CN105932428B - 基于圆阵列嵌套电磁涡旋波mimo系统收发天线布局及涡旋信号分离方法与装置 - Google Patents

基于圆阵列嵌套电磁涡旋波mimo系统收发天线布局及涡旋信号分离方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于均匀圆阵列(UCA，Uniform Circle Array)分形嵌套涡旋电磁波MIMO系统天线阵元布局，即由半径为r0阵元数为M的UCA等间隔分布在半径为R的圆周上形成UCA分形嵌套结构，半径为r0的UCA互不重叠且任意两个半径为r0的UCA阵元间距不小于1/2载波波长；公开了涡旋电磁波MIMO信号并行分离方法，即采用本发明所述天线构成涡旋电磁MIMO系统，接收端天线阵元按半径为r0的UCA分组，并按组对阵元的响应做遍历通信双方约定的模态l极坐标正交变换，得去涡旋MIMO信号，再对其解MIMO获得系统谱效益；公开了涡旋电磁波MIMO信号分离方法的实现装置。

Description

基于圆阵列嵌套电磁涡旋波MIMO系统收发天线布局及涡旋信 号分离方法与装置
技术领域
本发明涉及一种面向MIMO的涡旋电磁波信号正交变换分离方法与装置，属于通信信号处理技术与雷达信号处理技术领域。
背景技术
随5G无线通信技术的快速发展，越来越多的诸如手机终端无线通信终端、车载无线监控终端等进了人们的日常生活，这些设备广泛使用(特别是在拥挤的城市)，使得有限的频谱资源显得更加紧张。与此同时，人们又不断追求无线通信向更高传输速率、更加可靠以及网络化方向发展，使得本已紧俏的可用频带承载更是雪上加霜。目前，从信号调制、功率控制、抗干扰以及多天线等技术多角度联合运用提升频带利用率已经走到了瓶颈阶段，必须寻找新技术突破增加现有无线通信信道的容量。2011年6月24日，瑞典科学家Bo Tide和意大利帕多瓦大学Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯验证了涡旋电磁波传输信息的能力，为人们打开了一扇无线通信技术发展的新大门。
涡旋电磁波无线通信技术的提出并不是Bo Tide等人凭空想象的，早在Tide演示系统出现的20余年前，物理学家就发现了涡旋光束。随科技技术的发展，2000年以后，涡旋光束传输与应用研究成为光学领域的一个研究热点，但是涡旋概念在Bo Tide等人之前并未引申到通信的微波波段。经典电动力学理论，涡旋电磁波是携带有轨道角动量(Orbitalangular momentum，OAM)的电磁波，不同的轨道角动量的涡旋电磁波具有不同的螺旋相位波前。利用相同频率而不同螺旋相位波前的电磁波可以同时在同一信道互不干扰传递，从而极大地增加信道的传输容量，Tide等人的研究成果一经报道，在世界范围内迅速掀起了涡旋电磁波数据传输的研究热潮。
2015年以来，随研究的深入，人们对载频在微波波段及其以下的涡旋电磁波的产生、传输特征掌握的越来越清晰，相继有文献报道了涡旋电磁波无线传输演示系统(截止2016年3月19日，报道的涡旋电磁波无线传输演示系统的距离约500米)，将涡旋电磁波与无线MIMO技术相结合，可同时获得涡旋波的谱效与MIMO的谱效，极大的扩展频带的容量。目前这方面的文献报道仅仅局限在系统增益效果的研究上，并未见涡旋电磁波在MIMO系统中如何快速实现多模态的分离方法的报道。
在微波波段以下，有关文献报道涡旋电磁波模态识别多借鉴了涡旋光束的干涉方法与相位梯度差检测方法。其中干涉方法在微波波段可以应用，但对于短波波段的涡旋电磁波而言，由于信号波长相对更长，干涉图样会更大，不便于存储与对比辨识。实践(或文献)证明：在单束涡旋光束通信中，涡旋信号的振幅、相位是不带调制信息的，否则会影响干涉图样清晰度，因此采用干涉法识别信号的涡旋电磁波通信系统，没有最大化利用涡旋电磁波的可用调制维度，且系统中含有多个模态(即拓扑核)涡旋波时，该分离方法的识别能力有限。可以预见：干涉方法分离涡旋电磁波的模态在涡旋电磁波MIMO通信系统中是不适用的。
相位梯度差法涡旋波模态检测分离是通过在远端涡旋波束中心轴的不同方位角布局两个或多个接收天线(或阵子)，根据这些天线(或阵子)采样样本估算涡旋电磁波的模态信息的，显然，使用这种方法的涡旋电磁波通信系统，其涡旋信号的振幅、相位是不能携带调制信息的，这一点与干涉方法相同。实践(或文献)也证明，由于无线涡旋电磁波空间传播易受各种因素的影响，相位梯度差法分离多模态混合涡旋电磁波模态信息能力有限，受采样天线布局、估算方法与量化计算等人为因素的影响，精度有限。因此，相位梯度差这类方法在涡旋电磁波MIMO通信系统中也不适用的。
也有文献报道涡旋波的模态检测采用逆向螺旋相位板法，该方法由反向的螺旋相位板将具有特定频率特定模态涡旋电磁恢复为平面波再按照平面波接收方法实现的。在涡旋电磁波MIMO通信系统中，空间具有多个模态的涡旋电磁波，且其载频有异有同，故而可知：逆向螺旋相位板这类方法在涡旋电磁波MIMO通信系统中是不适用。
本发明人(组)在2016年1月31日向我国国家专利局提交的《基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置》(申请号：201610077471.1)发明专利申请材料中，其中提出了基于空间正交变换的多模态涡旋并行分离方法是针对涡旋空间对称性提出的，对于涡旋电磁波MIMO系统，每一对半径r0的均匀圆阵列收、发天线不再满足该专利《基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置》中要求收发天线对齐且平行的条件，因此基于空间正交变换方法使用在涡旋电磁波MIMO通信系统进行模态分离是不合适的。
目前，尚未见文献报道一种多模态分离方法适用于涡旋电磁波MIMO系统，本发明人(组)结合空间信号处理原理、分形几何理论与MIMO通信技术等，从涡旋电磁波MIMO通信各种要求以及涡旋波信号收、发特点出发，首先提出了适用于面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列(Uniform Circular Array，UCA)嵌套结构布局结构，并从该天线的几何结构出发，结合最优阵列信号处理理论，对涡旋波MIMO系统的接收信号进行建模，在此基础上，又提出了模态l极坐标正交变换方法实现电磁涡旋波MIMO系统多模态分离方法，该方法可有效利用涡旋电磁波MIMO系统所有可用调制维度，最大化发挥涡旋电磁波增益与MIMO增益，为涡旋电磁波MIMO系统的研究与发展提供技术智力支持。
发明内容
本发明旨在解决涡旋电磁波MIMO系统多模态(拓扑核)涡旋电磁波的分离问题，最大化发挥涡旋电磁波的信道增益与MIMO信道增益。
下面的具体实施方式中描述了本发明的进一步特征和方面。
附图说明
图1为面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列(Uniform CircularArray，UCA)嵌套结构布局结构示意图。
图2为面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列UCA嵌套结构布局结构天线进行电磁涡旋波MIMO信号分离前的涡旋波信号接收建模分析示意图。
图3为使用面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列UCA嵌套结构布局天线实现电磁涡旋波MIMO信号分离结构示意图，图3中，(1)为面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列UCA嵌套结构布局结构天线，(2)为模态l极坐标正交变换器组，(3)为模态控制器，(4)为解MIMO单元，(5)为控制器。
具体实施方式
本发明所述为一种面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列(UniformCircular Array，UCA)嵌套结构布局结构的实现原理，并论述了在该原理指导下实现的两层UCA分形嵌套涡旋电磁波MIMO天线，并论述了使用两层UCA分形嵌套涡旋电磁波MIMO天线完成多模态MIMO涡旋信号接收与模态分离方法以及该分离方法的物理实现系统。
无线通信系统中，以UCA天线作为涡旋电磁波收/发(见“Generation of orbitalangular momentum(OAM)radio beams with phased patch array”，Qiang Bai，AlanTennant，Ben Allen，Masood Ur Rehman，Antennas and Propagation Conference(LAPC)，2013 Loughborough，PP410-413，以引用的方式将其公开在此)是可行的，结合涡旋电磁波空间结构以及非涡旋MIMO的基本原理，本发明人(组)提出了面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列(Uniform Circular Array，UCA)嵌套结构布局结构，如图1所示，它是由阵元数为M且阵元间隔为d的UCA的N个副本以D为间隔均匀分布在半径为R的圆周上形成几何嵌套布局，其中阵元数为M且阵元间隔为d的UCA的圆周半径为r0，且R＞＞r0、λ0为载频波长。
面向电磁涡旋波MIMO系统的电磁涡旋信号分离方法是：利用面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构布局结构天线(1)接收空间涡旋电磁波MIMO信号，根据面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构，可知处于半径为r0阵元数为M的一对收、发均匀圆阵列天线内的不同阵元对所对应的信道特性具有强相关特性(即近似一致性)，因此处于收、发嵌套天线上的一对半径为r0的均匀圆阵列天线，其不同的收、发阵元间对应的信道特性是相同的，本发明人(组)给出了接收信号的建模方法及其建模示意如图2所示。
同时本发明公开了用于面向电磁涡旋波MIMO系统的电磁涡旋信号分离装置，如图3所示。图3中，面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列UCA嵌套结构布局结构天线(1)的N个均匀圆阵列将采集到的空间MIMO信号通过射频总缆并行输出给模态l极坐标正交变换器组(2)，模态l极坐标正交变换器组(2)在模态控制器(3)控制下，对输入信号做极坐标正交变换器(即去模态分离)，并将分离后的非涡旋MIMO信号给解MIMO单元(4)；其中模态l极坐标正交变换器组(2)、模态控制器(3)与解MIMO单元(4)均在控制器(5)协调下工作。(a)下面将描述极坐标正交变换的涡旋电磁波MIMO信号模态分离方法的详细执行过程。通信双方采用的天线结构具有如图1所示的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构，处在半径为r0的圆周上的阵子按所在半径为r0的均匀圆阵列天线收、发涡旋电磁波(见“Generation of orbital angular momentum(OAM)radio beams with phased patcharray”，Qiang Bai，Alan Tennant，Ben Allen，Masood Ur Rehman，Antennas andPropagation Conference(LAPC)，2013 Loughborough，PP410-413，以引用的方式将其公开在此)，以发送天线的几何中心为坐标原点o建立o坐标系，将接收天线所在平面向发送天线所在平面投影并平移，使得二者重合(这一过程，可归为MIMO系统的信道函数)，如图2所示，图2中各个半径为r0的均匀圆阵列天线建立自己的on坐标系，其中n＝0，1，…，N-1；依照图2所示的on坐标系的坐标轴均于o坐标系的坐标轴平行；在满足上述条件下，涡旋电磁波MIMO接收天线第n个半径为r0的接收圆阵列的中心on的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(1)进行，
式(1)中l为涡旋电磁波的模态或拓扑核，涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度为信息相位为为上取整运算符，为下取整运算符，为MIMO发送天线中第nt个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心到MIMO接收天线第nr个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心的信道函数，θ为以on坐标系为参考的涡旋波方位角，为在投影重叠面上，发送天线的坐标系原点与接收天线的on坐标系原的点连线在坐标系下的方位角；
按照所述的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构，涡旋电磁波MIMO系统接收天线的第n个半径为r0的接收UCA的阵子收到的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(2)进行，
式(2)中，i＝0，1，…，M-1；且l为涡旋电磁波的模态，涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度为信息相位为为上取整运算符，为下取整运算符，为MIMO发送天线中第nt个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心到MIMO接收天线第nr个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心的信道函数，为在投影重叠面上，发送天线的坐标系原点与接收天线的on坐标系原的点连线在坐标系下的方位角；
对式(2)的sn(l，t)进行关于涡旋电磁波模态l的极坐标正交变换，可按式(3)进行，
由式(3)可从接收天线中第n个半径为r0的UCA分离出关于模态m的独立调制信号，m遍历通信双方约定的模态l的取值，n遍历接收天线数N，可以得到MIMO系统中每个发送天线上所有模态涡旋电磁波经独立信道传输后的去涡旋信号，对其按照普通平面波MIMO信号均衡解调，可以预期实现系统的频谱效益改善值最大为N×M，其中N是普通MIMO系统的复用效益，M是模态复用效益。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，做各种相应改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的均匀圆阵列(Uniform Circular Array，UCA)嵌套结构布局结构，其特征在于，收/发天线阵子布局结构由阵元数为M且阵元间隔为d的UCA的N个副本以D为间隔均匀分布在半径为R的圆周上形成几何嵌套布局，其中阵元数为M且阵元间隔为d的UCA的圆周半径为r0，且R＞＞r0、λ0为载频波长。
2.面向电磁涡旋波MIMO系统的电磁涡旋信号分离方法，其特征在于，采用如权利1要求所述的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构布局结构的特点，可知处于半径为r0阵元数为M的一对收、发均匀圆阵列天线内的不同阵元对所对应的信道特性具有强相关特性，接收端对半径为r0的一个均匀圆阵列天线的所有阵元的输出做关于模态l极坐标正交变换，得出一个关于模态l的解涡旋的MIMO信号，遍历通信约定的模态l取值与半径为r0的独立接收圆阵列天线，可实现多模态涡旋电磁波MIMO信号的分离；同时本发明公开了基于均匀圆阵列嵌套涡旋电磁波MIMO信号分离方法的实现装置，
所述电磁涡旋波MIMO信号多模态分离方法包括如下步骤：
(a)通信双方采用的天线结构具有如权利要求1所述的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构，半径为r0的圆周上的天线阵子按所在半径为r0的UCA天线收/发涡旋电磁波；若以发送天线的几何中心为坐标原点o建立o坐标系，并在各个半径为r0的均匀圆阵列天线建立自己的on坐标系，其中n＝0，1，…，N-1；且on坐标系的坐标轴分别于o坐标系的坐标轴平行；同时，将接收天线阵子所在平面向发送天线阵子所在平面投影，二者重合；在满足上述条件下，涡旋电磁波MIMO接收天线第n个半径为r0的接收圆阵列的中心on的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(1)进行，
式(1)中l为涡旋电磁波的模态或拓扑核，涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度为信息相位为为上取整运算符，为下取整运算符，为MIMO发送天线中第nt个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心到MIMO接收天线第nr个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心的信道函数，θ为以on坐标系为参考的涡旋波方位角，为在投影重叠面上，发送天线的坐标系原点与接收天线的on坐标系原的点连线在坐标系下的方位角；
(b)按照权利要求1所述的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构，涡旋电磁波MIMO系统接收天线的第n个半径为r0的接收UCA的阵子收到的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(2)进行，
式(2)中，i＝0，1，…，M-1；且l为涡旋电磁波的模态，涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度为信息相位为为上取整运算符，为下取整运算符，为MIMO发送天线中第nt个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心到MIMO接收天线第nr个半径为r0的均匀圆阵列天线的中心的信道函数，为在投影重叠面上，发送天线的坐标系原点与接收天线的on坐标系原的点连线在坐标系下的方位角；
(c)对式(2)的sn(l，t)进行关于涡旋电磁波模态l的极坐标正交变换，可按式(3)进行，
由式(3)可从接收天线中第n个半径为r0的UCA分离出关于模态m的独立调制信号，m遍历通信双方约定的模态l的取值，n遍历接收天线数N，可以得到MIMO系统中每个发送天线上所有模态涡旋电磁波经独立信道传输后的去涡旋信号，对其按照普通平面波MIMO信号均衡解调，可以预期实现系统的频谱效益改善值最大为N×M，其中N是普通MIMO系统的复用效益，M是模态复用效益。
3.用于面向电磁涡旋波MIMO系统的电磁涡旋信号分离装置，其特征在于：利用如权利要求1所述的面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构；电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的每一个半径为r0的UCA的所有阵子响应输出到对应的极坐标正交变换器，由对应极坐标正交变换器在模态控制器的控制下对输入信号做关于模态l的极坐标正交变换，并将变换结果输出给解MIMO单元。
4.根据权利要求3所述的用于面向电磁涡旋波MIMO系统的电磁涡旋信号分离装置，还包括：面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构布局结构天线(1)，极坐标正交变换器组(2)，模态控制器(3)，解MIMO单元(4)，控制器(5)；面向电磁涡旋波MIMO系统收/发天线的UCA嵌套结构布局结构天线(1)将接收信号以局部均匀圆阵列分组，并将分组后的信号按序号送到极坐标正交变换器组(2)的相应序号的极坐标正交变换器输入端，极坐标正交变换器组(2)输出信号按序存贮到解MIMO单元(4)中；极坐标正交变换器组(2)、模态控制器(3)与解MIMO单元(4)均在控制器(5)协调下工作，同时极坐标正交变换器组(2)也受模态控制器(3)控制。
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