Harnessing hardware acceleration for mmWave real-time beamforming applications

Wireless networks are rapidly evolving to fulfil the growing demands for data rate and latency. With applications such as virtual and augmented reality, remote surgery, ve- hicular connectivity, connected homes, and factory automation, network performance requirements now far surpass those of current wireless systems. To address this prob- lem, millimetre-wave spectrum will be allocated to guarantee enough bandwidth for such applications. However, these high frequencies have challenges such as high attenuation, which can be addressed by using technologies such as beamforming. Thus, the need to orchestrate beamforming between rapidly moving transceivers arises. This thesis proposes a wireless platform implemented on a state-of-the-art FPGA board capable of controlling beamforming at both the transmitter and the receiver simultaneously. This work can be divided into three parts. First, it is described how to control two antennas to effectively change the transmitter and receiver beams. Second, it describes how to use the FPGA to perform hardware acceleration based on the evaluation of the signal power on the receive side, how it affects the selection of the beam, and how to display it on a monitor using the MATLAB environment. Finally, it describes how to synchronize the two antennas so that the receiver is always aware of which beam the sender is using.

Le reti wireless stanno rapidamente evolvendo per soddisfare le crescenti richieste di ve- locità di trasmissione dati e latenza. Con applicazioni come realtà virtuale e aumentata, chirurgia remota, connettività veicolare, case connesse e automazione industriale, i requi- siti prestazionali superano di gran lunga quelli dei sistemi wireless attuali. Per affrontare questo problema verrà allocato lo spettro delle onde millimetriche in modo da garantire una larghezza di banda sufficiente per tali applicazioni. Tuttavia, queste alte frequenze presentano sfide come l’elevata attenuazione, che possono essere affrontate utilizzando tecnologie come il beamforming. Sorge pertanto la necessità di orchestrare il beamform- ing tra trasmettitori in movimento rapido. Questa tesi propone una piattaforma wireless implementata su una scheda FPGA all’avanguardia in grado di controllare il beamform- ing contemporaneamente sia sul trasmettitore che sul ricevitore. Questo lavoro può essere diviso in tre parti. In primo luogo, viene descritto come controllare due antenne per cambiare efficacemente i fasci trasmittente e ricevente. In secondo luogo, si descrive come utilizzare la FPGA per eseguire l’accelerazione hardware basata sulla valutazione della potenza del segnale sul lato ricevente, come ciò influisce sulla selezione del fascio e come visualizzarlo su un monitor utilizzando l’ambiente MATLAB. Infine, si descrive come sincronizzare le due antenne in modo che il ricevitore sia sempre consapevole del fascio utilizzato dal mittente.