天线阵列的波束调准方法、多波束传输系统及装置与流程

1.本发明涉及一种波束传输方法及波束传输系统，且特别涉及一种天线阵列的波束调准方法、多波束传输系统及装置。


背景技术：

2.为了克服在毫微米波(millimeter-wave，mm-wave)频段的严重传播损耗问题，传输端与接收端通常皆采用方向性波束成型(directional beamforming)以提高传输效率。然而，在移动通信环境中，初始接入(initial access)阶段通常尚未取得有效波束方向的信息，因此如何寻找有效率的波束方向(又称为波束调准(beam alignment，ba))为初始接入阶段建立有效链路的关键必备技术。
3.传统波束调准可以通过规则的循序搜寻(sequential search)方式来达成，但是此方式的效率极低且造成较大的搜寻延迟。例如，假设传输端与接收端分别拥有n
t
波束及n
r
波束，则共有n
t
×
n
r
个可能的波束配对；传输端必须确定n
t
个波束中的最佳波束，而接收端同样地必须确定n
r
个波束中的最佳波束。
4.考虑第五代(5g)新无线电(new radio，nr)标准，基站(base station，bs)在物理广播信道(physical broadcast channel，pbc)传送同步信号(synchronization signal，ss)，而每一个同步信号相关于某一个特定的波束样式(beam pattern，本说明书中的“样式(pattern)”也被称之为“方向图”)，设定该同步信号传送波束指向，以作为用户设备(user equipment，ue)端的波束调准之用。
5.在进行初始接入之前，用户设备端会测量基站所传送的所有同步信号，以取得波束调准的信息。当完成所有同步信号的接收与测量，用户设备端需确定拥有最强接收信号功率的同步信号及与其相关的接收波束方向；之后，用户设备端在该最强同步信号所指派的无线资源区块(resource block，rb)中传送随机接入前导(random access preamble)，以进行初始接入。基站藉由所接收到的随机接入前导，将可以确认用户设备端所观测到的最强同步信号；因此，基站将可以确定对应至此用户设备端的最佳传送波束指向，亦即双方的波束调准程序已经完成。
6.传统上，每一个同步信号相对于单一波束方向，例如使用离散傅立叶变换(discrete fourier transform，dft)单一基底的波束样式，即为单一指向的波束样式。此外，基站在物理广播信道可使用的同步信号数目通常有限制，例如目前5g nr标准中的同步信号数目上限为64，而在角度域(angular domain)的分辨率取决于同步信号的数目。如果基站在物理广播信道使用的同步信号数目为n，则单一平板天线(panel antenna)在其涵盖的角度域被分割为n个波束方向，而此n个同步信号表示为ss
n
，n＝0，1，
…
，n-1。
7.图1绘示传统收发点(transmission/reception point，trxp)的波束扫描(beam sweep)方法。请参照图1，收发点bs例如是传统的基站，其采用波束扫描(beam sweeping)的方式，以单一波束的形式依图1所示的波束方向依序发送同步信号ss1～ss5。其中，每个同步信号使用ss rb1～ss rb5其中一个资源区块，使得接收到同步信号的用户装置能够藉由
解码资源区块ss rb1～ss rb5的信号，得知各个同步信号波束的强度，并将最强同步信号的索引信息回传至收发点bs，以供收发点判断并据以完成波束调准程序。
8.为了增强波束在角度域上的分辨率，物理广播信道应该增加使用的同步信号数目，然而，搜寻时间与无线电资源的消耗都将增加，导致初始接入阶段的时间延迟增加。


技术实现要素：

9.本发明提供一种天线阵列的波束调准方法、多波束传输系统及装置，可提升初始接入阶段的波束调准效能与效益。
10.本发明提供一种天线阵列的波束调准方法，适于包括基站及用户设备的多波束传输系统。此方法包括下列步骤：基站采用多组多峰波束样式作为传送数个同步信号的波束样式，其中单一多峰波束样式包括可区别方向的多个主波束，且不同的多峰波束样式彼此之间的主波束的方向不重叠；用户设备扫描同步信号，并判断接收功率最强的同步信号及其对应的接收波束方向，藉由随机接入信道传送初始接入讯息，该初始接入讯息包括(明示或是暗示)该接收功率最强的同步信号的索引；基站在随机接入信道上采用多组单峰波束样式接收初始接入讯息，其中各单峰波束样式的主波束的涵盖范围仅包括每一个多峰波束样式的其中一个主波束；以及基站判断对初始接入讯息的接入功率最强的单峰波束样式，并将所判断的接入功率最强的单峰波束样式与初始接入讯息中的该接收功率最强的同步信号的索引信息所对应的多峰波束样式的主波束进行比对，以确定传送给用户设备的最佳波束方向。
11.在本发明的一实施例中，上述基站所采用的多组多峰波束样式，可以利用多个离散傅立叶变换单一基底的波束样式组合成具有多个方向的多峰波束的多峰波束样式，其中包括将离散傅立叶变换单一基底的波束成型向量乘上预定相位后相加，而取相加后波束成型向量中各元素的相位加上固定振幅，以作为多峰波束样式。
12.本发明提供一种多波束传输系统，其包括基站及用户设备。其中，基站采用多组多峰波束样式作为传送数个同步信号的波束样式，其中各多峰波束样式包括可区别方向的多个主波束，且不同的多峰波束样式彼此之间的主波束的方向不重叠。用户设备扫描同步信号，并判断接收功率最强的同步信号及其对应的接收波束方向，藉由随机接入信道传送包括此接收功率最强的同步信号的索引信息的初始接入讯息。其中，基站在随机接入信道上采用多组单峰波束样式接收初始接入讯息，其中各单峰波束样式的主波束的涵盖范围仅包括各多峰波束样式的主波束其中之一，且基站判断对初始接入讯息的接入功率最强的单峰波束样式，并将所判断的接入功率最强的单峰波束样式与初始接入讯息中的接收功率最强的同步信号的索引信息所对应的多峰波束样式的主波束进行比对，以确定传送给用户设备的最佳波束方向。
13.在本发明的一实施例中，上述单一多峰波束样式的主波束彼此间具有可区别主波束的间距，且各主波束与多个高分辨率单峰正交波束之一的波束方向一致。
14.在本发明的一实施例中，上述基站包括采用均匀线性阵列天线(uniform linear array，ula)或均匀平面阵列天线(uniform planar array，upa)产生多峰波束样式的波束。
15.本发明提供一种多波束传输装置，其包括阵列天线、收发器及处理器。其中，收发器耦接阵列天线，利用阵列天线产生多组多峰波束样式及多组单峰波束样式的波束，其中
各多峰波束样式包括可区别方向的多个主波束，且不同的多峰波束样式彼此之间的主波束的方向不重叠。处理器耦接收发器，用以控制收发器以采用多峰波束样式作为传送数个同步信号的波束样式至用户设备，其中用户设备包括扫描同步信号，并判断接收功率最强的同步信号及其对应的接收波束方向，藉由随机接入信道传送包括接收功率最强的同步信号的索引信息的初始接入讯息。此外，处理器控制收发器以在随机接入信道上采用单峰波束样式接收由用户设备传送的初始接入讯息，其中各单峰波束样式的主波束的涵盖范围仅包括各多峰波束样式的主波束其中之一。再者，处理器判断对初始接入讯息的接入功率最强的单峰波束样式，并将所判断的接入功率最强的单峰波束样式与初始接入讯息中的接收功率最强的同步信号的索引信息所对应的多峰波束样式的主波束进行比对，以确定传送给用户设备的最佳波束方向。
16.在本发明的一实施例中，上述阵列天线包括均匀线性阵列天线或均匀平面阵列天线。
17.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
18.图1绘示传统收发点的波束扫描方法。
19.图2a绘示n＝16时所有正交波束样式与其相对应的波束方向。
20.图2b至图2e表示当n＝16及k＝4所使用的m＝4个k峰值波束样式。
21.图3表示主波束范围功率p
s
以及主波束范围外功率p
l
在波束样式上的示意图。
22.图4a绘示n＝16时所有正交波束样式与其相对应的波束方向。
23.图4b绘示n＝16时及k＝4所使用的m＝4个k峰值波束样式。
24.图5绘示n＝16及k＝2所使用的m＝8个k峰值波束样式。
25.图6a绘示n＝16及q＝4所使用的随机接入单峰波束样式。
26.图6b绘示各个波束样式包含的波束方向。
27.图7a与图7b是依照本公开的实施例的一种多波束传输系统的示意图。
28.图8是根据本发明的一实施例说明基于多峰波束样式的波束调准方法的流程图。
29.图9为使用相同数目m＝4的同步信号情境下，n＝16、k＝4、m＝4的链路信噪比分布比较结果。
30.【符号说明】
31.10：用户设备
32.20、bs：基站
33.12、22：收发器
34.14、24：处理器
35.16、26：天线
36.100：多波束传输系统
37.波束样式
38.d0～d
15
：波束方向
39.p
s
、p
l
：主波束范围功率、主波束范围外功率
40.ss1～ss5：同步信号
41.ss rb1～ss rb5：资源区块
42.s802～s808：步骤
具体实施方式
43.本发明实施例提出一个使用具有多峰(multimodal)波束样式来传送同步信号的技术，来提升初始接入阶段波束调准效能与效益。假设基站所希望的角度域分辨率为n，则在(-/2，/2)的角度范围被一组n个正交波束所切割，而其相对应的波束方向(beam direction)表示为d＝{d0，d1，
…
，d
n-1
}。例如，图1表示当n＝16的所有正交波束样式与其相对应的波束方向，波束调准即在确认对于某一个用户设备的最佳波束方向。
44.不同于传统设计采用单峰(single-modal)波束样式(例如正交波束)来传送同步信号，本专利提出采用k峰值(k-modal)波束样式来传送同步信号。单一k峰值波束样式在(-/2，/2)的角度范围内拥有k个主波束(main lobe)，其中每一个主波束相对应的波束方向与原n个正交波束之一的波束方向一致，仅有极小的误差。为了涵盖原先完整的n个角度域方向，共有m＝n/k个不同的k峰值波束样式，表示为m＝0，1，
…
，m-1，分别提供做为m个同步信号传送的波束样式。例如，图2b至图2e表示当n＝16及k＝4所使用的m＝4个k峰值波束样式，分别相对于m＝4个同步信号ss
m
，m＝0，1，2，3。
45.以下说明本发明实施例产生多峰波束样式的方式。
46.首先，定义出离散傅立叶变换(discrete fourier transform，dft)矩阵u，其数学形式为:
[0047][0048]
其中
[0049][0050]
其中，θ代表对应方向、n代表波束个数，因此，矩阵u中的每个列向量(column vector)就代表着不同方向的波束成型向量(beamforming vector)，若假定n＝16的情况，则在(-/2，/2)的角度范围内会有16个方向的正交波束(orthogonal beam)，如图2a所示。
[0051]
接着，利用多个正交波束(orthogonal beam)组合成有着多个方向的多峰波束(multi-modal beam)，若以n＝16为例并且逆时针将波束编号1至16，则可以分成四组4峰波束(4-modal beam)，分别为{1，5，9，13}、{2，6，10，14}、{3，7，11，15}以及{4，8，12，16}。
[0052]
最直观的作法则是将4个波束成型向量直接相加，但这样会没有符合固定振幅(constant amplitude)的限制，也就是说波束成型向量中的每个元素(element)只能调整其相位且振幅为固定。
[0053]
为了符合固定振幅的限制，本发明实施例藉由将波束成型向量在相加之前先乘上
一个相位，并在相加后取每个元素的相位再乘上固定的振幅，若以{1，5，9，13}这组4峰波束样式(4-modal beam pattern)为例，其数学形式为：
[0054][0055]
其中
[0056]
i＝1，2，3
[0057]
接着，取其相位：
[0058][0059]
本发明实施例利用两个指标当成的搜寻标准。第一个是波束泄漏比(beam to leakage ratio，blr)，指的是波束样式中需求范围(desired range)内的平均功率(power)跟需求范围外的平均功率的比值，波束泄漏比的数学式如下:
[0060][0061]
其中p
s
以及p
l
代表波束样式中的主波束范围功率、主波束范围外功率，其数学式如下：
[0062][0063][0064]
其中，δ
s
为p
s
宽度，p
s
以及p
l
在波束样式上的示意图如图3所述。
[0065]
第二个搜寻标准则是基于波束样式在需求范围中的增益(gain)的变化不能太大，因此定义了在需求范围中平均功率的变异数(variance)ζ，其数学式为:
[0066][0067]
藉由上述两个指标，本发明实施例就可以把波束样式设计的最佳化问题(optimization problem)表示成：
[0068][0069]
其中τ为阈值。
[0070]
以n＝16为例，求得的相位并以此相位得到四组4峰波束样式(4-modal beam pattern)，如图2b～2e所示。
[0071]
为了可以有效区别同一个波束样式中的k个峰值对应方向，k个主波束例如为近似等间距地分散，指向为相对于原先正交波束n＝m，m+m，
…
，m+(k-1)m，共k个正交
波束，也就是波束样式包含如下集合中的波束方向：例如，在图4a中，绘示n＝16时所有正交波束样式与其相对应的波束方向d1～d
15
。在图4b中，绘示n＝16时及k＝4所使用的m＝4个k峰值波束样式，其中波束样式包含的波束方向为在图5中，绘示n＝16及k＝2所使用的m＝8个k峰值波束样式，其中波束样式包含的波束方向为
[0072]
下表一提供四种不同情境下所设计k峰值波束样式的波束方向集合。
[0073]
表一
[0074]
[0075][0076]
在初始接入(initial access)程序中，用户设备会扫描所有由基站传送出来的同步信号，并测量每个同步信号的平均接收功率以做为比较。此外，用户设备端会确认接收到最强平均接收功率的同步信号及其对应的接收波束与指向。假设ss
η
为用户设备端测量到具有最强平均接收功率的同步信号，则用户设备端会经由随机接入信道传送一个初始接入讯息给基站，其中包含具最强平均接收功率同步信号的索引η，不论该索引的传送方式是采用明确性(explicitly)或是隐含性(implicitly)的传送。单纯藉由同步信号索引η，基站并无法在波束方向d0～d
15
中唯一确定最佳的传送波束指向。
[0077]
假设基站在随机接入信道上采用q个不同的单峰(single-modal)波束样式(例如基于离散傅立叶变换(dft)基底的波束样式)来接收用户设备端传送的初始接入讯息，其中随机接入波束样式表示为q＝0，1，
…
，q-1，且随机接入波束样式的分辨率q小于原来希望的角度域分辨率n，即q<n。每个随机接入波束样式在角度域涵盖连续n/q个在o的正交
digital converter，adc)、数字/模拟转换器(digital-to-analog converter，dac)、滤波器或其它硬件元件，以便执行例如低噪声放大、阻抗匹配、频率混合、上变频或下变频、滤波等操作。处理器24是可编程的计算装置，例如，微处理器、微控制器、cpu、dsp、fpga、asic等，并且被配置用以控制基站20的操作。
[0085]
图8是根据本发明的一实施例说明基于多峰波束样式的波束调准方法的流程图。参考图8，本发明的实施例的方法适用于如前述实施例中描述的用户设备10与基站20。下文参考图7b的用户设备10与基站20中的不同元件描述本方法的详细步骤。
[0086]
首先，在步骤s802中，由基站20的处理器24控制收发器22采用多组多峰波束样式作为天线26传送数个同步信号的波束样式。其中，各多峰波束样式包括可区别方向的多个主波束，且不同的多峰波束样式彼此之间的主波束的方向不重叠。例如，图4b所示的波束样式至
[0087]
接着，在步骤s804中，由用户设备10的处理器14控制收发器12而利用天线16扫描同步信号，并判断接收功率最强的同步信号及其对应的接收波束方向，藉由随机接入信道传送包括此接收功率最强的同步信号的索引信息的初始接入讯息。其中，处理器14例如是以每个同步信号的平均接收功率做为比较，以确认接收到最强平均接收功率的同步信号及其接收波束与指向，并将包含具最强平均接收功率同步信号的索引信息加入初始接入讯息，以通过随机接入信道传送给基站20。
[0088]
然后，在步骤s806中，由基站20的处理器24控制收发器22利用天线26在随机接入信道上采用多组单峰波束样式接收初始接入讯息。其中，各单峰波束样式的主波束的涵盖范围仅包括各多峰波束样式的其中一个主波束。例如，图6b所示的波束样式至其中，的涵盖范围仅包括多峰波束样式的主波束d4、多峰波束样式的主波束d5、多峰波束样式的主波束d6、多峰波束样式的主波束d7。
[0089]
最后，在步骤s808中，由基站20判断对初始接入讯息的接入功率最强的单峰波束样式，并将所判断的接入功率最强的单峰波束样式与初始接入讯息中的接收功率最强的同步信号的索引信息所对应的多峰波束样式的主波束进行比对，以确定传送给用户设备10的最佳波束方向。
[0090]
举例来说，若基站20判断的对初始接入讯息的接入功率最强的单峰波束样式为波束样式其主波束的涵盖范围包括d
12
～d
15
，而初始接入讯息中的索引对应于多峰波束样式其主波束包括d1、d5、d9、d
13
，取两者的交集后，即可得到重叠的主波束d
13
。藉此，本实施例的基站20可确定传送给用户设备10的最佳波束方向为d
13
。
[0091]
由前述说明，在固定角度域分辨率要求下，本发明实施例所提出的初始接入阶段波束调准技术可以将所需要的同步信号数目大幅度降低，减少搜寻时间与无线电资源的消耗。如表一所示，当分辨率要求为n＝64，所需要的同步信号数目可以轻易降低至m＝8。
[0092]
为进一步评估本发明实施例的初始接入阶段波束调准效能，在此提供使用固定同步信号数目的情境下，本发明实施例与传统技术在达成波束调准之后，所建立链路可以获
得的信噪比(signal-to-noise ratio，snr)效能模拟评估。
[0093]
假设所使用的同步信号数目为m，则传统技术达成波束调准后的角度域分辨率为m；相较之下，本发明实施例达成波束调准后的角度域分辨率为m
×
k，因此角度域分辨率可以大幅度的提升，进而提升所建立链路的信噪比。图9为使用相同数目m＝4的同步信号情境下，n＝16、k＝4、m＝4的链路信噪比分布比较结果，其中横轴代表同步信号的信噪比、纵轴代表其累积分布函数(cumulative distribution function，cdf)。信道情况假设为瑞利衰褪(rayleigh fading)，从图中可以明显看出，使用本发明实施例的方法可以达到更好的链路信噪比，整体改善超过5db。
[0094]
综上所述，在本发明实施例的天线阵列的波束调准方法、多波束传输系统及装置中，藉由使用多组多峰波束样式作为传送同步信号的波束样式，并使用分辨率较低的波束样式来接收初始接入讯息，从而由接入功率最强的波束样式及初始接入讯息中记录的波束样式讯息，唯一确定传送给此用户设备的最佳波束方向。藉此，可提升初始接入阶段波束调准效能与效益。
[0095]
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。