[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

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的动态毫米波通信场景中高速波束控制方法，包括以下步骤：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；建立波束控制模块与基带处理FPGA间的数据通信，用于触发波束跟踪过程并进行波束测量；建立波束训练状态机实现波束跟踪算法模型；通过SPI高速串口传输天线控制信息实现波束控制模块对天线的控制；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；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。本发明通过定义SPI高速模式写入协议控制天线，实现了微秒级别的波束切换间隔。

技术领域

本发明涉及一种大规模阵列天线波束成形及跟踪技术，属于无线通信领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，信息量呈爆炸性增长，新型业务场景陆续出现，对通信系统的带宽提出了更加严苛的要求，传统的通信频段逐渐难以满足这种需求，而毫米波频段因为其大带宽，低时延，频谱资源十分丰富的特点吸引了研究人员的关注。关于毫米波频段的通信研究开始广泛展开，在毫米波领域一项非常重要的研究是关于波束成形技术。因为毫米波频段在有着种种好处的同时，本身却存在着易衰减的缺点，而波束成形技术通过将天线波束增益集中在一个方向来抵抗衰减。

虽然波束成形极大的提高了发射功率增益，但由于具有很强的方向性，当用户移动时会导致波束失准从而使得接收信号功率骤降，通信质量难以维持。所以当用户移动时波束方向的实时对准成为了一个不可避免的问题。目前关于波束跟踪的研究已经有了很多成果，比如对整个波束码本的扫描以及分层搜索的方法，对准率高但训练开销很大。为了降低开销利用辅助信息的方法，如到达角估计，信道状态信息估计等，但仅停留在理论阶段在实现起来却比较困难。为了降低开销而又易于实现，结合机器学习的波束跟踪方法开始获得更多的关注。

为保证用户的实时通信不断开，需要周期性的进行波束搜索始终将波束指向控制在一个较佳的方向，这就需要不断的进行波束训练的过程，每次搜索的范围必须控制在一个较小的范围内且波束切换速度要尽可能快，才能使得整个波束搜索的过程很快，从而不影响用户正常的通信使用。FPGA因其优越的处理性能，足以快速完成整个过程，而结合历史经验学习的bandit算法则可以快速减少波束搜索的范围，降低开销。故本发明结合bandit算法学习历史训练经验做出合理推荐，并通过FPGA进行硬件上的实现，结合高速处理的特性，极大降低训练消耗及训练周期，同时据此设计bandit算法的选项，进一步降低训练波束开销，从未而实现当用户不断移动时波束方向的始终对齐，通信链路始终稳定不会中断。

发明内容

在毫米波频段的通信中，由于应用了波束成形技术，需要进行波束的对准。而由于用户是实时移动的，这就需要进行快速且频繁的波束跟踪过程，使得用户的通信链路始终维持稳定可用。这需要设计可靠的波束控制模块，在毫米波硬件系统中达到高速训练波束的目的，且要具有较高的鲁棒性以及波束恢复机制。

本发明的目的是提供一种基于FPGA的动态毫米波通信场景中高速波束控制方法，通过定义SPI高速模式写入协议控制天线，实现微秒级别的波束切换间隔。根据快速波束训练的特性，缩短波束训练的周期，使得每次波束训练的范围大幅度降低。同时利用随机选择优化模型方法，不断学习训练的经验，根据训练结果进一步缩小训练波束的范围。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于FPGA的动态毫米波通信场景中高速波束控制方法，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；

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；

步骤3，建立波束训练状态机实现波束跟踪算法模型；