信流程的多个阶段是很关键的。原则上，波束管理/训练机制确保基站(base station，BS)波束和用户装置(user equipment，UE)被校准以用于数据通信。例如，在图1中BS DB#3与UE波束#1进行校准。存在两种波束形成：切换波束形成和自适应波束形成。自适应波束形成意味着数字波束形成(digital beamforming)。自适应波束形成的复杂度高且具有灵活的波束模式，而波束校准时间是可接受的。切换波束形成是模拟或混合波束形成。切换波束形成的复杂度低，然而波束模式并不是灵活的且波束校准时间长。大体上，BS的复杂度大大高于UE的复杂度，特别是在天线设计和基带信令处理上。

根据本发明的一个新颖的方面，UE102可使用切换的波束形成以减少复杂度和成本，而BS101可使用自适应或数字波束形成以获取天线波束模式中的更多自由度。一般而言，BS端RF链的数目可大于UE端的。因此，上行链路导频信号(pilot signals)的数目少于下行链路导频信号的数目而具有相同的波束训练性能。这是因为一些接收波束模式可通过自适应波束形成而形成，其可在BS端估计同时到达的不同角度。因此，通过使用上行链路导频信号以用于波束训练，并与UE端的切换波束形成和BS端的自适应波束形成结合，可实现具有减少的负载、负载度和成本的有效波束管理。

图2为根据本发明一些实施例的基站和用户装置的简化方块示意图。BS201具有天线阵列211，BS201包括具有多天线元件的天线阵列211。其中，天线阵列211用于传输和接收无线电信号，一或多个RF收发器212耦接于天线，用于从天线211接收RF信号，将RF信号转换为基带信号并将基带信号发送至处理器213。RF收发器212也将从处理器213接收的基带信号转换为RF信号，并发送至天线211。处理器213处理接收的基带信号并激发不同功能模块执行BS 201中的特征。存储器214存储程序指令和数据215以控制BS 201的操作。根据当前发明的实施例，BS 201也包括执行不同任务的多个功能模块。

类似地，UE 202包括具有天线231。其中，天线231用于传输和接收无线电信号，RF收发器232耦接于天线，用于从天线231接收RF信号，将RF信号转换为基带信号并将基带信号发送至处理器233。RF收发器232也将从处理器233接收的基带信号转换为RF信号，并发送至天线231。处理器233处理接收的基带信号并激发不同功能模块执行UE 202中的特征。存储器234存储程序指令和数据235以控制UE 202的操作。根据当前发明的实施例，UE 202也包括执行不同任务的多个功能模块。

功能模块为由硬件、固件、软件或上述任意组合实施和配置的电路。例如，BS 201包括波束训练电路220，其进一步包括波束形成电路221、波束监视器222及波束训练信息电路223。波束形成电路221可属于RF链的一部分，波束形成电路221对天线211的多个天线元件运用不同波束形成权重且从而形成各种波束。波束监视器222监视接收的无线电信号且对各个波束执行无线电信号的测量。波束训练信息电路223提供波束训练信息，其中，该波束训练信息包括训练周期，窗口大小及资源映射信息。

类似地，UE202包括波束训练电路240，其进一步包括波束形成电路241、波束监视器242及波束容量电路243及随机存取电路244。波束形成电路241可属于RF链的一部分，波束形成电路241对天线231的多个天线元件运用不同波束形成权重且从而形成各种波束。波束形成电路241对于UE端是可选的，这是因为UE 202可使用全向波(omni beam)。波束监视器242监视接收的无线电信号且对各个波束执行无线电信号的测量。波束容量电路243提供UE波束形成/天线容量信息和优选的波束模式/码书(codebook)以用于波束训练。随机存取电路244与BS执行基于竞争(contention-based)和非基于竞争(non-contention-based)的随机存取程序，该程序可与波束训练程序结合以用于波束校准和波束追踪。

图3为波束形成网络300中的波束校准和波束追踪的波束管理示意图。波束训练包括初始波束校准和后续波束追踪，其确保BS 301和UE302被校准以用于数据传输。对于下行链路方向，BS301传输下行链路导频信号以使UE302可追踪UE接收波束。对于上行链路方向，UE302传输上行链路导频信号以使BS301可追踪BS接收波束。基于相位阵列相互作用(reciprocity)或信道相互作用，同一接收天线模式可用于传输天线模式。在选择最佳接收波束时可运用不同算法，包括信号功率最大化、信噪比(SINR)或干扰最小化。

图4用于波束形成的波束形成的不同选择的示意图。在第一选择中，BS和UE都执行切换的波束形成。在此选择下，波束校准时间较长(假设BS天线数目较大)。在第二选择中，BS执行切换的波束形成，而UE执行自适应波束形成。在此选择下，UE复杂度太高，且波束校准时间长(假设BS天线数目较大)。在第三选择中，BS执行自适应波束形成，而UE执行切换的波束形成。在第四选择中，BS和UE都执行自适应波束形成。在此选择下，UE复杂度太高。

BS的复杂度可能大大高于UE的复杂度，特别是在天线设计和基带信令处理上。换言之，BS端RF链的数目可能大于UE端的数目。这暗示着在相同的性能下，上行链路导频信号的数目少于下行链路导频信号的数目。通过使用自适应波束形成，BS可估计同时到达的上行链路导频信号的不同角度，这是因为通过自适应波束形成可形成若干个接收波束模式。因此，在不同选择中，第三选择更优化。UE可使用切换的波束形成以减少复杂度和成本。BS可使用自适应或数字波束形成以获取天线波束模式中的更多自由度。在此选择下，UE和BS的复杂度都是可接受的。BS的波束类型更灵活。波束校准的时间也是可接受的。UL导频信号用于波束管理，其中，波束管理包括波束校准和波束追踪。

图5为随机存取程序及随后的UE初始化波束校准程序的实施例示意图。在步骤511中，UE 501从BS 502接收随机存取响应，其中，该响应具有时序优先(timing advance，TA)、临时C-RNTI及UL授权(grant)。在步骤513中，UE501传输具有L2/L3消息的RRC连接请求。在步骤514a中，UE501传输具有C-RNTI的连接分辨度。在步骤514b中，BS502发送具有UE专用配置的RRC连接设置。在步骤515中，UE501发送具有PLMN ID和专用NAS信息的RRC连接设置完成。随机存取和RRC连接设置程序完成。

在步骤516中，UE501发送具有C-RNTI、UE ID及UE波束ID(例如，若存在多个UE波束，待训练的UE波束的数目)的波束对照请求。此请求可在RRC连接完成之前或之后发送。请注意，在发送波束校准请求之前，UE501可通过首先使用小区搜索或控制信号来校准接收波束。基于相位阵列相互作用或信道相互作用，UE501使用相同接收天线模式作为传输天线模式。在步骤517中，UE501从BS502接收波束校准信息指令。该波束校准信息指令包括波束校准周期(多频繁)、窗口大小(多次长)及资源映射信息。在步骤518中，UE501使用切换的波束形成基于波束校准信息指令在每个待训练的UE波束中持续发送上行链路导频信号。

BS502使用接收的导频信号以基于信号功率最大化、SINR最大化或干扰最小化及到达角度(angle of arrival，AoA)算法选择最佳接收波束。在AoA中，接收器采用多个天线以接收信号并解析关于自身天线平台定位的达到角度。请注意，波束校准程序并不限于对不同层级波束的详细或分层搜索。BS 502可基于BS RF和基带处理容量通过不同天线或波束模式同时接收上行链路导频信号。在步骤519中，在BS 502已决定最佳接收波束之后，BS 502发送波束校准完成消息至UE 501，其中，该波束校准完成消息具有确认(acknowledgement)消息、选择的UE波束ID(如果多个UE波束被训练)、BS波束ID(可选的)以及时序提前(timing advance,TA)信息。请注意，通知BS波束ID是可选的，这仅是BS端的决定。在步骤520中，UE501和BS502相应地执行数据传输。UE501可基于步骤519中的接收TA值调整其用于上行链路同步的时序提前。

波束校准请求和波束校准信息指令在一些情形中可以忽略。基于竞争或非基于竞争随机存取程序可使用并与波束管理程序组合。在随机存取程序期间，随机存取前缀(preamble)用作上行链路导频信号以用于波束校准，且随机存取响应(random access response，RAR)消息用作波束校准完成指令。

图6为波束形成系统中基于竞争的联合随机存取和波束管理程序的示意图。在步骤611中，UE 601传输具有RA-RNTI、控制波束ID及UE波束ID的随机存取前缀。随机存取前缀相当于用于波束训练的上行链路导频信号。UE601随机选择随机存取前缀和RACH资源以用于传输。在步骤612中，UE 601从BS 602接收具有TA、临时C-RNTI、UE波束ID、BS波束ID(可选)及UL授权的RAR。该RAR相当于波束校准完成指令。在步骤613中，UE601传输具有L2/L3消息的RRC连接请求。在步骤614b中，BS602发送具有UE专用配置的RRC连接设置。在步骤615中，UE601发送具有PLMN ID和专用NAS信息的RRC连接设置完成。随机存取和RRC连接设置程序完成。

图7为波束形成系统中非基于竞争的联合随机存取和波束管理程序的示意图。在步骤711中，UE701和BS 702执行初始波束校准和波束追踪(可选的)。此步骤可为UE初始化或BS初始化。如果将波束追踪看作常规流程，则在系统信息中传输此流程的规则。在步骤712中，BS702发送波束校准/追踪信息指令。此指令包括训练周期，窗口大小及资源映射信息，且包括随机存取序列号。在步骤713中，UE 701基于接收的波束校准/追踪信息传输随机存取前缀。该随机存取前缀相当于用于波束训练的上行链路导频信号。此外，随机存取前缀和RACH资源由BS702透过资源映射信息分配。在步骤714中，BS602发送具有UE专用配置的RRC连接设置。在步骤615中，BS 702发送RAR至UE 701，其中，该UE 701包括TA、ACK、选择的UE波束或码书以及BS波束ID(可选)。该RAR相当于波束校准/追踪完成指令。

图8为波束形成系统中的UE初始化波束形成程序的示意图。波束追踪程序仅在波束校准的情形下操作。在步骤811中，UE 801发送波束追踪请求以初始化波束追踪程序。UE801报告波束形成和天线容量及优选波束模式或码书以用于追踪。此步骤可被忽略或与其他控制信令(例如UE容量报告)结合。在步骤812中，BS 802发送波束追踪信息至UE 801。该信息可在小区/波束专用系统信息中发送且这样此步骤可省略。该信息也可在UE专用中发送。波束追踪周期、窗口大小及资源映射信息承载在波束追踪信息指令中。在步骤813中，UE801基于波束追踪信息透过每个UE波束持续发送上行链路导频信号。BS 802使用接收的导频信号以基于信号功率最大化、SINR最大化或干扰最小化及到达角度(angle of arrival，AoA)算法选择最佳接收波束选择。请注意，波束追踪程序并不限于对不同层级波束的详细或分层搜索。BS 802可基于BS RF和基带处理容量通过不同天线或波束模式同时接收上行链路导频信号。在步骤814中，在BS 802已决定最佳接收波束之后，BS 802发送波束ID指示指令至UE 801，其中，该波束ID指示指令具有选择的UE波束ID、BS波束ID(可选的)以及TA信息的确认消息。在步骤815中，UE801在接收波束ID指示之后执行数据传输并调整传输波束模式。如果波束ID指示未被接收，UE 801使用当前波束模式以用于数据传输。在步骤814中，UE 801可基于接收的TA值调整其时序提前值以用于上行链路同步。

图9为波束形成系统中BS初始化波束追踪程序的示意图。波束追踪程序仅在波束校准的情形下操作。在步骤911中，BS 902使用波束追踪请求以初始化波束追踪程序。此步骤可被忽略或与其他控制信令结合。在步骤912中，UE901报告波束形成和天线容量及优选波束模式或码书以用于追踪。此步骤可被忽略或与其他控制信令结合(例如UE容量报告)。在步骤913中，BS 902发送波束追踪信息至UE 901。该信息可在小区/波束专用系统信息中发送且这样此步骤可省略。该信息也可在UE专用中发送。波束追踪周期、窗口大小及资源映射信息承载在波束追踪信息指令中。在步骤914中，UE 901基于波束追踪信息透过每个UE波束持续发送上行链路导频信号。BS 902使用接收的导频信号以基于信号功率最大化、SINR最大化或干扰最小化及到达角度算法选择最佳接收波束选择。请注意，波束追踪程序并不限于对不同层级波束的详细或分层搜索。BS 902可基于BS RF和基带处理容量通过不同天线或波束模式同时接收上行链路导频信号。在步骤915中，在BS 902已决定最佳接收波束之后，BS 902发送波束ID指示指令至UE 901，其中，该波束ID指示指令具有选择的UE波束ID、BS波束ID(可选的)以及TA信息的确认消息。在步骤916中，UE 901在接收波束ID指示之后执行数据传输并调整传输波束模式。如果波束ID指示未被接收，UE 901使用当前波束模式以用于数据传输。在步骤814中，UE 901可基于接收的TA值调整其时序提前值以用于上行链路同步。

图10为根据本发明一个方面波束形成系统中UE角度的波束管理方法的流程图。在步骤1001中，基站提供波束训练信息至网络中的UE，其中，该波束训练信息包括训练周期，窗口大小及资源映射信息。在步骤1002中，该基站接收该用户装置透过一或多个用户装置波束传输的上行链路导频信号。在步骤1004中，基站传输波束训练完成指令至UE。其中，该波束训练完成指令包括选择的用户装置波束ID、和相应于该选择的UE波束的时序提前值以用于上行链路传输。

图11为根据本发明一个方面波束形成系统中BS角度的波束管理方法的流程图。步骤1101中，在无线通信网络中由用户装置获取波束训练信息，其中，该波束训练信息包括训练周期，窗口大小及资源映射信息。步骤1102中，UE基于接收的该波束训练信息透过一或多个UE波束传输上行链路导频信号。在步骤1103中，UE从BS接收波束训练完成指令，其中，该波束训练完成指令包括选择的UE波束ID、选择的BS波束ID(可选)及相应于该选择的UE波束的时序提前值以用于上行链路传输。

本发明虽为说明的目的以若干特定实施例进行描述，但本发明并不限于此。相应地，在不脱离本发明的权利要求所设定的范围内，当可对上述实施例的些许特征作些许修改、润饰和组合。