基于差分波束的随机接入方法、基站设备及用户设备与流程
本发明涉及移动通信领域，具体而言，本发明涉及基于差分波束的随机接入方法、基站设备及用户设备。
背景技术：
随着信息产业的快速发展，特别是来自移动互联网和物联网(iot,internetofthings)的增长需求，给未来移动通信技术带来前所未有的挑战。如根据国际电信联盟itu的报告itu-rm.[imt.beyond2020.traffic]，可以预计到2020年，移动业务量增长相对2010年(4g时代)将增长近1000倍，ue(userequipment，用户设备)连接数也将超过170亿，随着海量的iot设备逐渐渗透到移动通信网络，连接设备数将更加惊人。为了应对这前所未有的挑战，通信产业界和学术界已经展开了广泛的第五代移动通信技术研究(5g)，面向2020年代。目前在itu的报告itu-rm.[imt.vision]中已经在讨论未来5g的框架和整体目标，其中对5g的需求展望、应用场景和各项重要性能指标做了详细说明。针对5g中的新需求，itu的报告itu-rm.[imt.futuretechnologytrends]提供了针对5g的技术趋势相关的信息，旨在解决系统吞吐量显著提升、用户体验一致性、扩展性以支持iot、时延、能效、成本、网络灵活性、新兴业务的支持和灵活的频谱利用等显著问题。
随机接入(randomaccess)过程是无线通信系统中的重要步骤，用于ue与基站间建立上行同步，以及基站为ue分配用于识别ue的id等。随机接入的性能直接影响到ue的用户使用体验。传统的无线通信系统，如lte以及lte-advanced中，随机接入过程被应用于如建立初始链接、小区切换、重新建立上行链接、rrc连接重建等多个场景，并根据ue是否独占前导序列资源划分为基于竞争的随机接入(contention-basedrandomaccess)以及基于非竞争的随机接入(contention-freerandomaccess)。由于基于竞争的随机接入中，各个ue在尝试建立上行链接的过程中，从相同的前导序列资源中选择前导序列，可能会出现多个ue选择相同的前导序列发送给基站，因此冲突解决机制是随机接入中的重要研究方向，如何降低冲突概率、如何快速解决已经发生的冲突，是影响随机接入性能的关键指标。
lte-a中基于竞争的随机接入过程分为四步，如图2所示。第一步中，ue从前导序列资源池中随机选择一个前导序列，发送给基站。基站对接入信号进行相关性检测，从而识别出ue所发送的前导序列；第二步中，基站向ue发送随机接入响应(randomaccessresponse,rar)，包含随机接入前导序列标识符、根据ue与基站间时延估计所确定的定时提前指令、临时小区无线网络临时标识(cell-radionetworktemporaryidentifier,c-rnti)，以及为ue下次上行传输所分配的时频资源；第三步中，ue根据rar中的信息，向基站发送消息3(msg3)；msg3中包含用于终端标识以及rrc链接请求等信息，其中，该终端标识是ue唯一的，用于解决冲突；第四步中，基站向ue发送冲突解决标识，包含了冲突解决中胜出的ue的终端标识。ue在检测出其标识后，将临时c-rnti升级为c-rnti，并向基站发送ack信号，完成随机接入过程，并等待基站的调度。否则，ue将在一段延时后开始新的随机接入过程。
对于基于非竞争的随机接入过程，由于基站已知ue标识，可以为ue分配前导序列。因此ue在发送前导序列时，不需要随机选择序列，而会使用分配好的前导序列。基站在检测到分配好的前导序列后，会发送相应随机接入响应，包括定时提前以及上行资源分配等信息。ue接收到随机接入响应后，认为已完成上行同步，等待基站的进一步调度。因此，基于非竞争的随机接入过程仅包含两个步骤：步骤一为发送前导序列；步骤二为随机接入响应的发送。
毫米波通信是5g可能的一项关键技术。通过提高载波频率到毫米波频段，可用带宽将大大增加，因此能够极大的提高系统的传输速率。为对抗毫米波波段无线信道中高衰落、高损耗等特性，毫米波通信系统一般采用波束赋形(beamforming)技术，即通过使用加权因子，将波束能量集中于某一方向。进行无线通信时，基站与ue通过轮询等方式搜索出最优的波束对，从而最大化ue侧的接收信噪比。由于建立初始链接时ue与基站并不知晓最优波束对的方向，因此毫米波通信系统中随机接入面临着极大的挑战。一种可能的方式如文献[randomaccessinmillimeter-wavebeamformingcellularnetworks:issuesandapproaches]中所述，在第一步ue发送前导序列时尝试全部可能的波束配对，从中找出最优的波束对，随机接入的后续步骤中均采用该最优的波束对。该方案虽然能够在随机接入过程的第一步就得到最优的波束对，但是会导致第一步的前导序列发送与检测的时间变长，因此还有较大的性能提升空间。
综上所述，为了进一步提升毫米波通信系统在5g候选技术中的竞争力，有必要提出有效的解决毫米波系统中随机接入过程的性能的技术方案，提高毫米波通信系统中随机接入过程的性能，最终达到在ue侧为用户提供更低的接入延时和更好的接入体验的目的。
技术实现要素：
为了解决现有技术中，在基于波束赋形的毫米波通信系统中随机接入过程寻找最优波束对时需要较长时间，导致前导序列发送时间过长的问题。
本发明实施例提供了一种随机接入方法，该方法包括：
基站设备通过差分波束接收方式接收来自第一ue的前导序列；
基于前导序列，确定基站波束方向角度偏差；
根据基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，并通过调整后的基站波束向第一ue发送随机接入响应信号。。本发明实施例还提供了一种随机接入方法，该方法包括：
基站设备接收第二ue通过差分波束发送方式发送的前导序列；
基于前导序列，确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差；
向第二ue发送随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差。
本发明实施例还提供了一种随机接入方法，该方法包括：
第二ue通过差分波束发送方式向基站设备发送前导序列；
接收来自基站设备的随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差；
根据波束指示信息以及ue波束方向角度偏差进行ue波束调整，并通过调整后的ue波束发送和接收数据。
本发明实施例还提供了一种随机接入方法，该方法包括：
第二ue向基站设备发送前导序列；
接收基站设备通过基于差分波束接收方式调整后的基站波束方向发送的随机接入响应信号，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息；
通过发送能量最大的ue波束方向发送和接收数据。
本发明实施例还提供了一种用于随机接入的基站设备，该基站设备包括：
第一接收模块，用于通过差分波束接收方式接收来自第一ue的前导序列；
第一偏差检测模块，用于基于针对前导序列确定基站波束方向角度偏差；
第一调整及发送模块，用于根据基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，并通过调整后的基站波束向第一ue发送随机接入响应信号。
本发明实施例还提供了一种用于随机接入的基站设备，该基站设备包括：
第二接收模块，用于接收第二ue通过差分波束发送方式发送的前导序列；
第二偏差检测模块，用于基于前导序列，确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差；
第二发送模块，用于向第二ue发送随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差。
本发明实施例还提供了一种用于随机接入的用户设备，该用户设备包括：
第一发送模块，用于通过差分波束发送方式向基站设备发送前导序列；
第三接收模块，用于接收来自基站设备的随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差；
第三调整及收发模块，用于根据波束指示信息以及ue波束方向角度偏差进行ue波束调整，并通过调整后的ue波束发送和接收数据。
本发明实施例还提供了一种用于随机接入的用户设备，该用户设备包括：
第二发送模块，用于向基站设备发送前导序列；
第四接收模块，用于接收基站设备通过调整后的基站波束方向发送的随机接入响应信号，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息；
第四收发模块，用于通过发送能量最大的ue波束方向发送和接收数据。
本发明的一个实施例中，通过差分波束接收方式检测基站波束方向角度偏差，能够比现有技术中波束轮询的方式更快地调整基站接收波束至最优波束，即调整基站接收波束方向及调整波束宽度，在最优的基站波束方向上采用较窄的波束宽度进行后续信号的接收和发送；同时根据通过差分波束接收方式检测基站波束方向角度偏差来调整波束方向，能够提高后续步骤的接收信噪比，有利于提高随机接入过程的性能；此外，波束方向的调整还有利于降低冲突概率，因此提高了随机接入过程的性能。
本发明的另一个实施例中，基于差分波束的随机接入方式能够有效降低寻找最优发送-接收波束对所需要的时间，从而降低随机接入过程的延时，提高ue端的用户使用体验，随机接入过程的效率大大提升。
本发明的又一个实施例中，与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，在ue侧采用差分波束发送方式的随机接入过程能够缩短搜索最优波束对所需要的时间。这是由于差分波束发送方式能够以较高的精度确定角度偏差，因此ue在发送前导序列时，可以使用较宽的波束，通过随机接入响应信号中携带的ue波束方向角度偏差调整ue波束方向，并使用较窄的波束完成后续步骤信号的接收与发送。这样，ue侧发送前导序列的次数可以显著降低。
本发明提出的上述方案，对现有系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图；
图2为现有技术中基于竞争的随机接入方法的流程示意图；
图3为本发明中基于天线阵列的发射端结构示意图；
图4为本发明中基于天线阵列的接收端结构示意图；
图5为本发明中基于差分波束的随机接入过程的基本流程图；
图6为本发明一个具体实施例中在基站使用差分波束的方式接收包括前导序列的接入信号的示意图；
图7为本发明中基于差分波束的随机接入过程的基本流程图；
图8为本发明中和波束与差分波束接收能量的示意图；
图9为本发明中差分波束与和波束接收能量比值的示意图；
图10为本发明中基站对接入信号的处理流程的示意图；
图11为本发明中在多个基站波束方向上接收前导序列的示意图；
图12为本发明一个优选实施例中的基站侧接收波束扫描方式的示意图；
图13为本发明另一优选实施例中的检测到前导序列的时间的示意图；
图14为本发明一个具体实施例中基于差分波束的随机接入过程的流程图；
图15为本发明一个具体实施例中随机接入信道结构的示意图；
图16为本发明中由分量前导序列构成前导序列的示意图；
图17为本发明中对分量前导序列构成的前导序列进行检测的示意图；
图18为本发明中根据角速度调整波束宽度的流程示意图；
图19为本发明中本发明另一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图；
图20为本发明中本发明又一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图；
图21为本发明中采用差分波束发送方式发送前导序列的随机接入信道结构的示意图；
图22为本发明中基站检测前导序列的流程示意图；
图23为本发明中采用不同时频资源发送前导序列的随机接入信道结构的示意图；
图24为本发明中一个具体实施例中ue端使用差分波束发送方式以及相应帧结构的示意图；
图25为本发明一个实施例提供的基于差分波束的随机接入的基站设备的设备结构示意图；
图26为本发明另一个实施例提供的基于差分波束的随机接入的基站设备的设备结构示意图；
图27为本发明又一个实施例提供的基于差分波束的随机接入的用户设备的设备结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1为本发明一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图。
步骤s110：基站设备通过差分波束接收方式接收来自第一ue的前导序列；步骤s120：基于前导序列，确定基站波束方向角度偏差；步骤s130：根据基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，并通过调整后的基站波束向第一ue发送随机接入响应信号。
优选地，在步骤s110中，基站设备在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束来接收来自第一ue的前导序列。
优选地，步骤s110包括步骤s111和步骤s112；步骤s111：基站设备通过差分波束接收方式接收来自第一ue的接入信号；步骤s112：对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定接入信号包括任一前导序列。
优选地，在步骤s120中，基于针对前导序列的相关性检测结果进行基站波束方向偏差检测，以确定基站波束方向角度偏差。
优选地，在步骤s112中，在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测。
优选地，和波束采用和波束权重系数作为波束赋形权重系数，且差分波束采用差分波束权重系数作为波束赋形权重系数。
更优选地，和波束权重系数分为第一和波束部分及第二和波束部分，且差分波束权重系数分为第一差分波束部分及第二差分波束部分；其中，第一和波束部分与第一差分波束部分相同，且第二差分波束部分中的多个元素为第二和波束部分中相应元素的相反数。
优选地，和波束权重系数通过下式表示：
其中，nsum为采用和波束权重系数的接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向，d为和波束阵列天线阵元间的间距，λ为发送信号波长；和波束权重系数为nsum维向量，其中第n个元素为
1≤n≤nsum；
差分波束权重系数通过下式表示：
其中，ndif为采用差分波束权重系数的发送阵列所用的天线数，nsum＝ndif；
差分波束权重系数为ndif维向量，其中，差分波束权重系数的前ndif/2个元素与和波束权重系数的前nsum/2个元素相同，差分波束权重系数的后ndif/2个元素为和波束权重系数的后nsum/2个元素的相反数。
优选地，在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测，包括：
在多个基站波束方向上通过和波束对接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第一相关性检测结果；在多个基站波束方向上通过差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定针对任一前导序列的第二相关性检测结果；若判断在至少一个基站波束方向上第一相关性检测结果和/或第二相关性检测结果满足第一判定条件时，确定在至少一个基站波束方向上检测到接入信号包括任一前导序列。
其中，第一判定条件包括以下至少任一项：
第一相关性检测结果大于第一阈值，且第二相关性检测结果大于第一阈值；
第一相关性检测结果大于第二阈值；
第二相关性检测结果大于第二阈值；
其中，第一阈值小于第二阈值。
其中，基于针对前导序列的相关性检测结果进行基站波束方向偏差检测，以确定基站波束方向角度偏差，包括：
在接收到任一前导序列的至少一个基站波束方向中选择接收能量最大的基站波束方向；基于在接收能量最大的基站波束方向上第一相关性检测结果及第二相关性检测结果来确定基站波束方向角度偏差。
其中，根据基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，包括：
根据基站波束方向角度偏差对基站波束方向及基站波束宽度进行调整。
其中，在基站波束方向上使用第一波束宽度进行前导序列的接收与相关性检测；在调整后的基站波束方向上使用第二波束宽度进行随机接入响应信号的发送；第一波束宽度不小于第二波束宽度。
优选地，该方法还包括步骤s140；步骤140：通过调整后的基站波束接收第一ue通过基于波束指示信息及ue波束方向角度偏差调整后的ue波束发送的消息3，并通过调整后的基站波束发送相应的冲突解决方案。
优选地，该方法还包括步骤s100；步骤s100：基站设备发送波束配置信息；其中，波束配置信息至少包括以下之一：ue是否采用差分波束发送方式的指示信息；ue发送前导序列所采用的波束宽度以及ue发送后续数据所采用的波束宽度；ue波束扫描周期；基站波束扫描周期。
优选地，波束配置信息还包括：基站是否采用差分波束接收送方式的指示信息。
本发明的实施例中，在工作于毫米波段的系统中，基站和ue均采用如图3所示的基于天线阵列的发射机结构及如图4所示的基于天线阵列的接收机结构。如图3所示，经过基带处理后的每条链路经过上变频与dac(digital-to-analogconverter,数字-模拟转换器)与一个由nst个天线单元组成的天线阵列相连，天线阵列中的各个天线仅能调整相位。通过调整相位，天线阵列可以形成合适方向的波束，完成毫米波系统的波束赋形。图4所示的接收机结构与图3相似，每个基带链路与一个由nsr个天线单元组成的天线阵列相连，天线单元仅能调整相位，通过调整相位，天线阵列可以将接收波束调整到合适的方向，以增强接收信噪比。对于工作于毫米波波段的通信系统依赖于波束赋形，相互匹配的波束赋形能够提供最大的接收信噪比。因此，对于毫米波通信系统来说，随机接入除要完成上行同步与定时提前的估计外，还需要确定最优的发送、接收的波束对，即确定相应的波束赋形系数。
图5为本发明中基于差分波束的随机接入过程的基本流程图。
如图5所示，随机接入过程分为四个步骤：
步骤一，ue向基站发送前导序列，ue采用差分波束发送方式，基站使用差分波束接收方式。基站能够根据差分波束接收能量与和波束接收能量的比值计算结果确定基站波束方向角度偏差，并依据该基站波束方向角度偏差调整基站波束方向用于后续步骤的数据发送与接收；同时根据接收到的ue所发送的差分波束能量与和波束能量，确定ue波束方向角度偏差，用于ue波束方向的调整。
基站计算和接收波束和差分接收波束接收到的ue所发送的差分波束的能量与和波束的能量；其中，接收能量可以用前导序列的相关性检测值表征；从而得到ue发送的差分波束能量与和波束能量比值。通过查表等方式得到ue实际发送方向与该ue使用波束方向间的偏差。
步骤二，基站根据步骤一中确定的基站波束方向角度偏差来调整基站波束，并通过调整后的基站波束来发送随机接入响应(rar)，其中，调整后的基站波束为最优基站波束；此外，基站将步骤一中得到的发送能量最大的ue波束方向，即最优ue波束方向以及ue波束方向角度偏差与rar一起发送给ue。
步骤三，ue根据接收到的最优ue波束方向以及ue波束方向角度偏差来调整ue波束，发送msg3，其中，调整后的ue波束为最优ue波束；基站根据步骤一中所确定的调整后的基站波束接收msg3。
步骤四，基站根据步骤一中所确定的调整后的基站波束发送冲突解决方案，ue根据步骤二中的所确定的调整后的ue波束接收冲突解决方案。
在上述步骤中，最优ue波束与最优基站波束组成最优ue-基站波束对。
上述步骤中，ue与基站均使用了差分波束方案。需要说明的是，可以仅在基站或ue一端使用差分波束方案，另一侧仍然可以使用传统的波束轮询的方案。由于使用了差分波束方案，上述随机接入过程能够缩短最优波束对选择的过程，同时降低冲突发生的概率，从而能够提高基于波束赋形的毫米波通信系统中随机接入过程的性能。
图5所示随机接入流程适用于基于竞争的随机接入过程。对于基于非竞争的随机接入过程，虽然ue所发送的前导序列是基站所分配的，但是仍然需要确定基站与ue之前的最优ue-基站波束对，因此在确定最优ue-基站波束对时，仍然可以采用本方案所提供的基于差分波束的方式来完成。
在本发明的第一具体应用场景中，图6为本发明一个具体实施例中基站侧用差分波束的方式接收包括前导序列的接入信号的示意图。
第一ue向基站发送接入信号，基站在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束来接收来自第一ue的接入信号；随后，在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测；当检测到接入信号包括前导序列，则基于前导序列相关性检测结果进行基站波束方向偏差检测，以确定基站波束方向角度偏差；根据基站波束方向角度偏差进行基站波束方向调整，并通过调整后的基站波束方向向第一ue发送随机接入响应信号。
本实施例中的前导序列在随机接入信道中传输。考虑到毫米波系统的可用带宽普遍较大，为便于基站检测，随机接入信道放置于上行可用带宽的中间，频域上占用6个资源块(resourceblock，rb)，时间上持续一个或数个子帧。随机接入信道由序列本身、循环前缀与保护间隔三部分组成。图7所示为持续一个子帧的随机接入信道的示意图。
其中，第一ue在多个ue波束方向上发送相同或不相同的前导序列。若发送不相同的前导序列，将可用前导序列集合分为多个不相交的子集，每个ue波束从一个子集中选择一个前导序列进行发送。如图6所示，第一ue在三个ue波束方向上进行前导序列的发送，则将可用前导序列集合∑划分为三个不相交的子集∑1，∑2，∑3，满足：
σ1uσ2uσ3＝σ公式2)；
优选地，可以对公式2)进行调整，将各个子集的并集作为前导序列集合∑的子集，可预留一部分前导序列用于例如基于非竞争的随机接入过程。
第一ue使用第一个方向的波束发送前导序列时，从子集σ1中随机选择；使用第二个方向的波束发送前导序列时，从子集σ2中随机选择；使用第三个方向的波束发送前导序列时，从子集σ3中随机选择。
在本实施例中，使用相同的前导序列时，ue每次随机接入仅需选择一个前导序列，前导序列的利用率较高，同时基站对每个前导序列做相关性检测的复杂度较低，但前导序列较长。使用不同的前导序列时，基站的检测复杂度较高，但前导序列较短。
随后，基站在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束来接收来自第一ue的接入信号；具体地，基站采用两个阵列进行检测，其中一个阵列采用和波束权重系数作为波束赋形权重系数，和波束权重系数如下所示：
其中，nsum为采用和波束权重系数的接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向，d为接收阵列天线阵元间的间距，λ为接收信号波长。
另一个阵列采用差分波束权重系数作为波束赋形权重系数，差分波束权重系数如下所示：
其中，ndif为使用差分波束权重系数的接收阵列所用的天线数。两个阵列的天线数nsum和ndif可相同或不同，本实施例中假设nsum＝ndif＝n，即两个阵列使用的天线数是相同的。通过调整每个接收阵列的天线个数n，能够调整波束的宽度，从而调整波束的覆盖范围。需要说明的是，图5中的基站侧和波束接收阵列与差分波束接收阵列均可以由图4中的接收机结构中多个天线阵列组成。
在此，以第一ue配备8根天线为例，图8为和波束与差分波束接收能量的示意图。如图8所示，和波束和差分波束的指向方向是相同的，但两个波束的能量分布并不相同，故可使用两个波束接收能量的比值作为判别与中心波束方向偏差的依据。图9为差分波束与和波束接收能量比值的示意图。如图9所述，在一定角度偏差范围内，角度偏差与接收能量比值是一一对应的。在图9所示示例中，该角度偏差范围约为[-15°,15°]。若角度偏差在此范围内，可以依据接收能量比值与对应角度偏差制作查找表，根据接收能量比值从查找表中查询确定相应的角度偏差。
需要说明的是，通过使用和波束接收能量与差分波束接收能量的比值也能够获得类似的效果，但是所得到的能量比值与波束方向偏差的关系不同，所使用的查找表也不相同。
接着，在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测；具体地，图10为本发明中基站对接入信号的处理流程的示意图，如图10所示，和波束阵列与差分波束阵列都对接入信号进行前导序列相关性检测，并将和波束阵列与差分波束阵列的相关性检测的结果相结合作为最终结果来判断是否检测出前导序列。其中，相关性检测的结果具体可为检测到某一前导序列的接收能量大小。
例如，基站在连续的时域上通过多个基站波束是进行接入信号的接收及相关性检测；在某一时刻通过和波束对接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对某个前导序列的第一相关性检测结果，即针对某个前导序列的和波束接收能量为rsum；在同一时刻通过差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定针对该前导序列的第二相关性检测结果，即针对某个前导序列的差分波束接收能量rdif；若判断rsum＞η1且rsum＞η1，或rsum＞η2，或rdif＞η2,可确定检测到接入信号包括该前导序列；否则没有检测出该前导序列。其中，η1与η2分别为第一阈值和第二阈值，η1≤η2。
如图8所示，和波束与差分波束的能量分布是互补的，即和波束接收能量最大时，差分波束接收能量为零；和波束接收能量为零时，差分波束接收能量最大，该两种情况分别对应于和波束的峰值方向对准ue和差分波束的峰值方向对准ue。故对差分波束与和波束分别使用较大的第二阈值作为判别前导序列检测的依据。否则，应使用较小的第一阈值同时对差分波束与和波束做判别。第一阈值η1与第二阈值η2根据小区半径、前导序列发送过程中ue与基站用于波束赋形的天线数量、前导序列长度等因素共同决定。
若相关性检测的最终结果是未检测出任何前导序列，则不进行后续的步骤；若相关性检测的最终结果检测出一个或多个前导序列，则分别对检测出的每个前导序列做波束方向偏差检测，即根据和波束阵列相关性检测结果和差分波束阵列相关性检测结果的比值得到接收方向与阵列波束方向间的偏差。
例如，若检测到在多个基站波束方向中接收到某一前导序列时，根据在每个基站波束方向上针对该前导序列检测到的相关性检测结果，从中选择相关性检测结果最大，即接收能量最大的基站波束方向；通过计算在接收能量最大的基站波束方向上第一相关性检测结果及第二相关性检测结果的比值来确定基站波束方向角度偏差，如针对该前导序列的和波束接收能量为rsum，针对该前导序列的差分波束接收能量rdif，计算rsum与rdif的比值来确定基站波束方向角度偏差。其中，可制作差分波束接收能量与和波束接收能量比值与对应波束方向角度偏差的查找表，根据rsum与rdif的比值在查找表中进行查询以确定基站波束方向角度偏差。该基站波束方向角度偏差将用于随机接入过程后续步骤的波束方向调整修正。
为降低搜索时间，同时保证波束覆盖，基站采用一个或多个较宽的和波束/差分波束的阵列对不同的方向进行扫描。图11为在多个基站波束方向上接收前导序列的示意图，采用多个基站波束进行扫描以提高前导序列检测成功率。如图11所示，一个小区被分为三个分区，每个分区覆盖120°的范围，不同分区间相互独立。对分区1所覆盖的120°范围来说，采用四个波束宽度为30°的基站波束对进行覆盖接收；每个基站波束对均包含和波束与相同基站波束方向的差分波束。
不同的基站波束方向的基站波束对通过时分的方式区分，例如，每个基站波束方向持续扫描时间为τ，接收扫描时序如图12所示。其中，波束1-4表示用于覆盖一个分区的4个接收波束方向，即相应的和波束方向。每个波束方向的基站波束对持续扫描时间为τ，以用于扫描每个波束方向，4个波束方向均完成扫描接收后，开始下一个周期的扫描。每一波束方向的基站波束接收一个或多个随机接入子信道。
在检测确定某一前导序列的发送，且确定接收该前导序列的接收能量最大的基站波束方向以及相应的基站波束方向角度偏差。在后续的随机接入过程中，可采用波束宽度较窄的波束作为发送以及接收波束。例如，图11所示示例中，在基站波束方向上，使用第一波束宽度为30°进行前导序列的接收与相关性检测，随机接入的后续过程中，使用更窄的第二波束宽度进行随机接入响应信号的发送，例如通过增加基站天线阵元数量，将第一波束宽度调整为第二波束宽度，进行后续rar的发送，msg3的接收以及冲突解决方案的发送。
优选地，基站检测到前导序列后，能够根据前导序列的接收信号强度确定基站波束方向角度偏差，从而调整波束方向至最优波束方向，并通过下行控制信道或是下行共享信道，或是下行广播信道通知第一ue。更优选地，基站通知第一ue的方式为固定基站波束方向，第一ue根据其波束赋形系数码本遍历搜索所有方向，直到找到接收强度最大的方向为止。随机接入的后续步骤中，第一ue使用该方向波束进行信号的接收与发送。
本发明的实施例中，采用较宽的第一波束宽度的基站波束来检测前导序列，同时通过差分波束接收方式检测基站波束方向角度偏差，能够比现有技术中波束轮询的方式更快的确定到基站侧的最优波束；后续使用较窄的第二波束宽度的基站波束，同时根据通过差分波束接收方式检测基站波束方向角度偏差来调整波束方向，能够提高后续步骤的接收信噪比，有利于提高随机接入过程的性能；此外，波束方向的调整还有利于降低冲突概率，因此提高了随机接入过程的性能。
由于在前导序列检测的过程中，为提高检测的速度，采用了较宽的第一波束宽度的基站波束，故在小区覆盖上将会比传统的波束方向轮询方案略低。为增加小区覆盖，可以采用更长的前导序列。例如，若波束方向轮询方案使用波束宽度为10°的波束来覆盖120°的分区，同时使用相同的前导序列长度，则与图11所示示例相比，由于宽度较窄的波束能量更为集中，因此其所能支持的小区半径更大，但同时完成一个分区的波束方向扫描是图11所示示例的4倍。为弥补本实施例在小区覆盖上的劣势，其前导序列的长度可设置为与传统方案中前导序列的长度相比较长，如可设置为传统方案的2倍，此时波束扫描周期上，传统方案仍然是本实施例的1.5倍，由于本实施例采用了两个阵列做相关性检测，因此增加前导序列长度后，小区覆盖上将会与传统方案近似，甚至拥有更好的性能。可以采用如下多种方式加长前导序列：如重复相同的前导序列；设计更长的前导序列。
需要说明的是，虽然本实施例中所提出的方案适用于基于竞争的随机接入过程，但是通过在基站采用差分接收的方式确定基站侧的最优波束方向也同样适用于基于非竞争的随机接入过程。即第一ue发送基站预分配的前导序列，基站通过和波束阵列与差分波束阵列进行接入信号的接收及前导序列的相关性检测，确定相应的基站波束方向角度偏差；根据基站波束方向角度偏差，基站来调整波束方向，并使用较窄的基站波束进行随机接入响应的发送；第一ue接收到随机接入响应之后，完成基于非竞争的随机接入过程，等待基站的进一步调度。
对于基于非竞争的随机接入过程，在某些场景下，例如小区切换等场景中，基站通过基站间通信等方式会获得包含ue可能方向在内的一些先验信息，根据这些先验信息，基站可以减少波束扫描的方向，从而进一步降低基于差分波束的随机接入过程的所需时间。
具体来说，结合差分波束的基于非竞争的随机接入过程流程为：1.基站获知ue包括可能方向在内的一些先验信息；2.基站在由步骤1确定的可能的波束方向上进行前导序列的检测；3.若基站检测到前导序列的发送，则进一步根据差分波束相关性检测结果与和波束相关性检测结果确定波束方向偏差，并在随机接入响应发送中调整波束方向与波束宽度，使用波束宽度较窄的波束进行发送。
优选地，若检测到来自多个波束方向的多个相同的前导序列时，还包括：确定多个基站波束方向的多个相同的前导序列的优先级；选择优先级最高的基站波束方向的前导序列进行波束方向偏差检测。其中，确定多个基站波束方向上多个相同的前导序列的优先级的方式，包括但不限于：
依据多个基站波束方向上与各个前导序列相应的接收能量的大小顺序来确定相应的优先级；
依据多个基站波束方向上检测到各个前导序列的时间的先后顺序来确定相应的优先级。
在本发明的第二具体应用场景中，基站设备通过差分波束接收方式接收来自第一ue的接入信号，并相应的进行前导序列的相关性检测。对于随机接入过程来说，同时发送相同前导序列的ue可能有多个，因此基站在一个扫描周期内可能检测出来自不同ue的多个相同的前导序列，此时多个ue间会产生冲突。具体地，在采用差分波束接收方式的随机接入过程中，在多个接收波束方向可均检测到相同的前导序列，则依据预定准则来确定多个基站波束方向的多个相同的前导序列的优先级，随后选择优先级最高的基站波束方向的前导序列进行波束方向偏差检测。预定准则包括至少包括：
能量准则，即依据多个基站波束方向上与各个前导序列相应的接收能量的大小顺序来确定相应的优先级；由于前次接入失败的ue再次接入时会使用更高的前导序列发送能量，故基站检测到相同的前导序列时，根据和波束阵列与差分波束阵列的接收能量之和，确定前导序列的总接收能量；基站将多个相同前导序列的总接收能量按照降序排列，选择能量最高的前导序列，确定发明该前导序列的ue具有最高的服务优先级。
时间先后准则，即依据多个基站波束方向上检测到各个前导序列的时间的先后顺序来确定相应的优先级：通过比较每个基站波束方向检测到前导序列的时间，选择最早检测到的ue进行服务。例如，将每个基站波束方向所持续的时间进一步分为时隙，如图13所示。
如图13所示，每个基站波束方向被划分为l个时隙。若多个基站波束方向上均检测到相同的前导序列，则比较相关性检测结果的峰值所出现的时隙位置，根据时隙位置判定哪个波束方向先检测到前导序列。波束方向2与波束方向k均检测到了相同的前导序列，但是波束方向2中，相关峰值1出现于时隙l，而波束方向k中，相关峰值2出现于时隙2，并且这两个峰值是针对相同前导序列检测的结果。此时，虽然相关峰值1出现于相关峰值2之前，但是仍然认为峰值2具有较高优先级，将会优先服务。
更优选地，将以上两种预定准则相结合地来确定多个相同的前导序列的优先级。例如，首先根据时间先后准则判定优先级；若多个ue发送的前导序列在时间先后准则下具有相同的优先级，则再根据能量准则判定优先级，选择优先级最高的ue先接入。
又例如，首先根据能量准则判定优先级，若多个ue发送的前导序列在能量准则下具有相同的优先级，则再根据时间先后准则判定优先级。在该种方式中，由于和波束和差分波束在能量峰值上有所差异，如图2所示八天线示例中，和波束的最高接收能量大致是差分波束最高接收能量的1.3倍，约1.25db，故在确定优先级时，两个相邻优先级能量判定标准应结合和波束接收阵列与差分波束接收阵列的能量差。如图2所示的示例中，相邻优先级能量判定标准应该相差1.25db。
在确定相同的多个前导序列的优先级排序后，可以选择优先级最高的前导序列所在的基站波束方向，并确定相应的基站波束方向角度偏差，并根据基站波束方向角度偏差，调整接收波束方向，并选择较窄的波束宽度进行后续步骤信号的发送与接收。
若存在多个基站波束方向上前导序列具有相同的优先级，选择多个不相邻的基站波束方向进行基站波束方向角度偏差的检测，根据相应的基站波束方向角度偏差，调整各个基站波束方向，并使用较窄的波束宽度进行后续步骤信号的发送与接收。
在一个优选实施例中(参照图1)，该方法还包括步骤s150(图中未示出)，当前导序列是第一ue通过差分波束发送方式发送的，步骤s150：基于接收到的第一ue通过和波束及差分波束发送的前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差。
其中，步骤s160具体包括步骤s161(图中未示出)和s162(图中未示出)；步骤s161：在发送前导序列的至少一个ue波束方向中选择发送能量最大的ue波束方向；步骤s162：基于在接收能量最大的ue波束方向上的和波束及差分波束发送的前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定ue波束方向角度偏差。
优选地，通过和波束及差分波束对在发送能量最大的ue波束方向上的和波束发送的前导序列进行前导序列相关性检测，确定第三相关性检测结果；通过和波束及差分波束对在发送能量最大的ue波束方向上的差分波束发送的前导序列进行前导序列相关性检测，确定第四相关性检测结果；基于第三相关性检测结果及第四相关性检测结果来确定ue波束方向角度偏差。
优选地，当接收到第一ue通过差分波束发送方式发送的包括由多个相同的分量前导序列组成的前导序列的接入信号时，包括：
将对多个分量前导序列的相关性检测结果求和作为前导序列的相关性检测结果。
优选地，该方法还包括：基于多个相同的分量前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定每一分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差；基于各个分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差进行ue波束方向的变化值的平均值计算，并根据计算结果确定第一ue的移动角速度。
优选地，该方法还包括：根据第一ue的移动角速度来调整基站波束宽度。
优选地，该方法还包括：基于最后一个分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差估计ue波束方向角度偏差。
优选地，随机接入响应信号至少包括：用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息及ue波束方向角度偏差。
在本发明的第三具体应用场景中，基站及第一ue作为收发两端采用差分波束接收方法及差分波束发送方法的随机接入过程。基站及第一ue均采用基于天线阵列的传输结构，且基站及第一ue均采用差分波束的传输结构。图14为基于差分波束的随机接入过程的流程图。
如图14所示，随机接入过程之前，基站将随机接入信息配置通过下行控制信道或下行共享信道或下行广播信道发送给第一ue；随机接入信息配置包括现有技术中的随机接入信道配置基本信息、前导序列配置信息、ue是否采用差分波束发送方式的指示信息、ue发送数据所采用的波束宽度、ue波束扫描周期、基站波束扫描周期等波束赋形参数。其中，ue波束扫描周期与基站波束扫描周期以子帧数为单位，来确定第一ue传输前导序列的随机接入信道结构。例如，若ue波束扫描周期为nu，即ue在nu个波束方向上扫描以完成全部空间的覆盖；基站波束扫描周期为nb，即基站在nb个波束方向上扫描以完成全部空间的覆盖。如图15所示，ue将随机接入信道划分为nbnu个随机接入子信道。与现有技术相比，由于接收端与发送端使用了差分波束接收及差分波束发送的方式，基站与第一ue的扫描周期都可以降低，同时使用更宽的波束进行覆盖，从而降低了基站与ue波束配对选择的时间以及发送前导序列所需要的时间。为了提高所支持的小区半径，可以采用在同一个前导序列中重复传输相同的子序列的方式。
第一步骤中，第一ue接收到随机接入配置信息后，随机选择前导序列并根据配置在随机接入信道中发送。发送前导序列时，ue采用差分波束发送方式，如将前导序列等分为两部分，第一部分采用和波束发送，第二部分采用差分波束发送；或是在相互正交的时间频率资源上通过两个不同的天线端口分别采用和波束与差分波束发送相同的前导序列；其中，采用和波束发送的序列称为和波束序列，采用差分波束发送的序列称为差分波束序列；和波束序列与差分波束序列可以使用相同的序列，即同一序列重复生成前导序列，或是将前导序列分为两部分。
基站通过差分波束接收方式，即采用两个天线阵列进行接收，如第一天线阵列采用和波束接收，第二天线阵列采用差分波束接收；基站首先对前导序列进行相关性检测，若检测到前导序列的发送，则确定接收能量最大的发送接收波束对；其中，接收能量最大的发送接收波束对包括接收能量最大的基站波束方向和发送能量最大的ue波束方向；随后，估计基站波束方向角度偏差与ue波束方向角度偏差。
其中，基站对前导序列进行相关性检测时，分别在和波束接收阵列与差分波束接收阵列上进行相关性检测，将和波束的相关性检测结果与差分波束的相关性检测结果相结合来判定是否检测到前导序列的发送。计算差分波束接收阵列的相关性检测结果与和波束接收阵列的相关性检测结果的比值，通过制作查找表查表确定基站波束方向角度偏差。随后，计算和波束接收阵列及差分波束接收阵列接收到的和波束序列的相关性检测值，即第三相关性检测结果，与和波束接收阵列及差分波束接收阵列接收到的差分波束序列的相关性检测值的比值，即第四相关性检测结果，通过制作查找表查表确定ue波束方向角度偏差。
第二步骤中，基站根据第一步骤中确定的接收能量最大的基站波束方向以及基站波束方向角度偏差，选择波束宽度较窄的基站波束进行随机接入响应的发送。随机接入响应包含前导序列标识符、根据第一ue与基站间时延估计所确定的定时提前指令、c-rnti，以及为第一ue下次上行传输所分配的时频资源、接收能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差。其中，接收能量最大的ue波束方向通过波束id指示，ue波束方向角度偏差可通过发送相应索引，第一ue通过索引查找确定ue波束方向角度偏差。
第三步骤中，第一ue根据基站发送的随机接入响应，调整ue波束方向，并使用波束宽度较窄的ue波束进行msg3的发送。基站使用第一步骤中所确定的基站波束方向角度偏差调整基站波束方向，并使用波束宽度较窄的基站波束进行接收。
第四步骤中，基站使用调整后的基站波束方向，使用波束宽度较窄的基站波束发送冲突解决方案。第一ue使用调整后的ue波束方向进行接收，完成随机接入过程，等待基站的上行资源分配。
与现有技术中基于波束轮询的随机接入方式相比，本具体实施例所提出的基于差分波束的随机接入方式能够有效降低寻找最优发送-接收波束对所需要的时间，从而降低随机接入过程的延时，提高ue端的用户使用体验。具体地，在使用最优发送-接收波束对进行发送与接收时，需要波束宽度为10°的波束，可以使用由16根天线阵元组成的均匀线阵实现；若采用差分方式进行接收与发送时使用由8根天线阵元组成的均匀线阵，其可分辨范围为30°。与基于波束轮询的随机接入方案相比，其基站扫描周期与ue扫描周期均可以降低三倍。用于前导序列传输与最优波束对搜索的时间降低了九倍。即使为弥补小区覆盖上的劣势，基于差分波束的方案需要使用重复的前导序列，例如由于天线数的减少两倍，接收能量会降低四倍，为弥补能量上的差距，前导序列需要重复四次进行传输。这种情况下，前导序列传输与最优波束配对搜索的时间仍然只有波束轮询方案的4/9，随机接入过程的效率大大提升了。
本优选实施例提出的基于差分波束接收方式及差分波束发送方式的随机接入过程，能够使得在发送冲突时，具有较低优先级的ue更快地触发失败。例如，同一个接收扫描波束方向中，若有不同的ue发送了相同的前导序列，而其中一个ue由于多次尝试接入失败而具有较高的发射功率，另一个ue尝试次数较少因而发射功率较低，此时，基于差分波束接收方式的基站仍然会检测出两个相应的前导序列，但是确定得到的基站波束方向角度偏差会更加偏向于高功率的ue方向。功率差距越大，差分波束接收方式所确定的波束方向就越靠近功率较大的ue方向。经过波束方向调整，并使用较窄的基站波束发送随机接入响应时，低功率ue的波束赋形增益较低，因此接收到的能量也较低，会导致低功率ue随机接入响应接收性能较差甚至接收不到。若低功率ue接收随机响应超时，会提高发射功率重新发送前导序列开始新的随机接入过程。故基于差分波束的随机接入过程能够更快的解决冲突，提高冲突解决的效率。
需要说明的是，上述实施例所提出的方案适用于基于竞争的随机接入过程，但是本实施例中步骤一与步骤二所用方案仍然适用于基于非竞争的随机接入过程。区别在于，ue发送经过基站指定的前导序列；ue在接收到基站的随机接入响应以及波束调整信息后，随机接入过程结束；ue与基站仍然会根据基站波束方向角度偏差及ue波束方向角度偏差调整基站波束方向及ue波束方向，用于后续的通信。
需要说明的是，ue与基站是否使用差分波束发送方式与差分波束接收方式进行前导序列的发送与接收可根据实际应用场景来调整。ue是否使用差分波束发送方式由基站确定，即通过随机接入信道配置信息中的ue是否采用差分波束发送方式的指示信息来指示ue；基站是否使用差分波束接收方式并不告知ue，但由于会影响随机接入信道结构，仍然会通过基站波束扫描周期告知ue。即基站采用差分波束接收方式时，基站波束扫描周期较小；而若基站不采用差分波束接收方式，则基站波束扫描周期较大。基站也可以显式的告知ue是否使用差分波束接收方式，即向ue发送基站是否采用差分波束接收送方式的指示信息。
在本发明的第四具体应用场景中，第一ue在移动情况下采用差分波束方案的随机接入过程。第一ue与基站均采用基于天线阵列的传输结构。基站采用差分波束发送方式。
优选地，第一ue可使用较长的前导序列进行发送，以提高基站检测前导序列的检测时间。
优选地，采用重复相同的前导序列的方式来增加前导序列的长度。图16为由分量前导序列构成前导序列的示意图。
如图16所示，k个相同较短的分量前导序列重复得到了一个较长的序列，对该序列添加循环前缀和保护间隔，得到最终的前导序列。在检测该较长的前导序列时，基站使用长度与分量前导序列长度一致的窗对分量前导序列做检测，并重复检测k次，如图17所示。将k个检测窗内的对分量前导序列的相关性检测结果相叠加，得到前导序列的相关性检测结果。
具体地，检测第一ue移动角速度的方式包括：
首先，对接入信号进行前导序列的检测，即使用分量前导序列进行前导序列的检测，将连续k个检测窗内的相关性检测结果相结合得到前导序列的相关性检测结果，并利用和波束阵列与差分波束阵列的检测结果判别是否检测到前导序列。由于检测一个长前导序列将会出现k个相关性检测结果，当基站使用差分波束的方案进行前导序列的检测时，可以利用上述性质检测第一ue相对于基站的角速度，并调整后续信号发送与接收所用的波束宽度。上述根据角速度调整波束宽度的流程如图18所示。
若在前导序列检测步骤中检测到了前导序列的发送，则根据k个连续检测窗内和波束阵列与差分波束阵列的相关性检测结果计算k个基站接收方向角度偏差，根据k个基站接收方向角度偏差来计算检测前导序列期间内第一ue的平均角速度，并以最后一个检测窗内确定的基站接收方向角度偏差作为最终的基站接收方向角度偏差。具体来说，第k个检测窗内，由差分波束阵列与和波束阵列相关性检测结果得到基站接收方向角度偏差为θk，则第k个检测窗内第一ue的平均角速度为vk＝(θk-θk-1)/t，其中，t为两个检测窗的时间差。结合k个检测窗内的平均角速度，得到第一ue在前导序列检测阶段的平均角速度为
基站检测确定基站接收方向角度偏差与第一ue的平均角速度后，选择合适的波束进行后续信号的发送与接收。具体地，较低的ue角速度对应较窄的波束宽度；较高的ue角速度对应较宽的波束宽度。根据前述方法确定的平均角速度，基站选取合适的波束宽度。随机接入过程中，基站根据已确定的基站接收方向角度偏差θk调整基站波束方向，并使用上述过程得到的波束宽度选择波束赋形系数，以用于后续步骤的信号发送与接收。
图19为本发明中本发明另一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图。
步骤s210：基站设备接收第二ue通过差分波束发送方式发送的前导序列；步骤s220：基于前导序列，确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差；步骤s230：向第二ue发送随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差。
步骤s210具体包括步骤s211和步骤s212；步骤s211：基站设备接收第二ue通过差分波束发送方式发送的接入信号；步骤s212：对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定接入信号包括任一前导序列。
在步骤s220中，基于针对前导序列的相关性检测结果进行ue波束方向偏差检测，以发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差。
在步骤s212中，对接收到的第二ue在多个ue发送波束上通过和波束及差分波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测。
优选地，对接收到的在多个ue波束方向上通过和波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第五相关性检测结果；对接收到的在多个ue波束方向上通过差分波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第六相关性检测结果；若判断在接收到的至少一个ue波束方向上第五相关性检测结果和/或第六相关性检测结果满足第二判定条件时，确定在接收到的至少一个ue波束方向上检测到接入信号包括任一前导序列。
其中，第二判定条件包括以下至少任一项：
第五相关性检测结果大于第三阈值，且第六相关性检测结果大于第三阈值；
第五相关性检测结果大于第四阈值；
第六相关性检测结果大于第四阈值；
其中，第三阈值小于第四阈值。
优选地，基于针对前导序列的相关性检测结果进行ue波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差，包括：
在发送前导序列的至少一个ue发送波束中选择发送能量最大的ue波束方向；在发送能量最大的ue波束方向上，基于第五相关性检测结果及第六相关性检测结果来确定ue波束方向角度偏差。
优选地，该方法还包括步骤s240(图中未示出)，步骤s240：接收第二ue通过基于波束指示信息及ue波束方向角度偏差调整后的ue波束发送的消息3，并发送相应的冲突解决方案。
图20为本发明中本发明又一个实施例提供的基于差分波束的随机接入方法的流程示意图。
步骤s310：第二ue通过差分波束发送方式向基站设备发送包括前导序列的接入信号；步骤s320：接收来自基站设备的随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括发送能量最大的ue波束方向的标识以及ue波束方向角度偏差；步骤s330：根据发送能量最大的ue波束方向的标识以及ue波束方向角度偏差进行ue波束调整，并通过调整后的ue波束发送和接收数据。
具体地，第二ue在多个ue波束方向上通过和波束及差分波束发送包括前导序列的接入信号。
其中，和波束采用和波束权重系数作为波束赋形权重系数，且差分波束采用差分波束权重系数作为波束赋形权重系数。
优选地，在步骤s330中，根据发送能量最大的ue波束方向的标识以及ue波束方向角度偏差对ue波束方向及ue波束宽度进行调整。
优选地，在ue波束方向上使用第三波束宽度进行前导序列的发送；在调整后的ue波束方向上使用第四波束宽度进行mgs3的发送；第三波束宽度不小于第四波束宽度。
优选地，在步骤s310中，通过差分波束发送方式在随机接入信道中向基站设备发送包括前导序列的接入信号。
更优选地，随机接入信道包括多个随机接入子信道，每个随机接入子信道对应于一个ue波束方向。
更优选地，前导序列由第一部分序列及第二部分序列组成，在一个随机接入子信道中通过和波束发送第一部分序列，且通过差分波束发送第二部分序列。
更优选地，在两个相邻的随机接入子信道中分别通过和波束发送前导序列。
可选地，通过预定的时频资源在随机接入信道中通过和波束及差分波束发送前导序列。
其中，预定的时间频率资源至少包括：
不同的时域资源；不同的频域资源；相互正交的码字在相同的时频资源。
在本发明的第五具体应用场景中，基站与第二ue采用基于天线阵列的传输结构。本实施例中将描述第二ue采用差分波束发送方式而基站采用传统的轮询方式的随机接入过程。
第二ue通过差分波束发送方式向基站设备发送包括前导序列的接入信号；其中，前导序列在随机接入信道中发送。第二ue在发送前导序列时，采用差分波束发送方式进行发送。
具体地，将前导序列分为两部分，第一部分序列使用和波束发送，即和波束序列，第二部分序列使用差分波束发送，即差分波束序列；相应的随机接入信道如图21所示。
如图21所示的结构中，和波束序列与差分波束序列属于同一前导序列，但和波束序列，即图21中前导序列的前半部分，采用和波束发送，其波束赋形权重系数为：
其中，nue表示ue波束赋形所用的天线数量，
图21中的后半部分，采用差分波束发送，其波束赋形权重系数为：
即差分波束权重系数为nue维向量，差分波束权重系数的前nue/2个元素与和波束权重系数向量的前nue/2个元素相同，差分波束权重系数的后nue/2个元素为和波束权重系数向量的后nue/2个元素的相反数。
对和波束序列进行相关性检测得到相关性检测结果，即和波束接收能量；对差分序列进行相关性检测结果得到相关性检测结果，即差分波束接收能量。
具体地，如图22所示，基站对接入信号做相关性检测，得到和波束序列部分的相关性检测结果与差分波束序列的相关性检测结果。一种优选的判定方式为：若和波束序列部分与某一前导序列的相关性检测结果为rs，即针对该前导序列的第五相关性检测结果，差分波束序列部分与该前导序列的相关性检测结果为rd，即针对该前导序列的第六相关性检测结果，则满足如下条件之一时，认为检测到该前导序列：a.rs＞η3，rd＞η3；b.rs＞η4；c.rd＞η4。其中，η3与η4分别为第三阈值与第四阈值，并满足η3≤η4。第三阈值η3与第四阈值η4根据小区半径、前导序列发送过程中第二ue与基站用于波束赋形的天线数量、前导序列长度等因素共同决定。
若检测到某前导序列，则将该前导序列相应的相关性检测结果作为和波束能量与差分波束能量，计算能量比值，从而得到第二ue的ue波束方向角度偏差。
可选地，采用将相同的前导序列使用不同的时间资源进行发送。例如，使用连续的两个随机接入子信道进行相同的前导序列的发送。其中，第一个随机接入子信道使用和波束进行发送；第二个随机接入子信道使用差分波束进行发送。如图23所示，第一随机接入子信道使用和波束传输，第二随机接入子信道使用差分波束传输。
优选地，采用将相同的前导序列使用不同的频率资源进行发送，或是使用相互正交的码字在相同的时频资源发送和波束序列与差分波束序列。
基站通过轮询方式检测最优的基站波束方向与相应前导序列后，进行随机接入响应信号的发送。随机接入响应信号包含的随机接入前导序列标识符、定时提前指令、c-rnti，以及为第二ue下次上行传输所分配的时频资源等外，还包含基站检测出的ue波束方向角度偏差，以便于第二ue调整ue波束方向。ue波束方向角度偏差可以以使用查找表方式完成，即将可能出现的角度偏差值量化，并制作相应的查找表。基站在检测出ue波束方向角度偏差后，将该角度偏差量化，从查找表中找到相应的索引，并在随机接入响应信号中一同发送给第二ue。
第二ue接收到了相应的随机接入响应信号，并根据查找表以及角度偏差索引确定相应的ue波束方向角度偏差。根据ue波束方向角度偏差调整ue波束方向，并使用波束宽度较窄的波束发送msg3。第二ue在接收基站发送的冲突解决方案时，通过调整后ue波束方向且较窄的波束进行信号接收，以增加接收信噪比。
在本发明的第六具体应用场景中，基站与第二ue均配备基于天线阵列的传输结构，并且第二ue使用差分波束发送方式完成随机接入过程。
当第二ue端配备的天线阵列由较多天线阵元组成时，第二ue端能够产生波束宽度较窄的波束。为了保证波束覆盖，需要依次使用不同指向的多个ue波束完成前导序列的发送，如图24所示。
如图24所述，两个重叠的波束表示一对方向相同的和/差分波束。第二ue使用六对和/差分波束对完成空间的覆盖。发送前导序列时，第二ue以波束方向1至波束方向6的顺序使用每一对和/差分波束发送前导序列。若基站侧也使用多个波束方向，则第二ue按照波束方向1到波束方向6的顺序重复发送多次。
使用不同方向的波束对发送的前导序列可以相同或不同。发送相同的前导序列时，第二ue从可用前导序列资源池中随机选择一个前导序列，进行发送；不同波束方向发送不同的前导序列时，将可用前导序列资源池划分为互不相交的几个资源池子集，每个波束方向对应一个资源池子集。第二ue发送前导序列时，从每个资源池子集中随机选择一个前导序列，分别用对应的波束对依次发送。
基站在检测到前导序列的发送后，会将能量最强的ue波束方向以及相应的ue波束方向角度偏差通过随机接入响应信号发送给第二ue。
具体地，若第二ue使用不同方向的ue波束发送相同的前导序列，基站确定每个ue波束方向的发送能量，并得到发送能量最大的时隙，估计该时隙上第二ue的ue波束方向角度偏差，将时隙的索引与ue波束方向角度偏差的量化值通过随机接入响应信号发送给第二ue。第二ue接收到随机接入响应信号后，根据时隙索引得知发送能量最大的波束方向，并通过ue波束方向角度偏差调整并选择最优的窄波束进行后续信号的发送与接收。
若第二ue使用不同方向的ue波束发送不同的前导序列，基站确定每个ue波束方向的发送能量，得到发送能量最大的前导序列，并估计该前导序列对应ue波束方向的ue波束方向角度偏差。基站通过随机接入响应信号发送前导序列标识符以及ue波束方向角度偏差的量化值。第二ue接收到rar后，根据前导序列得到发送能量最大的ue波束方向，并通过ue波束方向角度偏差选择最优的窄波束进行后续信号的发送与接收。
随机接入过程中，第二ue需要接收基站发送的随机接入响应信号。具体地，第二ue通过两种方式进行rar的接收：1)、第二ue使用全向天线接收，通过随机接入响应信号内的发送能量最大的ue波束以及ue波束方向角度偏差调整后续信号发送与接收时所使用的波束；2)、第二ue扫描全部波束方向，获取随机接入响应信号的信息。
本实施例中，与传统的基于波束轮询的随机接入方案相比，在ue侧采用差分波束发送方式的随机接入过程能够缩短搜索最优波束对所需要的时间。这是由于差分波束发送方式能够以较高的精度确定角度偏差，因此ue在发送前导序列时，可以使用较宽的波束，通过随机接入响应信号中携带的ue波束方向角度偏差调整ue波束方向，并使用较窄的波束完成后续步骤信号的接收与发送。这样，ue侧发送前导序列的次数可以显著降低。
需要说明的是，具体应用场景五和六所述的方式适用于基于竞争的随机接入过程，其中ue端采用差分方式发送前导序列，基站检测前导序列并确定ue波束方向角度偏差，并通过随机接入响应信息指示ue的方式仍然适用于基于非竞争的随机接入过程。不同之处在于，ue所发送的前导序列由基站分配；ue接收到随机接入响应信息以及ue波束方向角度偏差等信息后，随机接入过程结束，ue后续会调整波束宽度以及波束方向，用于进行后续与基站的通信。
图25为本发明一个实施例提供的基于差分波束的随机接入的基站设备的设备结构示意图。
基站设备包括第一接收模块410、第一偏差检测模块420和第一调整及发送模块430；第一接收模块410通过差分波束接收方式接收来自第一ue的前导序列；第一偏差检测模块420基于针对前导序列确定基站波束方向角度偏差；第一调整及发送模块430根据基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，并通过调整后的基站波束向第一ue发送随机接入响应信号。
优选地，第一接收模块410在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束来接收来自第一ue的前导序列。
优选地，第一接收模块410具体用于通过差分波束接收方式接收来自第一ue的接入信号；对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定接入信号包括任一前导序列。
优选地，第一偏差检测模块420具体用于基于针对前导序列的相关性检测结果进行基站波束方向偏差检测，以确定基站波束方向角度偏差。
优选地，第一接收模块410对接入信号进行前导序列相关性检测的方式，包括：在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测。
优选地，和波束采用和波束权重系数作为波束赋形权重系数，且差分波束采用差分波束权重系数作为波束赋形权重系数。
优选地，和波束权重系数分为第一和波束部分及第二和波束部分，且差分波束权重系数分为第一差分波束部分及第二差分波束部分；其中，第一和波束部分与第一差分波束部分相同，且第二差分波束部分中的多个元素为第二和波束部分中相应元素的相反数。
优选地，和波束权重系数通过下式表示：
其中，nsum为采用和波束权重系数的接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向，d为和波束阵列天线阵元间的间距，λ为发送信号波长；和波束权重系数为nsum维向量，其中第n个元素为
1≤n≤nsum；
差分波束权重系数通过下式表示：
其中，ndif为采用差分波束权重系数的发送阵列所用的天线数，nsum＝ndif；
差分波束权重系数为ndif维向量，其中，差分波束权重系数的前ndif/2个元素与和波束权重系数的前nsum/2个元素相同，差分波束权重系数的后ndif/2个元素为和波束权重系数的后nsum/2个元素的相反数。
优选地，在多个基站波束方向上通过和波束及差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测，包括：
在多个基站波束方向上通过和波束对接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第一相关性检测结果；
在多个基站波束方向上通过差分波束对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定针对任一前导序列的第二相关性检测结果；
若判断在至少一个基站波束方向上第一相关性检测结果和/或第二相关性检测结果满足第一判定条件时，确定在至少一个基站波束方向上检测到接入信号包括任一前导序列。
优选地，第一判定条件包括以下至少任一项：
第一相关性检测结果大于第一阈值，且第二相关性检测结果大于第一阈值；
第一相关性检测结果大于第二阈值；
第二相关性检测结果大于第二阈值；
其中，第一阈值小于第二阈值。
优选地，基于针对前导序列的相关性检测结果进行基站波束方向偏差检测，以确定基站波束方向角度偏差，包括：
在接收到任一前导序列的至少一个基站波束方向中选择接收能量最大的基站波束方向；
基于在接收能量最大的基站波束方向上第一相关性检测结果及第二相关性检测结果来确定基站波束方向角度偏差。
优选地，第一偏差检测模块420根据基站波束方向角度偏差对基站波束方向及基站波束宽度进行调整。
优选地，在基站波束方向上使用第一波束宽度进行前导序列的接收与相关性检测；在调整后的基站波束方向上使用第二波束宽度进行随机接入响应信号的发送；第一波束宽度不小于第二波束宽度。
优选地，当前导序列是第一ue通过差分波束发送方式发送的，该基站设备还包括第三偏差检测模块；第三偏差检测模块基于接收到的第一ue通过和波束及差分波束发送的前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差。
优选地，在发送前导序列的至少一个ue波束方向中选择发送能量最大的ue波束方向；基于在接收能量最大的ue波束方向上的和波束及差分波束发送的前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定ue波束方向角度偏差。
优选地，通过和波束及差分波束对在发送能量最大的ue波束方向上的和波束发送的前导序列进行前导序列相关性检测，确定第三相关性检测结果；通过和波束及差分波束对在发送能量最大的ue波束方向上的差分波束发送的前导序列进行前导序列相关性检测，确定第四相关性检测结果；基于第三相关性检测结果及第四相关性检测结果来确定ue波束方向角度偏差。
优选地，第三偏差检测模块包括检测结果获取单元；检测结果获取单元将对多个分量前导序列的相关性检测结果求和作为前导序列的相关性检测结果。
优选地，该基站设备还包括角度偏差确定模块和移动角速度确定模块；角度偏差确定模块基于多个相同的分量前导序列进行ue波束方向偏差检测，以确定每一分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差；移动角速度确定模块基于各个分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差进行ue波束方向的变化值的平均值计算，并根据计算结果确定第一ue的移动角速度。
优选地，该基站设备还包括波束宽度调整模块；波束宽度调整模块根据第一ue的移动角速度来调整基站波束宽度。
优选地，该基站设备还包括角度偏差估计模块；角度偏差估计模块基于最后一个分量前导序列的分量ue波束方向角度偏差估计ue波束方向角度偏差。
其中，随机接入响应信号至少包括：用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息及ue波束方向角度偏差。
优选地，该基站设备还包括第三调整及发送模块；第三调整及发送模块通过调整后的基站波束接收第一ue通过基于波束指示信息及ue波束方向角度偏差调整后的ue波束发送的消息3，并通过调整后的基站波束发送相应的冲突解决方案。
优选地，该基站设备还包括配置信息发送模块；配置信息发送模块用于基站设备发送波束配置信息；
其中，波束配置信息至少包括但不限于以下之一：ue是否采用差分波束发送方式的指示信息；ue发送前导序列所采用的波束宽度以及ue发送后续数据所采用的波束宽度；ue波束扫描周期；基站波束扫描周期。
其中，波束配置信息还包括：基站是否采用差分波束接收送方式的指示信息。
优选地，若检测到来自多个波束方向的多个相同的前导序列时，该基站设备还包括优先级确定模块和第四偏差检测模块；优先级确定模块确定多个基站波束方向的多个相同的前导序列的优先级；第四偏差检测模块选择优先级最高的基站波束方向的前导序列进行波束方向偏差检测。
其中，确定多个基站波束方向上多个相同的前导序列的优先级的方式，包括但不限于以下至少任一项：
依据多个基站波束方向上与各个前导序列相应的接收能量的大小顺序来确定相应的优先级；
依据多个基站波束方向上检测到各个前导序列的时间的先后顺序来确定相应的优先级。
图26为本发明一个实施例提供的随机接入的基站设备的设备结构示意图。
基站设备包括第二接收模块510、第二偏差检测模块520和第二发送模块530；第二接收模块510接收第二ue通过差分波束发送方式发送的前导序列；第二偏差检测模块520基于前导序列，确定发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差；第二发送模块530向第二ue发送随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差。
优选地，第二接收模块具体包括接收单元和相关性检测单元：接收单元接收第二ue通过差分波束发送方式发送的接入信号；相关性检测单元对接入信号进行前导序列相关性检测，以确定接入信号包括任一前导序列。
优选地，第二偏差检测模块具体包括偏差检测单元；偏差检测单元基于针对前导序列的相关性检测结果进行ue波束方向偏差检测，以发送能量最大的ue波束方向以及ue波束方向角度偏差。
优选地，相关性检测单元具体用于对接收到的第二ue在多个ue发送波束上通过和波束及差分波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测。
优选地，相关性检测单元包括第一检测子单元、第二检测子单元和判断子单元；第一检测子单元对接收到的在多个ue波束方向上通过和波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第五相关性检测结果；第二检测子单元对接收到的在多个ue波束方向上通过差分波束发送的接入信号进行前导序列相关性检测，确定针对任一前导序列的第六相关性检测结果；判断子单元若判断在接收到的至少一个ue波束方向上第五相关性检测结果和/或第六相关性检测结果满足第二判定条件时，确定在接收到的至少一个ue波束方向上检测到接入信号包括任一前导序列。
优选地，第二判定条件包括但不限于以下至少任一项：
第五相关性检测结果大于第三阈值，且第六相关性检测结果大于第三阈值；
第五相关性检测结果大于第四阈值；
第六相关性检测结果大于第四阈值；
其中，第三阈值小于第四阈值。
优选地，偏差检测单元包括选择发送子单元和角度偏差确定子单元；选择发送子单元在发送前导序列的至少一个ue发送波束中选择发送能量最大的ue波束方向；角度偏差确定子单元在发送能量最大的ue波束方向上，基于第五相关性检测结果及第六相关性检测结果来确定ue波束方向角度偏差。
优选地，该基站设备还包括第四调整及发送模块；第四调整及发送模块接收第二ue通过基于波束指示信息及ue波束方向角度偏差调整后的ue波束发送的消息3，并发送相应的冲突解决方案。
图27为本发明一个实施例提供的随机接入的用户设备的设备结构示意图。
用户设备包括第一发送模块610、第三接收模块620和第二调整及收发模块630；第一发送模块610通过差分波束发送方式向基站设备发送前导序列；第三接收模块620接收来自基站设备的随机接入响应信号，其中，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息以及ue波束方向角度偏差；第二调整及收发模块630根据波束指示信息以及ue波束方向角度偏差进行ue波束调整，并通过调整后的ue波束发送和接收数据。
优选地，第一发送模块包括第一发送单元；第一发送单元在多个ue波束方向上通过和波束及差分波束发送前导序列。
优选地，和波束采用和波束权重系数作为波束赋形权重系数，且差分波束采用差分波束权重系数作为波束赋形权重系数。
优选地，和波束权重系数分为第一和波束部分及第二和波束部分，且差分波束权重系数分为第一差分波束部分及第二差分波束部分；其中，第一和波束部分与第一差分波束部分相同，且第二差分波束部分中的多个元素为第二和波束部分中相应元素的相反数。
优选地，和波束权重系数通过下式表示：
其中，nsum为采用和波束权重系数的接收阵列所用的天线数，θ为和波束中心方向，d为接收阵列天线阵元间的间距，λ为接收信号波长；和波束权重系数为nsum维向量，其中第n个元素为
1≤n≤nsum；
差分波束权重系数通过下式表示：
其中，ndif为采用差分波束权重系数的发送阵列所用的天线数，nsum＝ndif；
差分波束权重系数为ndif维向量，其中，差分波束权重系数的前ndif/2个元素与和波束权重系数的前nsum/2个元素相同，差分波束权重系数的后ndif/2个元素为和波束权重系数的后nsum/2个元素的相反数。
优选地，第一发送模块具体包括第二发送单元；第二发送单元在多个ue波束方向上通过差分波束发送方式发送相同或不同的前导序列。
其中，第二发送单元在多个ue波束方向上发送相同的前导序列时采用的序列长度大于发送不同的前导序列时采用的序列长度。
优选地，前导序列集合包括多个互不相交的子集，第二发送单元具体用于各个ue波束方向从互不相同的子集中选择任一前导序列，并通过差分波束发送方式进行发送。
优选地，第二调整及收发模块具体包括调整单元；调整单元根据波束指示信息以及ue波束方向角度偏差对ue波束方向及ue波束宽度进行调整。
其中，在ue波束方向上使用第三波束宽度进行前导序列的发送；在调整后的ue波束方向上使用第四波束宽度进行消息3的发送；第三波束宽度不小于第四波束宽度。
优选地，第一发送模块包括第三发送单元；第三发送单元通过差分波束发送方式在随机接入信道中向基站设备发送前导序列。
其中，随机接入信道包括多个随机接入子信道，每个随机接入子信道对应一个ue-基站波束方向对。
优选地，前导序列由第一部分序列及第二部分序列组成，第三发送单元包括第一发送子单元；第一发送子单元在一个随机接入子信道中通过和波束发送第一部分序列，且通过差分波束发送第二部分序列。
优选地，第三发送单元包括第二发送子单元；第二发送子单元在两个相邻的随机接入子信道中分别通过和波束发送前导序列。
优选地，第三发送单元包括第三发送子单元；第三发送子单元通过预定的时频资源在随机接入信道中通过和波束及差分波束发送前导序列。
其中，预定的时间频率资源至少包括但不限于以下任一项：
不同的时域资源；不同的频域资源；相互正交的码字在相同的时频资源。
本发明另一实施例提供了一种用于随机接入的用户设备，该用户设备包括：第二发送模块、第四接收模块和第四收发模块；第二发送模块向基站设备发送前导序列；第四接收模块接收基站设备通过调整后的基站波束方向发送的随机接入响应信号，随机接入响应信号包括用于指示发送能量最大的ue波束方向的波束指示信息；第四收发模块通过发送能量最大的ue波束方向发送和接收数据。
优选地，第二发送模块具体包括第四发送单元；第四发送单元在多个ue波束方向上发送相同或不同的前导序列。
其中，在多个ue波束方向上发送相同的前导序列时采用的序列长度大于发送不同的前导序列时采用的序列长度。
优选地，前导序列集合包括多个互不相交的子集，第四发送单元具体用于各个ue波束方向从互不相同的子集中选择任一前导序列进行发送。
其中，前导序列是基站设备通过和波束及差分波束来接收的。
其中，随机接入响应信号是基站根据检测到的基站波束方向角度偏差进行基站波束调整，并通过调整后的基站波束发送的。本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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