[發明專利]一種基于FPGA的動態毫米波通信場景中高速波束控制方法

有效

• 申請號: 202110522022.4
• 申請日: 2021-05-13
• 公開（公告）號: CN113259033B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 黃永明;梁蘊琪;陸昀程;陳康;俞菲
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;H04W16/28
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種基于FPGA的動態毫米波通信場景中高速波束控制方法，包括以下步驟：在通信系統的接收端通過全碼本掃描進行波束的初始化，建立起初始通信波束；建立波束控制模塊與基帶處理FPGA間的數據通信，用于觸發波束跟蹤過程并進行波束測量；建立波束訓練狀態機實現波束跟蹤算法模型；通過SPI高速串口傳輸天線控制信息實現波束控制模塊對天線的控制；每次波束訓練結束后進行波束質量的判斷，如果判定為波束選擇失敗則需要進行波束恢復；波束訓練結束后選定最佳傳輸波束進行數據傳輸，并等待下一個周期的訓練觸發信號。本發明通過定義SPI高速模式寫入協議控制天線，實現了微秒級別的波束切換間隔。

技術領域

本發明涉及一種大規模陣列天線波束成形及跟蹤技術，屬于無線通信領域。

背景技術

隨著信息技術的不斷發展，信息量呈爆炸性增長，新型業務場景陸續出現，對通信系統的帶寬提出了更加嚴苛的要求，傳統的通信頻段逐漸難以滿足這種需求，而毫米波頻段因為其大帶寬，低時延，頻譜資源十分豐富的特點吸引了研究人員的關注。關于毫米波頻段的通信研究開始廣泛展開，在毫米波領域一項非常重要的研究是關于波束成形技術。因為毫米波頻段在有著種種好處的同時，本身卻存在著易衰減的缺點，而波束成形技術通過將天線波束增益集中在一個方向來抵抗衰減。

雖然波束成形極大的提高了發射功率增益，但由于具有很強的方向性，當用戶移動時會導致波束失準從而使得接收信號功率驟降，通信質量難以維持。所以當用戶移動時波束方向的實時對準成為了一個不可避免的問題。目前關于波束跟蹤的研究已經有了很多成果，比如對整個波束碼本的掃描以及分層搜索的方法，對準率高但訓練開銷很大。為了降低開銷利用輔助信息的方法，如到達角估計，信道狀態信息估計等，但僅停留在理論階段在實現起來卻比較困難。為了降低開銷而又易于實現，結合機器學習的波束跟蹤方法開始獲得更多的關注。

為保證用戶的實時通信不斷開，需要周期性的進行波束搜索始終將波束指向控制在一個較佳的方向，這就需要不斷的進行波束訓練的過程，每次搜索的范圍必須控制在一個較小的范圍內且波束切換速度要盡可能快，才能使得整個波束搜索的過程很快，從而不影響用戶正常的通信使用。FPGA因其優越的處理性能，足以快速完成整個過程，而結合歷史經驗學習的bandit算法則可以快速減少波束搜索的范圍，降低開銷。故本發明結合bandit算法學習歷史訓練經驗做出合理推薦，并通過FPGA進行硬件上的實現，結合高速處理的特性，極大降低訓練消耗及訓練周期，同時據此設計bandit算法的選項，進一步降低訓練波束開銷，從未而實現當用戶不斷移動時波束方向的始終對齊，通信鏈路始終穩定不會中斷。

發明內容

在毫米波頻段的通信中，由于應用了波束成形技術，需要進行波束的對準。而由于用戶是實時移動的，這就需要進行快速且頻繁的波束跟蹤過程，使得用戶的通信鏈路始終維持穩定可用。這需要設計可靠的波束控制模塊，在毫米波硬件系統中達到高速訓練波束的目的，且要具有較高的魯棒性以及波束恢復機制。

本發明的目的是提供一種基于FPGA的動態毫米波通信場景中高速波束控制方法，通過定義SPI高速模式寫入協議控制天線，實現微秒級別的波束切換間隔。根據快速波束訓練的特性，縮短波束訓練的周期，使得每次波束訓練的范圍大幅度降低。同時利用隨機選擇優化模型方法，不斷學習訓練的經驗，根據訓練結果進一步縮小訓練波束的范圍。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于FPGA的動態毫米波通信場景中高速波束控制方法，包括以下步驟：

步驟1，在通信系統的接收端通過全碼本掃描進行波束的初始化，建立起初始通信波束；

步驟2，通過FIFO數據結構以及PXI-trigger寄存器建立起波束控制模塊與搭載FPGA的基帶模塊間的數據通信，用于觸發波束跟蹤過程并進行波束測量；

步驟3，建立波束訓練狀態機實現波束跟蹤算法模型；