波束搜索方法、终端及基站与流程

1.本技术涉及通信领域，具体而言，涉及一种波束搜索方法、终端及基站。


背景技术：

2.随着第四代移动通信(fourth generation，4g)网络及终端的普及，人们对第五代移动通信(fifth generation，5g)系统的容量和传输速率有了更高的期望和要求。在当前形势下，频率低于10ghz的频谱已经非常拥挤，因此具有高带宽、定向窄波束、安全保密好等特点的毫米波高频通信受到业界的广关注。
3.由于毫米波频段的损耗较高，故在b5g(beyond 5g，后5代移动通信)和6g(第六代移动通信)场景下，通信系统需依靠部署超大规模mimo(multiple-inputand multiple-output，多输入多输出系统)天线阵列获得足够多的波束成形增益对抗高频段带来的路损。而在部署超大规模天线阵列后，基站与终端将使用窄波束进行通信，且天线数量越多，波束宽度越窄，这意味着在通信时基站与终端需找到最佳或较优的波束对进行通信才能使得频谱效率较高(直观感知为上下行速率较高)。
4.然而，在b5g时期通信系统的工作频段可能会提高至52.6ghz以上，基站侧部署的天线数量将越来越多，甚至达到一千根以上。在此场景下，由于基站与终端间进行通信的波束将越来越细(通信的定向程度越来越高)，确定最优通信细波束的用时越来越长，若在部署大规模、超大规模mimo时使用现有的波束搜索方案，搜索复杂度/时延相对较高，不能满足实际系统在大规模mimo场景下低时延的需求。
5.针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种波束搜索方法、终端及基站，以至少解决相关波束搜索技术难以满足大规模mimo场景下的低时延需求的技术问题。
7.根据本技术实施例的一个方面，提供了一种波束搜索方法，应用于终端，包括：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
8.可选地，接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，包括：按照与波束热度信息的信息类型对应的接收策略接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，信息类型中包括：详细热度信息或者精简热度信息。
9.可选地，按照与波束热度信息的信息类型对应的接收策略接收基站发送的多个粗波束的第一波束热度信息，包括：在波束热度信息的信息类型为详细热度信息时，依据基站通过粗波束发送的同步信号块在时频域上的目标位置获取各个粗波束的详细热度信息；在波束热度信息的信息类型为精简热度信息时，通过接收基站通过粗波束发送的同步信号块
获取各个粗波束的精简热度信息，其中，同步信号块内至少包括：粗波束的精简热度信息。
10.可选地，依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，包括：在波束热度信息的信息类型为详细热度信息时，依据详细热度信息内的第一信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，第一信息内容中至少包括：各个粗波束的波束序号、每个粗波束在基站覆盖的小区内的波束热度排序；在波束热度信息的信息类型为精简热度信息时，依据精简热度信息内的第二信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，第二信息内容中至少包括：用于指示各个粗波束是否为高热度波束的无线电信号。
11.可选地，依据详细热度信息内的第一信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，包括：基于第一信息内容确定各个粗波束的波束热度排序是否位于基站覆盖的小区内k个粗波束的前m位，其中，1≤m≤k；当粗波束的波束热度排序在小区内的前m位时，确定粗波束为高热度粗波束；当粗波束的波束热度排序不在小区内的前m位时，确定粗波束不是高热度波束。
12.可选地，依据精简热度信息内的第二信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，包括：在无线电信号为1时，确定粗波束为高热度波束；在无线电信号为0时，确定粗波束不是高热度波束。
13.可选地，在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束之后，该方法还包括：在基站依据第一细波束确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束时，将第一细波束以及高热度粗波束内与第一细波束的传播方向相同的第二细波束共同作为搜索时延最低的最优细波束。
14.根据本技术实施例的另一方面，还提供了一种波束搜索方法，应用于基站，包括：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围内的终端数量，且高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；通过高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，同步信号块中至少包括：指示终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，并在实际接入时机和目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。
15.根据本技术实施例的另一方面，还提供了终端，包括：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
16.根据本技术实施例的另一方面，还提供了基站，包括：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围内的终端数量，且高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；通过高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，同步信号块中至少包括：指示终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，并在实际接入时机和目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。
17.在本技术实施例中，接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。从而在基站侧的多个粗波束内的高热度粗波束中搜索最优细波束，减少波束搜索复杂度和搜索时间，进而解决了相关波束搜索技术难以满足大规模mimo场景下的低时延需求技术问题。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
19.图1是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索方法的流程示意图；
20.图2是根据本技术实施例的一种可选的dft码本中粗、细波束的示意图；
21.图3a、3b分别是根据本技术实施例的一种可选的非视距通信场景下搜索最佳通信波束的频谱效率的示意图；
22.图4是根据本技术实施例的另一种可选的波束搜索方法的流程示意图；
23.图5是本技术实施例的一种可选的收发机的结构示意图；
24.图6是根据本技术实施例的一种可选的基站与终端的通信流程图；
25.图7是本发明实施例提供的多终端不均匀分布场景下的仿真结果对比图；
26.图8是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索装置的结构示意图
27.图9是根据本技术实施例的另一种可选的波束搜索装置的结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
29.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.另外，本技术所涉及的相关信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于展示的数据、分析的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。例如，本系统和相关用户或机构间设置有接口，在获取相关信息之前，需要通过接口向前述的用户或机构发送获取请求，并在接收到前述的用户或机构反馈的同意信息后，获取相关信息。
31.实施例1
32.目前，大规模多输入多输出(massive multiple-input multiple-output，massive mimo)逐步成为提高5g系统通信速率的根本手段，然而由于硬件结构与天线场模式特性的限制，在实际应用该技术前，仍需解决以下两个问题：
33.第一个问题是硬件结构的限制。目前高频射频(radio frequency，rf)单元的工艺较为复杂。传统的纯数字域波束成形为每根天线配备一条独立的rf链路，其优势在于可以提供足够的自由度，从而提高通信系统的性能。但随着天线数量的急剧上升，大规模信号的模拟数字转换会带来大量的能量消耗(特别是对于高频器件)，数字信号处理的复杂度也会随着rf链路的增加而上升。而传统的纯模拟域波束成形则相反，其是将所有的天线单元分别经过移相器连接至同一条rf链路上，这样做的好处是结构简单易实现，同时也降低了设备的能耗。但由于只有一条rf链路，通信的自由度大幅降低，导致系统性能下降。结合两种结构的优势，一种数字模拟混合的发射机/接收机结构成为学术界和工业界关注的焦点。大规模的rf天线单元通过全连接(每条rf链路与所有天线单元相连)或部分连接(固定子阵结构，每条rf链路仅连接部分天线单元)的方式与少量rf链路相连，收发机内的整条信号通路可分为两个部分：rf链路部分(大规模天线构成的模拟前端)以及数字处理部分(少量rf单元组成的数字后端)。模拟数字两者的结合保证系统只需要少量的数字模拟转换单元，从而数字域的转换能耗以及处理复杂度大大降低。但大部分的毫米波大规模天线通信系统解决方案仍集中在基于全连接的混合波束成形结构上。就硬件实现复杂度而言，全连接方式的大规模天线系统在毫米波频段下不太现实，而结构上的变化使得适用于全连接架构下的算法不再适用于部分连接子阵架构，需要寻求新的解决方案。
34.第二个问题是天线辐射模式特性的限制。在毫米波频段部署大规模mimo时，基站的天线辐射模式类似于波束的形状，基站与终端间通信的定向程度增加。在此场景下，由于基站与终端间进行通信的波束将越来越细(通信的定向程度越来越高)，确定最优通信细波束的用时越来越长，对终端的正常通信会造成不可忽视的影响。因此，在部署大规模、超大规模mimo时使用该方案时，搜索复杂度/时延相对较高，不能满足实际系统在大规模mimo场景下低时延的需求，需要寻找新的解决方案。
35.综上，在大规模/超大规模mimo场景下，混合波束成形系统结构已成为提高系统通信速率的不二选择。而数字波束成形需在模拟波束成形所确定波束的基础上进行，因此混合波束成形技术中较为关键的是模拟波束成形技术。另外，由于数字波束成形技术相对完善，在应用模拟波束成形技术后有较多数字波束成形方案可选择，设计一个基于部分连接子阵且复杂度较低的模拟波束搜索方案是未来通信需要解决的重要问题之一。
36.为了解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种波束搜索方法，其执行主体为终端，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
37.图1是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索方法的流程示意图，如图1所示，该方法至少包括步骤s102-s106，其中：
38.步骤s102，接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息。
39.在步骤s102提供的技术方案中，基站与终端之间建立通信连接，终端可以通过接
收基站发送的基站侧的多个粗波束的波束热度信息。在本技术实施例中，引入了波束热度概念，而波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量。
40.另外，在本技术实施例中引入粗波束、细波束的概念。此处以基站侧为例，对粗、细波束的概念进行说明。由于基站在通信中所使用波束的精度与其使用的天线数量有关，故基站可调整使用天线的数量(打开或关闭天线)以达到调整通信波束精度(波束的粗细)的目的。因此，基站使用的天线数量越多，其进行通信的波束精度就越高，单个波束就越细，反之亦然。终端侧同理。粗、细波束可通过比较粗、细波束码本中码字的相关性确定。而从信号覆盖的角度考虑，一个粗波束中包含多个细波束，如图2所示，不难看出，该粗波束中包括4个细波束。
41.步骤s104，依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束。
42.在步骤s104提供的技术方案中，由于波束热度信息可以反映各个粗波束覆盖范围下的终端数量，因此，可以根据上述定义的波束热度的概念将粗波束分为两类：高热度粗波束和低热度粗波束，其中，根据粗波束覆盖范围下的终端数量与预设阈值的大小关系定义高热度粗波束和低热度粗波束。
43.以图3a、3b所示的基站和终端的非视距通信场景下，基站波束与覆盖范围内的所有终端的最佳通信波束搜索后的频谱效率图为例，当某波束覆盖范围内的终端数量大于等于x(即预设阈值)，说明该波束热度越高，对应到图3a、3b中覆盖颜色较浅处的基站波束为高热度波束；若某波束覆盖范围内的终端数量低于x，说明该波束热度越低，对应到图3a、3b中则覆盖颜色较深处的基站波束为低热度波束。需要注意的是，这里的x可以根据不同地区不同场景的实际情况进行设置。
44.步骤s106，在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
45.在步骤s106提供的技术方案中，终端依据基站发送的波束热度信息确定高热度粗波束，从而无需对基站的全量波束进行波束搜索，仅需在高热度粗波束的覆盖区域内进行波束搜索，相比于相关基于码本的波束搜索方法，无论通过何种方式进行算法优化，第一步均需遍历基站的所有波束，这无疑会增加波束搜索复杂度及搜索时间。因此，本技术实施例所采用的方案可以减少波束搜索时间以及搜索复杂度，实现波束快速搜索。
46.基于上述步骤s102至步骤s106所限定的方案，可以获知，在实施例中，接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
47.由此可见，通过本技术实施例的技术方案，达到了快速搜索波束的目的，实现了降低波束搜索时间和搜索复杂度的技术效果，从而解决了相关波束搜索技术难以满足大规模mimo场景下的低时延需求的技术问题。
48.下面对该实施例的上述方法进行进一步地介绍。
49.作为一种可选的实施方式，在上述步骤s102提供的技术方案中，该方法可以包括：按照与波束热度信息的信息类型对应的接收策略接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息。
50.其中，信息类型中包括：详细热度信息或者精简热度信息。
51.在该实施例中，可以根据波束热度信息的详略将波束热度信息分为两类：详细热度信息或者精简热度信息。由于每一类波束热度信息中所携带的波束信息不同，因此，终端接收来自基站的每一类波束热度信息的接收策略也不相同。
52.可选地，可以按照如下规则分别接收粗波束的波束热度信息，包括：在波束热度信息的信息类型为详细热度信息时，依据基站通过粗波束发送的同步信号块在时频域上的目标位置获取各个粗波束的详细热度信息；在波束热度信息的信息类型为精简热度信息时，通过接收基站通过粗波束发送的同步信号块获取各个粗波束的精简热度信息，其中，同步信号块内至少包括：粗波束的精简热度信息。
53.具体地，对于精简热度信息而言，其包括的波束信息较少，该信息可以直接通过同步信号块内存在一位空比特进行存放，因此，基站可以直接通过同步信号块将精简热度信息传输至终端，从而终端可以直接通过同步信号块对应传输的粗波束的波束热度信息；而对于详细热度信息而言，其包括的波束信息较多，无法通过同步信号块进行存放，因此，终端可以根据基站通过粗波束发送的同步信号块在时频域上的位置(即对应频段)上周期性地获取粗波束的详细波束热度信息，可以理解为，终端可以周期性地在固定频段内获取详细波束热度信息。
54.作为一种可选的实施方式，在上述步骤s104提供的技术方案中，由于不同波束热度信息所包含的内容不同，因此，确定高热度波束同样可以根据波束热度信息的信息类型分为两种，包括：
55.在波束热度信息的信息类型为详细热度信息时，依据详细热度信息内的第一信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，第一信息内容中至少包括：各个粗波束的波束序号、每个粗波束在基站覆盖的小区内的波束热度排序；
56.在波束热度信息的信息类型为精简热度信息时，依据精简热度信息内的第二信息内容确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，第二信息内容中至少包括：用于指示各个粗波束是否为高热度波束的无线电信号。
57.具体地，在波束热度信息的信息类型为详细热度信息时，由于第一信息内容中包括粗波束的波束序号，以及每个粗波束在基站覆盖小区内各个粗波束的波束热度排序，因此，终端可以按照如下方法确定多个粗波束内的高热度粗波束：基于第一信息内容确定各个粗波束的波束热度排序是否位于基站覆盖的小区内k个粗波束的前m位，其中，1≤m≤k；当粗波束的波束热度排序在小区内的前m位时，确定粗波束为高热度粗波束；当粗波束的波束热度排序不在小区内的前m位时，确定粗波束不是高热度波束。
58.其中，上述m、k均为大于等于1的正整数。
59.也就是说，上述方法是将基站覆盖范围下的各个粗波束的波束热度信息进行排序，将排名靠前的m位作为高热度粗波束，而其余粗波束作为低热度粗波束。举例而言，基站侧共有8个粗波束，可以各个波束的覆盖范围下的终端数量进行排序，将排名前3的粗波束作为高热度粗波束，而其余的5个粗波束作为低热度粗波束。
60.具体地，在波束热度信息的信息类型为精简热度信息时，由于第二信息内容仅中包括指示该粗波束是否为高热度波束的无线电信号，因此，终端可以按照如下方法确定多个粗波束内的高热度粗波束：在无线电信号为1时，确定粗波束为高热度波束；在无线电信号为0时，确定粗波束不是高热度波束。
61.作为一种可选的实施方式，在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束之后，该方法还包括：在基站依据第一细波束确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束时，将第一细波束以及高热度粗波束内与第一细波束的传播方向相同的第二细波束共同作为搜索时延最低的最优细波束。
62.在该实施例中，当终端在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束之后，会将在第一细波束内接入随机物理信道的实际接入时机反馈给基站，此时基站可以依据实际接入时机和同步信号块内预定义的目标接入时机进行匹配，若相同则说明该高热度粗波束为基站侧搜索时延最低的最优粗波束，接着终端会进一步地在最优的高热度粗波束内选择与第一细波束的传播方向相同或相近的第二细波束作为最优细波束。通常，与第一细波束相邻的两个波束的波束方向最相近，因此，将第一细波束以及第一细波束左右两侧的两个细波束共三个细波束作为定向接收的最优细波束。
63.或者，终端也可也直接在高热度粗波束内选择频谱效率较高的多个细波束，将其作为终端的最优细波束，从而终端就可以使用多个最优细波束与基站进行通信，接收导频信号。
64.基于上述任一实施例，本发明实施例还提供一种波束搜索方法，其执行主体为基站。图4是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索方法的流程示意图，如图4所示，该方法至少包括步骤s402-s406，其中：
65.步骤s402，统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束。
66.在步骤s402提供的技术方案中，基站统计其覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息。在本技术实施例中，引入波束热度的概念，其中，波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围内的终端数量，因此，可以根据各个粗波束的覆盖范围内的终端数量与预设阈值的大小关系，确定其中的高热度粗波束。
67.由于波束热度信息可以反映各个粗波束覆盖范围下的终端数量，因此，在本技术实施例中，可以根据上述定义的波束热度的概念将粗波束分为两类：高热度粗波束和低热度粗波束，其中，根据粗波束覆盖范围下的终端数量与预设阈值的大小关系分别定义高热度粗波束和低热度粗波束。
68.可选地，当某波束覆盖范围内的终端数量大于等于x(即预设阈值)，说明该波束热度越高，对应的基站波束就为高热度粗波束；若某波束覆盖范围内的终端数量低于x，说明该波束热度越低，对应的基站波束就为低热度波束。
69.步骤s404，通过高热度粗波束向终端发送同步信号块。
70.在步骤s404提供的技术方案中，基站通过高热度粗波束向终端发送同步信号块进行时钟同步和信道估计，从而确保终端接收来自基站的信号都能够被正确的解码和处理，因此，同步信号块中至少包括：指示终端接入物理随机接入信道的目标接入时机。
71.步骤s406，当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，并在实际接入时机和目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。
72.在步骤s406提供的技术方案中，当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，依据终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，
若相同，说明基站和终端的时钟同步，此时，可以确定该高热度波束为基站侧搜索时延最低的最优粗波束。
73.通过本技术实施例，可以实现仅在高热度粗波束内进行终端侧的最优细波束的搜索，大大减少波束搜索复杂度和时间，且可以有效避免在高热度波束覆盖范围内的终端与低热度基站波束进行配对时导致系统频谱效率较低无法进行正常通信的问题，从而有效提升基站和终端之间通信的不确定性。
74.也就是说，在终端确定最优细波束后，将最优细波束上报给基站，基站接收终端的最优细波束后，则该条rf链路的波束搜索结束。至此，基站与终端第一条rf链路所使用的细波束已经确定，即已确定rf(模拟)预编码矩阵f
rf
与rf(模拟)合并器w
rf
中第一个子阵(第一条rf链路)所使用的码字。
75.然后，基站和终端分别各打开第二条rf链路，按照上述方法确定rf(模拟)预编码矩阵f
rf
与rf(模拟)合并器w
rf
中第二个子阵(第二条rf链路)所使用的码字。
76.以此类推，直至基站与终端确定rf(模拟)预编码矩阵f
rf
与rf(模拟)合并器w
rf
中所有子阵使用的码字，至此，f
rf
与w
rf
确定完毕，所有的波束搜索结束。
77.下面以一个具体的例子对上述任一实施例中的方法进一步说明：
78.图5是本技术实施例的一种可选的收发机的结构示意图，如图5所示，本技术实施例可以应用于一个收发双方采用部分连接结构的模拟数字混合处理下行单小区系统。其中，部分连接结构指的是在模拟波束成形部分每条射频链路与部分射频天线单元相连接，即每一射频链路并非只与一条天线连接，而是一射频链路可以连接多条天线。
79.具体地，发送端基站主要由射频链路后端的数字预编码部分和射频链路前端的模拟预编码部分组成，可进行多流通信；接收端用户主要由射频链路前端的模拟合并部分和射频链路后端的数字合并部分组成，可进行单流通信。其中，发送端基站侧部署的n
bs
根基站天线通过固定子阵的方式(即每根天线连接一个移相器)连接到k条射频链路(即每n
mask
根天线服务一路用户且连接到一条射频链路)，接收端部署了k个用户，且每个用户配备n
ms
根天线同样通过固定子阵的方式(每根天线连接一个移相器)连接到一条射频链路。因此，在该收发机结构中，基站侧射频链路数量与用户数量相等，均为k，即一条射频链路服务一个用户。
80.在接收端用户侧，第k个用户接收到发送端基站发送的信号模型可表示为：
[0081][0082]
其中，ρ表示平均发送功率，表示第k个用户的发送向量，表示发送端第k个用户的数字预编码矩阵，表示发送端的模拟预编码矩阵，表示第k个用户的复值信道矩阵，表示第k个用户的模拟合并矩阵，表示第k个用户的数字合并矩阵，nk表示第k个用户的加性高斯白噪声，其服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布，σ2表示噪声功率。除f
rf
外上述其他矩阵均以第k个用户为例说明了相关维度，接下来将从整个通信系统的角度对各矩阵再次进行维度、整体
收发矩阵与第k个用户收发矩阵关系的说明。
[0083]
从通信系统的发射端基站整体角度出发，表示基站发送信号，其可写成k个用户发送信号数据流的级联，即s＝[s
1t
,
…
,s
kt
]
t
，而发送功率需满足如下关系表示基站使用的数字预编码矩阵，其可以写成k个用户数字预编码矩阵的级联，即f
bb
＝[f
bb,1
,
…
,f
bb,k
]。另外，还可以将f
rf
表示为需要注意的是，这里的k指的是发送端基站侧的射频链路数而不是用户数，表示发送端第k条射频链路使用的预编码向量，其与第k个用户无关。由于功率限制，发送端基站第k条射频链路的预编码向量中的每个元素需满足
[0084]
从通信系统接收端用户整体角度出发，表示k个用户整体的接收信号。表示k个用户整体的复值信道矩阵，其可由k个用户各自的信道表示为h＝[h
1t
,
…
,h
kt
]
t
。表示k个用户整体的模拟合并矩阵，其可由k个用户各自的模拟合并矩阵表示为另外，由于功率限制，w
rf,k
中的每个元素需满足表示k个用户整体的数字合并矩阵，其可由k个用户各自的数字合并矩阵表示为
[0085]
混合波束成形器由上述基带的数字预编码矩阵f
bb
/数字合并矩阵w
bb
和射频端的模拟预编码矩阵f
rf
/模拟合并矩阵w
rf
构成。混合波束成形器的设计通常采用“两步走”的思路，即首先根据实际信道h设计发端模拟预编码矩阵f
rf
和收端模拟合并矩阵w
rf
，然后根据等效基带信道设计发端数字预编码矩阵f
bb
和收端数字合并矩阵w
bb
。在上述通信系统中，第k个用户的等效基带信道
[0086]
模拟预编码矩阵f
rf
与模拟合并矩阵w
rf
的设计，通常是采用基于码本的波束搜索方法实现。最简单的方法就是模拟预编码器和合并器分别遍历预定的波束成形码本集合，选择可最大化频谱效率的最佳波束成形向量组合与最佳合并向量组合分别构造模拟预编码矩阵与模拟合并矩阵。本技术实施例采用的波束成形码本是离散傅里叶变换(discrete fourier transform,dft)码本，码本中的第m个码字中第n根天线的加权系数q
m,n
由下式给出：
[0087][0088]
其中，m表示码字的数量，n表示每条射频链路连接的天线数量，码本集合为包含了码本所有码字的集合。基站侧的码本共有n
mask
个码字，用户侧的码本共有n
ms
个码字。
[0089]
在上述系统架构下，通信系统的整体性能可以通过速率r表示。该指标为k个用户
的频谱效率之和，以有效反映出整个通信系统的通信速率，具体计算公式如下：
[0090][0091]
其中，上式中的分子为第k个用户有用信号的功率，分母为其他用户干扰与加性高斯白噪声的功率和。
[0092]
由于数字预编码矩阵f
bb
与数字合并矩阵w
bb
可以采用目前较为成熟的基带bd技术实现，因此，波束搜索的难点在于如何确定模拟波束成形矩阵(即模拟预编码与模拟合并矩阵)，通过本技术实施例的技术方案可以实现快速确定模拟波束成形矩阵。
[0093]
图6是根据本技术实施例的一种可选的基站与终端的通信流程图，如图6所示，基站和终端的主要通信流程主要分为两大阶段：初始接入阶段、波束细化阶段。在初始接入阶段，基站使用粗波束周期性地发送参考信号同步信号块ssb，终端依据粗波束的波束热度信息确定在高热度粗波束内搜索频谱效率最高的第一细波束。随后终端按照5g nr协议中的相关流程接入系统，在接入过程中，基站可以确定最佳发送粗波束，由信道互异性可知，该粗波束即为最佳发射粗波束。在波束细化阶段，基站与终端均打开第一条rf链路的全部天线，基站首先在最佳发送粗波束中随机选择细波束向终端发送导频信号，终端同样在最佳接收细波束中随机选择初始细波束进行接收。至此。接收后，终端通过adam算法确定用于下次迭代的最佳收发波束对，并将下次最佳发送此波束反馈给基站，以adam算法为核心逐步确定模拟预编码/模拟合并矩阵。
[0094]
下面分别对本技术实施例中的精简热度信息方案、详细热度信息方案和遍历搜索方案三者的频谱效率进行仿真，本次仿真考虑的是超大规模mimo场景，具体在基站部署了512根天线，共8条射频链路，每条rf链路连接64根天线，基站侧共有8个粗波束，每个粗波束中包含了8个细波束；系统中共8个用户，且每个用户部署8根天线。另外，在基站8个粗波束中，令3个波束为低热度波束，5个波束为高热度波束，有1个用户在低热度波束覆盖区域。
[0095]
如上述内容，详细热度信息携带了每个粗波束在基站覆盖小区中的波束热度排序，因此，终端仅在排名1到3的高热度粗波束中进行波束搜索；精简热度信息由于仅携带该粗波束是否为高热度波束信息，因此终端可以在所有高热度粗波束中进行波束搜索。图7是本发明实施例提供的多终端不均匀分布场景下的仿真结果对比图，其中，图中横坐标是信噪比，单位为分贝；纵坐标是频谱效率，单位比特每秒每赫兹。如图7所示。
[0096]
在精简热度信息方案中，所有终端仅在高热度粗波束中进行搜索，因此减少了不必要的搜索次数及时间，且性能与最优方案性能十分接近。由于硬件算力的限制，导致只能仿真8个用户，但从理论上分析，当小区内终端越多时，低热度波束下的用户比例会降低，本方案的性能会进一步提升，即小区终端数量提升时，该小区下所有终端的通信速率会进一步提升。
[0097]
在详细热度信息方案中，其性能与最优方案性能较为接近，但略低于精简热度信息方案，这是因为在本次仿真中设有5个高热度波束而所有终端仅允许在排序为1-3的高热度波束中进行搜索，这样的优势是搜索复杂度更低、搜索时间更快，适用于对时延敏感的场景，灵活性较大。若在详细热度方案中设置所有终端在排序1-5的高热度波束即所有高热度波束中进行搜索，则算法性能与精简热度信息方案性能相同。接着，表1示出了上述三种搜
索方案的方案复杂度，如表1所示。
[0098]
表1
[0099]
搜索方案方案复杂度精简热度信息方案n
hot_bs
×nmsk
+n
maskk
×3k
详细热度信息方案n
detailed_bs
×nmsk
+n
maskk
×3k
遍历搜索方案n
cb_bs
×nmsk
+n
maskk
×nmsk
[0100]
其中，上述表1中的n
cb_bs
为基站粗波束数量取值为8、n
ms
为8、k为8、n
mask
为64，n
hot_bs
为基站高热度波束取值为5、n
detailed_bs
为仿真中设置的所有终端与基站高热度波束进行搜索时的高热度波束数量取值为3。
[0101]
根据上述取值，遍历搜索方案搜索次数为4.7224
×
10
21
次，详细热度信息方案与精简热度信息方案的搜索次数略有不同，但比遍历搜索方案的复杂度减少99.996％，说明了该方案的有效性。若基站侧部署更多的射频链路(波束搜索的搜索复杂度数量级主要由基站侧搜索复杂度决定，在终端侧部署天线、射频链路数较少时影响有限)，终端数量更多时，则本专利方案的复杂度更具优势。
[0102]
实施例2
[0103]
基于本技术实施例1，还提供了一种终端的实施例，用于执行上述任一实施例中执行主体为终端的波束搜索方法，通过本实施例提供的终端执行上述某一实施例中执行主体为终端的波束搜索方案的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。
[0104]
另外，基于本技术实施例1，还提供了一种波束搜索装置的实施例，该装置运行时执行上述实施例的上述执行主体为终端的波束搜索方法。其中，图8是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索装置的结构示意图，如图8所示，该波束搜索装置中至少包括接收模块81，第一确定模块82和第一搜索模块83，其中：
[0105]
接收模块81，用于接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；
[0106]
第一确定模块82，用于依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；
[0107]
第一搜索模块83，用于在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
[0108]
需要说明的是，本技术实施例中的波束搜索装置中的各模块与实施例1中执行主体为终端的波束搜索方法的各实施步骤一一对应，由于实施例1中已经进行了详尽的描述，本实施例中部分未体现的细节可以参考实施例1，在此不再过多赘述。
[0109]
实施例3
[0110]
基于本技术实施例1，还提供了一种基站，用于执行上述任一实施例中执行主体为基站的波束搜索方法，通过本实施例提供的基站执行上述某一实施例中执行主体为基站的波束搜索方案的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。
[0111]
另外，基于本技术实施例1，还提供了一种波束搜索装置的实施例，该装置运行时执行上述实施例的上述执行主体为基站的波束搜索方法。其中，图9是根据本技术实施例的一种可选的波束搜索装置的结构示意图，如图9所示，该波束搜索装置中至少包括第二确定模块91，发送模块92和第二搜索模块93，其中：
[0112]
第二确定模块91，用于统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波
束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围内的终端数量，且高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；
[0113]
发送模块92，用于通过高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，同步信号块中至少包括：指示终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；
[0114]
第二搜索模块93，用于当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，并在实际接入时机和目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。
[0115]
需要说明的是，本技术实施例中的波束搜索装置中的各模块与实施例1中执行主体为基站的波束搜索方法的各实施步骤一一对应，由于实施例1中已经进行了详尽的描述，本实施例中部分未体现的细节可以参考实施例1，在此不再过多赘述。
[0116]
实施例4
[0117]
根据本技术实施例，还提供了一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质中存储有程序，其中，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行实施例1中执行主体为终端的波束搜索方法和执行主体为基站的波束搜索方法。
[0118]
可选地，非易失性存储介质所在设备通过运行该程序执行实现以下步骤：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据波束热度信息确定多个粗波束中的高热度粗波束，其中，高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。
[0119]
可选地，非易失性存储介质所在设备通过运行该程序执行实现以下步骤：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束，其中，每个粗波束的波束热度信息用于反映粗波束的覆盖范围内的终端数量，且高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；通过高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，同步信号块中至少包括：指示终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；当终端在高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和目标接入时机是否相同，并在实际接入时机和目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。
[0120]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0121]
在本技术的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0122]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0123]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0124]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0125]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0126]
以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种波束搜索方法，其特征在于，应用于终端，包括：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个所述粗波束的波束热度信息用于反映所述粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据所述波束热度信息确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，其中，所述高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在所述高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，包括：按照与所述波束热度信息的信息类型对应的接收策略接收所述基站发送的多个所述粗波束的波束热度信息，其中，所述信息类型中包括：详细热度信息或者精简热度信息。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照与所述波束热度信息的信息类型对应的接收策略接收所述基站发送的多个所述粗波束的第一波束热度信息，包括：在所述波束热度信息的信息类型为所述详细热度信息时，依据所述基站通过所述粗波束发送的同步信号块在时频域上的目标位置获取各个所述粗波束的详细热度信息；在所述波束热度信息的信息类型为所述精简热度信息时，通过接收所述基站通过所述粗波束发送的同步信号块获取各个所述粗波束的精简热度信息，其中，所述同步信号块内至少包括：所述粗波束的精简热度信息。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依据所述波束热度信息确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，包括：在所述波束热度信息的信息类型为所述详细热度信息时，依据所述详细热度信息内的第一信息内容确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，其中，所述第一信息内容中至少包括：各个所述粗波束的波束序号、每个所述粗波束在所述基站覆盖的小区内的波束热度排序；在所述波束热度信息的信息类型为所述精简热度信息时，依据所述精简热度信息内的第二信息内容确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，其中，所述第二信息内容中至少包括：用于指示各个所述粗波束是否为高热度波束的无线电信号。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，依据所述详细热度信息内的第一信息内容确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，包括：基于所述第一信息内容确定各个所述粗波束的波束热度排序是否位于所述基站覆盖的小区内k个粗波束的前m位，其中，1≤m≤k；当所述粗波束的波束热度排序在所述小区内的前m位时，确定所述粗波束为高热度粗波束；当所述粗波束的波束热度排序不在所述小区内的前m位时，确定所述粗波束不是高热度波束。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，依据所述精简热度信息内的第二信息内容确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，包括：在所述无线电信号为1时，确定所述粗波束为高热度波束；在所述无线电信号为0时，确定所述粗波束不是高热度波束。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述高热度粗波束内确定频谱效率最高
的第一细波束之后，所述方法还包括：在所述基站依据所述第一细波束确定所述高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束时，将所述第一细波束以及所述高热度粗波束内与所述第一细波束的传播方向相同的第二细波束共同作为搜索时延最低的最优细波束。8.一种波束搜索方法，其特征在于，应用于基站，包括：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据所述波束热度信息确定多个所述粗波束内的高热度粗波束，其中，每个所述粗波束的波束热度信息用于反映所述粗波束的覆盖范围内的终端数量，且所述高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；通过所述高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，所述同步信号块中至少包括：指示所述终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；当所述终端在所述高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断所述终端接入所述物理随机接入信道的实际接入时机和所述目标接入时机是否相同，并在所述实际接入时机和所述目标接入时机相同时，确定所述高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。9.一种终端，其特征在于，包括：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息，其中，每个所述粗波束的波束热度信息用于反映所述粗波束的覆盖范围下的终端数量；依据所述波束热度信息确定多个所述粗波束中的高热度粗波束，其中，所述高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；在所述高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。10.一种基站，其特征在于，包括：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据所述波束热度信息确定多个所述粗波束内的高热度粗波束，其中，每个所述粗波束的波束热度信息用于反映所述粗波束的覆盖范围内的终端数量，且所述高热度粗波束的覆盖范围下的终端数量不小于预设阈值；通过所述高热度粗波束向终端发送同步信号块，其中，所述同步信号块中至少包括：指示所述终端接入物理随机接入信道的目标接入时机；当所述终端在所述高热度粗波束内得到搜索时延最低的第一细波束时，判断所述终端接入所述物理随机接入信道的实际接入时机和所述目标接入时机是否相同，并在所述实际接入时机和所述目标接入时机相同时，确定所述高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。

技术总结
本申请公开了一种波束搜索方法、终端及基站。应用于终端的波束搜索方法包括：接收基站发送的多个粗波束的波束热度信息；依据波束热度信息确定高热度粗波束；在高热度粗波束内确定频谱效率最高的第一细波束。应用于基站的波束搜索方法包括：统计覆盖的小区内多个粗波束的波束热度信息，并依据波束热度信息确定多个粗波束内的高热度粗波束；通过高热度粗波束向终端发送同步信号块；当终端在高热度粗波束内搜索到第一细波束时，在终端接入物理随机接入信道的实际接入时机和同步信号块内预设的目标接入时机相同时，确定高热度粗波束为搜索时延最低的最优粗波束。本申请解决了相关波束搜索技术难以满足大规模MIMO场景下的低时延需求的技术问题。求的技术问题。求的技术问题。


技术研发人员：刘岩松 徐丹 柳书 吴洁 胡敏
受保护的技术使用者：中国电信股份有限公司
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/10/15