CN103812543B - 一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，属于无线通信方法，利用轨道角动量作为数据信息载体，解决现有无线通信所存在的频谱资源紧张，通信容量提升有限的问题。本发明包括构建发射天线步骤、设立接收天线步骤、获取信道矩阵步骤、发送数据步骤和接收数据步骤。本发明利用轨道角动量中拓扑荷相互正交的物理特性进行通信，充分利用多输入多输出技术的潜力，复用轨道角动量，无需增加新的频段即可有效提升容量；只要接收端天线的方位角满足一定等式关系，不改变通信系统的核心部件，可以得到最大的容量提升，所需的代价较小，且对其他通信系统无影响，可应用于现有的各种无线通信系统。

Description

一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法

技术领域

本发明属于无线通信方法，具体涉及一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法。

背景技术

具有螺旋形相位结构的涡旋电磁波，从量子力学角度来看，它携带一种角动量，这种角动量称为轨道角动量。具有轨道角动量的电磁波带有相位旋转因子这里k_n通常称为拓扑荷，也叫量子数，为任意整数，表示绕波束闭合环路一周线积分为2π整数倍的个数；为方位角，见L.Allen，M.W.Beijersbergen，R.J.C.Spreeuw andJ.P.Woerdman，“Orbital angular momentum of light and the transformation ofLaguerre-Gaussian laser modes,”Phys.Rev.A，vol.45，pp.8185-8189，June1992。

平面电磁波可以通过引入轨道角动量，变成具有空间螺旋相位的涡旋电磁波。若将常见的平面电磁波表示为S_n(t)，则涡旋电磁波可以表示为：其中，A(r)表示平面电磁波转变为涡旋电磁波的径向幅度值，r为到波束中心轴线的辐射距离。见J.Wang et al.，“Terabit free-space data transmission employing orbitalangular momentum multiplexing,”NaturePhotonics,vol.6，pp.488-496，July2012。

与通信中用到的频率、时间和偏振等自由度类似，轨道角动量是一个新的自由度并可以作为数据信息载体，用于无线通信。它的显著特点是，在新维度中调制信息，附加到当前通信信号中，通过角动量的复用提高通信容量且对当前通信系统几乎无影响，这对频谱资源极其紧张的今天，是个值得采用的提高通信容量的解决方法。

现有无线通信均采用平面电磁波，其频率、时间和偏振作为数据信息载体，但存在频谱资源紧张，通信容量提升有限的问题。

发明内容

本发明提供一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，利用轨道角动量作为数据信息载体，解决现有无线通信所存在的频谱资源紧张，通信容量提升有限的问题。

本发明所提供的一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，包括构建发射天线步骤、设立接收天线步骤、获取信道矩阵步骤、发送数据步骤和接收数据步骤，其特征在于：

(1)构建发射天线步骤：在发射端构建N个发射天线，N≥1，形成发射天线阵列，各发射天线的中心为该发射天线最大横截面的中心，各发射天线的中心共同的几何中心构成发射天线阵列的中心，每个发射天线工作在不同的拓扑荷上，发射N个不同的涡旋电磁波；

(2)设立接收天线步骤：在接收端设立M个能够接收平面电磁波的接收天线，M≥1，各接收天线的构造相同，且天线方向图主瓣指向发射天线阵列的中心；

分别以每个发射天线的几何中心为原点，垂直于每个发射天线的波达方向的平面为参考面，参考面内通过原点且指北方向的轴为参考轴，在参考面内绕原点逆时针方向旋转角度为正，反之为负；

各接收天线的中心点为该接收天线最大横截面的中心，将每个接收天线的中心点分别投影到每个发射天线的参考面上，投影点和原点的连线与参考轴的夹角为方位角1≤n≤N，1≤m≤M，则各接收天线接收到的N个不同的涡旋电磁波表示为：

其中，S_n(t)表示第n个发射天线发射的平面电磁波，时间t≥0，为第m个接收天线相对于第n个发射天线的方位角，k_n为第n个发射天线工作的拓扑荷，1≤n≤N；

为了使通信容量最大，各接收天线的方位角满足下述条件：

(3)获取信道矩阵步骤：

在发射端，N个发射天线均发送导频信号，在接收端，M个接收天线各自分别接收N个发射天线的导频信号，再通过信道估计方法，分别获取信道矩阵H：

上式中，h_n,m为第n个发射天线到第m个接收天线的平面电磁波信道冲击响应；

所述信道估计方法包括最小二乘估计方法(LS，Least Squares estimation)、最小均方误差估计方法(MMSE，Minimum Mean Square Error estimation)；

(4)发送数据步骤：

所述N个发射天线发射N个不同的涡旋电磁波，载有N个不同的数据；

(5)接收数据步骤：

各接收天线各自均接收N个发射天线所发射的信号，根据所获取的信道矩阵H，恢复数据。

所述发送数据步骤中，对所述N个发射天线发射的N个不同的数据，采用空时编码，所述空时编码包括贝尔实验室垂直分层空时(BLAST，Vertical Bell layered Space-Time)编码或者基于预编码的奇异值分解(SVD，Singular Value Decomposition)编码。

所述接收数据步骤中，恢复数据使用信号检测算法，所述信号检测算法包括匹配滤波器检测算法、迫零检测算法和最小均方误差检测算法。

MIMO信道容量计算，分为发射端已知信道状态信息和未知信道状态信息两种情况，以发射端未知信道状态信息为例，设发射端和接收端天线数分别为N、M，则MIMO信道容量C：

$C={B\log }_2\det (I_M+\frac{\mathrm{SNR}}{N}{\mathrm{HH}}^H),$

式中，B为带宽，单位Hz；det(·)表示求行列式“·”的值，I_M表示秩为M的单位对角矩阵，SNR为信噪比；H为信道矩阵，H^H表示信道矩阵H的共轭转置矩阵。

本发明在传统的无线通信中引入轨道角动量作为新的维度，使得MIMO信道容量公式中的信道矩阵H中每个元素附加了一个螺旋相位因子，通过MIMO信道容量公式计算比较平面电磁波和涡旋电磁波的信道容量，发现在相同信道下(如高斯信道或瑞利信道)，涡旋电磁波的信道容量高于平面电磁波。

本发明利用轨道角动量作为数据信息载体，利用轨道角动量中拓扑荷相互正交的物理特性进行通信，充分利用了多输入多输出(MIMO)技术的潜力，复用轨道角动量，无需增加新的频段即可有效提升容量，解决现有无线通信所存在的频谱资源紧张，通信容量提升有限的问题。

直接利用轨道角动量提升容量，从理论上说，涡旋电磁波的接收需要接收天线阵的中心完全对准发射天线中心，即对准涡旋电磁波的中心奇点，在实践中是很难做到的。因此，本发明根据给定的拓扑荷和天线数等条件，通过计算信道容量，只要接收端天线的方位角满足一定等式关系时，不改变通信系统的核心部件，可以得到最大的容量提升，所需的代价较小，且对其他通信系统无影响，可应用于现有的各种无线通信系统。

附图说明

图1为构建发射天线和设立接收天线的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例，包括构建发射天线步骤、设立接收天线步骤、获取信道矩阵步骤、发送数据步骤和接收数据步骤：

(1)构建发射天线步骤：在发射端构建2个发射天线，形成发射天线阵列，各发射天线的中心为该发射天线最大横截面的中心，各发射天线的中心共同的几何中心构成发射天线阵列的中心，每个发射天线工作在不同的拓扑荷上，发射2个不同的涡旋电磁波；

(2)设立接收天线步骤：在接收端设立2个能够接收平面电磁波的接收天线，各接收天线的构造相同，且天线方向图主瓣指向发射天线阵列的中心；

如图1所示，分别以每个发射天线的几何中心为原点，垂直于每个发射天线的波达方向的平面为参考面，参考面内通过原点且指北方向的轴为参考轴，在参考面内绕原点逆时针方向旋转角度为正，反之为负；

各接收天线的中心点为该接收天线最大横截面的中心，将每个接收天线的中心点分别投影到每个发射天线的参考面上，投影点和原点的连线与参考轴的夹角为方位角1≤n≤2，1≤m≤2，则各接收天线接收到的2个不同的涡旋电磁波表示为：

其中，S_n(t)表示第n个发射天线发射的平面电磁波，时间t≥0，为第m个接收天线相对于第n个发射天线的方位角，k_n为第n个发射天线工作的拓扑荷，1≤n≤2；

为了使通信容量最大，各接收天线的方位角满足下述条件：

(3)获取信道矩阵步骤：

在发射端，2个发射天线均发送导频信号，在接收端，2个接收天线各自分别接收2个发射天线的导频信号，再通过信道估计方法，分别获取信道矩阵H：

以理想的高斯信道为例，

平面电磁波的信道矩阵H为： $H_1=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right);$

涡旋电磁波的信道矩阵H为：

(4)发送数据步骤：

所述2个发射天线发射2个不同的涡旋电磁波，载有2个不同的数据；

(5)接收数据步骤：

平面电磁波和涡旋电磁波两种情况下，各接收天线各自均接收2个发射天线所发射的信号，根据所获取的信道矩阵H₁、H₂，使用匹配滤波器检测算法恢复数据。

本实施例和对比例的信道均为高斯信道，根据MIMO信道容量公式，对本实施例和对比例进行信道容量比较。以发射端未知信道状态信息为例，设B=20MHz，信噪比为20dB，即SNR=10²=100，则MIMO信道容量公式变为：

$C=20{\log }_2\det (I_2+\frac{100}{2}{\mathrm{HH}}^H)$

(1)发送信号为平面电磁波时，信道矩阵 $H_1=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right);$

代入信道容量计算公式，信道容量为：

$C_1=20{\log }_2\det (I_2+\frac{100}{2}{H}_1{H_1}^H)=20{\log }_{2}201=153.0210(\mathrm{Mb}/s);$

(2)发送信号为涡旋电磁波时，信道矩阵 $H_2=\left(\begin{array}{cc}{e}^{i{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,1}}}& e^{i{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,2}}}\\ e^{i2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{2,1}}}& e^{i2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{2,2}}}\end{array}\right);$

代入信道容量计算公式，得信道容量为：

$C_2=20{\log }_2\det (I_2+\frac{100}{2}{H}_2{H_2}^H)=20{\log }_2\{{(100+1)}^2-\frac{{100}^2}{2}[1+\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,2}}-2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{2,2}}+2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{2,1}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,1}})\left]\right\};$

如步骤(2)所述，对于本实施例，各接收天线的方位角满足下述条件：此时涡旋电磁波通信容量的最大值C₂=2×20log₂(100+1)=266.3285(Mb／s)，

由此可得：

通信容量增加量ΔC：ΔC=C₂-C₁=266.3285-153.0210=113.3075(Mb／s)；

提升倍数η：η=C₂／C₁=266.3285／153.0210=1.7405。

Claims (3)

1.一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，包括构建发射天线步骤、设立接收天线步骤、获取信道矩阵步骤、发送数据步骤和接收数据步骤，其特征在于：

(1)构建发射天线步骤：在发射端构建N个发射天线，N≥1，形成发射天线阵列，各发射天线的中心为该发射天线最大横截面的中心，各发射天线的中心共同的几何中心构成发射天线阵列的中心，每个发射天线工作在不同的拓扑荷上，发射N个不同的涡旋电磁波；

(2)设立接收天线步骤：在接收端设立M个能够接收平面电磁波的接收天线，M≥1，各接收天线的构造相同，且天线方向图主瓣指向发射天线阵列的中心；

分别以每个发射天线的几何中心为原点，垂直于每个发射天线的波达方向的平面为参考面，参考面内通过原点且指北方向的轴为参考轴，在参考面内绕原点逆时针方向旋转角度为正，反之为负；

各接收天线的中心点为该接收天线最大横截面的中心，将每个接收天线的中心点分别投影到每个发射天线的参考面上，投影点和原点的连线与参考轴的夹角为方位角则各接收天线接收到的N个不同的涡旋电磁波表示为：

其中，S_n(t)表示第n个发射天线发射的平面电磁波，时间t≥0，为第m个接收天线相对于第n个发射天线的方位角，k_n为第n个发射天线工作的拓扑荷，1≤n≤N，为涡旋相位因子，exp()为指数函数，i为虚数单位；

为了使通信容量最大，各接收天线的方位角满足下述条件：

(3)获取信道矩阵步骤：

在发射端，N个发射天线均发送导频信号，在接收端，M个接收天线各自分别接收N个发射天线的导频信号，再通过信道估计方法，分别获取信道矩阵H：

上式中，h_n,m为第n个发射天线到第m个接收天线的平面电磁波信道冲击响应；

所述信道估计方法包括最小二乘估计方法、最小均方误差估计方法；

(4)发送数据步骤：

所述N个发射天线发射N个不同的涡旋电磁波，载有N个不同的数据；

(5)接收数据步骤：

各接收天线各自均接收N个发射天线所发射的信号，根据所获取的信道矩阵H，恢复数据。

2.如权利要求1所述的利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，其特征在于：

所述发送数据步骤中，对所述N个发射天线发射的N个不同的数据，采用空时编码，所述空时编码包括贝尔实验室垂直分层空时编码或者基于预编码的奇异值分解编码。

3.如权利要求1所述的利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，其特征在于：

所述接收数据步骤中，恢复数据使用信号检测算法，所述信号检测算法包括匹配滤波器检测算法、迫零检测算法和最小均方误差检测算法。