CN107645322B - 基于波束赋形的随机接入的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例公开了一种基于波束赋形的随机接入的方法及设备。该方法包括：在基站处使用多个下行发射波束发送广播信号；使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，多个上行接收波束与多个下行发射波束相关联；响应于接收到随机接入信号，确定用于终端设备的发射波束；以及使用确定的发射波束向终端设备发送随机接入响应。本公开的实施例还提供相对应的在对端执行的基于波束赋形的随机接入的方法，以及相应的设备。

Description

基于波束赋形的随机接入的方法和设备

技术领域

本公开的实施例总体上涉及通信领域，并且具体地，涉及一种基于波束赋形的随机接入的方法和设备。

背景技术

由于毫米波频段可用频率资源丰富，毫米波技术被认为是满足对于5G新无线(NR)接入***的日益增长的性能要求的关键促成因素。然而，在毫米波频段工作时，无线信道具有一些不利的传播特性，诸如较强的路径损耗、大气和雨水吸收、较低的障碍物周围的衍射以及穿透物体的能力等等。为了克服这些不利传播特性，大规模天线阵列和窄波束是数据传输的关键技术。

对于毫米波频带的数据传输，通过使用大规模多输入多输出(MIMO)技术，采用高度方向性的发射和接收波束赋形以及在方向上自适应校准相应波束，信号衰减可以有效得到缓解。然而，对于上行随机接入过程，由于缺少最佳发射/接收波束对的信息，其无法从毫米波频带的波束赋形增益中充分受益。由此，毫米波频带的上行随机接入过程设计面临着很大挑战。

发明内容

总体上，本公开的实施例通过在随机接入过程引入层级式波束赋形而提供一种优化通信过程的解决方案。

根据本公开的第一方面，提供一种基于波束赋形的随机接入的方法。该方法包括：在基站处使用多个下行发射波束发送广播信号；使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，多个上行接收波束与多个下行发射波束相关联；响应于接收到随机接入信号，确定用于终端设备的发射波束；以及使用确定的发射波束向终端设备发送随机接入响应。

在某些实施例中，在基站处使用多个下行发射波束发送广播信号包括：以不同的时域资源使用多个下行发射波束来发送广播信号。

在某些实施例中，使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号包括：使用与多个下行发射波束相同的波束来接收来自终端设备的随机接入信号。

在某些实施例中，使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号包括：使用与多个下行发射波束对应的多个子波束组来接收来自终端设备的随机接入信号。

在某些实施例中，使用与多个下行发射波束对应的多个子波束组来接收来自终端设备的随机接入信号包括：在不同时刻以多个子波束组中的一个子波束组接收来自终端设备的随机接入信号，不同时刻与多个下行发射波束相关联。

在某些实施例中，确定用于终端设备的发射波束包括：检测随机接入信号；基于检测，确定一个子波束组中的一个子波束作为将要用于终端设备的接收波束；以及将与接收波束相同的波束确定为用于终端设备的发射波束。

在某些实施例中，该方法还包括：响应于接收到随机接入信号，确定将要用于终端设备的接收波束；以及使用发送波束和接收波束针对终端设备进行随机接入以及数据传输。

在某些实施例中，随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示。

在某些实施例中，指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示与随机接入信号的时域资源唯一地关联。

在某些实施例中，确定用于终端设备的发射波束包括：检测随机接入信号，以获取终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示；以及基于指示，将终端设备所偏好的下行发射波束确定为用于终端设备的发射波束。

在某些实施例中，广播信号至少包含承载于***信息中的与下行发射波束以及与随机接入信号的传输相关的配置信息。

根据本公开的第二方面，提供一种基于波束赋形的随机接入的方法。该方法包括：在终端设备处接收广播信号，广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；以及响应于接收到广播信号，使用上行发射波束发送随机接入信号，随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示。

在某些实施例中，广播信号是基站以不同的时域资源使用多个下行发射波束的，并且其中在终端设备处接收广播信号包括：在与多个下行发射波束相关联的不同时刻，在终端设备处接收广播信号。

在某些实施例中，使用上行发送波束发送随机接入信号包括：检测接收到的广播信号；基于检测，确定终端设备所偏好的下行发射波束以及将要使用的接收波束；将与接收波束相同的波束确定为上行发射波束；以及使用上行发送波束发送随机接入信号。

在某些实施例中，使用上行发送波束发送随机接入信号包括：以与终端设备所偏好的下行发射波束唯一地关联的时域资源发送随机接入信号。

在某些实施例中，该方法还包括：使用上行发射波束和接收波束进行随机接入以及数据传输。

在某些实施例中，广播信号包含承载于***信息中的与下行发射波束以及与随机接入信号的传输相关的配置信息。

根据本公开的第三方面，提供一种网络设备。该网络设备包括：收发器，被配置为：使用多个下行发射波束发送广播信号；以及使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，多个上行接收波束与多个下行发射波束相关联；以及控制器，被配置为：响应于接收到随机接入信号，确定用于终端设备的发射波束，以使收发器使用发射波束向终端设备发送随机接入响应。

根据本公开的第四方面，提供一种终端设备。该终端设备包括收发器，被配置为：接收广播信号，该广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；以及响应于接收到广播信号，使用上行发射波束发送随机接入信号，该随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示。

根据本公开的第五方面，提供一种基于波束赋形的随机接入的装置。该装置包括：第一发送单元，被配置为使用多个下行发射波束发送广播信号；接收单元，被配置为使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，多个上行接收波束与多个下行发射波束相关联；波束确定单元，被配置为响应于接收到随机接入信号，确定用于终端设备的发射波束；以及第二发送单元，被配置为使用确定的发射波束向终端设备发送随机接入响应。

根据本公开的第六方面，提供一种基于波束赋形的随机接入的装置。该装置包括：接收单元，被配置为接收广播信号，广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；以及发送单元，被配置为响应于接收到广播信号，使用上行发射波束发送随机接入信号，随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示。

根据本公开的实施例的方法或设备，使用在定向性的广播信道传输的辅助下的定向性的随机接入信道传输，能够有效提高随机接入请求接收能力，降低随机接入冲突概率，大幅改善***随机接入性能。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1图示能够在其中实施本公开的实施例的无线通信***的示意图；

图2示出上行随机接入过程示例；

图3图示根据本公开的一个实施例的两阶段层级式的波束赋形映射示意；

图4示出根据本公开的实施例的随机接入的方法的流程图；

图5示出根据本公开的另一实施例的随机接入的方法的流程图；

图6图示根据本公开实施例的具有定向接收的PRACH格式的示意；

图7示出根据本公开的一个实施例的通信场景的示意；

图8示出根据本公开实施例的定向的随机接入过程通信示意；

图9示出根据本公开的实施例的装置的结构图；

图10示出根据本公开的另一实施例的装置的结构图；以及

图11示出根据本公开的实施例的设备的结构图。

具体实施方式

现将结合附图对本公开的实施例进行具体的描述。应当注意的是，附图中对相似的部件或者功能组件可能使用同样的数字标示。所附附图仅仅旨在说明本公开的实施例。本领域的技术人员可以在不偏离本公开精神和保护范围的基础上从下述描述得到替代的实施方式。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

为了便于解释，本文中将主要参考3GPP LTE/LTE-高级(LTE-A)来描述本公开的实施例，并且采用LTE/LTE-A中特定的术语，然而，如本领域技术人员可以理解的，本公开的实施例绝不限于3GPP LTE/LTE-A的应用环境，相反，而是可以被应用于任何存在类似问题的无线通信***中，例如WLAN，或者未来研制的其他通信***等。

同样，在此使用的术语“终端设备”是指能够与基站通信的任何终端设备。终端设备可以是用户设备(UE)，也可以是具有无线通信功能任何终端，包括但不限于，手机、计算机、个人数字助理、游戏机、可穿戴设备、以及传感器等。该术语UE能够和移动站、订户站、移动终端、用户终端或无线设备等互换使用。术语“基站”或者“网络设备”可以表示节点B(Node B，或者NB)、诸如微微基站、毫微微基站等的低功率节点、基本收发器站(BTS)、基站(BS)、或者基站子***(BSS)、中继、远程无线电头端(RRF)等等。

在图1示出了本公开的实施例可实现于其中的通信***100的示意性框图。无线通信***100可以包括基站(BS)110，例如演进的节点B(eNodeB，或eNB)。网络节点110可以为处于其覆盖范围之内的多个终端设备(例如，UE)120₁、120₂…120_K(K为自然数)提供无线电连接。为描述方便，下文可将终端设备统称为UE 120。应当理解，图1所示的基站和终端设备的数目仅仅是出于说明之目的而无意于限制。在通信网络100中，可以存在任意适当数目的基站和终端设备。

基站110与UE 120₁、120₂…120_K之间的通信可以根据任何适当的通信协议来实施，包括但不限于，第一代(1G)、第二代(2.5G)、第三代(3G)、***(4G)通信协议、第五代(5G)通信协议和/或目前已知或者将来开发的任何其他协议。另外，基站110和终端设备120可以使用任意适当无线通信技术，包括但不限于，码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、频分双工(FDD)、时分双工(TDD)、多输入多输出(MIMO)、正交频分多址(OFDM)、和/或目前已知或者将来开发的任何其他技术。

在毫米波通信中，基站110和UE 120₁、120₂…120_K均可以配备有多个天线，以利用大规模MIMO的波束赋形增益，改善***的传输性能。而对于上行随机接入过程，如前所述，考虑到还未充分利用波束赋形增益，本公开旨在提供一种在随机接入过程中有效地利用大规模MIMO技术带来的波束赋形增益的解决方案，以更好地适应毫米波通信环境。

下面首先简要介绍例如在无线通信***100中的传统上行随机接入过程。这种上行随机接入过程主要用于初始接入和切换场景，包括上行同步和随机接入。作为示例，图2示出了传统的上行随机接入过程200，其示例如是基于竞争的UE 120初始接入过程。首先，在进行初始接入之前，在202处，UE 120进行小区搜索。在此期间，UE 120通过获取同步信息进行下行同步。之后，UE可以执行上行随机接入过程。在204处，UE随机地选择一个前导并在可用的子帧中通过物理随机接入信道(PRACH)向BS 110送该前导。

相应地，在基站侧，响应于接收到来自UE的该随机接入请求，在206处，BS可以基于信号相关性而检测接入前导，并进一步地可以测量UE传输的定时。如果BS成功地检测到随机接入前导，随后，BS在物理下行共享信道(PDSCH)中反馈随机接入响应。因此，BS在随机接入响应(RAR)中将定时提前(TA)、关于调度资源的信息以及为UE指配临时标识等信息发送至UE。然而，在该步骤中，如果基站所服务的小区内多个UE使用相同的前导发送随机接入请求，此时会产生冲突，基站将无法同时接入多个发送相同随机前导的UE。

在208处，UE基于接收到RAR信息，调整上行定时，获得上行同步。之后在210处，将其自己的标识包含在随机接入消息中通过为其分配的物理上行共享信道(PUSCH)资源发送给BS。相应地，在212处，BS根据UE在PDSCH上发送UE的标识，在竞争解决消息中包含UE的标识以区分不同的UE，由此成功完成随机接入过程。

由于在毫米波频带通信时，不利的传播特性使得上述随机接入过程面临诸多挑战，诸如接入时间过长、接入失败概率增加等等。有鉴于此，在本公开中，在基站侧，提出用于毫米波段的在定向的物理广播信道(PBCH)传输的辅助下的定向PRACH接收的两阶段层级式的波束赋形映射方案。具体而言，在第一阶段的波束赋形中，在下行PBCH传输期间用于小区***信息获取的波束赋形图案设计和选择。在第二阶段的波束赋形中，在之后的上行随机接入过程期间波束赋形图案设计和选择。根据本公开的实施例，第一阶段的波束赋形图案与第二阶段的波束赋形图案相关联并具有唯一的映射关系。

本领域技术人员可以理解，在使用相同的功率发送或接收波束赋形的信号时，对于宽波束，波束赋形的信号的传输距离相对而言较短，但波束覆盖范围更宽；而对于窄波束，波束成形的信号的传输距离更长，但相应地波束覆盖范围更窄。在实际应用中，可以根据小区负载和规划等而确定采用的波束赋形图案。另外，用于基站射频通道中的波束赋形图案表征终端设备和基站之间的长时宽带信道特征和方向信息，由此不仅对于TDD网络部署，对于FDD网络部署在射频通道中均适用波束互易性特性。

图3示出了根据本公开的一个实施例的两阶段层级式的波束赋形映射300。如图所示，第一阶段310由具有粗粒度和低波束赋形增益的N个波束赋形图案302组成，表示为波束B₁，……，B_N。在第一阶段310中，每个波束赋形图案可以在第二阶段中进一步被分为波束赋形子阵列。在随后第二阶段320中，每个波束赋形子阵列包含具有相比于第一阶段更细粒度和更高波束赋形增益的M个波束赋形图案304，表示为波束B₁₁，……，B_1M。

因此，在第二阶段320中，有总共N*M个更窄和更尖锐的波束。第二阶段320中的每个波束赋形子阵列(对应于一个子波束组)可以覆盖与第一阶段310中的对应的波束赋形图案类似的波束方向和地理区域，但由于更窄和更尖锐的波束图案，其具有更好的发射和接收能力。而第二阶段320中的波束赋形子阵列索引是直接与第一阶段中的波束赋形图案索引相关(映射)的。

在该实施例中，由于与毫米波段的下行PBCH传输相比，UE 120在上行的发射功率比基站在下行的发射功率要小，因而可以在基站侧利用更窄和更尖锐的波束赋形图案来进行PRACH接收，以便补偿上行和下行的近似的路径衰减。

基于以上构思，本公开提出一种基于波束赋形的随机接入的方法，图4示出了根据本公开的实施例的随机接入的方法400。图4中所示的方法400例如可由图1中所示的基站110来执行。

在步骤402，在BS 110处使用多个下行发射波束发送广播信号。BS 110通过PBCH向小区中的UE 120广播***信息，例如在***信息块(SIB)中将与下行发射波束以及与随机接入信号的传输相关的配置信息在小区内广播，以便UE 120能够准确知道随机前导传输资源，从而有效地发起上行随机接入。在该步骤中，发送广播信号的多个下行发射波束例如可以使用根据如上所述的第一阶段的波束赋形图案设计的多个波束。

需要注意的是，在实施大规模MIMO技术的基站中，对于各种技术的应用，通常需要在性能优势和实现成本之间折衷考虑。正是基于硬件成本以及信号处理的计算复杂性和能量消耗，基站通常配备少于天线数目的数个射频通道。

在本公开的一个实施例中，假设BS 110中应用了R个射频通道，在某个时间点，广播信道传输块可以同时在R个射频通道上以R个不同的波束赋形图案发送。但在这种情况下，每个传输块在基站侧仅能利用1/R的基站发射功率，同时，R个射频通道消耗的导频信号开销增加了R倍。

在本公开的另一个实施例中，使用BS 110的完全发射功率通过R个射频通道之一发送单个广播信道传输块。PBCH传输可以在每个发送时间点选择第一阶段310的N个波束赋形图案之一，这样的PBCH传输更为高效。相应地，UE 120随后在N个连续的时间点接收并检测广播信道传输块，并且确定和记录具有最大接收功率的来自BS 110的最佳的波束赋形图案索引。

在步骤404，在基站处使用多个上行接收波束接收来自UE 120的随机接入信号，上行接收波束与下行发射波束相关联。在该步骤中，基站所有的射频通道同时接收来UE 120的随机接入信号。所使用的接收波束可以是例如根据第二阶段320的波束赋形图案设计的波束，这些上行接收波束具有与步骤402中的下行发射波束之间的唯一映射关系。具体的随机接入信号的接收过程将在下文中结合PRACH格式详细描述。

作为示例，第一阶段中使用的波束图案可以与第二阶段中使用的波束图案相同。例如，均采用较宽而粗糙的波束、或者窄而粗糙的波束、或者窄而精细的波束等，第一阶段中使用的波束与第二阶段中使用的波束可以具有一一对应(映射)关系。

作为另一示例，第一阶段中使用的波束图案可以与第二阶段中使用的波束图案不同。例如，第一阶段采用宽波束，而第二阶段采用窄波束，两者之间具有相互映射关系，如以上结合图3所描述的两阶段层级式的波束赋形映射。

在步骤406，响应于接收到随机接入信号，确定用于UE 120的发射波束。BS 110对接收到的UE 120的随机接入信号进行测量和检测，确定对于UE 120而言最理想的接收波束。根据波束互易性特性，基站可以确定用于UE 120的发射波束。

在本公开的一个实施例中，随机接入信号包含随机接入前导以及指示UE 120所偏好的下行发射波束的指示，这一过程将在下文进行具体描述。在该实施例中，BS 110接收到随机接入信号，能够得知UE 120所期望的下行发射波束(或方向)，BS 110可以基于对随机接入信号的检测和获知的该指示，确定用于UE 120的发射波束。

在步骤408，使用确定的发射波束向UE 120发送随机接入响应。在该步骤中，BS110使用所确定的最适宜UE 120的发射波束来发送随机接入相应，以便UE 120能够利用波束的定向性更好地接收来自基站的信息。

下面参考图5，其示出了根据本公开的实施例的随机接入的方法500。图5中所示的方法500例如可由图1中所示的UE 120来执行。也即，UE 120可以执行方法500从而与执行方法400的BS 110配合操作，从而实现随机接入。

在步骤502，在UE 120处接收广播信号，该广播信号是由BS 110使用多个下行发射波束而发送。例如，广播信号是BS 110按照图4中步骤402所述而发送的，其中携带有与下行发射波束以及与随机接入信号的传输相关的配置信息，UE 120通过广播信息能够准确知道随机前导传输资源。

在步骤504，响应于接收到广播信号，使用上行发射波束发送随机接入信号，随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示UE 120所偏好的下行发射波束的指示。在该步骤中，通过测量和解码通过多个波束发送的广播信号，UE 120可以知道其最佳的接收波束，根据波束互易性特性，可以确定用于PRACH的上行发射波束。具体的随机接入信号的发送过程将在下文中结合PRACH格式详细描述。

在本公开的一个实施例中，指示UE 120所偏好的下行发射波束的指示可以隐式地传递给BS 110，例如以与发送随机接入信号的时域资源进行关联。指示UE 120所偏好的下行发射波束的指示还可以显式地传递给BS 110，即将其所偏好的下行发射波束的索引包含在随机接入信号中。

图6示出了根据本公开实施例的具有定向接收的PRACH格式600的示意。图6仅示意了时域的PRACH格式，在频域，PRACH传输集中于具有针对毫米波段定义的最小上行带宽的中心频带，因此，不管上行小区带宽如何，在频域可以使用相同的PRACH结构。

根据随机接入前导序列、循环前缀和保护时间的长度，每个随机接入前导传输块602可以由一个或多个OFDM符号构成。如图6所示，承载随机接入前导的多个前导传输块在连续时间点发送。连续的前导传输块602形成PRACH传输尝试604，PRACH传输尝试604可以具有一个或多个子帧的持续时间。同时，PRACH传输尝试604具有可配置的PRACH传输周期606。

在PRACH格式600中，可以配置每个PRACH传输尝试604中的前导传输块602的数目。在本公开的一个实施例中，根据两阶段层级式的波束赋形映射方案，每个PRACH传输尝试中可以包含N个前导传输块，N即第一阶段310中的波束赋形图案的数目。

可以理解，***中配置的PRACH格式信息将通过PBCH信道广播给UE 110，使得小区内的UE 110能够获知如何在PRACH上发送随机接入信号。根据本公开的一个实施例，UE 120可以在PRACH传输尝试604内的连续的前导传输块602中重复发送其前导信号，BS 110将在连续的时间点中以两阶段层级式的波束赋形映射方案所定义的第二阶段320中的波束赋形图案来接收该前导信号。该实施例虽然利用了波束赋形增益，但由于并不是所有的第二阶段320中的波束赋形图案都适于UE 120，并且随机接入冲突也可能在每个时间点发生，因此这种PRACH传输方法并不是最高效的。

根据本公开的另一个实施例，UE 120根据其择优或所偏好的BS 110的下行波束赋形图案索引来选择在特定时间点或前导传输块，以传递其随机接入请求。也就是说，UE 120可以基于对所接收的由BS 110以多个发射波束发送的广播信号的解码和测量，获知对自己的传输而言最佳的下行波束赋形图案索引，继而UE 120根据择优的或其偏好的下行波束赋形图案索引，选择在与该索引所对应的PRACH传输尝试604中的时刻使用前导传输块来发送随机接入信号。如图6中所示，UE 120可以选择PRACH传输尝试604中的特定时域资源发送随机接入信号，这个特定的时域资源是与UE 120偏好的下行波束赋形图案索引相关联的，而这一关联同样体现在广播信号的发射波束和PRACH收发波束之间的对应，如以上对两阶段层级式波束赋形映射的描述。

以这种方式，UE 120将不再在PRACH传输尝试的其他前导传输块中发送随机接入请求。来自不同UE(例如UE 120₁、UE 120₂…UE120_K)的上行随机接入请求可以被分散在PRACH传输尝试的多个时间点中，由此由于不同UE在相同时间点选择共同前导序列而导致的随机接入冲突的概率大幅度降低。而在BS 110侧，BS 110将使用最佳的接收波束以用于PRACH解码。

在一个实施例中，BS 110使用如图3所示的两阶段层级式的波束赋形映射，在接收PRACH传输块时，使用第二阶段中的不同波束赋形子阵列(多个子波束)来接收每个PRACH传输块，以覆盖位于小区的不同方向的全部UE。如图6所示，在PRACH传输尝试604所对应的BS110接收期间，BS 110在连续N个前导传输块中分别以定向的波束赋形子阵列进行接收。波束赋形子阵列可以选自一组预定义的具有更细粒度和更尖锐波束图案的波束赋形矢量或码本，以获得更大的波束赋形增益。在该实施例中，波束赋形子阵列索引是直接地与上行PRACH传输尝试内的前导传输块的索引相关的，并且是根据图3中的两阶段层级式的波束赋形映射从下行PBCH传输的波束赋形图案索引中映射的。

在该实施例中，BS 110可以在PRACH传输尝试内的每个前导传输块中，检测一个或多个前导信号并记录图3中的第二阶段中所定义的针对每个前导信号的最佳波束赋形图案索引，当然也可能检测到没有前导信号。自然地，BS 110根据波束互易性特性使用合适的波束赋形图案来发送与所检测的前导信号相关的随机接入响应。

当UE 120根据其择优或所偏好的BS 110的下行波束赋形图案索引来选择在特定时间点或前导传输块以传递其随机接入请求时，该实施例能够获得很高的波束赋形增益，大幅提高PRACH接收能力，并能降低随机接入冲突的概率。

下面通过图7进行进一步地说明。图7示出了根据本公开的一个实施例的通信场景700的示意。如图所示，BS 110配置了M＝4个收发射频通道710₁、710₂、710₃、710₄，通信场景700中有K个UE，即UE 120₁，UE 120₂，……，UE 120_K。BS 110的每个射频通道可以连接到BS110所有的天线阵元或者BS 110天线阵元的子集，并且每个射频通道使用来自波束赋形子阵列的不同波束赋形图案以覆盖UE位置的某个范围并且接收来自该UE的前导请求。

在该实施例中，BS 110可以首先以N个较宽的下行发射波束发送广播信号。在随机接入过程中，UE 120₁选择前导#1，UE 120₂选择前导#2，UE 120_K碰巧选择了与UE 120₁相同的前导#1。如前所描述的，如果某个UE在下行PBCH传输期间发现来自BS 110的具有索引n的最佳波束赋形图案，该UE将会在上行随机接入过程期间在时间点n发送其前导信号。因此，如果UE 120₁和UE 120_K在下行PBCH发送周期期间偏好来自BS 110的不同的波束赋形图案，它们将在PRACH传输尝试期间的不同时间点发送其前导信号，此时不会产生上行随机接入请求的冲突。

BS 110在PRACH的N个连续时间点使用具有更细粒度的不同的波束赋形子阵列来接收多个前导序列#1、#2。也即，在图7所示的实施例中，BS 110的射频通道#m可以使用波束赋形子阵列n(n＝1,…,N)的波束图案#n.m(m＝1,…,4)，以根据两阶段层级式的波束赋形映射关系来检测UE 120₁，UE 120₂，……，UE 120_K的前导序列。从时域来看，第一阶段中的第n个波束赋形图案用于下行时间点n中的PBCH传输，根据波束互易性特性，之后第二阶段中的第n个波束赋形子阵列用于上行时间点n中的PRACH接收。

BS 110的四个射频通道同时接收并检测来自不同UE的前导信号，并且在PRACH传输尝试的多个连续的时间点接收并检测来自不同UE的前导信号。每个前导信号将由不同的射频通道同时接收，但是由于不同的波束赋形定向性，在每个射频通道中接收信号质量或强度是不同的。最后，从波束赋形子阵列中选择最佳的波束赋形图案，并且根据最大接收功率与前导信号相关联，从而以该最佳的波束赋形图案向UE 120反馈随机接入响应。通过这种方式，BS 110可以进一步确定针对每个UE的最佳的具有更细粒度和更高波束赋形增益的波束赋形图案索引，这将用于接下来的随机接入过程和后面的数据传输。

从以上过程可以看出，在BS 110侧，PRACH应用具有比PBCH更高的图案分辨率和波束赋形增益的接收波束赋形子阵列，以提高PRACH接收能力。根据两阶段层级式的波束赋形映射，PRACH接收期间的波束赋形子阵列索引是直接与下行PBCH传输期间的波束赋形图案相关的。这种随机接入机制可以针对每个UE获得出众的波束赋形增益和链路连接性能而不引起上行随机接入过程的前导冲突。

图8示出了根据本公开实施例的定向的随机接入过程通信示意800。在802处，BS110使用多个下行发射波束通过PBCH发送广播信号，例如在不同的时间点使用较宽的多个波束以波束扫描方式发送广播信号，该广播信号中至少包括前导传输块数目、波束赋形图案的数目、波束赋形图案和前导传输块之间的映射表、前导传输块的持续时间、PRACH传输尝试的周期和位置等等。

在804处，在下行初始小区接入期间，UE 120基于接收到的定向的广播信号，通过PBCH解码而确定其最佳的接收波束以及最适宜或偏好的下行发射波束，并且从广播信号中获知前导发送资源相关的信息。

然后，在806处，UE 120在随机接入尝试中的、与其偏好的下行发射波束索引相对应的时间点，使用其最佳接收波束相同的波束通过PRACH来发送随机接入请求(随机接入信号)。另外，在该步骤中UE 120所确定的接收波束以及偏好的下行发射波束可以用于之后的通信过程。

在808处，BS 110在PRACH的某个时间点使用具有更细粒度的不同的波束赋形子阵列即多个子波束来接收该UE 120的随机接入信号，这个时间点对应于UE 120偏好的下行发射波束索引。通过检测和测量该UE的随机接入信号，BS 110确定多个子波束中最佳的一个子波束，并将其作为以后针对该UE 120的发送波束和接收波束。然后，在810处，BS 110使用该子波束发送随机接入响应。

之后，在UE 120侧，在812处，使用如在针对UE 120的804中预先确定的波束赋形图案向BS 110发送包含UE 120的标识的随机接入消息，BS 110使用在808中确定的合适的波束赋形图案来接收消息。在814处，BS 110使用在808中所确定的合适的BS 110的波束赋形图案向UE 120发送UE 120的标识，确认针对UE的随机接入过程成功地完成。随后，UE 120和BS 110可以在818处分别使用在804和808处确定的收发波束进行数据传输。

图9示出了根据本公开的实施例的在无线通信***中用于进行随机接入过程通信的装置900的示例性结构图。在一个实施例中，装置900可以被实施为随机接入过程通信中的网络侧设备(例如，基站110)或其的一部分。装置900可操作用于执行参照图4、图7和图8所描述的方法和/或通信过程，以及任何其他的处理和方法。

为此，装置900包括：第一发送单元910，被配置为使用多个下行发射波束发送广播信号；接收单元920，被配置为使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，多个上行接收波束与多个下行发射波束相关联；波束确定单元930，被配置为响应于接收到随机接入信号，确定用于终端设备的发射波束；以及第二发送单元940，被配置为使用确定的发射波束向终端设备发送随机接入响应。

图10示出根据本公开的实施例的在无线通信***中用于进行随机接入过程通信的装置1000的示例性结构图。在一个实施例中，装置1000可以被实施为随机接入过程通信中的用户侧设备(例如，终端设备120)或其的一部分。装置1000可操作用于执行参照图5、图7和图8所描述的方法和/或通信过程，以及任何其他的处理和方法。

为此，装置1000包括：接收单元1010，被配置为接收广播信号，广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；发送单元1020，被配置为响应于接收到广播信号，使用上行发射波束发送随机接入信号，随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示终端设备对多个下行发射波束的偏好的指示。

应当理解，装置900和1000中记载的每个单元与参考图4、图5、图7和图8描述的方法和/或通信过程400、500、700和800中的每个步骤相对应。因此，上文结合图4、图5、图7和图8所描述的操作和特征同样适用于装置900和1000及其中包含的单元，并且具有同样的效果，具体细节不再赘述。

装置900和1000中所包括的单元可以利用各种方式来实现，包括软件、硬件、固件或其任意组合。在一个实施例中，一个或多个单元可以使用软件和/或固件来实现，例如存储在存储介质上的机器可执行指令。除了机器可执行指令之外或者作为替代，装置900和1000中的部分或者全部单元可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件来实现。作为示例而非限制，可以使用的示范类型的硬件逻辑组件包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准品(ASSP)、片上***(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)，等等。

图11示出了一个可以用来实施本公开的实施例的设备1100的示意性框图，设备1100可以用来实现用于进行随机接入过程通信的设备，其例如包括上文描述的网络设备110或终端设备120。

如图所示，设备1100包括至少一个控制器1110以及耦合至控制器1110的至少一个存储器1120。控制器1110可由任何适当的设备来实现，例如数字处理器等，并且可由存储器1120中存储的指令来控制。设备1100还包括耦合至控制器1110和存储器1120的收发器(Rx/Tx)1140。装置1100还可以经由数据路径1150耦合至一个或多个外部网络或***。

当设备1100被用来实现网络设备110时，控制器1110和收发器1140可以配合操作，以实现上文参考图4、图7和图8所详细描述的方法/过程400、700和/或800。类似地，当设备1100被用来实现终端设备120时，控制器1110和收发器1140可以配合操作，以实现上文参考图5、图7和图8所详细描述的方法/过程500、700和/或800。

根据如以上所提到的各个方面和实施例，通过在随机接入过程中应用分层级的波束赋形方案，更好地利用了大规模MIMO技术带来的波束赋形增益，改善了***随机接入的性能，能够更好地适应毫米波通信环境。

本领域技术人员将容易地认识到，各种上述各种方法中的块或者步骤可以通过编程的计算机来执行。在本公开中，一些实施例还意在涵盖程序存储设备，例如，数字数据存储介质，这是机器或计算机可读的并且编码机器可执行或计算机可执行的指令程序，其中，指令执行上述方法的一些或所有步骤。程序存储设备可以是，例如，数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。该实施例还意在涵盖编程为执行上述方法的步骤的计算机。

在附图中示出的装置的各种元件的功能，可以通过使用软件、专用硬件以及与适当软件相关联的能够执行软件的硬件、或者固件、或者其结合来提供。当由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独的处理器来提供。此外，术语“处理器”可以包括但不限于，数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)，用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储装置。还可以包括其他常规和/或定制的硬件。

通过以上描述和相关附图中所给出的教导，这里所给出的本公开的许多修改形式和其它实施方式将被本公开相关领域的技术人员所意识到。因此，所要理解的是，本公开的实施方式并不局限于所公开的具体实施方式，并且修改形式和其它实施方式意在包括在本公开的范围之内。此外，虽然以上描述和相关附图在部件和/或功能的某些示例组合形式的背景下对示例实施方式进行了描述，但是应当意识到的是，可以由备选实施方式提供部件和/或功能的不同组合形式而并不背离本公开的范围。就这点而言，例如，与以上明确描述的有所不同的部件和/或功能的其它组合形式也被预期处于本公开的范围之内。虽然这里采用了具体术语，但是它们仅以一般且描述性的含义所使用而并非意在进行限制。

Claims (30)

1.一种基于波束赋形的随机接入的方法，包括：

在基站处使用多个下行发射波束发送广播信号；

使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，包括使用与所述多个下行发射波束对应的多个子波束组来接收来自所述终端设备的所述随机接入信号，其中所述多个上行接收波束被划分为各自包括一个或多个上行接收波束的所述多个子波束组，所述多个子波束组与所述多个下行发射波束之间具有相互映射关系，并且所述多个子波束组中的每个子波束组能够覆盖对应的所述下行发射波束方向和地理区域；

响应于接收到所述随机接入信号，将一个子波束组中的一个子波束确定为用于所述终端设备的发射波束；以及

使用确定的所述发射波束向所述终端设备发送随机接入响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在基站处使用多个下行发射波束发送广播信号包括：

以不同的时域资源使用所述多个下行发射波束来发送所述广播信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号包括：

使用与所述多个下行发射波束相同的波束来接收来自所述终端设备的所述随机接入信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中使用与所述多个下行发射波束对应的多个子波束组来接收来自所述终端设备的所述随机接入信号包括：

在不同时刻以所述多个子波束组中的一个子波束组接收来自所述终端设备的所述随机接入信号，所述不同时刻与所述多个下行发射波束相关联。

5.根据权利要求4所述的方法，其中确定用于所述终端设备的发射波束包括：

检测所述随机接入信号；

基于所述检测，确定所述一个子波束组中的一个子波束作为将要用于所述终端设备的接收波束；以及

将与所述接收波束相同的波束确定为用于所述终端设备的所述发射波束。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

响应于接收到所述随机接入信号，确定将要用于所述终端设备的接收波束；以及

使用所述发射波束和所述接收波束针对所述终端设备进行所述随机接入以及数据传输。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示与所述随机接入信号的时域资源唯一地关联。

9.根据权利要求7所述的方法，其中确定用于所述终端设备的发射波束包括：

检测所述随机接入信号，以获取所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的所述指示；以及

基于所述指示，将所述终端设备所偏好的下行发射波束确定为用于所述终端设备的发射波束。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述广播信号至少包含承载于***信息中的与所述下行发射波束以及与所述随机接入信号的传输相关的配置信息。

11.一种基于波束赋形的随机接入的方法，包括：

在终端设备处接收广播信号，所述广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；

响应于接收到所述广播信号，检测接收到的所述广播信号；

基于所述检测，确定所述终端设备所偏好的下行发射波束以及将要使用的接收波束；

将与所述接收波束相同的波束确定为上行发射波束；

使用上行发射波束发送随机接入信号，所述随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示；以及

所述终端设备将使用所述发射波束来与由所述基站针对所述终端设备确定的上行接收波束进行数据传输，

所述确定的上行接收波束被包括在多个上行接收波束的一个子波束组中，所述多个上行接收波束被划分为各自包括一个或多个上行接收波束的多个子波束组，所述多个子波束组与所述多个下行发射波束之间存在映射关系，并且所述多个子波束组中的每个子波束组能够覆盖对应的所述下行发射波束方向和地理区域。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述广播信号是所述基站以不同的时域资源使用所述多个下行发射波束的，并且其中在终端设备处接收广播信号包括：

在与所述多个下行发射波束相关联的不同时刻，在所述终端设备处接收所述广播信号。

13.根据权利要求11所述的方法，其中使用所述上行发射波束发送所述随机接入信号包括：

以与所述终端设备所偏好的下行发射波束唯一地关联的时域资源发送所述随机接入信号。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用所述上行发射波束和所述接收波束进行所述随机接入以及数据传输。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述广播信号包含承载于***信息中的与所述下行发射波束以及与所述随机接入信号的传输相关的配置信息。

16.一种网络设备，包括：

收发器，被配置为：

使用多个下行发射波束发送广播信号；以及

使用多个上行接收波束接收来自终端设备的随机接入信号，包括使用与所述多个下行发射波束对应的多个子波束组来接收来自所述终端设备的所述随机接入信号，其中所述多个上行接收波束被划分为各自包括一个或多个上行接收波束的所述多个子波束组，所述多个子波束组与所述多个下行发射波束之间具有相互映射关系，并且所述多个子波束组中的每个子波束组能够覆盖对应的所述下行发射波束方向和地理区域；以及

控制器，被配置为响应于接收到所述随机接入信号，将一个子波束组中的一个子波束确定为用于所述终端设备的发射波束，以使所述收发器使用所述发射波束向所述终端设备发送随机接入响应。

17.根据权利要求16所述的网络设备，所述收发器被配置为：

以不同的时域资源使用所述多个下行发射波束来发送所述广播信号。

18.根据权利要求16所述的网络设备，所述收发器被配置为：

使用与所述多个下行发射波束相同的波束来接收来自所述终端设备的所述随机接入信号。

19.根据权利要求16所述的网络设备，所述收发器还被配置为：

在不同时刻以所述多个子波束组中的一个子波束组接收来自所述终端设备的所述随机接入信号，所述不同时刻与所述多个下行发射波束相关联。

20.根据权利要求19所述的网络设备，所述控制器被配置为：

检测所述随机接入信号；

基于所述检测，确定所述一个子波束组中的一个子波束作为将要用于所述终端设备的接收波束；以及

将与所述接收波束相同的波束确定为用于所述终端设备的所述发射波束。

21.根据权利要求16所述的网络设备，所述控制器还被配置为：

响应于接收到所述随机接入信号，确定将要用于所述终端设备的接收波束；以及

确定使用所述发射波束和所述接收波束针对所述终端设备进行所述随机接入以及数据传输。

22.根据权利要求16所述的网络设备，其中所述随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示。

23.根据权利要求22所述的网络设备，其中所述指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示与所述随机接入信号的时域资源唯一地关联。

24.根据权利要求22所述的网络设备，所述控制器还被配置为：

检测所述随机接入信号，以获取所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的所述指示；以及

基于所述指示，将所述终端设备所偏好的下行发射波束确定为用于所述终端设备的发射波束。

25.根据权利要求16所述的网络设备，其中所述广播信号至少包含承载于***信息中的与所述下行发射波束以及与所述随机接入信号的传输相关的配置信息。

26.一种终端设备，包括：

收发器，被配置为：

接收广播信号，所述广播信号是由基站使用多个下行发射波束而发送；以及

响应于接收到所述广播信号，检测接收到的所述广播信号；

基于所述检测，确定所述终端设备所偏好的下行发射波束以及将要使用的接收波束；

将与所述接收波束相同的波束确定为上行发射波束；

使用上行发射波束发送随机接入信号，所述随机接入信号至少包含随机接入前导以及指示所述终端设备对所述多个下行发射波束的偏好的指示；以及

使用所述发射波束来与由所述基站针对所述终端设备确定的上行接收波束进行数据传输，所述确定的上行接收波束被包括在多个上行接收波束的一个子波束组中，所述多个上行接收波束被划分为各自包括一个或多个上行接收波束多个子波束组，所述多个子波束组与所述多个下行发射波束之间存在映射关系，并且所述多个子波束组中的每个子波束组能够覆盖对应的所述下行发射波束方向和地理区域。

27.根据权利要求26所述的终端设备，其中所述广播信号是所述基站以不同的时域资源使用所述多个下行发射波束的，并且其中所述收发器被配置为：

在与所述多个下行发射波束相关联的不同时刻，在所述终端设备处接收所述广播信号。

28.根据权利要求26所述的终端设备，所述收发器被配置为：

以与所述终端设备所偏好的下行发射波束唯一地关联的时域资源发送所述随机接入信号。

29.根据权利要求26所述的终端设备，所述终端设备的控制器还被配置为：

确定使用所述上行发射波束和所述接收波束进行所述随机接入以及数据传输。

30.根据权利要求26所述的终端设备，其中所述广播信号包含承载于***信息中的与所述下行发射波束以及与所述随机接入信号的传输相关的配置信息。

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