本申請的權利要求范圍依據35U.S.C.§119要求如下申請的優(yōu)先權：2014年10月7日遞交的申請?zhí)枮?2/060,786，標題為“Beam Administration Methods for Cellular/Wireless Networks”的美國臨時案，以及2015年9月29日遞交的申請?zhí)枮?4/868,705的美國臨時案。在此合并參考上述美國臨時申請案的全部內容。

技術領域

本發(fā)明有關于無線通信，更具體地，有關于毫米波(Millimeter Wave，mmW)波束形成(beamforming)系統(tǒng)中的波束管理方法。

背景技術：

移動載波遭遇的帶寬短缺問題引發(fā)了對3G與300GHz之間未充分利用的毫米波頻譜進行開發(fā)以用于下一代寬頻蜂窩通信網。毫米波頻帶的可用頻譜比傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的大兩百倍。毫米波無線網絡使用與窄波束(narrow beam)的定向通信并支持數千兆位(multi-gigabit)的數據速率。尚未充分利用的毫米波頻譜具有從1mm到100mm的波長范圍。毫米波頻譜的極小波長可使大量的小型化天線(miniaturized antenna)放置在小的區(qū)域內。這樣的小型化天線可通過電可控陣列(electrically steerable array)產生定向傳送而形成高波束形成增益。

隨著毫米波半導體電路的最新進展，毫米波無線系統(tǒng)已經成為真正落實可行的解決方案。然而，對于定向傳輸的嚴重依賴和傳播環(huán)境的脆弱性對毫米波網絡提出了特殊的挑戰(zhàn)。一般而言，移動網絡系統(tǒng)設計為要實現以下目標：1)同時服務具有廣泛動態(tài)操作狀況的多個用戶；2)對于信道變化、流量負載及不同QoS需求具有魯棒性；3)資源(例如帶寬和功率)的有效利用。然而波束形成增加了實現這些目標的難度。

保持天線指向(pointing)和追蹤(tracking)的精確度在通信流程的多個階段是很關鍵的。原則上，波束管理/訓練機制確?；?base station，BS)波束和用戶裝置(user equipment，UE)被校準以用于數據通信，其中，波束管理/訓練機制包括初始波束校準(alignment)或后續(xù)波束追蹤。在無線或移動通信網絡中假設分層層級波束模式(pattern)。不同的波束形成器(beamformer)可具有不同的空間解析度。例如，扇形(sector)天線可具有較短但較寬的空間覆蓋，而波束形成天線可具有較長但較窄的空間覆蓋。為提供適度的陣列增益，可需要大量的陣列元件。

具有兩種波束形成：切換波束形成和自適應波束形成。自適應波束形成意味著數字波束形成(digital beamforming)。自適應波束形成的復雜度高且具有靈活的波束模式，而波束校準時間是可接受的。切換波束形成是模擬或混合波束形成。切換波束形成的復雜度低，然而波束模式并不是靈活的且波束校準時間長。因此需要尋找波束管理方法以執(zhí)行BS和UE的波束校準和波束追蹤。

技術實現要素：

本發(fā)明提出一種小區(qū)/網絡中的波束管理方法。運行在Ka或更高頻段的小區(qū)/無線網絡需要使用方向性天線(或通過基于陣列的波束成形)以補償服務路徑損失。維護天線指向和追蹤準確性在通信過程的許多階段是基本關鍵的。通過使用上行鏈路導頻信號以用于波束校準，與UE端的切換波束成形以及BS端的自適應波束成形結合，可實現有效的波束管理，減少負載、復雜度以及成本。

在一個實施例中，基站提供波束訓練信息至網絡中的用戶裝置，其中，該波束訓練信息包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息。基站接收該用戶裝置透過一或多個用戶裝置波束傳輸的上行鏈路導頻信號；基站對每個用戶裝置使用多個基站波束波束執(zhí)行自適應波束形成。最后，基站傳輸波束訓練完成指令至用戶裝置。該波束訓練完成指令包括選擇的用戶裝置波束識別碼和相應于該選擇的用戶裝置波束的時序提前值以用于上行鏈路傳輸。

在另一個實施例中，用戶裝置在無線通信網絡中獲取波束訓練信息，其中，該波束訓練信息包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息；由該用戶裝置基于接收的該波束訓練信息透過一或多個用戶裝置波束傳輸上行鏈路導頻信號；從基站接收波束訓練完成指令，其中，該波束訓練完成指令包括選擇的用戶裝置波束識別碼和相應于該選擇的用戶裝置波束的時序提前值以用于上行鏈路傳輸。

下面詳細描述了其他實施例和優(yōu)點。本發(fā)明內容并不意在限制本發(fā)明。本發(fā)明是由權利要求限定的。

附圖說明

附圖說明了本發(fā)明的各個實施例，其中，相同的數字指示相同元件。

圖1是根據本發(fā)明一個方面波束形成毫米波移動網絡100中基站和用戶裝置間控制波束和專用波束及波束管理的示意圖。

圖2為根據本發(fā)明一些實施例的基站和用戶裝置的簡化方塊示意圖。

圖3為波束形成網絡300中的波束校準和波束追蹤的波束管理示意圖。

圖4用于波束形成的波束形成的不同選擇的示意圖。

圖5為隨機存取程序及隨后的UE初始化波束校準程序的實施例示意圖。

圖6為波束形成系統(tǒng)中基于競爭的聯合隨機存取和波束管理程序的示意圖。

圖7為波束形成系統(tǒng)中非基于競爭的聯合隨機存取和波束管理程序的示意圖。

圖8為波束形成系統(tǒng)中的UE初始化波束形成程序的示意圖。波束追蹤程序僅在波束校準的情形下操作。

圖9為波束形成系統(tǒng)中BS初始化波束追蹤程序的示意圖。

圖10為根據本發(fā)明一個方面波束形成系統(tǒng)中UE角度的波束管理方法的流程圖。

圖11為根據本發(fā)明一個方面波束形成系統(tǒng)中BS角度的波束管理方法的流程圖。

具體實施方式

現在將詳細參閱本發(fā)明的一些實施例，這些實施例顯示在附圖中。

圖1是根據本發(fā)明一個方面波束形成毫米波移動網絡100中基站和用戶裝置間控制波束和專用波束及波束管理的示意圖。波束形成毫米波移動通信網絡100包括基站BS101和UE102。毫米波移動網絡使用具有窄波束的定向通信且可支持數千兆的數據速率。定向通信通過數字(自適應)及/或模擬(切換)波束形成實現，其中，多天線元件應用了多組波束形成權重以形成多個波束。在圖1的示例中，BS101定向地配置了多個小區(qū)，且每個小區(qū)覆蓋有一組粗TX/RX控制波束。例如，小區(qū)110由一組四個控制波束CB1、CB2、CB3及CB4覆蓋?？刂撇ㄊ鳦B1-CB4的集合覆蓋了小區(qū)110的整個服務區(qū)域，且每個控制波束具有更廣且更短的空間覆蓋，其具有更小陣列增益(gain)。每個控制波束相應地由一組專用數據波束覆蓋。例如，CB2由一組四個專用數據波束DB1、DB2、DB3及DB4所覆蓋。專用數據波束的集合覆蓋了一個控制波束的服務區(qū)域，且每個專用數據波束具有更窄且更長的空間覆蓋，其具有更大陣列增益。

在無線或移動網絡中設定分層波束模式。層級0波束模式為全向(omni-directional)且用于宏小區(qū)(macro cell)站?？刂撇ㄊ募蠟榈蛯蛹?層級1)波束，其提供低速率控制信令以促進高層級(層級2)專用數據波束上的高速率數據通信?？刂撇ㄊ慕M合覆蓋整個小區(qū)覆蓋面積且具有適度的波束形成增益。每個控制波束廣播最小數量的小區(qū)專用(cell-specific)和波束專用(beam-specific)信息，上述信息類似于LTE系統(tǒng)中的系統(tǒng)信息塊(System Information Block，SIB)或主信息塊(Master Information Block，MIB)?？刂撇ㄊ蛯Ｓ脭祿ㄊY構提供強健的控制信令機制以促進毫米波移動網絡系統(tǒng)中的波束形成操作。

保持天線指向和追蹤的精確度在通信流程的多個階段是很關鍵的。原則上，波束管理/訓練機制確?；?base station，BS)波束和用戶裝置(user equipment，UE)被校準以用于數據通信。例如，在圖1中BS DB#3與UE波束#1進行校準。存在兩種波束形成：切換波束形成和自適應波束形成。自適應波束形成意味著數字波束形成(digital beamforming)。自適應波束形成的復雜度高且具有靈活的波束模式，而波束校準時間是可接受的。切換波束形成是模擬或混合波束形成。切換波束形成的復雜度低，然而波束模式并不是靈活的且波束校準時間長。大體上，BS的復雜度大大高于UE的復雜度，特別是在天線設計和基帶信令處理上。

根據本發(fā)明的一個新穎的方面，UE102可使用切換的波束形成以減少復雜度和成本，而BS101可使用自適應或數字波束形成以獲取天線波束模式中的更多自由度。一般而言，BS端RF鏈的數目可大于UE端的。因此，上行鏈路導頻信號(pilot signals)的數目少于下行鏈路導頻信號的數目而具有相同的波束訓練性能。這是因為一些接收波束模式可通過自適應波束形成而形成，其可在BS端估計同時到達的不同角度。因此，通過使用上行鏈路導頻信號以用于波束訓練，并與UE端的切換波束形成和BS端的自適應波束形成結合，可實現具有減少的負載、負載度和成本的有效波束管理。

圖2為根據本發(fā)明一些實施例的基站和用戶裝置的簡化方塊示意圖。BS201具有天線陣列211，BS201包括具有多天線元件的天線陣列211。其中，天線陣列211用于傳輸和接收無線電信號，一或多個RF收發(fā)器212耦接于天線，用于從天線211接收RF信號，將RF信號轉換為基帶信號并將基帶信號發(fā)送至處理器213。RF收發(fā)器212也將從處理器213接收的基帶信號轉換為RF信號，并發(fā)送至天線211。處理器213處理接收的基帶信號并激發(fā)不同功能模塊執(zhí)行BS 201中的特征。存儲器214存儲程序指令和數據215以控制BS 201的操作。根據當前發(fā)明的實施例，BS 201也包括執(zhí)行不同任務的多個功能模塊。

類似地，UE 202包括具有天線231。其中，天線231用于傳輸和接收無線電信號，RF收發(fā)器232耦接于天線，用于從天線231接收RF信號，將RF信號轉換為基帶信號并將基帶信號發(fā)送至處理器233。RF收發(fā)器232也將從處理器233接收的基帶信號轉換為RF信號，并發(fā)送至天線231。處理器233處理接收的基帶信號并激發(fā)不同功能模塊執(zhí)行UE 202中的特征。存儲器234存儲程序指令和數據235以控制UE 202的操作。根據當前發(fā)明的實施例，UE 202也包括執(zhí)行不同任務的多個功能模塊。

功能模塊為由硬件、固件、軟件或上述任意組合實施和配置的電路。例如，BS 201包括波束訓練電路220，其進一步包括波束形成電路221、波束監(jiān)視器222及波束訓練信息電路223。波束形成電路221可屬于RF鏈的一部分，波束形成電路221對天線211的多個天線元件運用不同波束形成權重且從而形成各種波束。波束監(jiān)視器222監(jiān)視接收的無線電信號且對各個波束執(zhí)行無線電信號的測量。波束訓練信息電路223提供波束訓練信息，其中，該波束訓練信息包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息。

類似地，UE202包括波束訓練電路240，其進一步包括波束形成電路241、波束監(jiān)視器242及波束容量電路243及隨機存取電路244。波束形成電路241可屬于RF鏈的一部分，波束形成電路241對天線231的多個天線元件運用不同波束形成權重且從而形成各種波束。波束形成電路241對于UE端是可選的，這是因為UE 202可使用全向波(omni beam)。波束監(jiān)視器242監(jiān)視接收的無線電信號且對各個波束執(zhí)行無線電信號的測量。波束容量電路243提供UE波束形成/天線容量信息和優(yōu)選的波束模式/碼書(codebook)以用于波束訓練。隨機存取電路244與BS執(zhí)行基于競爭(contention-based)和非基于競爭(non-contention-based)的隨機存取程序，該程序可與波束訓練程序結合以用于波束校準和波束追蹤。

圖3為波束形成網絡300中的波束校準和波束追蹤的波束管理示意圖。波束訓練包括初始波束校準和后續(xù)波束追蹤，其確保BS 301和UE302被校準以用于數據傳輸。對于下行鏈路方向，BS301傳輸下行鏈路導頻信號以使UE302可追蹤UE接收波束。對于上行鏈路方向，UE302傳輸上行鏈路導頻信號以使BS301可追蹤BS接收波束?；谙辔魂嚵邢嗷プ饔?reciprocity)或信道相互作用，同一接收天線模式可用于傳輸天線模式。在選擇最佳接收波束時可運用不同算法，包括信號功率最大化、信噪比(SINR)或干擾最小化。

圖4用于波束形成的波束形成的不同選擇的示意圖。在第一選擇中，BS和UE都執(zhí)行切換的波束形成。在此選擇下，波束校準時間較長(假設BS天線數目較大)。在第二選擇中，BS執(zhí)行切換的波束形成，而UE執(zhí)行自適應波束形成。在此選擇下，UE復雜度太高，且波束校準時間長(假設BS天線數目較大)。在第三選擇中，BS執(zhí)行自適應波束形成，而UE執(zhí)行切換的波束形成。在第四選擇中，BS和UE都執(zhí)行自適應波束形成。在此選擇下，UE復雜度太高。

BS的復雜度可能大大高于UE的復雜度，特別是在天線設計和基帶信令處理上。換言之，BS端RF鏈的數目可能大于UE端的數目。這暗示著在相同的性能下，上行鏈路導頻信號的數目少于下行鏈路導頻信號的數目。通過使用自適應波束形成，BS可估計同時到達的上行鏈路導頻信號的不同角度，這是因為通過自適應波束形成可形成若干個接收波束模式。因此，在不同選擇中，第三選擇更優(yōu)化。UE可使用切換的波束形成以減少復雜度和成本。BS可使用自適應或數字波束形成以獲取天線波束模式中的更多自由度。在此選擇下，UE和BS的復雜度都是可接受的。BS的波束類型更靈活。波束校準的時間也是可接受的。UL導頻信號用于波束管理，其中，波束管理包括波束校準和波束追蹤。

圖5為隨機存取程序及隨后的UE初始化波束校準程序的實施例示意圖。在步驟511中，UE 501從BS 502接收隨機存取響應，其中，該響應具有時序優(yōu)先(timing advance，TA)、臨時C-RNTI及UL授權(grant)。在步驟513中，UE501傳輸具有L2/L3消息的RRC連接請求。在步驟514a中，UE501傳輸具有C-RNTI的連接分辨度。在步驟514b中，BS502發(fā)送具有UE專用配置的RRC連接設置。在步驟515中，UE501發(fā)送具有PLMN ID和專用NAS信息的RRC連接設置完成。隨機存取和RRC連接設置程序完成。

在步驟516中，UE501發(fā)送具有C-RNTI、UE ID及UE波束ID(例如，若存在多個UE波束，待訓練的UE波束的數目)的波束對照請求。此請求可在RRC連接完成之前或之后發(fā)送。請注意，在發(fā)送波束校準請求之前，UE501可通過首先使用小區(qū)搜索或控制信號來校準接收波束?；谙辔魂嚵邢嗷プ饔没蛐诺老嗷プ饔?，UE501使用相同接收天線模式作為傳輸天線模式。在步驟517中，UE501從BS502接收波束校準信息指令。該波束校準信息指令包括波束校準周期(多頻繁)、窗口大小(多次長)及資源映射信息。在步驟518中，UE501使用切換的波束形成基于波束校準信息指令在每個待訓練的UE波束中持續(xù)發(fā)送上行鏈路導頻信號。

BS502使用接收的導頻信號以基于信號功率最大化、SINR最大化或干擾最小化及到達角度(angle of arrival，AoA)算法選擇最佳接收波束。在AoA中，接收器采用多個天線以接收信號并解析關于自身天線平臺定位的達到角度。請注意，波束校準程序并不限于對不同層級波束的詳細或分層搜索。BS 502可基于BS RF和基帶處理容量通過不同天線或波束模式同時接收上行鏈路導頻信號。在步驟519中，在BS 502已決定最佳接收波束之后，BS 502發(fā)送波束校準完成消息至UE 501，其中，該波束校準完成消息具有確認(acknowledgement)消息、選擇的UE波束ID(如果多個UE波束被訓練)、BS波束ID(可選的)以及時序提前(timing advance,TA)信息。請注意，通知BS波束ID是可選的，這僅是BS端的決定。在步驟520中，UE501和BS502相應地執(zhí)行數據傳輸。UE501可基于步驟519中的接收TA值調整其用于上行鏈路同步的時序提前。

波束校準請求和波束校準信息指令在一些情形中可以忽略。基于競爭或非基于競爭隨機存取程序可使用并與波束管理程序組合。在隨機存取程序期間，隨機存取前綴(preamble)用作上行鏈路導頻信號以用于波束校準，且隨機存取響應(random access response，RAR)消息用作波束校準完成指令。

圖6為波束形成系統(tǒng)中基于競爭的聯合隨機存取和波束管理程序的示意圖。在步驟611中，UE 601傳輸具有RA-RNTI、控制波束ID及UE波束ID的隨機存取前綴。隨機存取前綴相當于用于波束訓練的上行鏈路導頻信號。UE601隨機選擇隨機存取前綴和RACH資源以用于傳輸。在步驟612中，UE 601從BS 602接收具有TA、臨時C-RNTI、UE波束ID、BS波束ID(可選)及UL授權的RAR。該RAR相當于波束校準完成指令。在步驟613中，UE601傳輸具有L2/L3消息的RRC連接請求。在步驟614b中，BS602發(fā)送具有UE專用配置的RRC連接設置。在步驟615中，UE601發(fā)送具有PLMN ID和專用NAS信息的RRC連接設置完成。隨機存取和RRC連接設置程序完成。

圖7為波束形成系統(tǒng)中非基于競爭的聯合隨機存取和波束管理程序的示意圖。在步驟711中，UE701和BS 702執(zhí)行初始波束校準和波束追蹤(可選的)。此步驟可為UE初始化或BS初始化。如果將波束追蹤看作常規(guī)流程，則在系統(tǒng)信息中傳輸此流程的規(guī)則。在步驟712中，BS702發(fā)送波束校準/追蹤信息指令。此指令包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息，且包括隨機存取序列號。在步驟713中，UE 701基于接收的波束校準/追蹤信息傳輸隨機存取前綴。該隨機存取前綴相當于用于波束訓練的上行鏈路導頻信號。此外，隨機存取前綴和RACH資源由BS702透過資源映射信息分配。在步驟714中，BS602發(fā)送具有UE專用配置的RRC連接設置。在步驟615中，BS 702發(fā)送RAR至UE 701，其中，該UE 701包括TA、ACK、選擇的UE波束或碼書以及BS波束ID(可選)。該RAR相當于波束校準/追蹤完成指令。

圖8為波束形成系統(tǒng)中的UE初始化波束形成程序的示意圖。波束追蹤程序僅在波束校準的情形下操作。在步驟811中，UE 801發(fā)送波束追蹤請求以初始化波束追蹤程序。UE801報告波束形成和天線容量及優(yōu)選波束模式或碼書以用于追蹤。此步驟可被忽略或與其他控制信令(例如UE容量報告)結合。在步驟812中，BS 802發(fā)送波束追蹤信息至UE 801。該信息可在小區(qū)/波束專用系統(tǒng)信息中發(fā)送且這樣此步驟可省略。該信息也可在UE專用中發(fā)送。波束追蹤周期、窗口大小及資源映射信息承載在波束追蹤信息指令中。在步驟813中，UE801基于波束追蹤信息透過每個UE波束持續(xù)發(fā)送上行鏈路導頻信號。BS 802使用接收的導頻信號以基于信號功率最大化、SINR最大化或干擾最小化及到達角度(angle of arrival，AoA)算法選擇最佳接收波束選擇。請注意，波束追蹤程序并不限于對不同層級波束的詳細或分層搜索。BS 802可基于BS RF和基帶處理容量通過不同天線或波束模式同時接收上行鏈路導頻信號。在步驟814中，在BS 802已決定最佳接收波束之后，BS 802發(fā)送波束ID指示指令至UE 801，其中，該波束ID指示指令具有選擇的UE波束ID、BS波束ID(可選的)以及TA信息的確認消息。在步驟815中，UE801在接收波束ID指示之后執(zhí)行數據傳輸并調整傳輸波束模式。如果波束ID指示未被接收，UE 801使用當前波束模式以用于數據傳輸。在步驟814中，UE 801可基于接收的TA值調整其時序提前值以用于上行鏈路同步。

圖9為波束形成系統(tǒng)中BS初始化波束追蹤程序的示意圖。波束追蹤程序僅在波束校準的情形下操作。在步驟911中，BS 902使用波束追蹤請求以初始化波束追蹤程序。此步驟可被忽略或與其他控制信令結合。在步驟912中，UE901報告波束形成和天線容量及優(yōu)選波束模式或碼書以用于追蹤。此步驟可被忽略或與其他控制信令結合(例如UE容量報告)。在步驟913中，BS 902發(fā)送波束追蹤信息至UE 901。該信息可在小區(qū)/波束專用系統(tǒng)信息中發(fā)送且這樣此步驟可省略。該信息也可在UE專用中發(fā)送。波束追蹤周期、窗口大小及資源映射信息承載在波束追蹤信息指令中。在步驟914中，UE 901基于波束追蹤信息透過每個UE波束持續(xù)發(fā)送上行鏈路導頻信號。BS 902使用接收的導頻信號以基于信號功率最大化、SINR最大化或干擾最小化及到達角度算法選擇最佳接收波束選擇。請注意，波束追蹤程序并不限于對不同層級波束的詳細或分層搜索。BS 902可基于BS RF和基帶處理容量通過不同天線或波束模式同時接收上行鏈路導頻信號。在步驟915中，在BS 902已決定最佳接收波束之后，BS 902發(fā)送波束ID指示指令至UE 901，其中，該波束ID指示指令具有選擇的UE波束ID、BS波束ID(可選的)以及TA信息的確認消息。在步驟916中，UE 901在接收波束ID指示之后執(zhí)行數據傳輸并調整傳輸波束模式。如果波束ID指示未被接收，UE 901使用當前波束模式以用于數據傳輸。在步驟814中，UE 901可基于接收的TA值調整其時序提前值以用于上行鏈路同步。

圖10為根據本發(fā)明一個方面波束形成系統(tǒng)中UE角度的波束管理方法的流程圖。在步驟1001中，基站提供波束訓練信息至網絡中的UE，其中，該波束訓練信息包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息。在步驟1002中，該基站接收該用戶裝置透過一或多個用戶裝置波束傳輸的上行鏈路導頻信號。在步驟1004中，基站傳輸波束訓練完成指令至UE。其中，該波束訓練完成指令包括選擇的用戶裝置波束ID、和相應于該選擇的UE波束的時序提前值以用于上行鏈路傳輸。

圖11為根據本發(fā)明一個方面波束形成系統(tǒng)中BS角度的波束管理方法的流程圖。步驟1101中，在無線通信網絡中由用戶裝置獲取波束訓練信息，其中，該波束訓練信息包括訓練周期，窗口大小及資源映射信息。步驟1102中，UE基于接收的該波束訓練信息透過一或多個UE波束傳輸上行鏈路導頻信號。在步驟1103中，UE從BS接收波束訓練完成指令，其中，該波束訓練完成指令包括選擇的UE波束ID、選擇的BS波束ID(可選)及相應于該選擇的UE波束的時序提前值以用于上行鏈路傳輸。

本發(fā)明雖為說明的目的以若干特定實施例進行描述，但本發(fā)明并不限于此。相應地，在不脫離本發(fā)明的權利要求所設定的范圍內，當可對上述實施例的些許特征作些許修改、潤飾和組合。