一種波束訓練中實現同步的方法及裝置與流程

2023-07-12 12:50:02

本發明涉及但不限於高頻段通信技術，尤指一種波束訓練中實現同步的方法及裝置。

背景技術：

隨著無線電通信技術的不斷發展，各種各樣的無線電業務大量湧現，特別是近幾年的智能終端的熱潮，消費者對於移動通信容量的需求正呈現指數倍的提升。然而，現有2G、3G、4G移動通信無線電業務所依託的頻譜資源集中於非常擁擠的300MHz～3GHz以下的中低頻段。擁塞的頻譜資源已經制約了移動通信技術的發展，無法滿足未來無線通信的需求。

在日益興起的第五代移動通信技術(5G)中，更高載波頻率的使用已經在工業界和學術界達成了普遍共識。潛在的載波頻譜，比如28GHz、45GHz和60GHz等。雖然高頻段帶來了更為豐富的頻譜資源，但是，高頻信道具有自由空間傳播路徑損失較大、空氣(特別是氧氣)吸收更大、雨衰影響較重等缺點，這都影響了高頻段通信系統的覆蓋範圍和使用場景。為了解決上述問題，通過利用高頻段波長較短和易於天線集成等特點，高頻段通信可以使用多天線陣列和波束賦形方案來獲取高天線增益和對抗信號傳輸損耗以確保鏈路餘量。

在採用波束賦形方案後，發送端可以將能量集中在某一方向上，而接收端同時只從特定的方向接收信號。此時，其他方向發送/接收信號量很弱，繼而實現了無線通信的方向性傳輸。如果基站和用戶端需要獲得優異的波束賦形天線權重矢量以最大化天線增益，對於基帶和終端而言，需要測量和有效的反饋特定的信道狀態信息、天線權值或序號，才能確保基站和終端可以使用最優波束組合來實現下行業務和上行業務的傳輸。

現行的波束訓練策略大致分成兩大類，一類是基於接收信號能量測量的波束訓練策略，另外一種是基於信道估計的波束訓練策略。其中，基於接收 信號能量測量的波束訓練策略是指，收發端使用定向波束，探測潛在最優波束組合的接收信號能量，直接基於接收信號的能量大小來決定最優波束組合的序號；基於信道估計的波束訓練策略是指，收發端使用定向或者非定向波束，精確估計在不同波束組合下的信道響應(不同相對時延下的信道響應徑的幅度和能量大小)，進而估計最優的收發方向角度或者檢測數據傳輸可選碼本的定向收發波束序號。

上述基於接收信號能量測量的波束訓練策略，實現相對簡單，並且不需要已知發送端的定向天線的發送矢量或者接收端測量的信道狀態信息(CSI)，但是，該方案無法有效利用信道的稀疏特性和多徑時域可分辨特性；而基於信道估計的波束訓練策略，可以有效利用信道稀疏特性和多徑時域可分辨等特性，相較於基於接收信號能量測量的策略可以有效節省訓練花銷，提高訓練效率。

在實際部署中，精確的定時同步和載波同步提供了不同波束組合下的到達信號幅度和相位信息的相同參考基準，對于波束訓練非常重要。特別是，對於基於信道估計的波束訓練策略而言，精確的定時同步和載波同步是其信道估計算法有效性的基礎。但是，在基於信道估計的波束訓練中，因為定向波束的切換，無線信號的主要物理傳播路徑可能會發生變化，路徑相對延遲的信息發生改變。如果依然使用對於收發波束組合無區分的現有定時同步方案，收發端的時鐘會隨著定向波束的切換而可能發生變化，統一的參考基準就會喪失，不同波束組合下的信道估計結果不再具有統一的參考基準，進而無法有效的支撐隨後的基於信道估計的波束訓練算法。

目前，現有技術對確保波束訓練階段的定時同步和載波同步並不支持也沒有相關技術方案。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種波束訓練中實現同步的方法及裝置，能夠確保波束訓練階段的定時同步和載波同步，保證波束訓練的有效性。

為了達到本發明目的，本發明提供了一種波束訓練中實現同步的方法， 包括：

發送設備和接收設備在波束訓練中，切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束；

發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列，接收設備執行定時同步和載波同步。

可選地，所述切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束包括：

每隔預先設置的同步周期，所述發送設備調整發送波束為特定參考波束，同時，所述接收設備調整接收波束為特定參考波束。

可選地，所述發送設備使用擴頻技術發送所述同步參考序列。

可選地，所述發送設備和所述接收設備使用多輸入多輸出MIMO和天線陣列混合架構時，使用其中一條鏈路用於發送和接收所述特定參考波束。

可選地，所述切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束包括：

所述發送設備或所述接收設備發送要求所述接收設備或所述發送設備使用特定參考波束實現接收或發送的請求時，所述發送設備調整發送波束為特定參考波束，同時，所述接收設備調整接收波束為特定參考波束。

可選地，所述請求使用所述波束訓練階段頻段下的控制信令發送，或者，使用其他頻段發送。

可選地，所述特定參考波束為：所述波束訓練前，所述發送設備和所述接收設備進行當前控制信令收發所使用的發送波束和接收波束。

可選地，所述特定參考波束為定向波束，或全向波束。

可選地，所述同步參考序列為：用於定時同步和載波同步的所述接收設備已知的輔助序列。

可選地，所述輔助序列為m序列、或Golay序列、或長期演進LTE使用的主同步信號PSS。

可選地，所述定時同步為：所述發送設備和所述接收設備兩端採樣時鐘之間的頻率同步和相位同步；

所述載波同步為：所述發送設備和所述接收設備兩端調製載波和接收載 波之間的載波頻率同步和載波相位同步。

可選地，所述波束訓練包括使用定向波束的波束訓練策略；或使用非定向波束或者隨機波束的波束訓練策略；或數據傳輸階段內的波束追蹤。

本發明還公開了一種波束訓練中實現同步的裝置，至少包括波束切換模塊，同步模塊；其中，

波束切換模塊，用於在波束訓練中，切換到特定參考波束；

同步模塊，用於使用特定參考波束髮送或接收同步參考序列，當設置在接收設備中時，執行定時同步和載波同步。

可選地，所述波束切換模塊具體用於：每隔預先設置的同步周期，調整發送波束或接收波束為特定參考波束；或者，接收到要求使用所述特定參考波束實現發送或接收的請求時，調整發送波束或接收波束為所述特定參考波束。

可選地，所述波束切換模塊還用於：發送要求使用所述特定參考波束實現發送或接收的請求。

可選地，當所述波束切換模塊具體用於每隔預先設置的同步周期，調整發送或接收波束為特定參考波束時，所述同步模塊使用擴頻技術發送所述同步參考序列。

可選地，當所述波束切換模塊具體用於每隔預先設置的同步周期，調整發送或接收波束為特定參考波束時，如果該裝置所在發送設備及接收設備使用MIMO和天線陣列混合架構時，所述同步模塊使用其中一條鏈路用於發送和接收所述特定參考波束。

可選地，該裝置還包括波束訓練模塊，用於執行完所述定時同步和所述載波同步，進行波束訓練。

可選地，所述波束訓練包括使用定向波束的波束訓練策略；或使用非定向波束或者隨機波束的波束訓練策略；或數據傳輸階段內的波束追蹤。

與現有技術相比，本申請技術方案包括：發送設備和接收設備在波束訓練中，切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束；發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列， 接收設備執行定時同步和載波同步。通過本發明提供的技術方案，發送設備和接收設備在波束訓練階段實現了在相同參考基準下的(即相同物理傳播環境)高精度的定時同步和載波同步，這樣，很好地支持了波束訓練階段的不同探測波束下的信道估計結果依然具備相同的基準時延，基準相位和可忽略的收發端頻偏，從而保證了波束訓練的有效性。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明波束訓練中實現同步的方法的流程圖；

圖2為本發明第一實施例的流程示意圖；

圖3為本發明波束訓練階段的定時同步和載波同步幀結構示意圖；

圖4為本發明第二實施例的流程示意圖；

圖5為本發明第三實施例的流程示意圖；

圖6為本發明波束訓練中實現同步的裝置的組成結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。

圖1為本發明波束訓練中實現同步的方法的流程圖，如圖1所示，包括：

步驟100：發送設備和接收設備在波束訓練中，切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束。

本步驟中的切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束包括：

每隔預先設置的同步周期，發送設備調整發送波束為特定參考波束，同時，接收設備調整接收波束為特定參考波束。

或者，

發送設備/接收設備發送要求接收設備/發送設備使用特定參考波束實現接收/發送的請求時，發送設備調整發送波束為特定參考波束，同時，接收設備調整接收波束為特定參考波束。其中，

發送設備/接收設備發送的請求，既可以使用波束訓練階段頻段下的控制信令發送，也可以使用其他頻段，比如6GHz以下低頻段2G/3G/4G低頻段輔助控制信令傳輸下的控制信令發送。

需要說明的是，在波束訓練階段，一旦波束訓練啟動，接收設備和發送設備的每一個時間點做任何操作，都是確定的。這裡，「同時」是表示發送設備與接收設備在預先規定的時間開始調整接收波束為特定參考波束，但是，並不是非常精確的同時，只是表示一種近似同時，或者說，允許一定的誤差。

本發明中，

波束訓練既包括使用定向波束的波束訓練策略，也包括使用非定向波束或者隨機波束的波束訓練策略；此外，還包括數據傳輸階段內的波束追蹤，波束追蹤是指在數據傳輸中，由於設備的移動和環境的變化，在已知此前最優傳輸方向的前提下，小範圍尋找(或者稱為追蹤)接收設備和發送設備雙方的最優波束組合，部署追蹤也歸為已知上一時間節點最佳波束收發方向的波束訓練的特例。

發送設備既包括集成有天線陣列的通過配置天線權重矢量生成特定波束的發送設備，也包括使用喇叭天線的通過物理旋轉生成特定波束的發送設備；此外，若在蜂窩通信中，發送設備可以為基站也可以為用戶設備。

接收設備既包括集成有天線陣列的通過配置天線權重矢量生成特定波束的接收設備，也包括使用喇叭天線的通過物理旋轉生成特定波束的接收設備；此外，在蜂窩通信中，接收設備可以為基站也可以為用戶設備。

特定參考波束為：波束訓練前發送設備和接收設備進行當前控制信令收 發所使用的發送和接收波束，可以是定向波束，也可以是全向波束。

步驟101：發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列，接收設備執行定時同步和載波同步。

本發明中，同步參考序列為：用於定時同步和載波同步的接收設備已知的輔助序列，如m序列、Golay序列、或者長期演進(LTE)使用的主同步信號(PSS，Primary Synchronization Signal)等。

定時同步為：發送設備和接收設備兩端採樣時鐘之間的頻率同步和相位同步，定時同步也稱作碼片同步。比如，可以採用對信道響應不敏感的經典無數據輔助的Gardner算法，在接收到特定參考波束髮送的輔助序列後，進行定時同步的更新和糾正。

載波同步包括兩個部分：發送設備和接收設備兩端調製載波，和接收載波之間的載波頻率同步和載波相位同步。具體而言，

載波頻率同步所需的收發設備之間的頻偏頻率估計如公式(1)所示：

公式(1)中，表示頻偏估計的結果，L0表示載波同步的起始位置，Lp表示特定參考波束的發送數量，Ls表示相鄰特定參考波束所對應的同步參考序列之間所有碼片的長度，P表示用於頻偏估計的同步參考序列(即特定參考波束)的數目，T表示一個碼片或者符號的周期，z表示接收到的信號。

相位同步所需要的相偏估計如公式(2)所示：

公式(2)中，c表示發送符號。

與現有同步技術不同，本發明中的定時同步和載波同步，在波束訓練階段，接收設備/發送設備只能使用特定參考波束收發的已知的同步參考信號(已知信號)進行定時同步和載波同步的操作。也就是說，由非特定參考波束收發的任何參考信號或者未知信號都不可對定時同步和載波同步進行調整，

通過本發明提供的技術方案，發送設備和接收設備在波束訓練階段實現了在相同參考基準下的(即相同物理傳播環境)高精度的定時同步和載波同步，這樣，很好地支持了波束訓練階段的不同探測波束下的信道估計結果依然具備相同的基準時延，基準相位和可忽略的收發端頻偏，從而保證了波束訓練的有效性。

對於切換到發送設備和接收設備雙方的特定參考波束採用：每隔預先設置的同步周期，發送設備調整發送波束特定參考波束，同時，接收設備調整接收波束為特定參考波束的方法時，

進一步地，

步驟101中的發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列包括：

發送設備使用擴頻技術發送同步參考序列，這樣提升了同步信號的有效覆蓋範圍。其中，

擴頻技術為：每個符號被映射成一組特定符號組合，兩種之間有一一映射關係，以提升信號接收時的信噪比。

進一步地，

當發送設備和接收設備使用多輸入多輸出(MIMO)和天線陣列混合架構時，使用其中一條鏈路用於發送和接收特定參考波束；其他鏈路用於信道測量、波束訓練或者數據傳輸。其中，

MIMO和天線陣列混合架構，既包括天線陣列的分離結構，即每個收發射頻鏈路對於一組專屬的天線陣列；也包括天線陣列的共享架構，即所有的收發射頻鏈路共享整個天線陣列。

下面結合具體實施例對本發明技術方案進行詳細描述。

第一實施例，波束訓練中，周期性發送和接收特定參考波束的場景。圖2為本發明第一實施例的流程示意圖，如圖2所示，包括：

步驟200：波束訓練開始，發送設備和接收設備切換到發送設備和接收設備雙方(簡稱為收發雙方)的特定參考波束方向。

步驟201：發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列，執行接收設備的定時同步和載波同步。

步驟202：發送設備切換到新的定向或者非定向訓練波束，接收設備切換到新的定向或者非定向訓練波束。

也就是說，在同步周期內，執行完步驟201的定時同步和載波同步後，便進行波束訓練。

步驟203：發送設備發送波束訓練序列，接收設備接收波束訓練序列，執行信道或者能量估計。

步驟204：判斷是否達到預先設置的同步周期，如果達到，進入步驟200；如果未達到，進入步驟205。

步驟205：判端是否完成訓練，如果沒有完成，返回步驟202；如果已完成，表明訓練完成，輸出波束訓練結果，並結束本流程。

其中，波束訓練結果包括但不局限於以下內容：發送設備和接收設備的最優定向波束組合序號、和/或發送設備和接收設備的次優定向波束組合序號、和/或不同波束訓練波束下的信道估計結果等；

圖3為本發明波束訓練階段的定時同步和載波同步幀結構的示意圖，如圖3所示，其中，ut，ref和ur，ref分別表示特定參考波束的發送設備天線權重矢量和接收設備的天線權重矢量，ut，i和ur，i分別表示波束訓練階段第i個訓練波束使用的發送天線權重矢量和接收天線權重矢量，ξ表示波束訓練階段收發使用波束組合數；兩個相鄰同步參考導頻的間隔為n個波束訓練序列。需要特別說明，所有同步參考序列都是由相同的特定參考波束進行收發的，而每個波束訓練序列都對應於各自的訓練波束，訓練波束兩兩之間可以不同。

第二實施例，接收設備發送要求發送設備使用特定參考波束實現發送的請求的場景，圖4為本發明第二實施例的流程示意圖，如圖4所示，包括：

步驟400：在波束訓練階段，接收設備根據實際需求向發送設備發送要求發送設備使用特定參考波束實現發送的請求，如圖4中的請求發送同步參考序列指令。

步驟401：發送設備調整發送波束到特定參考波束同時，接收設備調整接收波束到特定的參考接收波束。

步驟402：發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列。

步驟403：接收設備即請求發送同步參考序列指令的發起方執行其定時同步和載波同步。

第三實施例，發送設備發送要求接收設備使用特定參考波束實現接收的請求的場景，圖5為本發明第三實施例的流程示意圖，如圖5所示，包括：

步驟500：在波束訓練階段，發送設備根據實際需求向接收設備發送要求接收設備使用特定參考波束實現接收的請求，如圖5中的請求接收同步參考序列指令。

步驟501：發送設備調整發送波束到特定參考波束同時，接收設備調整接收波束到特定的參考接收波束。

步驟502：發送設備使用特定參考波束髮送同步參考序列，接收設備使用特定參考波束接收同步參考序列。

步驟503：接收設備即接收到請求發送同步參考序列指令的響應方執行其定時同步和載波同步。

圖6為本發明波束訓練中實現同步的裝置的組成結構示意圖，如圖6所示，至少包括波束切換模塊，同步模塊；其中，

波束切換模塊，用於在波束訓練中，切換到特定參考波束；

同步模塊，用於使用特定參考波束髮送或接收同步參考序列，當設置在接收設備中時，執行定時同步和載波同步。

其中，

波束切換模塊具體用於：每隔預先設置的同步周期，調整發送波束和或接收波束為特定參考波束；或者，接收到要求使用特定參考波束實現發送或接收的請求時，調整發送波束或接收波束為特定參考波束。

波束切換模塊還用於：發送要求使用特定參考波束實現發送或接收的請求。

當波束切換模塊具體用於每隔預先設置的同步周期，調整發送或接收波束為特定參考波束時，同步模塊使用擴頻技術發送同步參考序列。

當波束切換模塊具體用於每隔預先設置的同步周期，調整發送或接收波束為特定參考波束時，如果該裝置所在發送設備及接收設備使用MIMO和天 線陣列混合架構時，同步模塊使用其中一條鏈路用於發送和接收特定參考波束；其他鏈路用於信道測量、波束訓練或者數據傳輸。

本發明裝置還包括波束訓練模塊，用於執行完定時同步和載波同步，進行波束訓練。

以上所述，僅為本發明的較佳實例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。