一种5G板载双2×2MIMO无线控制系统的制作方法

本发明涉及通讯设备领域，具体是涉及一种用于5g通讯的无线控制系统。

背景技术：

5g网络是第五代也是最新一代移动通信网络，其峰值传输速度理论上可达几十个g(单位：bps，即每秒比特数)，比目前正在使用的4g网络快了数百倍之多。

由于信号在超高频波段上的传输具有损耗大、传输距离短的缺点，此前这一技术难题一直成为制约业界网络发展的瓶颈，直到2014年韩国的三星电子利用64个天线单元的自适应阵列传输技术攻克了这一难题，才使得信号在超高频波段上的高速远距离传输成为可能。2016年，诺基亚与贝尔公司合作在加拿大完成了5g信号的测试工作。2017年底，在国际电信标准组织3gppran第78次全体会议上，5gnr版本正式发布，这是全球第一个可商用部署的5g标准。到了2018年底，国家工业和信息化部分别为中国电信、中国移动和中国联通划分了5g试验频率资源，标志着5g网络在国内正式进入部署和商用阶段。

在此大背景下，作为5g网络的基石，具有mimo的天线阵列产品及其控制系统就成为构建5g网络的一个不可或缺的重要组成部分。目前的mimo的天线阵列基本是采用2×2mimo天线阵(2×2，即2收+2发，1收1发为一个天线对，它是一个射频系统可以正常工作的最小单元)，其无线控制系统软件也是基于这一天线阵列开发。比如hjx-ad9371-sdr软件无线电平台。

目前类似hjx-ad9371-sdr软件无线电平台基本都存在如下的缺陷和不足：

(1)目前的平台大多仅是个评估版本(ad9371evaluationboards)，是提供给客户进行测试和二次开发的，离真正商用还有一定距离；

(2)该平台只支持2×2mimo(采用一片ad9371芯片，具有一个2收和2发的rf收发器)，如果要组成64个天线阵列(即64×64mimo)，则需要32个板载平台，不仅造价高昂，而且占据较大的安装空间，使得布局较为困难；

(3)该平台的控制软件基于atmelarm9嵌入式平台开发，设计中其底层驱动与上层应用之间的耦合度较高，并不完全遵循嵌入式开发的理念，上层应用开发者需要密切关注底层硬件的结构设计，因此可移植性比较差；

(4)出于安全的考虑，该平台应用了硬件看门狗设备，这导致平台不宜维护和操作，虽然平台软件为使用者提供了控制台交互的功能，但操作性差，可靠性不高，操作中稍有不慎，或者上层应用因某种原因挂起而不能及时进行喂狗操作，看门狗就会导致系统重启。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种5g板载双2×2mimo无线控制系统，支持4×4mimo天线阵，满足既定安装空间的布局需要，降低成本，实现商业化。

技术方案：本发明所述5g板载双2×2mimo无线控制系统，包括硬件平台、底层驱动模组和上层应用模组；

所述硬件平台至少具有两条空闲spi总线和若干gpio端口，供电设备与gpio端口连接，为硬件平台供电；硬件平台上搭载两片ad9371芯片、一ad9528芯片和一fpga芯片，其中两片ad9371芯片和一ad9528芯片共用第一spi总线，并通过不同的cs片选信号分别进行控制，ad9528芯片用于为ad9371芯片提供工作时钟信号，fpga芯片与第二spi总线进行交互，提供与配置ad9371及前端信道参数相关的功能；

所述底层驱动模组包括第一spi总线设备管理模块、第二spi总线设备管理模块和gpio控制模块，所述第一spi总线设备管理模块与第一spi总线通讯，由上层应用模组控制对两片ad9371芯片进行配置，两片ad9371芯片采用不同的副本、相同的配置参数的形式进行配置；所述第二spi总线设备管理模块与第二spi总线通讯，驱动板载系统提供的资源实现spi总线各芯片设备的读写、gpio端口的控制，以及为上层应用提供ioctl接口；

上层应用模组通过底层驱动模组提供的ioctl接口，与第一spi总线设备管理模块通讯，控制第一spi总线对ad9371芯片进行读写操作。

本发明进一步优选地技术方案为，所述硬件平台为arm9嵌入式平台或armcortex-a8嵌入式平台。

作为优选地，所述硬件平台还具有至少一个ethernet网口资源和一个串口或usb口资源；所述硬件平台通过ethernet网口资源连接到交换机或局域网中。

优选地，所述底层驱动模组对gpio端脚控制，并予以抽象化，使其对上层应用模组不可见。

优选地，所述上层应用模组包括本地运维模块、配置管理模块和远程监控模块。

优选地，所述上层应用模组遵循adi标准配置流程及其提供的通用api接口对ad9371芯片进行逐条配置。

本发明还提供一种5g天线阵列，包括16个上述的无线控制系统，各无线控制系统采用相同的软硬件环境，统一供电，统一配置。

有益效果：(1)本发明直接针对商业用途和需求而设计，目的性更强；本发明中的板载平台集成2片ad9371芯片，从而支持双2×2(也就是4×4)的mimo，只需要16个板载平台就可组成64个天线阵列，不仅降低了成本，而且安装空间大大减少，布局也更为紧凑、合理；

(2)本发明的控制软件遵循嵌入式系统的设计理念，设计中将底层驱动与上层应用的功能相分离，上层应用无需关注下层的驱动是如何与硬件交互的，从而大大降低了两者之间的耦合度，使得软件可以方便地移植到新的嵌入式平台中；

(3)本发明中的板载平台无需看门狗设备，而是由软件系统自身来提供安全性的支持，因此更利于维护；

(4)本发明的控制系统软件对外提供统一的socket接口，依据相应的接口协议，可以通过网络实现远程监控和管理。

附图说明

图1为本发明所述无线控制系统的结构示意图。

图2为本发明上层应用功能模块中的本地运维模块流程图。

图3为本发明上层应用功能模块中的配置管理模块流程图。

图4为本发明上层应用功能模块中的远程监控模块流程图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种5g板载双2×2mimo无线控制系统，如图1所示，包括硬件平台、底层驱动模组和上层应用模组。

所述硬件平台为arm9嵌入式平台、armcortex-a8嵌入式平台或其它平台，但所选择的平台至少可提供2条空闲的板载自带的spi总线、一个ethernet网口资源、一个串口或usb口资源及若干gpio端口资源。供电设备与gpio端口连接，为硬件平台供电；硬件平台上搭载两片ad9371芯片、一ad9528芯片和一fpga芯片。单个板载系统采用双2×2mimo结构，即采用2片ad9371芯片，通过arm系统软件(包括底层驱动和上层应用)，分别配置这2片ad9371的rf收发器到正常工作状态，从而实现4×4mimo功能。两片ad9371芯片和一ad9528芯片共用第一spi总线，并通过不同的cs片选信号分别进行控制，ad9528芯片用于为ad9371芯片提供工作时钟信号，因此可以事先配置死，从而不占用spi总线资源；fpga芯片参照现有的无线电平台，与第二spi总线进行交互，提供与配置ad9371及前端信道参数相关的功能。

所述底层驱动模组包括第一spi总线设备管理模块、第二spi总线设备管理模块和gpio控制模块，所述第一spi总线设备管理模块与第一spi总线通讯，由上层应用模组控制对两片ad9371芯片进行配置，两片ad9371芯片采用不同的副本、相同的配置参数的形式进行配置；所述第二spi总线设备管理模块与第二spi总线通讯，驱动板载系统提供的资源实现spi总线各芯片设备的读写、gpio端口的控制，以及为上层应用提供ioctl接口；底层驱动模组对gpio端脚控制，并予以抽象化，使其对上层应用模组不可见。本无线控制系统遵循嵌入式系统的开发理念，划清底层驱动与上层应用的功能界限，使底层驱动着眼于具体硬件平台，实现对硬件设备的直接控制，而上层应用则着眼于具体的应用场景，将相关功能转化为与硬件无关的操作，并为这些操作确定所需的ioctl。

上层应用模组通过底层驱动模组提供的ioctl接口，与第一spi总线设备管理模块通讯，控制第一spi总线对ad9371芯片进行读写操作。所述上层应用模组包括本地运维模块、配置管理模块和远程监控模块。所述上层应用模组遵循adi标准配置流程及其提供的通用api接口对ad9371芯片进行逐条配置。

在操作性方面，本实施例中无线控制系统的除了提供本地的控制台交互界面外，还为用户提供pc机上的图形应用交互界面，使得使用者可以将板载系统通过ethernet连接到交换机或局域网中，从而实现对板载系统的远程监控和管理。

为确保系统安全，除了开放必要的端口外，关闭不必要的端口及相关服务，并增加系统登录口令验证功能。

应用16个本实施例的无线控制系统，组成64个天线阵列，提供给5g基站使用，各无线控制系统采用相同的软硬件环境，统一供电，统一配置。

如图2，上层应用功能模块中的本地运维模块流程为：

①运维人员开始接入本地板卡系统；

②运维人员检查log信息，分析板卡系统当前运行状况；

③如果存在故障：

是设备故障，则分析故障原因并排除；

是软件故障或需要软件功能升级，则更新新的软件；

④若故障排除或更新软件后，运维人员给板载系统重新上电，检查配置管理模块运行是否正常，确认无误，则结束本地运维工作；

⑤如果存在系统安全隐患，则运维人员可以关闭不必要的服务及相应端口，并加强登录口令管理。

如图3，上层应用功能模块中的配置管理模块流程为：

①配置系统首先加载默认配置信息；

②继续加载驱动模块，并打开对应设备文件；

③加载成功，则检查fpga状态；

④若fpga状态就绪，则开始配置ad9371的外部时钟(可通过配置ad9528实现)；

⑤成功，则遵循adi流程，依据配置副本1对第一片ad9371进行配置(图3中用9371_0标识)；

⑥成功，则依据配置副本2对第二片ad9371进行配置(图3中用9371_1标识)；

⑦成功，则配置前置rf信道参数；

⑧成功，则配置工作成功完成；

否则，若前面操作中任一步骤失败，则配置工作均告失败，配置系统将把错误信息计入系统log，可通过控制led灯予以警示，供运维人员后期检查使用。

如图4，上层应用功能模块中的远程监控模块流程为：

①pc机端工作人员开始检查板载系统运行状况；

②pc机端应用通过局域网向板卡发出连接请求；

③若板卡系统运行正常，则会接受连接请求，与pc机端应用建立连接；

④pc机端应用向板卡系统发出状态查询请求；

⑤板卡系统将当前状态反馈给pc机端应用；

⑥pc机端应用根据反馈的状态信息判断板卡系统是否存在故障；

⑦如板卡系统运行正常，则pc机端应用向板卡系统发出断开连接请求，板卡系统将断开与pc机端应用的连接；否则，若板卡系统无响应，或反馈存在故障，pc机端监控人员将通知运维人员介入。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。