[发明专利]一种用于超高速串行接口阵列天线的自适用波束控制FPGA实现方法

说明书

本发明公开了一种用于超高速串行接口阵列天线的自适用波束控制FPGA实现方法，通过建立状态机控制阵列天线的阵面初始化及波束切换阶段；建立两种类型的波束控制策略，全局码本扫描和快速波束跟踪，根据当前环境调整波束控制策略；开始时采用全局码本扫描的方法训练波束，若检测到当前环境变化较快时切换成快速波束跟踪，若检测到当前环境较为稳定则切换回全局码本扫描；若选用快速波束跟踪策略，需对测量结果进行门限检测，低于门限值则采用全局码本扫描策略重新定位最佳波束；对内存模块中的每个码字计算CRC值，并通过二次映射得到天线可识别的数据流。

技术领域

本发明涉及一种用于超高速串行接口阵列天线的自适用波束控制FPGA实现方法，属于无线通信领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，传输与处理的数据量呈现指数级增长，超高清直播、VR、AR、物联网等新型业务场景的出现，需要实时处理海量的数据，对传统无线通信造成巨大挑战。而毫米波频段由于其超高的频带宽度，在无线通信中呈现出的高吞吐量，低时延的显著优点，获得越来越广泛的关注，并在当前兴起的5G技术中承担重要角色。

现阶段毫米波通信的研究主要聚焦于毫米波的传播特性、毫米波信道模型以及毫米波MIMO系统中的信号处理技术等。但是由于毫米波信号相比于传统的微波信号衰减更大，通信路径损耗较大，需要依赖于定向波束来提高信号增益，这需要应用大规模天线阵列的波束成形技术。而由于毫米波频段波长较短，天线间距更窄，利于大规模安置，因此可以通过阵列天线的波束成形来形成高指向性高增益的窄波束来提升发射信号的增益。然而，对于高指向性波束，收发端需要严格的对齐才会建立可靠的通信链路。但在实际场景中，由于用户是实时移动的，如何快速准确的进行波束对齐获得着重的关注与讨论。

目前，国内外对于波束对准问题已有不同的方法。准确性最高的算法是穷尽搜索的算法，但该算法由于训练开销大不宜进行持续的跟踪，只适应于变化不大的环境下偶尔的波束训练或波束方向出现偏差时的波束恢复。关于更高效更快速的波束跟踪算法目前已有很多理论研究，但快速跟踪算法容易造成波束跟踪的丢失且需要很频繁的周期性进行，且对于室内的通信情况，用户的运动状态经常是比较稳定的，不需要频繁的跟踪，只需要在波束质量不佳是穷尽搜索码本恢复最佳波束即可。但同样的用户的状态并不是固定的，可能会长时间的处于较为静止的状态也可能会长时间的处于运动变化较快的状态，这就需要在穷尽波束搜索与快速波束跟踪的算法之间来回选择，在维持通信质量的同时尽可能节省训练开始。目前的研究多针对某一种固定的算法，且大多为理论层面，在硬件实现上的研究比较稀少。本文基于毫米波硬件平台，重点研究波束训练算法的硬件实现及阵列天线的控制方式。并提出一种在穷尽波束搜索与快速波束跟踪的算法之间做好折中，根据环境状态选择合适策略的自适应波束训练方法，给出硬件实现方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前关于毫米波频段阵列天线控制和波束跟踪的硬件实现研究较为稀少，缺乏有效的实现手段。天线的工作时钟需求高于FPGA的工作频率，需要设计有效的数据传输协议匹配FPGA与天线的处理频率。对于用户运动状态不定的情况，很难通过单一的波束跟踪算法达到高效跟踪的目的，需要对不同适用场景的波束跟踪策略进行自适用的调整。

为了解决上述存在的问题，本发明提出了一种状态机方案用于控制阵列天线的波束成形，并采用一种全局码本扫描与快速波束跟踪相结合的方案训练波束获取满足通信质量的波束，根据环境状态自适用地选择合适的波束控制策略。

本发明提出了一种用于超高速串行接口阵列天线的自适用波束控制FPGA实现方法，具体的实现步骤如下：

一种用于超高速串行接口阵列天线的自适用波束控制FPGA实现方法，包括如下步骤：

步骤1.在FPGA中建立二阶段天线控制状态机，分成阵面初始化和波束切换两个阶段控制天线；并对天线进行阵面初始化，完成天线阵面初始化后，进入波束切换阶段；

步骤2.采用全局码本扫描的策略搜索码本，根据码本的大小遍历所有波束码字，找到最佳波束；