阅读说明：本技术 一种用于5g nr初始接入过程的波束搜索方法 (Beam searching method for 5G NR initial access process ) 是由 林佳培 安文君 张菁菁 夏婷婷 王磊 荣师洁 项维其 于 2018-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法。该方法为：在小区搜索阶段,基站在周期T内扫描M个波束方向并发送同步信号块,用户扫描N个波束中较宽的n个波束方向并检测同步信号块,确定初始波束方向；若n＝N,则将该初始波束方向作为数据传输波束方向；若n＜N,则将初始波束分成<Image he="73" wi="146" file="DDA0001792946590000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>个波束进行扫描,并检测同步信号块,确定数据传输的波束方向；在随机接入阶段,基站在所有可能的物理随机信道位置上检测用户发送的随机接入前导码,若检测成功,则将该信道作为基站与该用户进行数据传输的波束方向。本发明能够使5G NR系统在限定的同步信号块开销下,降低初始接入过程的延迟。(The invention discloses a beam searching method for a 5G NR initial access process. The method comprises the following steps: in a cell searching stage, a base station scans M wave beam directions and sends a synchronous signal block in a period T, and a user scans wider N wave beam directions in N wave beams and detects the synchronous signal block to determine an initial wave beam direction; if N is equal to N, taking the initial beam direction as a data transmission beam direction; if N < N, then divide the initial beam into Scanning each beam, detecting a synchronous signal block, and determining the beam direction of data transmission; in the random access phase, the base station detects random access preambles sent by the user at all possible physical random channel positions, and if the detection is successful, the channel is used as a beam direction for data transmission between the base station and the user. The invention can lead the 5G NR systemThe delay of the initial access procedure is reduced at a defined synchronization signal block overhead.)

一种用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法。

背景技术

第五代移动通信(5G)新无线电(NR)网络为了支持超宽带宽、超低延迟等新兴特性，引入了毫米波波段作为频段之一与波束赋形技术。初始接入过程是指用户与基站建立初始链路连接的过程，包含小区搜索阶段与随机接入阶段，是设计波束赋形蜂窝系统的一个关键问题。在现有的蜂窝移动通信系统中，多天线系统大都采用数字波束赋形技术，在初始接入过程成功后，用户与基站根据信道状态信息的计算来实现波束赋形。在5G NR中，同时引入了通过码本实现的模拟波束赋形技术，因此在初始接入阶段，用户与基站必须通过波束搜索来确定自己用于数据传输的波束方向，波束搜索方法的设计需要考虑初始接入延迟与系统开销两个性能指标。

现有的波束搜索方法有穷举搜索法、迭代搜索法、单边搜索法，以及基于背景信息的搜索法。在5G NR中，同步信号块与物理随机接入信道有映射关系，基站检测自己波束方向的最大时延是固定的。穷举搜索法即用户遍历自己所有的波束方向进行检测搜索，来找到用于数据传输的波束方向，基站在所有可能的物理随机接入信道位置上进行搜索，来找到与用户进行数据传输的波束方向，该方法的初始接入延迟较大。迭代搜索法即基站首先扫描宽波束与用户进行第一次初始接入，建立连接后，再把确定的宽波束细分为更精细的波束进行第二次初始接入，因此，迭代搜索法若应用于5G NR中，反而会使得初始接入延迟比穷举搜索更大，且该方法只考虑单个用户的情况，不适用于多用户的情况。单边搜索法即基站首先发射全方向的波束，用户遍历自己所有的波束方向来检测用于数据传输的波束方向，然后用户在检测到的波束方向上发送随机接入前导码，基站遍历所有方向来检测，因此不能应用于5G NR中。基于背景信息的搜索法即用户利用宏基站与GPS获得最近的NR基站的地理位置，在与其对齐的波束方向上进行初始接入过程，该方法首先要获得宏基站的信息与GPS信息，会引入额外的延迟，且该方法只能应用在视距场景，应用场景受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法，能够使5GNR系统在限定的同步信号块开销下，降低初始接入过程的延迟。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法，具体如下：

(1)一个同步信号块集合的传输周期为T，一个同步信号块集合内最多包含的同步信号块的个数为N_SSB，基站的波束个为数M，M≤N_SSB，用户的波束个数为N；

(2)在小区搜索阶段，每个传输周期T内，基站扫描M个波束方向并发送同步信号块，用户扫描n个波束方向并检测同步信号块，n≤N，搜索窗口大小为T，检测成功后，选择检测能量最大的波束方向作为初始波束方向；

若n＝N，则将该初始波束方向作为数据传输波束方向；

若n＜N，则将该初始波束分为

个子波束进行扫描，并检测同步信号块，搜索窗口大小为T，检测成功后，用户选择检测能量最大的子波束方向作为数据传输波束方向；

(3)在随机接入阶段，用户在与检测到的同步信号块相映射的物理随机接入信道上发送随机接入前导码，基站在所有可能的物理随机接入信道上进行检测，检测成功后，则将该信道作为基站与该用户进行数据传输的波束方向。

进一步地，所述的基站扫描M个波束方向并发送同步信号块，用户扫描n个波束方向并检测同步信号块，具体如下：

基站按任意的顺序扫描M个波束，用户也按任意的顺序扫描n个波束。

进一步地，所述的将该初始波束分为

个子波束进行扫描，具体如下：

第二次小区搜索阶段，用户只需要扫描初始波束方向里的

个波束，且能够按任意的顺序来扫描这

个波束。

进一步地，步骤4所述的与检测到的同步信号块相映射的物理随机接入信道，具体指：

同步信号块与物理随机接入信道的映射关系是根据实际需求确定的，物理随机接入信道在时域和频域上有多个发送时刻，基站总的M个同步信号块只在关联周期内与特定个数的物理随机接入信道相关联。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)根据N的大小选择合适的n，有效降低了小区搜索阶段的检测延迟，从而降低了初始接入延迟；(2)根据N的大小选择合适的n，减少了用户总的波束扫描次数，降低了用户在初始接入阶段的能量损耗；(3)系统开销为

适用于所有基站的波束赋形场景，并且适用于视距场景与非视距场景。

附图说明

图1为本发明实施例中5G NR初始接入过程的流程示意图。

图2为本发明实施例中的基站波束方向与同步信息块映射的示意图。

图3为本发明用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法的示意图，其中(a)为视距场景对应的示意图，(b)为非视距场景对应的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细说明.

结合图1～3，本发明用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法，包括以下步骤：

(1)一个同步信号块集合的传输周期为T，一个同步信号块集合内最多包含的同步信号块的个数为N_SSB，基站的波束个为数M，M≤N_SSB，用户的波束个数为N；

(2)在小区搜索阶段，每个传输周期T内，基站扫描M个波束方向并发送同步信号块，用户扫描n个波束方向并检测同步信号块，n≤N，搜索窗口大小为T，检测成功后，选择检测能量最大的波束方向作为初始波束方向；

若n＝N，则将该初始波束方向作为数据传输波束方向；

若n＜N，则将该初始波束分为

个子波束进行扫描，并检测同步信号块，搜索窗口大小为T，检测成功后，用户选择检测能量最大的子波束方向作为数据传输波束方向；

(3)在随机接入阶段，用户在与检测到的同步信号块相映射的物理随机接入信道上发送随机接入前导码，基站在所有可能的物理随机接入信道上进行检测，检测成功后，则将该信道作为基站与该用户进行数据传输的波束方向。

进一步地，所述的基站扫描M个波束方向并发送同步信号块，用户扫描n个波束方向并检测同步信号块，具体如下：

基站按任意的顺序扫描M个波束，用户也按任意的顺序扫描n个波束。

进一步地，所述的将该初始波束分为

个子波束进行扫描，具体如下：

第二次小区搜索阶段，用户只需要扫描初始波束方向里的

个波束，且能够按任意的顺序来扫描这

个波束。

进一步地，步骤4所述的与检测到的同步信号块相映射的物理随机接入信道，具体指：

同步信号块与物理随机接入信道的映射关系是根据实际需求确定的，物理随机接入信道在时域和频域上有多个发送时刻，基站总的M个同步信号块只在关联周期内与特定个数的物理随机接入信道相关联。

实施例1

结合图1，其示出了本实施例所应用的5G NR的初始接入过程的流程图。在初始接入阶段，基站与用户就得确定彼此用于数据传输的波束方向。在小区搜索阶段，用户通过检测基站发送的同步信号块，来确定用户用于数据传输的波束方向。在随机接入阶段，基站通过检测用户发送的随机接入前导码，来确定基站与该用户进行数据传输的波束方向。

在本实施例中，一个同步信号块集合的传输周期为T＝20毫秒，集合内同步信号块上限为N_SSB＝64，即基站扫描不同方向的波束数量最多为64个，基站的波束个数为M＝16，用户的波束个数为N＝8；在每个传输周期内，基站扫描的波束方向与同步信号块集合内各个同步信号块的映射关系如图2所示，可以看出，基站的波束扫描顺序采用顺时针递增的顺序，同步信号块也按顺时针递增顺序与各个波束方向建立唯一的映射关系。

本实施例的波束搜索过程如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、在小区搜索阶段，每个传输周期内，基站按顺时针递增的顺序扫描16个波束方向并在每个波束方向上发送1个同步信号块，用户也按照顺时针递增的顺序扫描n＝4个较宽的波束方向，在每个波束方向上检测同步信号块，搜索窗口大小为20毫秒。从图3可以看出，在视距场景，基站的波束方向#5与用户的波束方向#4相匹配；在非视距场景，基站的波束方向#4与用户的波束方向#4相匹配。用户在扫描完所有波束方向后，发现波束方向#4检测到的相关能量最大，因此，用户选择波束方向#4作为用户的初始波束方向。

步骤2、n＝N，则将该初始波束方向作为数据传输波束方向；

步骤3、n＜N，用户将初始波束方向#4分成更精细的

个波束，同样按照顺时针递增的方式扫描这两个波束方向，在每个波束方向上检测同步信号块，搜索窗口大小为20毫秒。从图3可以看出，在视距场景，基站的波束方向#5与用户波束方向#4里的波束方向#1相匹配，用户在扫描完两个波束后，发现波束方向#1检测到的相关能量最大，因此用户选择波束方向#4里的波束方向#1作为用户进行数据传输的波束方向；在非视距场景，基站的波束方向#4与用户波束方向#4里的波束方向#2相匹配，用户在扫描完两个波束后，发现波束方向#2检测到的相关能量最大，因此用户选择波束方向#4里的波束方向#2作为用户进行数据传输的波束方向。

步骤4、用户通过解调检测到的同步信息块里的物理广播信号，可以获取该同步信号块的索引号，以此获取与该同步信号块相映射的物理随机接入信道的时频位置。在随机接入阶段，用户在该物理随机接入信道上发送随机接入前导码，基站在所有可能的物理随机信道位置上进行前导码的检测，若检测成功，则表示有用户在请求通信，并将与该物理随机接入信道相映射的同步信号块所关联的波束方向作为与该用户进行数据传输的方向。如图3(a)～(b)所示，在视距场景，基站将确定波束方向#5为与该用户进行数据传输的波束方向；在非视距场景，基站将确定波束方向#4为与该用户进行数据传输的波束方向。

综上所述，本发明用于5G NR初始接入过程的波束搜索方法，能够有效降低小区搜索阶段的检测延迟，从而降低初始接入延迟；能够减少用户总的波束扫描次数，降低用户在初始接入阶段的能量损耗；系统开销小，适用于所有基站的波束赋形场，并且适用于视距场景与非视距场景。