一种随机接入方法及装置与流程

本申请涉及无线通信技术领域，特别地涉及采用多天线波束赋形的通信系统和装置。

背景技术：

下一代移动通信系统将广泛采用大规模天线传输技术以提高频谱效率和峰值速率，并且随着所采用的频段逐步向更高频段发展，需要依赖更多天线提高传输信号能量，以克服高频段信道传播的高损耗特性。

然而当前4g的通信技术已无法满足需求，目前业内普遍认为未来通信技术和系统将采用大规模天线技术传输以解决上面提到的频谱提升和高频损耗问题。其中，高频段传输的一个关键技术在于波束赋形，特别是窄波束，用于对抗更高频段带来的各种传播损耗。

由于大规模天线和波束赋形的引入，现有通信系统中的传输方式和流程需进行相应改进，以适应下一代通信系统的需求。具体地，传统的基于波束赋形传输的技术，发送端需要获知其与接收端间的信道状态信息，是一种闭环传输模式，该闭环传输模式仅当系统内的基站和终端建立连接后，且已获得信道状态信息后才可以工作；此外，当前系统的波束赋形主要集中在基站侧，而终端侧由于天线较少，往往不采用波束赋形方式进行发送或接收。在现有系统中，在基站广播和终端初始接入过程中，由于基站和终端尚未建立连接，因此基站无法获得其与终端间的信道信息，从而无法采用波束赋形方式进行传输；而终端侧的波束赋形目前尚无有效解决方案，主要原因在于现有系统尚无终端侧获取上行传输信道的有效方案。在现有移动通信系统中，基站与终端建立通信前需要采用随机接入流程，以使终端与基站建立连接。当终端在随机接入的流程中，由于终端没有其与基站间的信道方向信息，因此现有终端在上行进行随机接入信号传输时，采用单天线全向发送的方式传输上行随机接入信号，如图1所示。

对于即将到来的大规模天线系统，基站和终端都可以采用大规模天线技术进行收发，从而可以采用波束赋形的方式提高接收和发送信号强度。这种方式尤其适用于高频段通信，由于频段较高，大规模天线可以以很小的尺寸装备在终端侧。具体地，基站和终端均可以采用大规模天线形成非常窄的波束，在基站和终端的波束方向对准的前提下提高传输性能，如图2所示。在随机接入流程中，在终端发送上行随机接入信号时，由于其没有其与基站间的信道方向信息，无法获得准确的基站波束方向。若配备了大规模天线的终端依然采用全向发送上行随机接入信号，则可能由于距离基站较远，导致覆盖不足，基站无法准确检测到终端发送的信号。因此，在大规模天线系统中，需优化随机接入方法和接入信号发送方式，以解决采用高频段进行传输时覆盖较差以及接入效率较低等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种随机接入流程和信息传输方法和装置，以解决在高频段采用大规模天线进行传输时覆盖较差以及接入效率较低的问题。

本申请提供的一种信息传输方法包括：

采用波束赋形发送广播信息，所述广播信息中包含随机接入信号相关配置信息，具体包括但不限于随机接入信号的序列标识信息，随机接入信号发送时间和频率位置配置信息，随机接入信号发送所采用的图案分集波束赋形组。

较佳地，所述采用n种波束赋形方式发送n次所述广播信息，其中至少m次发送所采用的波束赋形方式不同，且m次不同的波束赋形方式所发送的广播信息在不同的时间或频域资源传输，所述n为正整数，且m为小于或等于n的正整数。

较佳地，所述图案分集波束赋形组包含了k组波束赋形向量，其中每一组波束赋形向量对应一种上行发送随机接入信号时所采用的波束赋形方式，所述k为正整数。

较佳地，所述图案分集波束赋形向量所生成的波束包括主波束和辅助波束，所述辅助波束包括两个波瓣，辅助波束的两个波瓣方向分别位于主波束方向的两侧，所述主波束的峰值与辅助波束的零值重叠，主波束的两个零值与辅助波束的两个峰值重叠。

较佳地，所述随机接入信号的序列标识信息和/或随机接入信号的发送时间和频率位置配置信息在采用所述m次不同波束赋形方式发送时的配置信息不同。

较佳地，基于发送随机接入序列所用的时间/频率位置判断所需采用的接收波束赋形，并基于该接收波束赋形进行接收空间滤波，进一步地，基于空间滤波后的信号对终端发送的随机接入序列进行检测。

较佳地，基于图案分集波束赋形方式对图案分集波束赋形包含的主波束和辅助波束的信号进行波束合并检测，所述检测方式可以是但不限于基于最大比合并检测的方法。

终端接收基站采用波束赋形发送的广播信息，所述广播信息中包含随机接入信号相关配置信息，具体包括但不限于随机接入信号的序列标识信息，发送随机接入信号的时间和频率位置配置信息，发送随机接入信号所采用的图案分集波束赋形组；终端根据所述信息来配置并传输上行随机接入信号。

较佳地，所述终端对基站发送的公共参考信号和/或同步信号进行测量，得到终端接收到信号强度，并将该强度与所述广播信息中包含的判断随机接入信号发送方式的判断门限值进行对比，当接收到信号强度高于该门限值，则采用全向传输发送随机接入序列；当接收到信号强度高于该门限值，则采用所述广播信息中配置的图案分集波束赋形方式传输随机接入序列。

较佳地，终端选择n种下行广播信息中的一种的同时，接收该发送该广播信息所采用的波束赋形所发送的公共参考信号和/或同步信号，并基于所述公共参考信号和/或同步信号估计得到下行信道信息，通过该信道信息计算得到所述波束赋形的来波方向。

较佳地，当终端判断需要采用所述广播信息中配置的图案分集波束赋形方式传输随机接入序列时，采用所述广播信息中配置的k组波束赋形向量对上行传输多天线信号进行加权后传输，不同多天线加权传输采用不同的时刻进行发送。

附图说明

图1为现有技术终端在上行采用全向发送的示意图

图2为现有技术终端和基站采用大规模天线传输且波束对准的示意图

图3为本发明提供的基站基于n个子空间分别发送下行信息示意图

图4为本发明提供的基站基于时分的方式分别发送n个子空间内的下行信息示意图

图5为本发明提供的不同子空间的上行随机接入信号资源通过时分的方式进行区分的示意图

图6为本发明提供的终端上行基于图案分集方式发送随机接入信号的示意图

图7为本发明提供的随机接入信息配置和传输流程的示意图

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

实施例一

本发明实施例提供了一种随机接入方法，应用于基站中，所述方法包括：

步骤101：基站配置广播信息，该广播信息中包含下行公共广播系统信息，具体包括但不限于带宽信息、帧编号信息；该广播信息中也包括随机接入信号相关配置信息，具体包括但不限于随机序列标识信息，随机序列发送时间和频率位置配置信息，和/或判断随机接入信号发送方式的判断门限值，和/或随机序列发送所采用的图案分集波束赋形组。

本实施例中，基站配置的广播信息与其发送广播信息所采用的波束赋形方式有关。具体地，若基站采用n种波束赋形方式发送n次所述广播信息，其中至少m次发送所采用的波束赋形方式不同，那么基站所配置的广播信息中包含的下行公共广播系统信息在不同波束赋形发送时的信息相同，所述下行公共广播系统信息包括但不限于带宽信息和帧编号；而针对所述m次波束赋形方式发送的随机序列发送时间和频率位置配置信息在采用所述m次不同波束赋形方式发送时的配置信息不同。

具体的，作为第一种实施方式，不同波束赋形方式发送的随机接入序列发送时频配置可包含如下示例中的一种，a)不同波束赋形方式发送的随机接入序列发送时频配置中，关于随机序列发送的周期、时域位置可以相同，但是频域上可以通过不同的频率偏移以使不同随机接入序列占用的资源错开；b)不同波束赋形方式发送的随机接入序列发送时频配置中，关于随机接入序列的发送周期、频域位置相同，但是时域上可以通过不同的时域子帧偏移以使不同类别的随机接入序列所占用的资源错开；c)不同波束赋形方式发送的随机接入序列发送时频配置中，关于随机接入序列的发送周期相同，但是时域和频域上都有一定偏移以使不同类别的随机接入序列所占用的资源错开；d)不同波束赋形方式发送的随机接入序列发送时频配置中，关于随机接入序列的发送周期、时域偏移和频域偏移均不相同，以使不同类别的随机接入序列所占用的资源错开。

本实施例中，所述广播信息可包含或不包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，若不包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，则可默认为终端不需要判断，按照基站配置进行传输；若包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，则终端按照所配置的门限值进行进一步操作和处理。所述门限值的大小，可以由基站根据其覆盖范围等参数进行配置。

本实施例中，所述广播信息可包含或不包含所述图案分集波束赋形组。若不包含所述图案分集波束赋形组，则可默认为终端采用其回退方式发送上行随机接入信号，该回退方式可以为不进行任何波束赋形发送的方式，也可为采用简单波束赋形，如dft赋形方式的发送方式；若包含了所述图案分集波束赋形组，则终端按照所配置图案分集波束赋形组所表征的方式进行发送。所述图案分集波束赋形组的内容可包含k组波束赋形向量的具体值，每一组波束赋形向量表征了终端在上行发送随机接入信号时采用的波束赋形方式，所述k为正整数；所述图案分集波束赋形组的内容也可为预先定义的若干波束赋形向量中的k个索引值。

具体地，上述k组图案分集波束赋形组，包含了k组波束赋形向量，每一组波束赋形向量表征了终端在上行发送随机接入信号时，采用的波束赋形方式；组数k表征了终端上行发送随机接入信号时进行空间旋转的次数。该波束赋形向量组数k和具体的波束赋形向量的配置可以由基站根据小区的覆盖范围进行调整，例如，当基站的覆盖范围较大时，可以采用较多组图案分集波束赋形，并且每组内的图案分集波束赋形的方向可以较窄；当基站的覆盖范围较小时，可以采用较少组图案分集波束赋形，并且每组内的图案分集波束赋形的方向可以较宽。

具体地，所述图案分集波束赋形向量所生成的波束包括主波束和辅助波束，所述辅助波束包括两个波瓣，所述波束的峰值与辅助波束的零值重叠，主波束的两个零值与辅助波束的两个峰值重叠。图6给出了所述图案分集波束赋形向量的一种示意。

步骤102：基站采用n种波束赋形方式发送n次所述广播信息，其中至少m次发送所采用的波束赋形方式不同，且m次不同的波束赋形方式所发送的广播信息在不同的时间或频域资源传输，所述n为正整数，且m为小于或等于n的正整数。

本实施例中，所述n和m的值可由基站根据其覆盖范围、天线个数等参数进行配置。以m与n相同为例，并假设m＝n＝9，那么基站采用9种波束赋形方式发送9次所述广播信息，且每次发送所采用的波束赋形方式不同，并且在不同的时间或频域资源传输。图3和图4给出了基站基于9个子空间分别发送下行广播信息的示意图。

步骤103：所述基站采用所述n种波束赋形方式发送公共参考信号和/或同步信号。

本实施例中，基站可采用所述n种波束赋形方式发送公共参考信号和同步信号，也可采用所述n种波束赋形方式仅发送公共参考信号，也可采用所述n种波束赋形方式仅发送同步信号。所述公共参考信号和/或同步信号可以与广播信息在相同的时间、频率资源上发送；也可与广播信息在不同的时间、频率资源上发送。

步骤104：所述基站基于终端发送的随机接入序列的时间/频率位置判断基站所需采用的接收波束赋形，并基于该接收波束赋形进行接收空间滤波，进一步地，基于空间滤波后的信号对终端发送的随机接入序列进行检测。具体地，对于所述接收空间滤波，所述基站对终端采用图案分集波束赋形在主波束和辅助波束发送的随机接入信号进行波束合并检测，所述检测方式可以是但不限于基于最大比合并检测的方法。

本实施例中，一种基站判断其所需采用的接收波束赋形方式为，基站首先根据终端发送的随机接入序列的时间/频率位置判断得到该配置是基站采用哪种广播信息发送波束赋行方式进行发送的，进而将该发送波束赋形作为基站检测随机接入序列的接收波束赋形。

实施例二

本发明实施例提供了一种随机接入方法，应用于终端中，所述方法包括：

步骤201：终端接收信息，所述信息包含基站在n个波束上发送的公共参考信号和/或同步信号，以及广播信息；该广播信息中包含下行公共广播系统信息，具体包括但不限于带宽信息、帧编号信息；该广播信息中也包括随机接入信号相关配置信息，具体包括但不限于随机序列标识信息，随机序列发送时间和频率位置配置信息，和/或判断随机接入信号发送方式的判断门限值，和/或随机序列发送所采用的图案分集波束赋形组。

本实施例中，若终端收到的广播信息不包含所述图案分集波束赋形组，则终端可默认为其采用其回退方式发送上行随机接入信号，该回退方式可以为不进行任何波束赋形发送的方式，也可为采用简单波束赋形，如dft赋形方式的发送方式；若终端收到的广播信息包含了所述图案分集波束赋形组，则终端按照所配置图案分集波束赋形组所表征的方式进行发送。

步骤202，终端对基站采用所述n种波束赋形方式发送的公共参考信号和/或同步信号进行测量，得到终端接收到信号强度，若终端收到的广播信息不包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，若则可默认为其不需要判断，按照基站配置进行传输即可；若终端收到的广播信息包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，则终端按照所配置的门限值进行进一步操作和处理。

本实施例中，若终端收到的广播信息包含判断随机接入信号发送方式的判断门限值，一种实施方式为，终端对基站发送的公共参考信号进行测量，得到终端接收到的参考信号强度，并将该强度与所述门限值进行对比，当参考信号强度高于该门限值，则表明终端距离基站较近，不需要采用所述图案分集波束赋形的方式进行传输，可默认为终端采用其回退方式发送上行随机接入信号，该回退方式可以为不进行任何波束赋形发送的方式，也可为采用简单波束赋形，如dft赋形方式的发送方式；当参考信号强度低于该门限值，则表明终端距离基站较远，需要采用所述图案分集波束赋形的方式进行传输。

步骤203，终端选择n个下行广播信息中的一种的同时，接收该发送该广播信息所采用的波束赋形所发送的公共参考信号和/或同步信号，并基于所述公共参考信号和/或同步信号估计得到下行信道信息，通过该信道信息计算得到所述波束赋形的来波方向，辅助图案分集发送方式的计算。

本实施例中，一种估计来波方向的实施方式为通过如下公式搜索得到使目标函数最大的φ：

其中h为nr×1维的列向量，表示终端估计得到的信号能量最大波束上的下行信道信息，nr为接收天线数，d为天线间距，λ为波长。

所搜索得到的φ值可作为估计得到的来波方向。

步骤204：终端根据其是否收到了图案分集波束赋形组配置信息决定其随机接入信息发送方式。

本实施例中，若终端收到的广播信息中不包含所述图案分集波束赋形组，则终端可默认为其采用其回退方式发送上行随机接入信号，该回退方式可以为不进行任何波束赋形发送的方式，也可为采用简单波束赋形，如dft赋形方式的发送方式，也可采用优化后的图案分集发送方式；若终端收到的广播信息中包含了所述图案分集波束赋形组，则终端按照所配置图案分集波束赋形组所表征的方式进行发送。

本实施例中，所述优化后的图案分集发送方式的一种可实施的方式为：将步骤203中估计得到的来波方向用表示，进一步基于该来波方向，通过图案分集波束赋形的方式计算上行随机接入信号发送时终端所采用的波束赋形向量，一种计算实施例为通过如下图案分集的方式形成2个波束：

和

基于上述图案分集波束赋形方式，可以生成的波束包括主波束(pattern(1))和辅助波束(pattern(2))，所述辅助波束包括两个波瓣，辅助波束的两个波瓣方向分别位于主波束方向的两侧，所述主波束的峰值与辅助波束的零值重叠，主波束的两个零值与辅助波束的两个峰值重叠。图6给出了所述图案分集波束赋形向量的一种示意。

终端在上述两个波束图案上同时发送随机接入序列，以保证当波束1的方向有所偏差时，有波束2作为分集解决方案，提供更高的传输可靠性，该波束2的好处在于，能够在空间形成2个波瓣图案，以保证空间更广泛的覆盖传输。

本实施例中，具体的发送方式计算进一步取决于基站配置图案分集波束赋形组信息的方式。所述图案分集波束赋形组的内容可包含k组波束赋形向量的具体值，每一组波束赋形向量表征了终端在上行发送随机接入信号时采用的波束赋形方式，所述k为正整数；所述图案分集波束赋形组的内容也可为预先定义的若干波束赋形向量中的k个索引值。

步骤205，终端基于其在步骤204中计算得到的波束赋形向量，在步骤202中计算得到的信号能量最大波束的广播信息中所配置的上行接入时间/频率资源上发送上行接入信号。

一种终端基于上述实施例发送随机接入信号的示意图如图5和图6所示。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。