在具有大量天線的通信系統中隨機接入的方法和裝置的制造方法

在具有大量天線的通信系統中隨機接入的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本公開一般涉及毫米波移動寬帶系統中的隨機接入信道（RACH)過程。
【背景技術】
[0002] 預期下一代移動寬帶通信系統（5G)將需要提供比當前4G系統（例如LTE和 WiMX)多100-1000倍容量來滿足移動流量的預期增長。用于提高頻譜效率的現有方法不 大可能滿足無線數據的這種暴增需求。目前4G系統使用包括正交頻分多路復用（OFDM)、 多輸入多輸出（Mnro)、多用戶分集、空分復用多址接入（SDM)、高階調制和高級編碼、以及 鏈路適配的多種先進技術來消除理論極限和實踐成果之間的差異。因此，預期像載波聚合、 高階ΜΜ0、協作多點（CoMP)傳輸、以及中繼的新技術僅提供頻譜效率的中等改善。在過去 有效的一種提高系統容量的策略是使用更小的小區。然而，用于獲取、安裝、和維護大量的 小區的資金和運營成本可能帶來困難，因為容量增加1000倍在理論上需要部署的小區數 量增加1000倍。此外，隨著小區尺寸減小，需要進行頻繁的切換，這增加網絡信令開銷和延 遲。

【發明內容】

[0003] 本公開的實施例提供在具有大量天線的無線網絡中執行自適應隨機接入的方法 和系統。
[0004] 在特定實施例中，提供一種在無線網絡中通過用戶設備（UE)執行隨機接入的方 法。該方法包括配置至少一個UE發送波束用于發送隨機接入信號。該方法還包括根據該 配置使用天線陣列生成該至少一個UE發送波束。此外，該方法包括在該至少一個UE發送 波束上向基站（BS)發送該隨機接入信號。
[0005] 在特定實施例中，提供一種在無線網絡中通過基站（BS)執行隨機接入的方法。該 方法包括接收來自用戶設備（UE)的至少一個UE發送波束上的隨機接入信號。該方法還包 括配置至少一個下行鏈路發送（DL TX)波束用于發送對該隨機接入信號的響應。在該至 少一個DL TX波束上向UE發送對該隨機接入信號的響應。
[0006] 在特定實施例中，提供一種在無線網絡中執行隨機接入的用戶設備（UE)。該UE包 括處理電路，其被配置為配置至少一個UE發送波束用于發送隨機接入信號。該處理電路還 被配置為根據該配置使用天線陣列生成該至少一個UE發送波束，并且在該至少一個UE發 送波束上向基站（BS)發送隨機接入信號。
[0007] 在特定實施例中，提供一種在無線網絡中執行隨機接入的基站（BS)。該BS包括 處理電路，其被配置為接收來自用戶設備（UE)的至少一個UE發送波束上的隨機接入信號。 該處理電路被配置為配置至少一個下行鏈路發送（DL TX)波束用于發送對該隨機接入信號 的響應，并且在該至少一個DL TX波束上向UE發送對該隨機接入信號的響應。
[0008] 在開始下面的【具體實施方式】之前，闡述本專利文件中通篇使用的某些字詞和短語 的定義將很有益處：術語"包含"和"包括"以及其派生詞意味著非限定的包含；術語"或" 是包含性的，意味著和/或；術語"與…相關的"和"與其相關的"及其派生詞可以意味著包 含、包含在…之內、與…互連、容納、容納在…之內、連接到或與…連接、親接到或與…耦接、 與…可通信、與…協作、交織、并列、與…接近、綁定到或與…綁定、具有、具有…的性質等 等；而術語"控制器"意味著控制至少一種操作的任何設備、系統或其部分，這樣的設備可以 用硬件、固件、軟件、或其中至少兩者的某種組合實現。應當注意，與任何特定控制器相關的 功能可以是集中的或分布的，或者在本地或者遠程地。本專利文件中通篇提供某些字詞和 短語的定義，本領域普通技術人員應當理解，在許多（倘若不是大多數）情況下，這樣的定 義適用于對這樣定義的字詞和短語的現有的以及未來的使用。
【附圖說明】
[0009] 為了更全面地理解本公開及其優點，現在結合附圖給出以下說明，其中類似的引 用數字代表類似的部分：
[0010] 圖1示出根據本公開的實施例的無線網絡；
[0011] 圖2A示出根據本公開的實施例的無線發送路徑的高級圖表；
[0012] 圖2B示出根據本公開的實施例的無線接收路徑的高級圖表；
[0013] 圖3示出根據本公開的實施例的用戶站；
[0014] 圖4示出根據本公開的實施例的無線通信系統；
[0015] 圖5示出根據本公開的實施例的毫米波系統中的發送器和接收器以及它們的波 束路徑；
[0016] 圖6A示出根據本公開的多種實施例的具有大量天線的多輸入多輸出（MHTO)基帶 處理和模擬波束形成的發送路徑；
[0017] 圖6B示出根據本公開的多種實施例的具有大量天線的MMO基帶處理和模擬波束 形成的另一發送路徑；
[0018] 圖6C示出根據本公開的多種實施例的具有大量天線的MMO基帶處理和模擬波束 形成的接收路徑；
[0019] 圖6D示出根據本公開的多種實施例的具有大量天線的MMO基帶處理和模擬波束 形成的另一接收路徑；
[0020] 圖7示出被分成各自覆蓋120°方位角的三個扇區的小區。
[0021] 圖8示出根據本公開的實施例的隨機接入信道（RACH)機會在時間上的分布的三 個實例；
[0022] 圖9A、9B和9C示出根據本公開的實施例的扇區或小區中用于不同目的的不同形 狀的波束；
[0023] 圖10A、10B、IOC和IOD示出根據本公開的實施例的用于DL信道的幀結構；
[0024] 圖11示出毫米波移動寬帶（MMB)系統中上行鏈路通信的實例；
[0025] 圖12A和12B示出根據本公開的實施例的不同參數的可行區域的實例；
[0026] 圖13示出根據本公開的實施例的另一個可行區域調節；
[0027] 圖14示出根據本公開的實施例的UE TX功率調節和波束適應的實例跡線；
[0028] 圖15示出根據本公開的實施例的校準狀態指示和反饋模式指示的過程；
[0029] 圖16示出根據本公開的實施例的校準狀態指示和反饋模式指示的另一過程；
[0030] 圖17示出根據本公開的實施例的隱式反饋過程；
[0031] 圖18A和18B示出根據本公開的實施例的隱式反饋過程的整體操作過程；
[0032] 圖19示出根據本公開的實施例的隱式多UE首選DL波束反饋過程；
[0033] 圖20示出根據本公開的實施例的顯式反饋過程；
[0034] 圖21示出根據本公開的實施例的顯式-隱式反饋過程；
[0035] 圖22示出根據本公開的實施例的顯式多UE首選DL波束反饋過程。
【具體實施方式】
[0036] 下面討論的圖1至22、以及本專利文件中用于描述本公開的原理的各種實施例僅 作為示例說明，而不應當以任何形式解讀為限制本公開的范圍。本領域技術人員將會理解， 本公開的原理可以在任何適當地配置的無線通信系統中實現。
[0037] 本公開的各個方面、特征、以及優勢與以下與附圖一起詳細描述，將會更加明確， 簡單的通過圖示許多具體的實施例和實施方案，包括開展本公開的最佳模式設想。本公開 還包括其他以及不同的實施例，可以修改多種細節的多個方面而不脫離本公開的范圍和精 神。
[0038] 因此，附圖和描述被認為是自然地圖示，而不是限制。本公開通過實例以附圖上數 目來圖示，而不是通過限定條件。本公開中，我們用有限數量和類型的基站、或者有限數量 的移動站、或是有限數量的業務流程、或是有限數量的連接、或是有限數量的路由、或是有 限的使用案例作為實例來圖示。然而，本公開中的實施例還適用于任意數量和類型的基站、 任意數量的移動站、任意數量的業務流程、任意數量的連接、或其他相關的使用案例。這里 所描述的實施例不限于基站（BS)和用戶設備（UE) (BS-UE)通信，還適用于BS-BS、UE-UE通 {目。
[0039] 本公開中我們使用以下的術語。然而，術語在不同的系統中可以被不同地命名。本 公開不限于這些術語。
[0040] BS :基站。BS可以有全球唯一的標識符BSID，典型地為MAC ID。BS可以有多個小 區（例如，一個扇區可以為一個小區），每個小區都有小區標識符、或前同步碼序列。
[0041] BS中每一個小區可以有一個或多個天線陣列，其中每一個陣列可以有不同的幀結 構配置，例如，在時分雙工（TDD)系統中不同的上行鏈路（UL)和下行鏈路（DL)比率。多個 TX/RX(發送/接收）鏈可以應用在一個陣列、或應用在一個小區等。小區中一個或多個天 線陣列可以有相同的DL控制信道（例如，同步信道、物理廣播信道等）傳輸，然而其他信道 比如數據信道等可以在專用于每個天線陣列的幀結構中發送。
[0042] BS可以用天線或天線陣列來波束成形。天線陣列可以用不同的寬度形成波束，例 如，寬波束、或窄波束等。可以在寬波束中發送DL控制信道（例如，同步信道、物理廣播信 道等）、廣播信號/消息、廣播數據信道或控制信道。可以通過輻射物理寬波束、或者通過依 次掃描（sweep)窄波束以覆蓋寬區域來形成寬波束。可以在窄波束中發送組播、單播數據 /控制/信號/消息。
[0043] 可以在同步信道中承載小區標識符。可以在DL控制信道（例如，同步信道、物理 廣播信道等）中隱式地或顯示地承載陣列或波束標識符。它們應當通過寬波束發送。通過 獲取這些信道，用戶設備（UE)可以檢測上述的標識符。
[0044] UE :用戶設備。這個術語與術語移動站（MS)、用戶站等可互換使用。因此，術語UE 和MS在本文檔中被認為是同義的，除非另有說明。移動站（MS)、或用戶設備（UE)也可以使 用天線或天線陣列進行波束成形。
[0045] 本公開的實施例提供在具有大量天線的無線網絡中進行自適應隨機接入的方法 和系統。下一代移動通信（5G)的實例是毫米波移動寬帶（MMB)系統，該系統提倡使用在 3_300GHz范圍的大量未開發頻譜，正如2011年6月IEEE Communications Magazine的 Ζ· Pi 和 F. Khan 的 "An Introduction to Millimeter-Wave Mobile Broadband systems'， 和 2011 年 PR0C. Sarnoff Symposium 的 Z. Pi 和 F. Khan 的 "System Design and Network Architecture for a Millimeter-Wave Mobile Broadband(MMB)system" 中所討論的，通 過引用將其內容合并于此。在如此高頻率下成功操作的首要障礙是嚴酷的傳播環境。毫米 波信號并不能很好的穿透固體物質，而且被葉子和雨水大量的吸收。替換地，在高頻率，用 于基站（BS)和移動設備的天線可以被制作的更小以便將大量的天線（有時被稱為大規模 ΜΙΜ0)聚集在狹小區域內。大量天線的可用使得能夠使用發送和/或接收波束成形獲得高 增益，這可以用來對抗傳播路徑損耗。用大量天線，還能在BS和多個移動設備之間在空間 上分離下行鏈路和上行鏈路傳輸，因此獲得空分多址接入的能力以增加系統容量。例如， 6GHz的寬帶通信系統的波長僅有5cm，允許以合理的形狀因數在移動站（MS)放置64元件 天線陣列。如此的UE可以容易的形成大量的波束樣式，用于不同級別的方向增益的上行鏈 路發送和下行鏈路。隨著天線技術的進展和更高頻率的使用，以更高的指向性級別形成更 大數目的波束樣式。用于在BS和UE二者處采用大量天線的系統的隨機接入機制的設計既 帶來挑戰也帶來機遇。
[0046] 圖1示出根據本公開的實施例的無線網絡100。圖1所示的無線網絡100的實施 例僅僅用來圖示。可以使用無線網絡100的其他實施例而不脫離本公開的范圍。
[0047] 如圖1所示，無線網絡100包括6吣(^8(6陬）101、6陬102和6陬103。6陬101與 eNB 102和eNB 103通信。eNBlOl還可以與在諸如互聯網、專用IP網絡、或其他數據網絡 的至少一個互聯網協議（IP)網絡130。
[0048] eNB 102提供eNB 102的覆蓋區120內的第一多個用戶設備（UE)到網絡130的 無線寬帶接入。第一多個UE包括：UE 111，其可以位于小企業（SB) ;UE 112,其可以位于企 業（E) ;UE 113,其可以位于WiFi熱點（HS) ;UE 114,其可以位于第一住宅（R) ;UE 115,其 可以位于第二住宅（R);以及UE 116,其可以是移動設備（M)，如蜂窩電話機、無線膝上計算 機、無線PDA等。eNB 103提供eNB 103的覆蓋區125內的第二多個UE到網絡130的無線 寬帶接入。第二多個UE包括UE 115和UE 116。在一些實施例中，一個或多個eNB 101-103 可以使用5G、LTE、LTE-A、WiMAX或其他先進的無線通信技術與彼此以及與UE 111-116通 ?目。
[0049] 依賴于網絡類型，其他已知術語可被用來代替"eNodeB"或"eNB"，例如"基站"或 "接入點"。為了方便，本專利文件中使用術語"eNodeB"和"eNB"以指代向遠程終端提供無 線接入的網絡基礎設施組件。同樣，依賴于網絡類型，其他已知術語可被用來代替"用戶設 備"或"UE"，例如"移動站"、"用戶站"、"遠程終端"、"無線終端"或"用戶裝置"。為了方便， 本專利文件中使用術語"用戶設備"和"UE"以指代無線接入eNB的遠程無線設備，無論UE 是移動設備（例如移動電話機或智能電話機）或通常被考慮為固定設備（例如桌面計算機 或自動售貨機）。
[0050] 虛線表示的是覆蓋區域120和125的大概范圍，其被示出為近似圓形僅是為了圖 示和解釋。應當清楚的了解，取決于eNB的配置以及與天然和人工障礙關聯的無線電環境 的變化，，例如覆蓋區域120和125的與eNB關聯的覆蓋區域可以具有其他形狀，包括不規 則形狀。
[0051] 以下將會更詳細描述，在一些實施例中，一個或多個eNB 101-103可以通過使用 包括如本公開的實施例所描述的使用多個天線隨機接入的技術的5G、LTE、LTE-A或WiMX 技術與彼此以及與UE 111-116通信。在特定實施例中，一個或多個eNB 101-103被配置為 接收來自用戶設備（UE)的至少一個UE發送波束上的隨機接入信號；配置至少一個下行鏈 路發送（DL TX)波束用于發送對該隨機接入信號的響應；以及在該至少一個DL TX波束上 向UE發送對該隨機接入信號的響應。在特定實施例中，一個或多個UE 111-116被配置為 配置至少一個UE發送波束用于發送隨機接入信號；根據該配置使用天線陣列生成該至少 一個用戶設備發送波束；以及在該至少一個UE發送波束上向基站（BS)發送該隨機接入信 號。
[0052] 雖然圖1圖示了無線網絡100的一個實例，但是可以對圖1進行多種改變。例如， 無線網絡100可以在任意合適的配置下包括任意數目的eNB和任意數目的UE。此外，eNB 101可以與任意數目的UE直接通信并且向這些UE提供到網絡130的無線寬帶接入。類似 地，每一個eNB 102-103可以與網絡130直接通信并且向UE提供到網絡130的直接無線寬 帶接入。此外，eNB 10U102和/或103可以提供到其他或額外的外部網絡的接入，例如外 部電話網絡或其他類型數據網絡。
[0053] 圖2A和2B示出根據本公開的實施例的無線發送和接收路徑的實例。在接下來的 描述中，發送路徑200可以被描述為在eNB (例如eNB 102)中實現，而接收路徑250可以被 描述為在UE(例如UE 116)中實現。然而，可以理解，接收路徑250可以在eNB中實現，并 且發送路徑200可以在UE中實現。在一些實施例中，發送路徑200和接收路徑250被配置 為執行如本公開的實施例所描述的使用多個天線隨機接入的方法。
[0054] 發送路徑200包括信道編碼和調制塊205、串行到并行（S-to-P)塊210、尺寸N 逆快速傅里葉變換（IFFT)塊215、并行到串行（P-to-S)塊220、添加循環前綴塊225、和上 轉換器（UC) 230。接收路徑250包括下轉換器（DC) 255、移除循環前綴塊260、串行到并行 (S-to-P)塊265、尺寸N快速傅里葉變換（FFT)塊270、并行到串行（P-to-S)塊275、和信 道解碼和解調塊280。
[0055] 在發送路徑200中，信道編碼和調制塊205接收一組信息位，應用編碼（例如低 密度奇偶校驗（LDPC)編碼），并且調制輸入位（例如用正交相移鍵控（QPSK)或正交調幅 (QAM))以生成頻率域調制碼元的序列。串行到并行塊210轉換（例如解復用）串行調制碼 元為并行數據以生成N個并行碼元流，其中N是eNB 102和UE 116中使用的IFFT/FFT尺 寸。尺寸N IFFT塊215對N個并行碼元流執行IFFT操作以生成時域輸出信號。并行到串 行塊220轉換（例如復用）來自尺寸N IFFT模塊215的并行時域輸出碼元以生成串行時 域信號。添加循環前綴版塊225插入循環前綴到時域信號。上轉換器230調制（例如上轉 換）添加循環前綴版塊225的輸出結果為RF頻率用于通過無線信道發送。該信號還可以 在轉換成RF頻率前可在基帶中過濾。
[0056] 從eNB 102發送的RF信號在通過無線信道之后到達UE 116,并且在UE 116處執 行與在eNB 102處相反的操作。下轉換器255下轉換接收信號到基帶頻率，而且移除循環 前綴版塊260移除循環前綴以生成串行時域基帶信號。串行到并行塊265轉換時域基帶信 號為并行時域信號。尺寸N FFT塊270進行FFT算法以生成N個并行頻域信號。并行到串 行（P-to-S)塊275轉換并行頻域信號為調制數據碼元的序列。信道解碼和解調塊280解 調并且解碼調制碼元以恢復原始輸入數據流。
[0057] eNBs 101-103的每一個可以實現發送路徑200,其類似于在下行鏈路發送至UE 111-116,并且可以實現接收路徑250,其類似于在上行鏈路中從UElll-116接收。類似地， UE的每一個可以實現發送路徑200用于在上行鏈路中發送至eNB 101-103,并且可以實現 接收路徑250用于在下行鏈路中從eNBlOl-103接收。
[0058] 圖2A和2B中的每一個組件可以僅使用硬件或使用硬件和軟件/固件的組合實 現。作為具體示例，圖2A和2B中的至少以下組件可以以軟件實現，而其他組件可以通過可 配置硬件或軟件和可配置硬件的混合來實現。例如，FFT塊270和IFFT塊215可以實現為 可配置軟件算法，其中可以根據實施方式來修改尺寸N的值。
[0059] 此外，雖然描述使用FFT和IFFT，但這僅僅為了圖示而并不限定本公開的范圍。可 以使用其他類型的變換，比如離散傅里葉變換（DFT)和逆離散傅里葉變換（IDFT)。不難理 解，對于DFT和IDFT功能，變量N的值可以為的任意整數（例如1、2、3、4等），而對應FFT 和IFFT功能，變量N的值可以為作為2的冪的任意整數（例如1、2、4、8、16等）。
[0060] 雖然圖2A和2B示出無線發送和接收路徑的實例，但是可以對圖2A和2B進行多 種改變。例如，圖2A和2B中多種組件可以被組合、進一步細分、或可以根據特定需求刪除 和添加額外組件。此外，圖2A和2B意在圖示可被用在無線網絡中的發送和接收路徑類型 的實例。任何其他合適的架構可被用來支持無線網絡中的無線通信。
[0061] 圖3示出根據本公開的實施例的一個實例UE 116。圖3示出的UE 116的實施例 僅為了圖示，圖1中的UE 111-115可以有相同或相似的配置。然而，UE有各種各樣的配置， 圖3沒有將本公開范圍限制于UE的任何特定實施方式。
[0062] 如圖3所示，UE 116包括天線305、射頻（RF)收發器310、發送（TX)處理電路315、 麥克風320、和接收（RX)處理電路325。UE 116還包括揚聲器330、主處理器340、輸入/輸 出（I/O)接口（IF) 345、鍵盤350、顯示器355、和存儲器360。存儲器360包括基本操作系 統（OS)程序361和一個或多個應用程序362。
[0063] RF收發器310從天線305接收由網絡100的eNB發送的進來的RF信號。RF收發 器310下轉換進來的RF信號以生成中頻（IF)或基帶信號。IF或基帶信號被發送到RX處 理電路325,其通過濾波、解碼、和/或數字化基帶或IF信號以生成已處理的基帶信號。RX 處理電路325發送已處理的基帶信號到揚聲器330 (例如對聲音數據）或到主處理器340 用于進一步處理（例如對網頁瀏覽數據）。
[0064] TX處理電路315接收來自麥克風320的模擬或數字語音數據、或來自主處理器 340的其他外出的基帶數據（例如網頁數據、電子郵件、或交互式視頻游戲數據）。TX處理 電路315編碼、多路復用、和/或數字化外出的基帶數據以生成已處理的基帶或IF信號。RF 收發器310從TX處理電路315接收外出的已處理的基帶或IF信號并且上轉換基帶或IF 信號為RF信號以通過天線305發送。
[0065] 主處理器340可以包括一個或多個處理器或者其他處理器件，并且執行儲存在存 儲器360中的基本操作系統（OS)程序361以控制UE 116的整體操作。例如，主處理器340 可以根據已知原理控制通過RF收發器310、RX處理電路325、以及TX處理電路315接收前 向信道信號和發送反向信道信號。在某些實施例中，主處理器340包括至少一個微處理器 或微控制器。
[0066] 主處理器340還能執行駐留于存儲器360中的其他進程和程序，例如如本公開的 實施例所描述的使用多個天線執行隨機接入的操作。主處理器340可以根據執行進程的 需要移動數據進出存儲器360。在一些實施例中，主處理器340被配置為基于OS程序361 或響應于從eNB或運營商接收的信號而執行應用程序362。主處理器340還耦接到I/O接 口 345,其向UE 116提供連接到諸如膝上計算機和手持計算機的其他設備的能力。I/O接 口 345這些附件和主處理器340之間的通信路徑。
[0067] 主處理器340還能耦合到鍵盤350和顯示器單元355。UE 116操作者可使用鍵盤 350輸入數據到UE 116。顯示器355可是一個液晶顯示器或其他顯示器能渲染文本和/或 至少限制圖形，例如從網站。
[0068] 存儲器360耦接到主處理器340。存儲器360的一部分可以包括隨機存取存儲器 (RAM)，存儲器360的另一部分可以包括閃存或其他只讀存儲器（ROM)。
[0069] 雖然圖3圖示了 UE 116的一個實例，可以對圖3進行多種改變。例如，圖3中的 多種組件可以被組合、進一步細分或可以根據特定需要刪除和添加額外組件。作為特定示 例，主處理器340可以被劃分為多個處理器，例如一個或多個中央處理單元（CPU)以及一個 或多個圖形處理單元（GPU)。此外，雖然圖3圖示UE 116被配置為移動電話機或智能電話 機，UE可以被配置為作為其他類型的移動或固定設備操作。
[0070] 本公開的實施例公開了使用大量天線的通信系統中的隨機接入。特定實施