CN109565688B - 毫米波带中的通信链路获取和跟踪 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信系统的网络节点包括处理器和收发器，该处理器被配置成：生成一组至少两个同步信号序列；针对每个同步信号序列来构造同步信号以创建一组同步信号，使得该组同步信号中的每个同步信号具有自相关并且与该组同步信号中的任何其他同步信号具有低于阈值的互相关；生成一组定向波束图案，其中，该组定向波束图案中的每个波束图案与该组同步信号中的同步信号之一相对应；并且其中，收发器被配置成使用针对每个同步信号的波束图案通过相同的时间频率资源来发送该组同步信号中的同步信号。

Description

毫米波带中的通信链路获取和跟踪

技术领域

本公开内容的各方面大体上涉及无线通信系统，并且更具体地涉及毫米波蜂窝通信系统。

背景技术

毫米波(millimeter wave，mmWave)蜂窝系统中的初始接入过程包括时间和频率同步、物理小区ID获取以及信道方向信息。对于信道方向信息，期望强信道路径的离开方向(direction of departure，DoD)/到达方向(direction of arrival，DoA)是可获取且易处理的。确定信道方向信息可以取决于如何从演进的通用地面无线电接入网络NodeB或者演进的NodeB(evolved NodeB，eNB)发送同步信号以及如何在用户设备(user equipment，UE)处检测同步信号(synchronization signal，SS)。

在一些情况下，在时域中经由一组不同的定向波束图案(beam pattern)顺序地发送和接收同步信号，以扫描整个DoD/DoA角度空间。通过允许发送器和接收器分别扫描整个DoD/DoA角度空间，可以通过比较与不同发送接收波束组合相对应的接收功率水平来获得信道方向。然而，这样的顺序波束扫描显著增加了开销或者使初始接入过程减慢，因为在每个扫描轮次中需要更多的同步信号传输/接收以在潜在的大角度空间上进行搜索。

eNB还可以使用跨越整个DoD角度空间的多个定向波束图案来通过不同的频率子带发送同步信号。在用户设备(UE)处，准备多个定向组合波束，每个定向组合波束用于将eNB在其上进行发送的所有子带进行组合。经由定向发送波束与频率子带之间的一对一映射将信道DoD信息与频率子带索引相关联。可以在UE处通过检测在其上接收到最高信号功率的子带来确定信道DoD信息。由于每个定向波束需要占用不同的子带，因此这可能导致用于每个定向同步信号的带宽减小，继而导致低的定时精度。此外，要么需要宽的带宽以包含大量的子带以用于eNB发送许多定向波束，这导致开销增加，要么eNB只能向每个子带分配几个子载波，这减小了SS的维度并且使SS波形设计复杂化。

因此，期望能够以解决至少一些上述问题的方式提供用于mmWave蜂窝系统中的初始接入的同步信号收发方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于mmWave蜂窝系统中的初始接入的有效同步信号收发方案。该目的通过独立权利要求的主题来解决。可以在从属权利要求中找到进一步有利的改进。

根据本发明的第一方面，以上目的和优点以及另外的目的和优点通过一种用于无线通信系统的网络节点来获得，该网络节点包括处理器和收发器，处理器被配置成生成一组至少两个同步信号序列；针对每个同步信号序列构造同步信号以创建一组同步信号，使得同步信号中的每一个具有自相关并且与该组同步信号中的任何其他同步信号具有低于阈值的互相关；生成一组定向波束图案，其中，该组定向波束图案中的每个波束图案与该组同步信号中的同步信号之一相对应；并且其中，收发器被配置成使用针对每个同步信号的波束图案通过相同的时间频率资源来发送该组同步信号中的同步信号。所公开的实施方式的各方面提供了要通过相同的时间频率资源发送的多个同步信号，多个同步信号中的每个同步信号都是特定于DoD的。

在根据第一方面的网络节点的第一可能实现形式中，收发器被配置成接收如下消息，该消息标识与该组同步信号中的所有同步信号中的具有最高接收功率水平的同步信号中的相应同步信号相关联的一个或更多个索引值，并且处理器被配置成选择与最高接收功率水平相关联的至少一个索引值，并且针对对应于与关于所选索引值的同步信号相关联的离开方向的传输信道，选择网络节点的传输模式。所公开的实施方式的各方面使得网络节点能够使用基于同步信号的接收功率水平的反馈来选择这样的传输信道，该传输信道提供对于用户节点而言最优选的波束方向。这使得能够在后续随机接入和数据传输阶段中在网络节点处取得波束成形增益。

在根据第一方面的第一可能实现形式的网络节点的第二可能实现形式中，处理器被配置成选择与至少一个另外的最高接收功率水平相关联的至少一个另外的索引值，并且选择网络节点的传输模式以在对应于与关于每个所选索引值的同步信号相关联的DoD的传输信道中并行传输。所公开的实施方式的各方面使得网络节点能够使用基于同步信号的接收功率水平的反馈来选择这样的传输信道，该传输信道提供对于用户节点而言最优选的至少两个波束方向。这使得能够在后续随机接入和数据传输阶段中在网络节点处取得波束成形增益和复用增益二者。

在根据第一和第二可能实现形式的网络节点的第三可能实现形式中，处理器被配置成将与当前传输模式相对应的接收功率水平与对应于与所标识的一个或更多个索引值相关联的同步信号的最高接收功率水平进行比较，并且当最高接收功率水平大于当前接收功率水平时，针对对应于与所标识的索引值相关联的同步信号的一个或更多个传输信道，切换网络节点的传输模式。可以使用同步信号的接收功率水平的任何变化来更新网络节点，并且将网络节点切换至提供对于用户节点而言更优选的波束方向模式的信道。这使得能够在信道路径之间无缝切换以实现QoS保证。

在根据第一方面本身或者根据前述可能实现形式中的任一种的网络节点的第四可能实现形式中，收发器被配置成同时通过相同的时间频率资源来周期性地发送同步信号。所公开的实施方式的各方面提供了要通过相同的时间频率资源发送的多个同步信号，多个同步信号中的每个同步信号都是特定于DoD的。

在根据第一方面本身或者根据前述可能实现形式中的任一种的网络节点的第五可能实现形式中，处理器被配置成使用来自该组同步信号序列中的一个同步信号序列来构造每个同步信号，并且将所构造的同步信号叠加在一起。所公开的实施方式的各方面提供了使用由不同定向波束图案承载的一个同步信号序列构造的特定于DoD的同步信号波形。

在根据第一方面本身或者根据前述可能实现形式中的任一种的网络节点的第六可能实现形式中，处理器被配置成从Gold序列集或Kasami序列集中选择每个同步信号序列。已知Gold/Kasami序列具有良好的自相关和互相关。

在根据第一方面本身或者根据第一至第五可能实现形式中的任一种的网络节点的第七可能实现形式中，处理器被配置成从具有不同根的一组Zadoff-Chu序列中选择每个同步信号序列。这是有利的，因为与具有长度限制的其他序列不同，同步信号序列的长度更灵活，并且它们提供良好的自相关和互相关。

在根据第一方面本身或者根据第一至第五可能实现形式中的任一种的网络节点的第八可能实现形式中，处理器被配置成从作为公共Zadoff-Chu序列的不同循环移位版本的一组序列中选择每个同步信号序列。这是有利的，因为与具有长度限制的其他序列不同，同步信号序列的长度更灵活，并且它们在零时间延迟时提供良好的自相关和零互相关。

在根据第一方面本身或者根据第一至第五可能实现形式中的任一种的网络节点的第九可能实现形式中，处理器被配置成从一组Golay互补正交序列中选择每个同步信号序列。这是有利的，因为与具有长度限制的其他序列不同，同步信号序列的长度更灵活，并且它们在零时间延迟时提供良好的自相关和零互相关。

在根据第七至第九可能实现形式中的任一种的第一可能实现形式中，处理器被配置成使用公共交织器对所选择的序列进行交织。交织操作使所有序列伪随机，并且导致它们之间的互相关较低。

在根据第七至第九可能实现形式中的任一种的第二可能实现形式中，处理器被配置成使用公共加扰序列对所选择的序列进行加扰。加扰操作使所有序列伪随机并且导致它们之间的互相关较低。

在根据第一方面本身或者根据前述可能实现形式中的任一种的网络节点的第十可能实现形式中，相同的时间频率资源包括范围跨越多个子载波和OFDM符号的资源元素。所公开的实施方式的同步信号的结构使得网络节点能够通过相同的频带同时发送多个同步信号。

根据本发明的第二方面，以上目的和优点以及另外的目的和优点通过一种用于无线通信系统的用户节点来获得，该用户节点包括处理器和收发器，收发器被配置成从相同的时间频率资源接收信号；处理器被配置成检测来自所接收的信号的一组同步信号中的至少一个同步信号；将来自该组同步信号的至少一个同步信号的接收功率水平与来自该组同步信号的至少一个另外接收的同步信号的接收功率水平进行比较；识别与来自该组同步信号的所有接收同步信号中的具有最高接收功率水平的至少一个接收同步信号相关联的至少一个索引值；并且其中，收发器被配置成发送所识别的至少一个索引值。所公开的实施方式的各方面使得用户节点在成功检测到同步信号序列之后不仅能够获取频率时间同步和小区ID，而且还能够估计信道方向信息，特别是DoD。用户节点可以有利地向网络节点提供关于具有最高接收功率的同步信号的反馈，这使得网络节点能够选择这样的传输信道，该传输信道提供对于用户节点而言最优选的波束方向。这还使得能够在后续随机接入和数据传输阶段中在网络节点处取得波束成形增益。

在根据第二方面本身的用户节点的第一可能实现形式中，处理器被配置成检测来自一组后续接收信号的至少一个另外的同步信号；将所述至少一个另外接收的同步信号的接收功率水平与来自该组后续接收信号的至少一个另外接收的同步信号的接收功率水平进行比较；并且其中，收发器被配置成发送如下报告，该报告标识每个接收同步信号的接收功率波动。用户节点继续检测多个发送同步信号以进行信道跟踪。

根据结合附图考虑的本文描述的实施方式，示例性实施方式的这些和其他方面、实现形式以及优点将变得明显。然而，要理解的是，说明书和附图仅是为了说明的目的而构思的，并且不作为所公开的发明的限制的定义，应当参考所附的权利要求书来得知所公开的发明的限制。本发明的另外的方面和优点将在下面的描述中阐述，并且根据描述将部分是明显的，或者可以通过对本发明的实践来获知。此外，可以通过所附权利要求书中特别指出的手段和组合来实现和获得本发明的各方面和优点。

附图说明

在本公开内容的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例实施方式来更详细地说明本发明，在附图中：

图1是示出并入所公开的实施方式的各方面的示例性无线通信系统的框图。

图2示出了并入所公开的实施方式的各方面的系统中的网络节点操作的示例性处理流程。

图3示出了并入所公开的实施方式的各方面的系统的用户节点中的示例性处理流程的示意图。

图4示出了用于并入所公开的实施方式的各方面的系统的示例性二维波束图案设计。

图5示出了并入所公开的实施方式的各方面的系统的示例性三维角度空间。

图6示出了说明并入所公开的实施方式的各方面的示例性信道跟踪和反馈处理的流程图。

图7是示出就并入所公开的实施方式的各方面的系统的仿真所需的同步信号周期的数目而言的平均同步延迟的图。

图8是示出在并入所公开的实施方式的各方面的系统的仿真中由不正确的DoD检测引起的平均功率损耗的图。

图9示出了在并入所公开的实施方式的各方面的系统的仿真中针对半径为100米的mmWave小区中的UE的全向SNR的累积分布函数。

图10是可以用于实现所公开的实施方式的各方面的示例性计算架构的框图。

具体实施方式

参照图1，可以看到无线通信系统100的示例性框图，该无线通信系统100并入用于根据所公开的实施方式的各方面的mmWave蜂窝系统中的初始接入的同步信号收发方案。所公开的实施方式的各方面涉及通过进一步利用码域以这样的方式来发送同步信号(SS)：它们在空间域中是“定向的和全向的”。所公开的实施方式的同步信号收发方案实现了波束成形(beam forming，BF)增益与时间效率之间良好的折衷，而不会在mmWave蜂窝系统中引发同步信号范围与数据传输范围之间的不一致问题。所公开的实施方式的系统100还使得用户设备能够在成功检测到同步信号之后获取时间/频率同步和小区ID，以及获取DoD(DoA)信息。

如图1所示，无线通信系统100包括至少一个网络节点110和至少一个用户节点或用户设备120。无线通信系统100可以是任何合适类型的无线通信系统，诸如例如但不限于LTE、5G或新无线电(new radio，NR)。在一个实施方式中，网络节点110可以包含或者包括网络节点，例如演进的通用地面无线电接入网络(Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network，E-UTRAN)NodeB或者演进的NodeB(evolved NodeB，eNB)。用户节点120可以包含或者包括例如用户节点或用户设备(UE)，例如移动通信装置。

在图1的示例中，网络节点110包括至少一个处理器112和至少一个收发器装置114。虽然在图1中处理器112和收发器114被示出为单独的装置，但是在替选实施方式中，处理器112和收发器装置114可以包括单个装置。取决于具体应用和实现，网络节点110可以包括任意合适数目的处理器112和收发器114。

网络节点110还可以包括一个或更多个天线或天线阵列102。天线或天线阵列102通常将被配置成生成一个或更多个定向波束，在本文中通常将所述一个或更多个定向波束称为定向波束104。

用户节点120通常包括收发器124和处理器122。虽然在图1的示例中收发器124和处理器122被示出为单独的装置，但是在替选实施方式中，收发器124和处理器122可以包括单个装置或单元。取决于具体应用和实现，用户节点120可以包括任意合适数目的收发器124和处理器122。

用户节点120还将包括一个或更多个天线或天线阵列106。天线106被配置成生成一个或更多个接收波束图案108，以接收从网络节点110发送的信号等。

所公开的实施方式的网络节点110被配置成生成一组至少两个同步信号序列，并且针对每个同步信号序列构造同步信号，以创建一组同步信号。所公开的实施方式的多个同步信号在空间域和码域二者中相互正交(或者几乎相互正交)，并且将具有自相关并与该组同步信号中的任何其他同步信号具有低于阈值的互相关。

在一个实施方式中，网络节点110被配置成生成一组定向波束图案104，其中，该组定向波束图案104中的每个波束图案对应于该组同步信号中的同步信号之一。每个同步信号将通过不同的定向波束图案来定义，其中通过该定向波束图案来承载特定于DoD的同步信号序列。该组定向波束图案将覆盖DoD的整个角度域。

网络节点110例如eNB的收发器114被配置成通过相同频带或者相同时间频率资源来同时发送多个同步信号。定向波束图案104共同形成全向波束图案，并且使得能够在用户节点120处通过检测其对应的同步信号来识别不同的DoD子范围。

在用户节点120处，在成功检测到同步信号后，将具有最高接收功率的同步信号的索引馈送回至网络节点110。在一个实施方式中，可以使用反馈信道105将反馈信息馈送回至网络节点。以这种方式，网络节点110可以获知对于该用户节点120而言最优选的DoD子范围。因此，可以在后续随机接入与数据传输阶段在网络节点110处取得波束成形(BF)增益。

所公开的实施方式的同步信号传输方案还将促进mmWave蜂窝系统的后续信道跟踪。在同时和周期性的同步信号传输的情况下，用户节点120可以继续监视这些特定于DoD的同步信号的接收功率水平。通常，默认情况下，具有与具有最高接收功率水平的同步信号对应的DoD/DoA的信道路径被选择用于发送/接收。然而，一旦用户节点120检测到与该组中的其他同步信号相比其接收功率水平更高或变为最高的不同同步信号，则用户节点120可以将该信息馈送回至网络节点110。在一个实施方式中，可以以周期性或非周期性的消息或者报告的形式将该信息馈送回至网络节点110。网络节点110被配置成在接收到来自用户节点120的作为反馈的该新同步信号的索引之后能够将传输朝向该新DoD调整。这使得能够在信道路径之间进行无缝切换以实现QoS保证。

图2示出了并入所公开的实施方式的各方面的网络节点110处的处理的一个示例。在该示例中，生成202网络节点110和用户节点120二者都已知的一组至少两个同步信号序列。网络节点120还被配置成生成204多个定向波束图案以发送这些同步信号序列。通常，定向波束图案的数目将不小于该组同步信号序列中的同步信号序列的数目。当数目相同时，将存在一对一的映射。

构造206一组同步信号，其中，每个同步信号是特定于DoD的。如下面将描述的，该组同步信号中的每个同步信号将具有自相关并与该组同步信号中的任何其他同步信号具有低于阈值的互相关。在一个实施方式中，使用由不同的定向波束图案承载的一个同步信号序列来构造每个特定于DoD的同步信号波形。将同步信号波形叠加在一起，因为同步信号共享相同的时间频率资源。然后，可以由网络节点110通过相同的时间频率资源来同时发送208同步信号。

网络节点110被配置成接收210与来自该组同步信号的在用户节点120处具有最高接收功率水平的至少一个同步信号相关联的至少一个索引值。然后，网络节点110可以针对网络节点110的传输模式来选择212与对应于用户节点120处的最高接收功率水平的DoD相关联的信道。以这种方式，网络节点110获知对于用户节点120而言最优选的DoD子范围，并且可以朝向DoD子范围发送以实现所需的QoS等级。

在用户节点120侧，参照图3，在一个实施方式中，用户节点120被配置成生成302一组定向波束图案以用于同步信号接收。在用户节点120处使用例如收发器124接收诸如来自网络节点110的同步信号的信号。在一个实施方式中，用户节点120的处理器122被配置成检测来自由收发器124接收到的信号中的一组接收同步信号的至少一个同步信号。用户节点120试图根据所接收的同步信号来检测304所有同步信号序列。

通常，在用户节点120处接收到的同步信号是所发送的同步信号的(通过信道)失真版本，其占用与所发送的同步信号相同的时间频率资源。在没有定时参考的情况下，用户节点120不知道所发送的同步信号何时到达收发器124处。用户节点120在检测之前无法识别由所发送的同步信号占用的正确的时间频率资源。在实践中，用户节点持续接收信号，从而产生具有半无限长度的一个或更多个接收信号流。然后，在这些半无限长的接收信号中，用户节点120试图检测所有同步信号。

在一个实施方式中，用户节点120被配置成比较306并且确定检测到的至少一个同步信号的接收功率水平，并且识别在用户节点120处具有最高接收功率的至少一个同步信号。在一个实施方式中，用户节点120的处理器122被配置成比较每个同步信号的接收功率水平并且识别具有最高接收功率水平的同步信号。这可以包括将接收功率水平与阈值或预定功率值进行比较，或者对每个同步信号的接收功率水平进行排序。所公开的实施方式的各方面可以包括仅识别一个同步信号，例如与该组中的所有其他同步信号相比具有最高功率水平的同步信号。可替选地，可以识别具有等于或者高于预定阈值的功率水平的所有同步信号。在另一实施方式中，可以识别具有最高接收功率水平的同步信号的数目的百分比。

然后，用户节点120可以向网络节点110发送308与具有最高接收功率水平或者最高接收功率水平之一的至少一个同步信号相关联的索引值。在一个实施方式中，然后用户节点120可以完成310与网络节点110的同步过程，并且用户节点120可以被认为是同步的用户节点。

在一个实施方式中，同步的用户节点120被配置成执行随机接入(random access，RA)并且向网络节点110反馈后续检测到的具有最高接收功率的同步信号的索引。例如，在一个实施方式中，用户节点120的处理器122被配置成检测来自由收发器124接收到的一组后续接收同步信号的至少一个另外的同步信号。处理器122可以被配置成对该组后续接收同步信号中的同步信号的接收功率水平进行比较，并且选择与至少一个另外的最高接收功率水平相关联的至少一个另外的索引值，如上面大体上描述的。可以将这些索引值馈送回至网络节点110。

在接收到关于具有更高接收功率水平的新同步信号的索引的反馈之后，网络节点110可以被配置成对传输模式进行切换，以在对应于与新同步信号相关联的DoD的传输信道中并行传输。所公开的实施方式的各方面使得网络节点110能够使用关于后续发送的同步信号的接收功率水平的反馈来选择这样的传输信道，该传输信道提供对于用户节点120而言最优选的波束方向。这使得能够在后续的随机接入和数据传输阶段在网络节点110处取得波束成形增益，以及使得能够在信道路径之间无缝切换以实现QoS保证。

再次参照图2，多个同步信号序列和定向波束图案的形成202和生成204使得网络节点110和用户节点120能够获知在初始接入过程期间的初始通信方向。在一个实施方式中，多个同步信号序列的生成202包括在网络节点110处准备由列向量

表示的长度为N_S的数目K_T个SS序列，为了该示例的目的，将网络节点110描述为eNB。通常，K_T≤N_T，其中，N_T是网络节点110处的天线元件的数目。假设这些同步信号序列被使用恒定包络和单位功率适当地调制，即，||s_k||＝1，

其中，||·||返回向量的2范数。同步信号序列还应当具有良好的自相关特性和互相关特性。例如，对于任意两个同步信号序列i和j，它们的由R_i,j(τ)表示的周期相关函数应满足：

其中，δ(τ)是狄拉克δ函数。良好的自相关/互相关特性将确保以高概率在用户节点120处分离不同的同步信号序列并且在准确的定时成功检测到不同的同步信号序列。

在一个实施方式中，同步信号序列选自Gold序列集或者Kasami序列集。这是有利的，因为Gold/Kasami序列集被证明具有非常好的自相关/互相关，如式(1)所示。

在另一实施方式中，同步信号序列选自具有不同根的一组Zaddoff-Chu(ZC)序列、公共ZC序列的不同循环移位版本或者正交矩阵的不同列(例如，Golay互补正交集)。这是有利的，因为序列长度N_S更灵活。Gold/Kasami序列仅可以采用值2ⁿ–1，其中n为整数。然而，尽管可以通过这些序列设计在零时间延迟时实现良好的自相关和良好的互相关，但是这些序列设计仍然可能在某些非零时间延迟时导致高的互相关旁瓣。

例如，公共ZC序列的两个不同循环移位版本彼此完全正交，但是当式(1)中的延迟τ等于它们的循环移位之间的差时，存在高的互相关峰值1。这样的高互相关不仅将引起高误报概率，而且还可以导致在用户节点120处检测到错误的同步信号序列，继而导致错误的DoD信息。为了避免这样的高互相关，在一个实施方式中，使用公共交织/加扰(scrambling)序列对同步信号序列进行交织和/或加扰。交织/加扰操作使所有序列伪随机，并且导致它们之间的互相关较低。该公共交织/加扰序列可以被随机生成，或者被优化，使得这些同步信号序列之间的互相关得到进一步改善(例如，可以选择具有大的交织深度的交织器，或者详尽研究多个候选交织器并且从它们中选择导致最好的互相关的一个交织器)。由于所有同步信号序列被以相同方式交织/加扰，因此它们的(近)正交性仍被保持。

此后，每个同步信号序列s_i中的元素被映射至频域中的给定数目的子载波，并且经由OFDM或者DFT-s-OFDM调制转换至时域中。还需要在用户节点120处已知这些同步信号序列，以便用户节点120执行相关。在一个实施方式中，分配至不同网络节点110的各组同步信号序列可以是相同的。各组同步信号序列还可以是不同的，以承载小区ID。小区ID配置可以留给其他参考信号，例如LTE中使用的辅同步信号(secondary synchronizationsignals，SSS)。这使得用户节点120能够经由成功检测由相同的网络节点110发送的K_T个同步信号序列中的任一个来简单地得到小区ID。

再次参照图1和图2，在一个实施方式中，在网络节点120处生成204相等数目的K_T个定向发送波束图案108。预期每个波束图案k{k＝1,2,…,K_T}覆盖由S_T,k表示的不同的DoD角度子范围。这里，DoD角度子范围S_T,k可以是凸集，或者是多个不相交的凸子集的并集。在后一情况下，相应的波束图案可以具有指向不同DoD的多个主瓣。如图4的示例性波束图案设计所示，需要所有发送波束图案108共同跨越由S_T表示的整个DoD角度空间(或者感兴趣的角度空间)，即，

图4呈现了示例性波束图案设计的二维(2D)示例，其中，假定在网络节点110处存在均匀线性天线面板阵列(uniform linear antenna，ULA)102。图4中的示例性波束图案设计在2D情况下K_T＝4，并具有N_T＝8个元素的ULA 106。在该示例中，整个DoD角度空间由S_T＝[0,π]给出。ULA的对称性保证了剩余的DoD角度范围[π,2π]也被覆盖。生成K_T＝4个定向波束图案。这四个波束图案分别覆盖以下角度子范围：S_T,1＝[0,π/4]、S_T,2＝[π/4,π/2]、S_T,3＝[π/2,3π/4]以及S_T,4＝[3π/4,π]，并且它们共同跨越整个角度空间，即，S_T,1∪S_T,2∪S_T,3∪S_T,4＝[0,π]＝S_T。

图5示出了具有N_T＝N_T,1×N_T,2＝8×8＝64个元素的均匀矩形天线阵列(UniformRectangular Antenna，URA)506的三维DoD角度空间500的示例。对于图5中所示的一般且实际的三维(3D)场景，整个角度空间应为S_T＝{(θ_a,θ_e)|0≤θ_a<2π,-π/2≤θ_e<π/2}，其中，θ_a是方位DoD，并且θ_e是高度DoD。附图标记502示出了具有DoDθ_a、θ_e的路径。相应的角度子范围

可以被相应地定义，使得上面的式(2)成立。

再次参照图2，为了生成204覆盖DoD角度子范围S_T,k(k＝1,2,…,K_T)的波束k，设计由b_k(k＝1,2,…,K_T)表示的相应的天线权重向量(antenna weight vector，AWV)。设计{b_k}的一种方法是让每个AWV具有针对具有特定DoD的信道路径的空间特征的形式。例如，针对图4中具有ULA 106的2D场景，得到：

其中，θ是适当的DoD，N_T是网络节点110处的ULA 106中的天线的数目，d_T是ULA 106内的天线间隔，并且λ是信号波长。类似地，针对图5中具有URA 506的一般3D场景，得到：

其中，

是Kronecker乘积运算，(θ_a,θ_e)是适当的DoD，N_T,1(N_T,2)和d_T,1(d_T,2)分别是URA 506的每行(列)中的天线的数目和间隔。在该实施方式中，发射天线的总数目由N_T＝N_T,1×N_T,2给出。以这种方式生成的波束图案可以以特定DoD实现N_T的最高BF增益，并且其所有条目具有相同的幅度，这有利于硬件实现(例如，这可以使用后面跟随低成本模拟相移网络的单个收发器以模拟方式来实现)。

另一种方法是优化AWV条目的幅度和相位二者。在这种情况下，需要在波束图案生成中涉及数目N_TXRU个收发器，并且需要混合硬件结构或全数字硬件结构。通常，波束(同步信号)的数目K_T、收发器的数目N_TXRU以及网络节点110天线元件的数目N_T之间的关系由K_T≤N_TXRU≤N_T给出。

最后，将所有

存储至码本中。该码本对于用户节点120而言是不可知的。

鉴于上面设计的同步信号序列和波束图案(或等同地AWV)，第k个(k＝1,2,…,K_T)同步信号被构造为：

其中，x_k是与在频域中分配的同步信号序列s_k对应的时域采样序列。x_k的长度通过OFDM调制中涉及的由N_FFT表示的FFT大小来确定。因此，式(5)中的同步信号X_k具有跨越不同发送天线元件和时域样本的N_T×N_FFT的维度。根据上面设计的同步信号序列和波束图案，不同的同步信号在空间域和码域二者中(几乎)彼此正交。

将这些同步信号叠加在一起，因为它们共享相同的时间频率资源，并且由网络节点110通过相同的时间频率资源将同步信号发送至信道中。因此，整个N_T×N_FFT发送信号矩阵可以表示为：

在实践中，可能存在硬件约束，即，预期图1所示的网络节点110处的收发器114的数目N_TXRU很小，或者甚至小于K_T。在这种情况下，所有K_T个同步信号可以被分成若干个组，其中，每个组中的同步信号的数目不大于收发器114的数目。不同的组可以在时域中复用，并且同一组中的所有同步信号仍然被同时发送，即通过相同的时间频率资源发送。

总之，多个同步信号在同一频带中同时发送，所述多个同步信号中的每一个都是特定于DoD的。通过考虑每个波束的波束成形增益，可以看出，式(6)中的同时传输方案的功率效率与覆盖相同的整个角度DoD范围的单个全向波束传输的功率效率大致相同，同时允许在发送信号中承载DoD信息。可以通过在用户节点120处采用定向波束成形来补偿增加的路径损耗。如下面的数值结果所示的，对于实际信道和系统设置而言，功率预算不是重点关注的问题。

在用户节点120侧，在第t个周期中在N_R个天线端处接收到的(去除循环前缀(cyclic prefix，CP)之后的)N_R×N_FFT信号矩阵可以被写为：

其中，P_T是传输功率，ρ(d)是大尺度传播损耗，其中，d是发送器与接收器之间的距离，H(t)是信道矩阵，并且Z(t)是用户节点120处的相应噪声矩阵，该噪声矩阵的条目是独立且相同分布(i.i.d.)的平均值为零和方差为N₀W的复加性高斯白噪声(additive whiteGaussian noise，AWGN)变量，其中，N₀是噪声谱密度(包括用户节点120处的噪声因数)，并且W是由同步信号占用的频谱带的带宽。

用户节点120可以使用全向(或固定)波束图案108，或者使用数目K_R个定向波束图案108以将在所有天线端处观察到的信号矩阵Y(t)进行组合。后者可以并行地实现(如果用户节点120处的硬件可以支持并行)或者按时间顺序地实现。例如，由w_k(k＝1,2,…,K_R)表示用户节点120处的第k个定向波束图案的AWV。所有这些

可以以与前面所讨论的

相似的方式来设计。如果全向(或固定)波束图案被用于信号接收，则用户节点120不能根据检测到的同步信号序列来识别DoA信息。

通过将

表示为在第t个SS传输周期中使用第k_R个组合AWV

接收的信号向量，得到：

进一步将接收到的信号向量

与第k_T个同步信号

相关，得到：

注意，在实践中，式(9)中的同步信号检测以滑动窗口的方式来实现以在整个频率和时间上进行扫描以实现时间和频率同步。在滑动窗口中使用不同的频率偏移/时间延迟假设来检查同步信号相关器输出，然后基于这些同步信号相关器输出来确定同步是否成功。针对每个频率偏移/时间延迟假设，在数目N_ch个SS传输周期内按式(10)来计算每个条目

的平均功率，即，

在滑动窗口中通过所有频率偏移/时间延迟假设检查了这些平均功率之后，确定这些平均功率中的最大平均功率，并且将该最大平均功率与被选择以保证足够低的误报概率的给定阈值Γ进行比较。如果最大平均功率高于Γ，则认为用户节点120与网络节点110以相应的频率偏移和时间延迟同步。否则，滑动窗口向前移动并且检测继续。

由

表示同步的情况下的最大平均功率的索引对，即，

然后，可以经由第

个同步信号序列来配置小区ID。另外，将

称为被配置成在网络节点110与用户节点120之间存在的具有DoD

和DoA

的路径的最佳发送接收波束对。注意，在正确的频率/时间延迟假设下，可以存在其平均功率高于阈值Γ的多个相关器输出。在这种情况下，与这些相关器中的每一个对应的发送/接收波束对(k_R,k_T)可以被视为候选发送接收波束对。在候选发送接收波束对中，预期最佳发送接收波束对将捕获最高的信道能量，并且应当具有最高优先级以被馈送回至网路节点110，并且用于由网络节点110在同步被建立之后传输/接收。

在同步之后，用户节点120可以从广播信道(broadcast channel，BCH)即物理下行链路控制信道(physical downlink control channel，PDCCH)获取系统信息，然后经由物理上行链路控制信道(physical uplink control channel，PUCCH)执行对与用户节点120同步的网络节点110的随机接入。最佳发送/接收波束对的索引被表示为

如图3中所提及的，然后经由PUCCH将索引

从用户节点120馈送308回至网络节点110，这使得网络节点110能够在向用户节点120的数据传输的后续阶段中选择最优选的DoD。可以使用

个比特来表示该索引信息，并且将该索引信息单独编码或者与其他反馈信息共同编码。同时，用户节点120将选择第

个DoA子范围作为最佳的数据接收方向。如果需要的话，还可以将其他候选发送/接收波束对的索引和相应的信道质量馈送回至网络节点110，这可以向网络节点110提供更多信息以向用户节点120调度服务。

即使在成功建立了初始接入之后，同时发送的同步信号仍然可以用于信道跟踪。这是因为网络节点110以广播的方式周期性地发送同步信号。图6示出了并入所公开的实施方式的各方面的示例性信道跟踪过程。在该示例中，除了数据发送/接收以外，一旦用户节点120被同步，则用户节点120就可以简单地继续检测602这些后续发送的或者周期性发送的同步信号的全部或一部分。可以对接收的功率水平进行比较604。如本文大体描述的，该比较可以包括以下中的一个或更多个：对当前接收功率水平进行比较或者将当前接收功率水平与过去或历史接收功率水平进行比较。

通过监视每个同步信号的接收功率波动，用户节点120可以跟踪每个路径的变化，并且以基于触发的方式经由例如PUCCH来反馈606该信息。该反馈可以由用户节点120主动地完成，或者由网络节点110通过PDCCH请求来完成。利用这样的反馈信息，一旦正在用于通信的路径变弱，就可以容易地将通信切换至另一候选路径或者信道，该路径或信道的相应同步信号承载更高的接收功率水平。

为了评估所公开的实施方式的初始接入方案的性能，对实际系统设置进行仿真。具体地，考虑以f_c＝28GHz的载波频率工作的mmWave链路。网络节点110配备有8×8个URA，并且用户节点120配备有4×4个URA。两个URA中的行天线间距和列天线间距等于信号波长的一半。下面在表1中列出了该示例的详细仿真参数，其中，所有参数值都基于实际的系统设计考虑。

例如，与LTE主同步信号(primary synchronization signal，PSS)传输类似，子载波间隔被设置为W_sc＝15KHz，并且同步信号传输持续时间被设置为T_s＝71.3μs(包括4.7μs的循环前缀)。T_s＝71.3μs的同步信号传输持续时间足够小，以保证即使在用户节点120以高达30km/h的速度移动的情况下，该信道在一个同步信号传输持续时间内也是不变的。在这种情况下，最大多普勒频移为30km/h×28GHz/(3×10⁸m/s)≈778Hz，并且相应的相干时间为0.423/778Hz≈544μs>T_s。与当前LTE系统中的同步信号相同，该示例性方案中的同步信号每T_p＝5ms周期性地发送一次，以保持T_s/T_p＝1.427％的低的总同步信号开销。考虑到mmWave信道中的延迟扩展σ_τ的典型测量结果小于30ns(相应的50％相干带宽约为B_C,50≈1/5σ_τ>6.67MHz)的这一事实，同步信号在其上发送的频带的带宽被设置为W＝1MHz，使得信道在带宽内相对平坦。

鉴于网络节点110和用户节点120处的天线设置，波束图案104、108的数目被分别设置为在网络节点110处为K_T＝N_T＝64并且在用户节点120处为K_R＝N_R＝16。针对发送波束图案设计，假定用户节点110处的URA被部署在地面上方一定高度处以覆盖小区区域，并且相应的DoD角度空间被设置为S_T＝{(θ_a,θ_e)|0≤θ_a<2π,-π/2≤θ_e<-π/6}。因此，用S_T内的适当选择的DoD值将发送AWV选择为式(6)的形式。

针对接收波束图案设计，假定用户节点120及其URA可以以任何可能的取向被保持。相应的DoA角度空间被设置为S_R＝{(φ_a,φ_e)|0≤φ_a<2π,-π/2≤φ_e<π/2}。因此，接收AWV被选择为通过两个4×4DFT矩阵的Kronecker乘积构造的16×16矩阵的列。在实践中，网络节点110和用户节点120处的定向波束图案的数目可以更少，使得例如当采用能够加宽波束宽度的先进波束图案设计方法时，当经由小区扇区化将感兴趣的角度空间减小为S_B(或S_U)的子集时，硬件约束得到缓解。

表1.仿真参数设置

参数	值
		载波频率	28GHz
网络节点(eNB)天线	8×8URA
		用户节点(UE)天线	4×4URA
子载波间隔，W<sub>sc</sub>	15KHz
		SS传输持续时间，T<sub>s</sub>	71.3μs
SS传输周期，T<sub>p</sub>	5ms
		SS开销(T<sub>s</sub>/T<sub>p</sub>)	1.427％
SS带宽，W	1MHz
		eNB处的波束图案的数目，K<sub>T</sub>	64
UE处的波束图案的数目，K<sub>R</sub>	16
		SS序列长度N<sub>s</sub>	128
循环前缀长度N<sub>CP</sub>	9
		假设的时间延迟的数目，N<sub>dly</sub>＝2WT<sub>p</sub>	1×10<sup>4</sup>
假设的频率偏移的数目，N<sub>FO</sub>	16
		小区半径	100米
eNB传输功率	30dBm
		UE噪声因数	7dB
热噪声功率密度	-174dBm/Hz

在网络节点110处K_T＝64的情况下，相应地设计64个同步信号序列。考虑到W_sc＝15KHz和W＝1MHz的仿真设置，在该示例中，这些同步信号序列的长度在频域中被设置为N_s＝64，使得频域中的所有同步信号序列元素都可以被映射至中心的65个子载波(除中心的DC子载波之外)以进行同步信号传输，中心的65个子载波占用65×15KHz＝0.975MHz<W的带宽。在该仿真中，采用公共Zaddoff-Chu(ZC)序列的不同循环移位版本来形成正交序列集，其中，ZC序列通过下式给出：

其中，N_ZC＝64和q＝1分别是该ZC序列的长度和根。然后，为了避免这些序列的高的互相关，进一步将这些长度为64的序列与公共交织器相乘，并对每个交织后的序列执行64点DFT。然后，每个同步信号序列被映射至中心的65个子载波(不包括DC子载波)，并且经由128点IFFT转换至时域。然后在每个时域同步信号的前面添加长度为9的循环前缀(CP)。最后，如式(6)所示，经由不同的定向波束图案通过相同的频带来同时发送这些同步信号。

在评估链路级性能时，图7绘制了所公开的实施方式的初始接入方案的平均同步延迟(就同步所需的同步信号周期的数目而言)与接收SNR。这里，P表示在不考虑发送/接收BF增益和小尺度衰落的情况下的发送功率与大尺度衰落的共同作用。W是由同步信号占用的带宽，并且N₀是噪声功率谱密度(包括UE处的噪声因数)。因此，P/N₀W表示全向接收SNR。考虑了单路径和多路径的情况。根据表示单路径信道和多路径信道中的平均功率损耗的图8，可以作出以下观察。

当SNR<-10dB时，所公开的实施方式的初始接入方案在单路径信道中比在多路径信道中执行得更好。这是因为当SNR低时，系统耗电高(power hungry)。在多路径NLoS信道中，信道功率在多个路径之间分配，从而使得每个单独路径的功率增益低于单路径情况下的功率增益，由检测到的候选发送/接收波束对捕获的能量也是如此。因此，多路径具有SNR降低效果，继而导致更长的同步延迟。

当SNR>-10dB时，所公开的实施方式的初始接入过程在多路径信道中比在单路径信道中执行得更好。这是因为在高SNR状况下，多路径信道中的多个集群可以提供特定的空间分集并且导致多个候选发送/接收波束对被同时检测。在高SNR下，这种空间分集胜过SNR损失。

注意，除了时间/频率同步和小区ID获取以外，还想要通过初始接入过程来获取信道方向信息。因此，需要检查所检测到的DoD/DoA的“质量”。为此，将信道的正确发送接收波束对定义为：

直观地，正确发送接收波束对是所有发送接收波束对组合中的捕获最高信道能量的发送接收波束对。式(11)中定义的最佳发送接收波束对

可以重写为：

通过比较式(13)和式(14)，可以看出，式(14)包括式(13)中未出现的不同同步信号与噪声之间的潜在干扰。因此，正确且最佳的发送接收波束对可能彼此不一致。因此，在所有波束对中，检测到的最佳发送接收波束对可能并非真正捕获最高信道能量。为了量化由该信道方向不准确引起的性能损失，定义了以下平均功率损耗：

图8绘出了在单路径信道和多路径信道中的所公开的实施方式的初始接入方案的平均功率损耗。可以看出，在两个信道中，由不准确的信道方向检测引起的功率损耗很小，例如，当SNR大于-15dB时功率损耗小于1dB。注意，式(15)中的定义仅考虑了当检测到的信道方向信息不正确时的仿真下降。当考虑所有仿真下降时，平均功率损耗将更小并且可以忽略。

在评估系统级性能时，考虑具有100米半径的单小区mmWave系统。假设用户节点120均匀且独立地分布在小区中。该示例中的网络节点110处的总发送功率为30dBm，用户节点120处的噪声因数为7dB，并且热噪声功率密度被设置为-174dBm/Hz。随机地选择信道以使其处于LoS(单路径)状态或NLoS(多路径)状态，并且相应地生成从网络节点110到用户节点120的大尺度全向路径损耗。

图9绘制了分别针对随机UE或者小区边缘处的UE的用户节点120处的全向SNR的累积分布函数(cumulative distribution function，CDF)。还绘制了SNR的1％百分位数和5％百分位数以及中值线。如图9所示，系统全向SNR以99％的概率高于-5dB。返回参照图7和图8，可以看出，系统可以以非常高的概率在一个同步信号传输周期内取得同步。

图10示出了适于实现所公开的实施方式的各方面的示例性收发器设备1000的框图。收发器设备1000适用于无线网络，并且可以在网络节点110或用户节点120中的一个或更多个中实现，例如用于收发器114和/或收发器124。网络节点110可以包含或者包括网络节点，例如演进的通用地面无线电接入网络(E-UTRAN)NodeB或者演进的NodeB(eNB)。用户节点120可以包括各种类型的移动计算装置，包括各种类型的无线通信用户设备，例如蜂窝电话、智能电话、平板装置以及无线连接的汽车。可替选地，收发器设备1000可以被配置在无线通信网络中或者被配置为无线通信网络中的接入节点或基站。

收发器设备1000包括或者耦接至处理器或计算硬件1002、存储器1004、射频(radio frequency，RF)单元1006以及用户接口(user interface，UI)1008。在某些实施方式中，例如针对接入节点或基站，可以从收发器设备1000中移除UI 1008。当移除了UI 1008时，可以通过无线或有线网络连接(未示出)远程地或本地地管理收发器设备1000。

处理器1002可以是单个处理装置或者可以包括多个处理装置，所述处理装置包括专用装置，例如数字信号处理(digital signal processing，DSP)装置、微处理器、图形处理单元(graphics processing unit，GPU)、专用处理装置或通用计算机处理单元(computer processing unit，CPU)。处理器1002通常包括与DSP协同工作以处理信号处理任务的CPU。可以被实现为针对图1描述的处理器112和处理器122中的一个或更多个的处理器1002可以被配置成实现本文描述的任何方法。

在图10的示例中，处理器1002被配置成耦接至存储器1004，存储器1004可以是各种类型的易失性和非易失性计算机存储器的组合，例如只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁盘或光盘或其他类型的计算机存储器。存储器1004被配置成存储计算机程序指令，所述计算机程序指令可以由处理器1002访问和执行以使处理器1002执行各种期望的计算机实现的处理或者方法，例如本文所描述的方法。

存储在存储器1004中的程序指令被组织成在工业中使用各种术语例如程序、软件组件、软件模块、单元等提及的程序指令集或程序指令组。每个模块可以包括被设计以支持特定目的的功能集。例如，软件模块可以具有公认类型，例如管理程序、虚拟执行环境、操作系统、应用、装置驱动程序或者其他常规公认类型的软件组件。存储器1004中还包括程序数据和数据文件，该程序数据和数据文件可以由处理器1002在执行计算机程序指令集时存储和处理。

收发器1000还可以包括耦接至处理器1002的RF单元1006，RF单元1006被配置成基于与处理器1002交换的数字数据1012来发送和接收RF信号，并且可以被配置成与无线网络中的其他节点一起接收和发送无线电线号。在某些实施方式中，RF单元1006包括接收器，该接收器能够接收和解释从全球定位系统(global positioning system，GPS)中的卫星发送的消息，并且利用从其他发送器接收的信息一起工作以获得与计算装置的位置有关的定位信息。为了便于发送和接收RF信号，RF单元1006包括天线单元1010，在某些实施方式中，天线单元1010可以包括多个天线元件。多个天线1010可以被配置成如可以用于波束成形那样地支持发送和接收MIMO信号。图10的天线单元1010可以被实现为图1中所示的天线单元102或天线单元106中的一个或更多个。

UI 1008可以包括一个或更多个用户接口元件，例如触摸屏、小键盘、按钮、语音命令处理器以及适于与用户交换信息的其他元件。UI 1008还可以包括显示单元，该显示单元被配置成显示适于计算装置或移动用户设备的各种信息，并且可以使用任何适当的显示器类型——例如有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)、液晶显示器(liquid crystal display，LCD)以及不太复杂的元件例如LED或指示灯——来实现。

因此，虽然已经示出、描述和指出了如应用于本发明的示例性实施方式的本发明的基本新颖特征，但是将理解的是，在不偏离当前公开的发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以做出对所示出的装置和方法的形式和细节以及其操作的各种省略、替换和变化。此外，明确的意图是，以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的这些元件的组合落入本发明的范围之内。此外，应该认识到，可以将结合本发明的任何公开形式或实施方式示出和/或描述的结构和/或元件并入任何其他公开或描述或建议的形式或实施方式中，作为设计选择的常见情况。因此，意图在于，仅如所附权利要求书的范围所指示地进行限制。

Claims (11)

1.一种用于无线通信系统(100)的网络节点(110)，所述网络节点(110)包括处理器(112)和收发器(114)，所述处理器(112)被配置成：

生成一组至少两个同步信号序列；

针对每个同步信号序列来构造同步信号以创建一组同步信号，使得所述一组同步信号中的每个同步信号具有自相关并且与所述一组同步信号中的任何其他同步信号具有低于阈值的互相关；

生成一组定向波束图案(102)，其中，所述一组定向波束图案(102)中的每个波束图案与所述一组同步信号中的同步信号之一相对应；并且

其中，所述收发器(114)被配置成使用针对每个同步信号的波束图案通过相同的时间频率资源来发送所述一组同步信号中的同步信号，所述相同的时间频率资源包括范围跨越多个子载波和OFDM符号的资源元素，

其中，所述处理器(112)被配置成使用来自所述一组同步信号序列的一个同步信号序列来构造每个同步信号，并且将所构造的同步信号在每个天线上叠加在一起。

2.根据权利要求1所述的网络节点(110)，其中，所述收发器(114)被配置成接收如下消息，所述消息标识与所有所述同步信号中的具有最高接收功率水平的同步信号中的相应同步信号相关联的一个或更多个索引值；所述处理器(112)被配置成选择与最高接收功率水平相关联的至少一个索引值，并且针对对应于与关于所选索引值的同步信号相关联的离开方向(DoD)的传输信道，选择所述网络节点(110)的传输模式。

3.根据权利要求2所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成选择与至少一个另外的最高接收功率水平相关联的至少一个另外的索引值，并且选择所述网络节点(110)的传输模式以在对应于与关于每个所选索引值的同步信号相关联的DoD的传输信道中并行传输。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成将关于当前传输模式的当前接收功率水平与对应于与所标识的一个或更多个索引值相关联的同步信号的最高接收功率水平进行比较，并且当所述最高接收功率水平大于所述当前接收功率水平时，针对对应于与所标识的索引值相关联的同步的一个或更多个传输信道，切换所述网络节点(110)的传输模式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述收发器(114)被配置成同时通过所述相同的时间频率资源来周期性地发送所述同步信号。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成从Gold序列集或Kasami序列集中选择每个同步信号序列。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成从具有不同根的一组Zadoff-Chu序列中选择每个同步信号序列。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成从作为公共Zadoff-Chu序列的不同循环移位版本的一组序列中选择每个同步信号序列。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成从一组Golay互补正交序列中选择每个同步信号序列。

10.根据权利要求7中所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成使用公共交织器对所选序列进行交织。

11.根据权利要求7中所述的网络节点(110)，其中，所述处理器(112)被配置成使用公共加扰序列对所选序列进行加扰。

Images