一种基于FPGA的可重构智能表面实时波束赋形控制系统及方法

本发明涉及无线通信与硬件加速，具体涉及一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统及方法。

背景技术：

1、可重构智能表面是一种由大量可控电磁单元组成的新型无线传播环境调控装置。通过调节各个阵元的反射相位，可重构智能表面能够改变入射电磁波的传播方向和叠加方式，从而实现覆盖增强、波束赋形、干扰抑制等功能。

2、在可重构智能表面的波束赋形控制中，需要根据通信场景、入射方向、目标反射方向以及信道状态确定各阵元的相位配置。现有研究中常采用连续相位优化、交替优化、半正定松弛、启发式搜索等方法求解相位。然而，此类方法通常依赖浮点计算、矩阵运算、除法运算或大量迭代，适合离线仿真，但难以直接部署于现场可编程门阵列等硬件平台。

3、另一方面，实际可重构智能表面阵元通常只能提供有限个离散相位状态。例如，3-bit相位控制仅对应8种相位状态。若仍按照连续相位进行优化，再将结果量化为离散状态，不仅会造成算法模型与硬件控制方式不一致，也可能引入量化损失。若直接对全部阵元进行离散候选搜索，则随着阵元数量增加，搜索规模迅速增大，难以满足实时控制需求。

4、此外，信干噪比等评价指标通常为分式形式。如果在fpga中直接实现高位宽除法器，会带来较大的资源消耗和较长的计算延迟，不利于时序收敛。对于近场测试或短距离反射场景，传统远场线性相位模型还可能与实际球面波传播产生差异，需要一种兼顾远场和近场的相位初始化方式。

5、同时，实际可重构智能表面系统不仅需要完成相位求解，还需要将相位状态转换为阵元偏置电压、数模转换器控制码以及具体的片选和通道寻址时序。如果相位优化结果与底层驱动链路分离实现，容易造成数据格式不一致、控制延时不可预测以及阵元地址映射错误。

6、因此，亟需一种面向fpga硬件实现的可重构智能表面相位控制方案，使其能够在有限硬件资源下，以确定时延完成相位初始化、关键阵元选择、离散候选相位优化、相位-电压转换以及多通道阵元驱动输出。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统及方法。

2、本发明提出的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，包括：

3、参数配置模块、相位初始化模块、相位存储模块、主动集筛选模块、候选相位优化模块和输出控制模块。所述参数配置模块用于获取可重构智能表面的阵列规模、工作频率、入射方向、反射方向、阵元间距以及信道参数；所述相位初始化模块用于根据所述入射方向、反射方向以及阵元位置生成各阵元的初始相位状态；所述相位存储模块用于存储各阵元当前的离散相位状态；所述主动集筛选模块用于根据各阵元的信道贡献度，从全部阵元中选取若干个关键阵元形成主动集；所述候选相位优化模块用于对主动集中的关键阵元进行离散候选相位搜索，并根据评价结果更新对应阵元的相位状态；所述输出控制模块用于将最终相位状态转换为阵元偏置控制信息，并经bram缓存、多路spi时序和数模转换器寻址输出至可重构智能表面的驱动控制链路。

4、优选的，相位初始化模块根据阵元坐标以及入射、反射方向生成远场几何相位。对于二维阵列中的阵元，其远场几何相位可表示为：

5、

6、其中，和分别表示传播方向在两个阵列方向上的正弦梯度。

7、优选的，相位初始化模块采用定点递推结构实现相位生成。在同一行内，相位通过列方向步进量逐拍累加；在行切换时，通过行方向步进量更新下一行起始相位。该方式避免了对每个阵元重复执行乘法运算。

8、优选的，相位初始化模块还支持近场相位修正。当发射端或接收端位于可重构智能表面近场区域时，相位初始化模块可根据发射端到阵元的距离以及阵元到接收端的距离生成球面波相位，或者接收由处理器端预先计算的近场修正数据。

9、优选的，主动集筛选模块采用流式筛选方式。该模块维护一个有序寄存器队列，在阵元贡献度逐个输入时，通过并行比较和插入移位操作实时保留贡献度较高的若干个阵元。与全量排序相比，该方式降低了比较规模和布线复杂度。

10、优选的，候选相位优化模块仅对主动集中的关键阵元进行候选相位搜索。对于当前关键阵元，不重新计算全部阵元的等效信道贡献，而是根据候选相位与原相位之间的变化量进行增量更新。该方式减少了重复计算。

11、优选的，在候选相位评价过程中，候选相位优化模块将分式形式的信干噪比比较转换为交叉乘法比较，从而避免在fpga中实现除法器。

12、优选的，输出控制模块采用处理系统端和可编程逻辑端协同实现。处理系统端接收多个阵元相位值或电压值，对相位值进行离散量化和相位-电压映射，将偏置电压转换为数模转换器控制码并写入共享缓存；可编程逻辑端在握手信号触发后读取缓存中的多个控制码，将其划分为若干组，并通过若干个串行控制通道发送至多通道数模转换器或兼容电压输出器件，由所述多通道数模转换器或兼容电压输出器件输出多路阵元偏置电压。

13、本发明还提出一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制方法，所述方法包括如下步骤：

14、步骤s1：获取可重构智能表面的阵列参数、传播方向参数和信道参数；

15、步骤s2：根据阵元位置和传播方向生成各阵元的初始相位状态；

16、步骤s3：将所述初始相位状态存储至相位存储模块；

17、步骤s4：根据各阵元的信道贡献度，从全部阵元中筛选出若干个关键阵元形成主动集；

18、步骤s5：对所述主动集中的关键阵元依次进行离散候选相位搜索；

19、步骤s6：根据候选相位引起的相位变化量，以增量方式更新候选相位对应的等效信道；

20、步骤s7：根据候选相位对应的评价结果确定优选相位，并将所述优选相位写回相位存储模块；

21、步骤s8：在完成预设迭代条件后，输出各阵元的最终相位状态，将所述最终相位状态解析为多个阵元相位值，将所述阵元相位值量化并映射为阵元偏置电压，将所述阵元偏置电压转换为数模转换器控制码，通过缓存和握手信号交由可编程逻辑端读取，并通过多路串行接口发送至多通道数模转换器以驱动可重构智能表面阵列。

22、本发明的有益效果：

23、本发明通过几何相位初始化为离散相位优化提供初始状态减少随机搜索或连续优化带来的计算负担通过主动集筛选仅对关键阵元进行局部优化避免对全部阵元进行全量候选搜索通过增量方式更新候选相位对应的等效信道避免重复进行全阵列计算通过交叉乘法实现信干噪比比较避免硬件除法器降低了资源消耗通过相位电压映射缓存握手触发和多路并行驱动将相位优化结果直接转换为可重构智能表面阵元偏置电压减少上层相位算法与底层驱动链路之间的格式转换和时序不确定性上述设计均适合采用定点运算和有限状态机实现能够使可重构智能表面的相位求解和阵元驱动过程具有确定时延和较好的硬件可实现性

1.一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述相位初始化模块包括几何相位生成单元和离散相位量化单元；

3.根据权利要求2所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述初始几何相位包括远场相位，所述远场相位满足：

4.根据权利要求2所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述相位初始化模块还包括近场相位修正单元；

5.根据权利要求1所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述主动集筛选模块包括有序寄存器队列、并行比较单元、插入位置确定单元和移位更新单元；

6.根据权利要求1所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述候选相位优化模块包括候选相位枚举单元、增量更新单元和优选相位判定单元；

7.根据权利要求1所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述输出控制模块包括数据接收与解析单元、相位-电压映射单元、数字码转换单元、缓存写入单元、握手触发单元、缓存读取单元、多路串行时序单元和数模转换器寻址单元；所述数据接收与解析单元用于接收多个阵元相位值或多个阵元电压值，所述相位-电压映射单元用于将阵元相位值转换为对应偏置电压，所述数字码转换单元用于将偏置电压转换为数模转换器控制码，所述缓存写入单元用于将所述控制码写入缓存，所述握手触发单元用于在写入完成后发出读出触发信号，所述缓存读取单元用于根据所述读出触发信号读取所述控制码，所述多路串行时序单元用于将读出的控制码发送至多通道数模转换器，所述数模转换器寻址单元用于产生片选信号和通道地址信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制系统，其特征在于，所述相位-电压映射单元按照有限比特离散相位状态将输入相位量化为多个离散相位之一，并根据预设相位-偏置电压映射表或校准查找表，将所述离散相位映射为对应阵元偏置电压；在一种实施方式中，所述有限比特离散相位状态为3-bit相位状态，所述多个离散相位包括0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°；

9.一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种基于fpga的可重构智能表面实时波束赋形控制方法，其特征在于，所述步骤s5中的离散候选相位搜索在预设有限比特离散相位约束下进行，每个阵元的相位状态属于预设离散相位集合中的一个状态；在一种实施方式中，所述有限比特离散相位约束为3-bit相位约束，所述预设离散相位集合包括8个离散相位状态。