一种多波束随机接入方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种多波束随机接入方法。

背景技术：

为了大幅度提高系统的频谱效率，Massive MIMO技术已经成为第五代移动通信(The 5^th Generation，简称5G)中的一项关键技术。Massive MIMO技术通过在基站端配备大规模的天线阵列，利用空分复用的原理，可以同时服务多个用户。由于大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，能够成倍的提升小区的总谱效率和边缘用户频谱效率。

在传统的LTE网络中，系统广播以及随机接入都是基于基站和用户端的全向或扇区化天线图样。用较粗的波束进行广播来保证小区中的所有用户都能够可靠的接收。在随机接入过程中，eNodeB也会用全向天线来检测不同方向用户发送的Preamble信号。但是在Massive MIMO系统中，大规模天线阵列形成的是高度定向的窄波束，在提升系统性能的同时会给广播信道和随机接入过程带来一定的问题。

Massive MIMO会在基站端配备数百根天线的大规模阵列，为了获得高的波束赋形增益，Massive MIMO形成的都是高度定向的窄波束，能够显著增加接收信号的信噪比，但是会对广播信道和随机接入过程带来以下两个问题：

对于广播信道而言：基站面向小区的所有用户进行广播，此时希望小区的所有用户都能够可靠的接收广播信息，尤其是对于小区边缘用户。但是，由于大规模天线阵列的窄波束无法很好的对整个小区进行覆盖，全部小区或扇区的用户无法同时接收到同一个方向上发送的系统的同步和广播信息，从而对系统的性能和网络规划带来影响。

对于随机接入而言：用户在初始接入或者切换时，无法知道与天线的最优的收发波束方向，从而对随机接入性能产生比较大的影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种多波束随机接入方法，包括：UE接收基 站采用多个波束在多个方向上周期性发送的同步信号和/或系统广播信号，将其中具有最佳链路质量的基站波束信号确定为基站侧最佳发送波束；UE在随机接入发送Preamble序列时将所述基站侧最佳发送波束信息反馈给所述基站；所述基站获取UE反馈的基站侧最佳发送波束信息，并采用所述基站侧最佳发送波束向所述UE发送随机接入响应和/或竞争决策消息。

进一步地，还包括：所述基站采用全向接收模式或者采用所述基站侧最佳发送波束接收所述UE后续发送的消息。

进一步地，还包括：所述基站在接收所述Preamble序列时，还比较基站不同接收波束上的接收信号质量并确定出关于所述UE的基站侧最佳接收波束；所述基站采用所述基站侧最佳接收波束接收所述UE后续发送的消息。

进一步地，所述UE采用多波束接收所述基站消息，所述方法还包括：所述UE比较UE不同接收波束上的接收信号质量，并确定出关于所述基站的UE侧最佳接收波束；所述UE采用所述UE侧最佳接收波束接收所述基站后续发送的消息。

进一步地，还包括：所述UE采用全向发送模式或者采用所述UE侧最佳接收波束向所述基站发送后续消息。

进一步地，所述UE采用多波束向所述基站发送消息，所述方法还包括：所述基站比较来自所述UE的不同波束的信号质量，确定UE侧最佳发送波束并在随机接入响应中反馈给所述UE；所述UE获取基站侧反馈的所述UE侧最佳发送波束信息；所述UE采用所述UE侧最佳发送波束向所述基站发送后续消息。

进一步地，所述基站和/或UE的多波束分别具有各自的唯一标识，各发送波束在其发送的消息中携带所述标识。

进一步地，所述基站在各发送波束中携带所述标识的方式包括以下至少之一：用所述标识对辅同步信号SSS进行加扰；用所述标识对CRS进行加扰；在MIB的10个预留比特中标注所述标识；在SIB信息标注所述标识。

进一步地，所述UE通过以下至少之一方式获取所述标识：通过对SSS的成功解码获取；通过对CRS的成功解码获取；通过解码MIB信息来直接获取；通过解码SIB信息来直接获取。

进一步地，所述UE将所述基站侧最佳发送波束信息反馈给所述基站通过 明示方式或暗示方式进行。

进一步地，所述暗示方式包括：所述基站根据其各发送波束将用于随机接入的Preamble序列进行分组，并在SIB信息中进行广播；所述UE在所述基站侧最佳发送波束对应的Preamble序列集合中选择一个用于随机接入请求；所述基站成功解码所述UE发送的Preamble从而获取所述基站侧最优发送波束信息。

本发明可以用于Massive MIMO系统，不仅使得同步和系统广播信息能够覆盖整个小区或扇区，同时在随机接入过程中也能够利用Massive MIMO较高的波束赋形增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出方法的基本流程框图；

图2为本发明实施例1的多波束系统广播示意图；

图3为本发明实施例3的多波束随机接入示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提出一种多波束随机接入方法，请参考图1，包括：UE接收基站采用多个波束在多个方向上周期性发送的同步信号和/或系统广播信号，将其中具有最佳链路质量的基站波束信号确定为基站侧最佳发送波束；UE在随机接入发送Preamble序列时将所述基站侧最佳发送波束信息反馈给所述 基站；所述基站获取UE反馈的基站侧最佳发送波束信息，并采用所述基站侧最佳发送波束向所述UE发送随机接入响应和/或竞争决策消息。

在一个可选实施例中，还包括：所述基站采用全向接收模式或者采用所述基站侧最佳发送波束接收所述UE后续发送的消息。

在一个可选实施例中，还包括：所述基站在接收所述Preamble序列时，还比较基站不同接收波束上的接收信号质量并确定出关于所述UE的基站侧最佳接收波束；所述基站采用所述基站侧最佳接收波束接收所述UE后续发送的消息。

在一个可选实施例中，所述UE采用多波束接收所述基站消息，所述方法还包括：所述UE比较UE不同接收波束上的接收信号质量，并确定出关于所述基站的UE侧最佳接收波束；所述UE采用所述UE侧最佳接收波束接收所述基站后续发送的消息。

在一个可选实施例中，还包括：所述UE采用全向发送模式或者采用所述UE侧最佳接收波束向所述基站发送后续消息。

在一个可选实施例中，所述UE采用多波束向所述基站发送消息，所述方法还包括：所述基站比较来自所述UE的不同波束的信号质量，确定UE侧最佳发送波束并在随机接入响应中反馈给所述UE；所述UE获取基站侧反馈的所述UE侧最佳发送波束信息；所述UE采用所述UE侧最佳发送波束向所述基站发送后续消息。

在一个可选实施例中，还包括：所述UE采用全向接收模式或者采用所述UE侧最佳发送波束接收所述基站后续发送的消息。

在一个可选实施例中，所述基站和/或UE的多波束分别具有各自的唯一标识，各发送波束在其发送的消息中携带所述标识。

在一个可选实施例中，所述基站在各发送波束中携带所述标识的方式包括以下至少之一：用所述标识对辅同步信号SSS进行加扰；用所述标识对CRS进行加扰；在MIB的10个预留比特中标注所述标识；在SIB信息标注所述标识。

在一个可选实施例中，所述UE通过以下方式至少之一获取所述标识：通过对SSS的成功解码获取；通过对CRS的成功解码获取；通过解码MIB信息来直接获取；通过解码SIB信息来直接获取。

在一个可选实施例中，所述UE将所述基站侧最佳发送波束信息反馈给所述基站通过明示方式或暗示方式进行。

在一个可选实施例中，所述暗示方式包括：所述基站根据其各发送波束将用于随机接入的Preamble序列进行分组，并在SIB信息中进行广播；所述UE在所述基站侧最佳发送波束对应的Preamble序列集合中选择一个用于随机接入请求；所述基站成功解码所述UE发送的Preamble从而获取所述基站侧最优发送波束信息。

实施例1

如图1所示，在eNodeB端配备扇区化的大规模天线阵列。假设eNobeB需要N(图中N＝9)个波束才能覆盖整个扇区，为了使覆盖扇区的所有用户都能够可靠的接收到eNodeB发送的同步和系统信息，可以按照波束扫描的方式，利用不同指向的波束在多个方向上周期性重复的发送同步信号和系统广播信息。因此就需要通过多个无线帧重复发送同步信号或系统广播信息来实现窄波束对整个扇区的覆盖。假设每个波束都有一个唯一的身份标识，称为波束ID，记为或例如图中的B0～B8。每个波束在发送同步信息或系统广播信息的时候同时携带各自的波束ID。这样UE在接收同步信号或者系统广播的时候就能够知道相关的信息是通过哪个波束接收的。同一个UE可能接收到来自多个波束的多个信息，此时UE可以比较来自不同波束的信号接收功率，选择具有最佳链路质量的波束ID，记为在之后的随机接入过程中，UE在发送Preamble序列的时候，可以通过合适的方式将反馈给eNodeB。

若UE端采用全向天线图样进行数据收发。UE需要重复发送N次Preamble序列，以保证eNodeB在某一个或某几个波束方向上可靠接收到UE发送的Preamble信息。eNodeB在解码Preamble的同时，不仅能够从反馈信息中获得关于该UE的最佳发送波束同时通过比较不同波束方向上的接收信号质量，还能够得知关于该UE的最佳接收波束eNodeB采用接收该UE的后续消息，采用向该UE发送后续消息。

若UE端可以产生M个发送波束，首先在接收系统广播信息的时候，可以比较不同波束上接收信号的质量，将接收质量最好的波束即为最佳的接收波束UE可以采用接收该基站的后续消息。在给基站反馈的同时UE还隐含自己的发送波束ID。此时eNodeB在检测来自UE的Preamble序列 时，完成三件事情：1)从反馈信息中获得eNodeB关于UE的最佳发送波束2)通过比较来自不同UE波束的信号质量，决策出UE的最佳发送波束并在之后的随机接入响应中反馈给UE。UE收到该反馈后，可以使用向该基站发送后续消息。

通过这样的广播和随机接入过程，UE不仅能够成功得接入到网络中，还能够和eNodeB训练好最优的收发波束方向，用于之后的数据和信号传输。

实施例2

假设eNodeB需要N＝9个波束对120°扇区进行全部覆盖。基站的射频链路可以支持同时发射3个方向的波束，eNodeB就需要三次扫描来覆盖整个扇区。每次发送采用三个不同的波束，每个波束携带相同的信息，但同时要标注各自的波束ID。eNodeB可以通过4种方式在发送波束中携带各自的波束ID：1)用波束ID对辅同步信号SSS进行加扰；2)用波束ID对CRS进行加扰；3)在MIB的10个预留比特中标注波束ID；4)在SIB信息标注波束ID。对于方式1，UE通过对SSS的成功解码获取波束ID。对于方式2，仅仅用波束ID对PBCH占据的中心1.08MHz带宽内的CRS进行加扰，UE通过对CRS的成功解码来获取波束ID。对于方式3和方式4则是通过解码MIB信息和SIB信息来直接获取波束ID。

假设UE采用全向天线进行收发信号。首先在接收广播阶段，UE会比较不同eNodeB波束方向上的信号质量，并选出接收质量最好的信号对应的波束作为eNodeB的最佳发送波束除去用于非竞争接入的Preamble序列，eNodeB根据不同的波束ID，将用于竞争接入的Preamble序列进行分组，并在SIB信息中进行广播。UE会在对应的Preamble序列集合中选择一个用于随机接入请求。此时eNodeB会保持全向接收模式，当成功解码Preamble之后就可以获取关于该UE的最优发送波束在随后发送随机接入响应和竞争决策消息时就可以采用最佳的发送波束进行发送，而在接收UE发送的RRC消息时，则采用全向接收模式，或者根据收发波束的对称性，用进行接收。

实施例3

由于空间角扩散的对称性，对于某一个UE，eNodeB的最佳收发波束方向是一致的，即若UE采用定向传输方式时，该结论也是 成立的。因此仅仅需要确定各自的最佳发送波束ID或者最佳接收波束ID即可。

请参考图3，假设eNodeB端的大规模天线需要N＝9个波束对120°扇区进行有效覆盖。基站的射频链路可以支持同时发射3个方向的波束，eNodeB就需要三次扫描来覆盖整个扇区，每次扫描采用三个波束。此时eNodeB通过每个波束发送的信号都一样，并且不会在发送波束中标识各自的波束ID。

假设UE端的天线能够形成M个不同方向的波束。在接收同步信息和系统广播信息的时候，UE会比较不同波束方向上的接收信号质量，将接收信号质量最好的波束最为UE的最佳收发波束，记为

在发起随机接入时，UE首先从用于竞争接入的Preamble序列集合中随机选择一个，通过进行发送，同样需要重复发送3次。

eNodeB可能在多个波束方向上检测到UE发送的Preamble，同样,eNodeB会比较不同波束方向上的接收信号质量，将接收信号质量最好的波束作为eNodeB的最佳收发波束，记为之后eNodeB会采用发送随机接入响应消息，UE则采用的进行接收。在接收到随机接入响应之后，UE会通过发送RRC信息，eNodeB同样通过进行接收。并用发送竞争决策消息，当UE通过接收到成功接入消息时，完成随机接入过程。

通过以上各实施例可以看出，采用本发明提出的可用于Massive MIMO中的多波束接入方法，UE和eNodeB能够利用高增益的窄波束高效的完成信道接入。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。