异构网络中的毫米波小小区中的波束检测、波束跟踪和随机接入的制作方法

相关申请案交叉申请

本申请要求2015年7月2日递交的发明名称为“异构网络中的毫米波小小区中的波束检测、波束跟踪和随机接入(beamdetection,beamtrackingandrandomaccessinmm-wavesmallcellsinheterogeneousnetwork)”的第14/791,112号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文本中。

本发明大体上涉及一种用于波束检测或波束牵引的系统和方法，在具体实施例中，涉及一种用于异构网络中的毫米波(millimeterwave，mm-wave)小小区中的波束选择或波束牵引的系统和方法。

背景技术：

预期下一代无线通信系统(5g)将需要提供比当前4g系统(例如lte或wimax)大100倍至1000倍的容量才能满足移动流量的预计增长。现有的提高频谱效率的方法不太可能满足无线数据的这一爆发性需求。当前的4g系统使用各种先进技术来近乎消除理论限制与实际成果之间的差异，这些先进技术包括正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)、所输入多输出(multipleinputmultipleoutput，mimo)、多用户分集、空分多址(spatialdivisionmultipleaccess，sdma)、高阶调制、先进编码和链路自适应。因此，载波聚合和高阶mimo等较新技术可能仅稍许改进频谱效率。增加过去运作良好的容量的一种策略是使用较小的小区。

增加容量的另一种策略是将频率扩展到毫米波(millimeterwave，mm-wave)段。在毫米波段中，可以通过利用宽频段(例如1ghz频段)来实现非常高的数据速率。但是毫米波段存在严重的路径损耗，这使得毫米波通信中必须使用波束成形技术。在毫米波系统中，由于波长很短，所以能够实施大规模的天线阵列，因而能够形成具有高天线增益的窄波束来克服路径损耗。检测毫米波演进型基站(evolvednodeb，enb)与用户设备(userequipment，ue)之间的正确波束会造成大量的信令和时间开销。

技术实现要素：

根据本发明一实施例，一种用于提供异构无线网络中的指定小小区节点与ue之间的数据链路的方法包括：所述ue检测由一个或多个小小区节点在波束中发送的参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；所述ue测量所述波束的波束质量；所述ue将质量最佳的波束报告给宏小区节点；所述ue从所述宏小区节点接收分配，其中所述分配用于向所述指定小小区节点发送接入信号；以及所述ue向所述指定小小区节点发送所述接入信号。

根据本发明一实施例，一种用于维护数据链路的方法包括：所述ue处理小小区节点与所述ue之间的第一波束中的下行或上行数据；所述ue监控由无线网络中的一个或多个小小区节点在波束中发送的参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；所述ue测量所述波束的波束质量；所述ue接收第二波束的分配，其中所述第二波束由所述一个或多个小小区节点发送，并且所述第二波束的质量优于所述第一波束的质量；以及所述ue将到所述ue的所述下行或上行数据的处理从所述第一波束切换到所述第二波束。

根据本发明一实施例，一种用于与无线网络中的指定小小区节点通信的用户设备(userequipment，ue)包括：检测器，用于检测由一个或多个小小区节点在波束中发送的参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；处理器，用于测量所述波束的波束质量；发射器，用于将质量最佳的波束报告给宏小区节点；接收器，用于从所述宏小区节点接收分配，其中所述分配用于向所述指定小小区节点发送接入信号；以及所述发射器，用于向所述指定小小区节点发送所述接入信号。

根据本发明一实施例，一种用于提供异构无线网络中的小小区节点与ue之间的数据链路的方法包括：所述小小区节点下行发送参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；所述小小区节点从宏小区节点接收分配以监控接入信号；以及所述小小区节点检测来自所述ue的所述接入信号。

根据本发明一实施例，一种用于提供异构无线网络中的小小区节点与ue之间的数据链路的方法包括：宏enb从所述ue接收小小区波束质量测量报告；以及所述宏enb向所述小小区节点和所述ue发送分配以便用于随机接入。

根据本发明一实施例，一种用于与指定小小区节点通信的用户设备(userequipment，ue)包括：检测器，用于监控由一个或多个小小区节点在波束中发送的参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；处理器，用于处理小小区节点与所述ue之间的第一波束中的下行或上行数据，并且用于测量所述波束的波束质量；以及接收器，用于在所述指定小小区节点的第二波束的质量优于所述第一波束的质量时，接收所述第二波束的分配，其中所述处理器还用于将到所述ue的所述下行或上行数据的处理从所述第一波束切换到所述第二波束。

根据本发明一实施例，一种用于与ue通信的小小区节点包括：发射器，用于下行发送参考信号，每个参考信号被分配给一个波束；接收器，用于接收分配以监控来自宏小区节点的接入信号；以及检测器，用于检测来自所述ue的所述接入信号。

根据本发明一实施例，一种宏小区节点包括：接收器，用于从ue接收小小区波束质量测量报告；以及发射器，用于向小小区节点和所述ue发送分配以便用于随机接入。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：

图1示出了根据一实施例的用于异构网络中的波束检测和波束跟踪的方法；

图2a至图2c示出了根据一实施例的在包括宏节点、小小区节点和ue的异构网络中的不同阶段的连接。

具体实施方式

在建立毫米波演进型基站(evolvednodeb，enb)与ue之间的通信之前，需要确定毫米波enb中的或者毫米波enb和ue中的波束方向。检测和跟踪毫米波小区中的波束的常规过程需要大量的波束训练和盲检测，这会导致大量的探测开销。

本发明实施例提供了一种用于异构网络(heterogeneousnetwork，hetnet)中的毫米波小小区中的波束检测、波束确定和波束选择的方法和系统。该方法可显著降低ue最初接入毫米波enb等小小区enb的开销。本发明实施例还提供了一种用于通过波束确定和波束跟踪来建立并维护小小区enb与ue之间的通信(例如数据链路)的方法和系统。本发明实施例可采用宏enb的支持来进行波束检测、波束选择或波束跟踪。本发明的其它实施例提供了ue在宏enb的帮助下接入hetnet中的小小区enb。

这些实施例的优势在于，它们降低了毫米波小区等小小区中的波束检测开销(时间和信令)。这进而实现了针对毫米波小区中的ue的免竞争随机接入，避免了毫米波小区中的不同ue之间的波束冲突，并提供了一种有效的波束跟踪方式来供ue维护与小小区enb的通信。

异构网络(heterogeneousnetwork，hetnet)可包括宏小区和毫米波小小区。宏小区是移动电话网络中的小区，移动电话网络提供由大功率蜂窝基站(宏enb)在很大的区域范围(例如几十公里)内服务的无线覆盖区域。一般而言，宏小区提供的覆盖区域大于小小区提供的覆盖区域。宏小区基站(宏节点)的功率输出通常为数十瓦特。小小区是在范围为10米到1或2公里的授权和未授权频谱中操作的低功率无线接入节点。由于移动运营商竭力支持移动数据流量的增长，所以许多移动运营商正使用移动流量分流来更有效地使用无线频谱。小小区是数据分流的至关重要的元素，相比于仅使用宏小区，许多移动网络运营商认为小小区对于更有效地管理频谱至关重要。

宏小区可以是大功率低频率宏小区，小小区可以是低功率高频率小小区，例如毫米波小小区。宏小区可通过3g、4g或5g网络进行操作。

在一些实施例中，在小小区(例如毫米波)enb与ue之间建立通信之前，必须确定ue和毫米波小小区enb的波束方向。

图1a示出了用于异构网络中的波束检测和波束跟踪的方法100。

在步骤102和104中，ue根据传统过程，例如3g网络或4g网络中的随机接入过程，在宏小区中，即在宏enb(宏节点)与ue之间，执行随机接入过程。例如，ue通过在资源(例如时间、频率、波束等)处的宏小区的物理随机接入信道(physicalrandomaccesschannel，prach)上发送随机接入信号，例如随机接入信道(randomaccesschannel，rach)前导，来向宏小区enb(宏小区节点)发起随机接入过程。作为响应，宏enb在资源处的宏小区的物理下行共享信道(physicaldownlinksharedchannel，pdsch)上向ue发送随机接入响应信号，即随机接入响应，使得ue能够与宏enb通信。

在步骤106中，宏enb向ue提供小小区的通用配置信息，例如毫米波小小区的通用配置信息。在一些实施例中，宏enb向ue提供小小区的参考信号信息(例如参考信号的数量、参考信号集等)和小小区发出的波束的信息(例如波束数量、波束索引等)。ue可基于宏小区的时间信息或者参考信号(同步信号)是否已发出来获得小小区enb(小小区节点)的粗略时间信息。在各实施例中，宏enb向ue提供多个(相邻)小小区的通用配置信息。

在一些实施例中，宏enb在宏小区的物理广播信道(physicalbroadcastchannel，pbch)上向ue发送具有小小区enb的配置信息的广播信号。在其它实施例中，宏enb提示小小区enb向ue提供小小区配置信息。例如，ue可以通过小小区的pbch信道从小小区enb获得信息(广播信号)。宏enb可同时或者在ue接收小小区配置信息之前执行步骤102和104。

在步骤108中，小小区enb在所有波束中周期性地发送参考信号或下行同步信号。小小区enb处的波束可通过具有大量天线振子的天线阵列形成。在一些实施例中，毫米波频率的小波长可有助于以紧凑的形式使用大量天线振子。所述大量天线振子可合成并形成与大阵列增益对应的高度方向性波束。这些波束可集中于各方向上的信号传输和接收，ue可连接到需要的方向以便克服不利的路径损耗。

小小区enb可形成n个波束。在一些实施例中，当无线网络在时分调制(timedivisionmodulation，tdm)方式下操作时，参考信号可在n个时隙中发送。在每个时隙中，参考信号在一个波束方向发送。ue可检测参考信号以得到n个(例如连续的)时隙中的不同波束，并且可确定n个波束中的每个波束的小小区波束索引。ue可根据波束的信号质量(例如信噪比(signal-noise-ration，snr)、参考信号接收功率(referencesignalreceivedpower，rsrp)或参考信号接收质量(referencesignalreceivedquality，rsrq))来对波束进行排序。

在步骤110中，ue检测到小小区波束中的一个或多个，并通过向宏enb发送时间戳(时隙索引)以及一个小小区索引或多个小小区索引(若存在不止一个小小区)来反馈(例如报告)有利波束(例如具有最佳snr、rsrp或rsrq的波束)。如果小小区enb能够同时形成不止一个波束并在不同波束方向同时发送参考信号，则ue还报告波束索引以及时间戳和小小区索引。在一些实施例中，ue可仅向宏enb报告质量良好或质量最佳的波束(仅一个)。在各种实施例中，ue可在上行控制信道(例如pucch)中报告信道质量指示(channelqualityindicator，cqi)信息和时间索引。

在步骤112中，宏enb配置小小区enb，使得小小区enb在指定时隙中的一个或多个指定波束(rx波束)中监听ue。例如，宏enb通知小小区enb准备针对对应波束在指定时隙中从ue接收检测信号。该对应波束可以是对于ue来说质量最佳(例如最佳接收器snr、rsrp或rsrq)的波束。小小区enb将在该指定时隙中监听ue发送的接入检测信号(rach)。

在步骤114中，宏enb将时隙和rach前导序列分配给ue，用于到小小区enb的随机接入。

在步骤116中，ue随后在小小区的prach上、在步骤114中的宏enb分配的专用时隙中向小小区enb发送随机接入检测信号(例如rach前导)。在步骤118中，小小区enb在指定波束中向ue发送随机接入响应信号。随机接入响应(randomaccessresponse，rar)在pdsch信道中的所分配波束的下行链路中发送。

在各实施例中，当不止一个ue被分配给单个波束时，宏enb将确保免竞争接入。例如，如果两个ue被分配给同一个波束，则宏enb将为每个ue分配不同的时隙或不同的rach前导以供随机接入。或者，宏enb可以仅仅是为另一个波束重新分配一个ue。在最后一个步骤，即步骤120中，小小区enb和ue交换上行或下行数据。

在一些实施例中，方法100的异构无线网络可在码分调制(codedivisionmodulation，cdm)方式下操作。在本实施例中，步骤102至106如上所述执行。但是在步骤108中，小小区enb在所有波束中周期性地发送参考信号或下行同步信号。参考信号可在n个正交码中作为波束签名发送。每个波束具有长度为n的唯一正交码。同步签名可以是zadoff-chu序列或其它正交序列。小小区enb可同时发出这些参考信号。

ue可通过对不同编码进行解码以及确定n个波束中的每个波束的波束索引来检测参考信号。然后，ue确定针对各个小小区的具有有利信号质量(例如snr、rsrp或rsrq)的波束，并且在步骤110中，通过向宏enb发送多个波束索引(或者在仅报告一个有利波束时仅一个波束索引)以及一个小小区索引或多个小小区索引来报告这些有利波束。在一些实施例中，ue可仅将质量良好或质量最佳的波束报告给宏enb。

对于tdm方式下的方法，步骤112至120同样执行。但是，如果不止一个ue被分配给同一个波束，则宏小区enb将为每个ue分配不同的签名用于rach。

在一些实施例中，方法100的异构无线网络可在频分调制(frequencydivisionmodulation，fdm)方式下操作。在本实施例中，步骤102至106如上所述执行。但是在步骤108中，小小区enb在不同资源块(例如物理资源块(physicalresourceblock，prb))中周期性地发送参考信号或下行同步信号。不同波束通过不同参考信号或同步信号来标识。针对每个资源块执行不同的数字波束成形(对应于不同的波束方向)。小小区enb可同时发出这些参考信号。然后，ue检测并确定具有有利质量(例如snr、rsrp或rsrq)的波束(资源块)，并且在步骤110中，通过向宏enb发送具有对应cqi的资源块的索引来报告波束的质量。

在一些实施例中，ue可仅将质量良好或质量最佳的波束报告给宏enb。在一些实施例中，ue在处于空闲(idle)模式或连接(connected)模式下时可周期性地进行小小区波束检测。ue可针对不同(或所有)波束周期性地监控小小区下行链路。这些不同波束可以是早前被确定为良好质量波束的波束。一旦ue确定了一个较好的波束，ue就可向宏enb节点返回该较好波束的小小区波束索引和时间戳(tdm方式)、波束签名索引(cdm方式)或资源块索引(fdm方式)以及cqi信息。宏enb节点可与小小区enb协调波束切换以维护和跟踪小小区enb与ue之间的数据链路。协调波束切换可意味着宏enb节点通过通知小小区enb和ue来向ue分配新波束。

在一些实施例中，宏enb可协调对小小区的接入，以便能够实现若干ue的免竞争接入。例如，如果多个ue想要接入同一个小小区波束，则宏enb可以为每个ue分配一个正交资源(在时域、频域或码域中)来发送rach以避免竞争。

在一些实施例中，宏enb可协调对小小区的接入，以便能够缓解流量拥塞。例如，通过使小小区enb发送的参考信号在已忙于一个或多个ue的波束方向中静默，可以避免波束冲突。只要被占用的波束忙于ue，宏enb就可以指示小小区enb停止在该波束中发送下行参考信号。或者，被占用波束的参考信号可以是有变化的参考信号，以便使ue知道该波束已被占用。因此，ue可避免接入这些波束。

图2a至图2c示出了具有宏小区210以及毫米波小区等小小区220的异构网络(heterogeneousnetwork，hetnet)200。宏小区基站214(例如宏小区enb)覆盖宏小区210，小小区基站224(例如小小区enb)覆盖小小区220。宏小区210覆盖多个(相邻)小小区220。图2a示出了ue230如何建立与宏小区基站214的初始通信。初始通信可通过图1的实施例的步骤102至106来进行，包括宏enb214向ue提供小小区220的通用配置信息。

图2b示出了ue230如何检测、确定并评估小小区基站224的波束226以及ue230如何将波束226的质量报告给宏小区基站214。这可通过图1的实施例的步骤108至120来进行。小小区enb224可在波束中周期性地发送参考信号。例如，ue检测来自多个小小区220的小小区波束，并通过向宏enb214发送时间戳和小小区索引来反馈有利波束。宏enb214配置小小区enb224之一，使得小小区enb224在指定波束(基于最有利的波束)和指定时隙中监听ue。ue通过交换指定波束和时隙中的接入信号来建立连接。在一些实施例中，在若干波束与(单个)小小区enb224之间建立连接。或者，宏enb214配置若干(例如两个或多个(相邻))小小区enb224，使得这些小小区enb224在指定波束和指定时隙中监听ue230。通过在指定波束和时隙中交换接入信号，在ue与两个或更多相邻小小区enb224的若干波束之间建立连接。

图2c示出了宏小区enb214如何配置小小区enb224以及ue230和小小区enb224如何在宏小区基站214的帮助下通过指定波束228或229通信。图2c示出了宏小区enb214如何针对两个相邻小小区enb224之间的ue230来协调波束切换(波束跟踪)以便维护ue230的良好通信链路。如果ue230用来进行通信的波束228的质量下降，或者如果ue230发现其当前传送的波束229的质量优于波束228，则ue230可能想要切换到这个质量更好的波束。ue230可连续或按需监控和测量其它波束并将质量最佳的波束报告给宏小区enb214。如果发现更好的波束，则宏enb214可将这个更好的波束分配给ue230，例如通过将波束229分配给ue。接入过程可如结合图1的实施例中的步骤112至120所述来执行。在一些实施例中，所分配的波束229可属于一个不同的小小区enb224(例如相邻enb)。

波束切换过程可在同一个小小区内或在相邻小小区之间执行。在各实施例中，ue可同时切换多个波束(即，不止一个波束)。在其它实施例中，ue切换部分波束，但是将部分波束保持在同一个小小区内或不同小小区之间。

在一些实施例中，不仅小小区enb形成波束，ue也可以形成波束。ue处的波束可通过具有一对天线振子的天线阵列形成。与小小区enb一样，ue的天线振子可合成并形成高度方向性波束。这些波束可集中于小小区enb的方向上的信号传输和接收。ue确定小小区enb中的以及ue中的良好或最佳波束。因此，这会使ue花更多的时间来完成波束检测。例如，在一些实施例中，如果ue能够形成m个波束且小小区enb能够形成n个波束，则在tdm方式下，ue将需要nxm个时隙来完成检测。

虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不意图限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明其它实施例。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。