[发明专利]一种基于FPGA的动态毫米波通信场景中高速波束控制方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的动态毫米波通信场景中高速波束控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在通信系统的接收端通过全码本扫描进行波束的初始化，建立起初始通信波束；

将码本空间定义为其中M是码本的大小，f_i表示天线响应向量；根据天线格式将每个码字对应的控制比特流提前以字节形式写入memory中；通信系统接收端的波束控制模块首先对全码本进行一次全扫描，全扫描的实现通过建立初始化状态机来实现，状态转移过程为：先初始化波束序号i＝0，最佳波束序号i_max＝0，最佳波束对应的功率p_max＝0，然后进入SPI写入过程，根据天线需求，需要分多个阶段将波束控制信息，收发控制信息，使能信号写入天线；多个阶段总共写入n_b个字节的数据，其中每一阶段写入的数据均从memory内存模块中读取，起始地址为i×n_b+o_f，o_f为偏移地址；每一阶段写入的字节数为n_bt，比特数为n_bit；通过SPI_START信号通知SPI模块开始往天线写入当前阶段的数据；然后等待SPI模块反馈的SPI_DONE信号，当检测到该信号为高电平则说明本阶段数据写入完成；此时进行一个判断，多个阶段是否全部写入完成，若未完成则写入下一阶段数据，若完成则判断码本是否扫描完成，若完成则结束该过程进入波束跟踪的触发信号监测状态，等待进行波束跟踪的过程，若未完成扫描则更新最佳波束及最佳波束对应的功率；更新最佳波束信息后进行一次判断，是否所有波束方向都已搜索完毕，若未搜索完毕将波束序号加1重新进行SPI模块写入，若已经搜索完毕，则将最佳波束作为执行波束序号再执行一次SPI模块写入；

步骤2，通过FIFO数据结构以及PXI-trigger寄存器建立起波束控制模块与搭载FPGA的基带模块间的数据通信，用于触发波束跟踪过程并进行波束测量；

波束初始化以及波束跟踪过程中，需要进行波束的性能测量，通过通信系统接收端的基带模块计算接收功率，以此作为指标判断当前天线所选择波束方向的性能好坏；波束测量要对每次扫描波束范围内所有的波束性能进行测量，并取出测量结果最佳的波束用于数据传输阶段的通信；同时波束跟踪过程是周期性进行的，每个周期是一个通信帧的时间，每个帧中有波束训练字段，在波束训练字段开始时，需要基带模块通知波束控制模块回合波束跟踪的开始，使用PXI-trigger寄存器实现低时延信息传递，在传递使能信号时将寄存器置为高电平，且持续足够长的周期以保证可被波束控制模块读取；通过波束测量过程得到扫描波束的性能，通过性能比较得出最佳波束及对应的功率：

其中，i_max表示最佳波束，p_max表示最佳波束对应的功率，p_i表示波束i所对应的功率；

在对当前波束的功率获取上，为补偿功率计算及PXIe总线传输引起的时延，更新当前最佳波束前等待时间τμs；

步骤3，建立波束训练状态机实现波束跟踪算法模型；

波束初始化执行后得到整个码本空间当前时刻的最佳波束：

初始过程完成后进入波束训练阶段，该阶段由训练触发信号使能，通过建立波束训练状态机完成，状态转移过程为：波束跟踪阶段采用随机选择优化模型，预先设置多个波束行为，每个行为的表示为(b_last,o,c)，b_last表示上次波束训练得到的最佳波束，初始值为i_max，o表示行为中首个波束相对于b_last的偏移，c表示行为中波束的个数，且行为中的波束是连续的；(b_last,o,c)所包含的波束为(b_last-o,b_last-o+1,b_last-o+2,…,b_last-o+c-1)；开始训练后，首先进初始化训练过程所需参数，建立多个参数数组存储行为的偏移值，波束个数，平均回报值，被选中的回合数，以及UCB值，每个数组的索引与行为编号一一对应；初始化之后从UCB数组中选择UCB值最大的行为进行训练，并利用该行为作为索引获得其在偏移值数组和波束数目数组中对应的值，生成该行为的候选波束集合；UCB的初始值应设为一个极大值使得每个行为被至少训练到一次；通信系统接收端对行为中的波束集分别进行测量，波束的天线写入过程与波束初始化中的过程一致，基带模块在时域上通过下式计算当前波束接收信号的能量：

其中y_i为接收端信道估计均衡后的时域信号，T表示计算的接收信号长度；

对行为中的波束全部测量之后选出最佳波束，过程同波束初始化；然后需要确定此次训练的奖励：

其中，r₁和r₂为定值，p_thr为接收端功率阈值；根据奖励值通过当前行为索引更新平均回报数组，行为选择回合数数组和UCB值数组对应的参数值，同时更新训练总回合计数：

n_sel←n_sel+1,n_to←n_to+1

其中，μ代表平均回报值，n_sel代表本次训练行为被选中的回合数，n_to表示总回合数，u表示UCB值；

步骤4，通过SPI模块传输天线控制信息实现波束控制模块对天线的控制；

SPI模块根据波束初始化及波束训练状态机传入的波束索引和数据量参数从memory中获取相应的字节数据，然后通过自定义高速SPI写入协议将数据通过串口写入天线；自定义SPI写入协议流程为：获取需要写入的数据的起始地址i×n_b+o_f，总字节数n_bt，比特数为n_bit，然后将n_bt个数据全部写入FIFO存储结构中；建立一个控件表示剩余待写入的比特数，并初始化为总比特数n_bit，同时向时钟接口写入时钟信号；设置控件v存储每轮向天线写入的数据，然后将该数据逐个比特写入天线，v是一个l比特大小的数据；设置v中初始比特索引，从该索引对应的比特数据开始逐个写入；由于总共需要写入的比特数n_bit通常并非l的整数倍，所以写入的第一个数据的前几位通常是无效位，这时的初始比特索引设为有效位的起始，取值为l-(l×n_bt-n_bit)-1；从FIFO存储结构中读取数据存储在v中，判断总比特数与剩余比特数是否相等，相等则说明此时处于写入开始阶段，需要拉低片选信号以及天线使能信号，同时将v的初始比特索引按上述设置；如果不相等，说明此刻并非第一次从FIFO读数，只需要将v中初始比特索引设为l即可；在FPGA每个工作周期向天线写入时钟信号，并同时写入v中当前索引对应的比特数据，然后将索引减1，剩余待写入比特数减1；判断索引是否为0，不为0则重复写比特及时钟信号的过程；若为0则判断剩余待写入比特数是否为0，不为0则继续从FIFO中读取数据执行比特写入，若已为0则说明n_bit个比特数据写入完成，此时重置片选信号和天线使能信号，由于天线需要响应时间，根据响应时间长短使能信号应晚于片选信号进行重置；

步骤5，每次波束训练结束后进行波束质量的判断，如果判定为波束选择失败则需要进行波束恢复；

设置最低通信质量门槛p_lim，代表维持正常通信质量的最低性能阈值；设立连续失败次数控件n_fail＝0，根据波束训练得到的最佳波束对应功率值判断此时训练结果是否达标，若不满足最低通信标准则n_fail＝n_fail+1，同时数据传输阶段所使用的波束仍然为上一次符合标准的训练结果，若满足标准则n_fail＝0；当n_fail达到一定阈值n_lim时重新执行初始波束建立的步骤以恢复最佳波束；

步骤6，波束训练结束后选定最佳传输波束进行数据传输，并等待下一个周期的训练触发信号；

在每帧的数据传输阶段使用训练得到的最佳波束进行通信，同时波束控制模块停留在使能检测阶段，持续检测PXI-trigger寄存器信号，若检测到高电平则进入波束训练过程。