CN106209183A - 面向同心圆（或同轴圆台）涡旋电磁波mimo系统天线阵元布局及涡旋波分离方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列涡旋电磁波MIMO系统天线布局结构，该结构将多个阵元间隔为λ/2的均匀圆阵列天线按照同心圆或同轴嵌套而成；公开了适用于本发明所述天线的多模态涡旋电磁波MIMO信号分离方法，即取各层阵列0号阵元的响应进行信道估计，再依估计所得信道与天线的逐层阵元的响应进行解MIMO，从解MIMO矩阵中取该层对应的行矢量，对该行矢量进行模态分离可获得该层对应天线传播的多模态涡旋信号携带的独立调制信息，遍历接收天线所有层可获本发明所述天线的MIMO增益与模态复用增益；同时，公开了基于同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列涡旋电磁波MIMO信号分离方法与实现装置。

Description

面向同心圆(或同轴圆台)涡旋电磁波MIMO系统天线阵元布局 及涡旋波分离方法与装置

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

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1992年物理学家就发现了涡旋光束。目前文献报道基于涡旋光束的信息传输成果十分喜人。

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，打开了基于涡旋电磁波的无线通信技术演技的大门。

按照经典电动力学理论，涡旋电磁波是由波的轨道角动量(Orbital angularmomentum，OAM)对波前产生螺旋形扭曲形成的。按照量子力学理论，电磁波的螺旋相位波前结构与其模态(又称拓扑核)有关，理论上涡旋电磁波的模态可以为任何数，但是对于小数模态涡旋波可按照数学方法将其展开为无穷项整数模态信号之和，为此通信系统中就以整数模态用之。

目前有关无线射频涡旋电磁波通信技术研究的主要成果主要集中在多模态涡旋电磁波的产生、多模态涡旋电磁通信系统容量分析与涡旋电磁波模态接收分离等几个方面。

无线射频领域，基于多模态涡旋电磁波模态分离方法的研究成果多借鉴了涡旋光束的分离方法，即干涉方法与相位梯度差检测方法。有无射频信号的波长较大，基于干涉方法的全息图方法所产生的干涉图样会很大，不便于系统的存储与辨识，实践(或文献)证明：基于干涉方法对单模态恒定振幅涡旋电磁波分离可用，但是对具有振幅、相位与模态复用三维调制的涡旋电磁波信号的识别无能为力。

基于相位梯度方法也不能从某一模态涡旋电磁信号中提取对应幅度、相位信息，因此基于该方法的涡旋电磁波通信系统中所使用的涡旋电磁波信号的幅度与相位是不携带独立调制信息的。也有文献报道采用逆向螺旋相位板识别涡旋电波模态的方法，该方法对特定频率、特定模态涡旋电磁是可行的。对于多模态涡旋电磁波MIMO信号其缺陷是显然的。

本发明人(组)申请的国家发明专利《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》(申请号：201610207419.3)中提出了基于圆阵列分形嵌套天线阵元布局结构，并以此为基础构成多模态涡旋电磁波MIMO系统，其天线物理尺寸将随信号载频降低变的很大，对以此为收发天线的无线通信系统而言也不利于其移动与使用维护。

目前，尚未见文献报道共形(即同心圆或同轴圆台)天线的多模态涡旋电磁波MIMO系统，研究共形天线的多模态涡旋电磁波MIMO系统收发天线阵元布局及其产生与接收多模态涡旋电磁波MIMO信号的方法具有理论意义与现实意义。

本发明人(组)结合空间信号处理原理、分形几何理论与MIMO通信信号处理理论，从涡旋电磁波信号空间传播特点出发，提出了均匀圆阵列同心(或同轴圆台)布局结构，并以此为基础，构建了多模态涡旋波MIMO信号，提出了基于同心圆(或同轴圆台)天线的多模态涡旋电磁波MIMO信号接收分离方法，可有效发挥同心圆(或同轴圆台)天线产生的多模态涡旋电磁波MIMO信号的可用调制维度。

发明内容

本发明旨在解决共形(即同心圆或同轴圆台)的多模态涡旋电磁波信号产生与接收分离问题，最大化发挥涡旋电磁波的信息承载能力。

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为本发明所述均匀同心圆(或同心圆台)均匀圆阵列嵌套结构的多模态涡旋电磁波MIMO系统天线阵元布局结构示意图。

图2为采用本发明所述同心圆(或同心圆台)均匀圆阵列结构天线进行多模态涡旋电磁波MIMO信号接收与分离示意图，图2中，1.同心圆(或同心圆台)均匀圆阵列结构涡旋电磁波MIMO天线，2.信道估计器，3.解MIMO器，4.模态分离器，5.控制器。

图3为本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO系统分离方法流程示意图。

具体实施方式

本发明所述为面向多模态涡旋电磁波MIMO系统的一种同心圆(或同心圆台)均匀圆阵列阵元布局结构与多模态涡旋电磁波MIMO信号分离方法及实现装置。

无线通信系统的双方均采用本发明所述的相同参数同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线(①均匀圆阵列天线收发涡旋电磁波见“B.Thidé，H.Then，J.et al，Utlilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radiodomain，Phys.Rev.Lett.，vol.99，no.8，p.087701，Aug.22，2007”，②均匀圆台列天线见“何明，吕明，圆台阵列天线方向性能分析，大众科技，2009年第5期，PP59-61”，以引用的方式在此公开)，通信双方使用的通信系统均工作在多模态涡旋电磁波MIMO状态。

本发明所述面向同心圆(或同轴圆台)涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构如图1所示，多模态涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构具有N层同心圆(或同轴圆台) 均匀圆阵列天线嵌套结构，各层均匀圆阵列天线的阵元数量不同，但是各层均匀圆阵列天线其圆周上的阵元间隔d均满足(λ₀为MIMO信号载频波长)，而相邻两层均匀圆阵列天线的阵元间隔最小值D满足

在理想视距场景下，通信双方使用相同参数的同心圆(或同轴圆台)天线收、发多模态涡旋电磁波MIMO信号，面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统的涡旋信号分离方法流程如图3所示，首先接收端从接收天线各层阵列中取其0号阵元的响应构成接收信号矢量，并以该接收信号矢量为参考进行多模态涡旋电磁波信号空间传播信道估计，其次以估计所得的信道函数为基础，对接收天线各层阵元响应进行解MIMO处理，获得对应层天线对应的非MIMO涡旋信号，最后对非MIMO涡旋信号进行空间正交变换多模态分离，获得发送端对应层天线发送的多模态涡旋信号携带的独立调制信息，遍历处理接收天线的各层，即可获取本发明所述同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线构成的涡旋电磁波MIMO信号携带的所有调制信息；

同时本发明公开了基于同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线的多模态涡旋电磁波MIMO信号的分离实现装置，如图2所示。图2中面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统涡旋信号分离系统包括：同心圆(或同轴圆台)结构天线1，信道参数估计器2，解MIMO器3，模态分离器4，控制器5；同心圆(或同轴圆台)结构天线1的输出端连接解MIMO器3的信号输入端，MIMO器3的输出端连接模态分离器4；模态分离器4的输出端为调制信息，同心圆(或同轴圆台)结构天线1不同半径均匀圆阵列天线的0号阵元的输出端连接信道参数估计器2的输入端，信道参数估计器2的输出端连接解MIMO器3的信道参数输入端，并且系统中的信道参数估计器2、解MIMO器3与模态分离器4在控制器5的协同下工作。

下面将描述多模态涡旋电磁波MIMO信号模态分离方法的详细执行过程。所述电磁涡旋波MIMO信号多模态分离方法包括如下步骤：

(a)以本发明所述天线的几何中心(或几何轴)建立参考系，记为XOY，同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线共有N层(各层分别对应一个均匀圆阵列天线)，不失一般性，将本发明所述天线的由内层到外层均匀圆阵列天线依次记为UCA_i(i＝0，1，…，N-1)，其阵元数依次记为M_i，则由UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号记为S_i(t)，可按式(1)进行，

式(1)中(t)为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i(l_i＝0，1，…M_i-1)模态涡旋电磁波携带的振幅信息，为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波携带的相位信息，θ为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波绕其传播轴的方位角；

(b)通信双方采用本发明所述天线，且工作在多模态涡旋电磁波MIMO体制下，且收发天线对齐，发端UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号S_i(t)经信道后传递到接收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})，不失一般性设UCA_i到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})信道仅为一条传播路径，根据本发明所述天线阵元布局特点，信号从UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})的不同阵元传播信道近似一致，记为h_ki(r)(r为信号传播路径距)，有，

接收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})接收的空间传播的涡旋电磁波MIMO信号为y_k(r，t)，可按式(3)进行，

$\stackrel{\→}{y}(r,t)=\stackrel{\→}{h}\left(r\right)\stackrel{\→}{s}\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(3\right)$

式(3)中为列矢量，为列矢量，，n(t)为高斯噪声；

(c)接收端UCA_k的不同阵元响应为取UCA_k(k＝0，1，…，N-1)的0号阵元响应构成并按式(4)计算其相关矩阵，有，

式(4)中，[·]^H为复共轭转置运算；

(d)利用式(4)中估计本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信道函数(MIMO信道估计方法参见“李化，MIMO信道模型及信道估计技术研究[D]，太原理工大学，2011(3)”，以引用的方式公开在此)，估计出的信道函数为有，

；

(e)由式(5)估计所得的对式(3)解MIMO处理，其流程如图3所示，解MIMO处理步骤如下：

(1)k＝0；

(2)接收天线UCA_k有M_k个阵元，其m(m＝0，1，…，M_k-1)号阵元接收的空间多模态涡旋电磁波MIMO信号为用矩阵形式表达有，

式(6)中是按照UCA_k的阵元空间布局方位角的信号，对式(6)两边同左乘以的广义逆，有，

(3)对接收UCA_k而言，是UCA_k物理阵元对应的解MIMO多模态涡旋电磁波信号，从式(7)等号左边的矩阵的k行，有，

${\stackrel{\→}{s}}_k\left(t\right)=\[\begin{array}{cccc}{s}_k^{\left(0\right)}\left(t\right)& s_k^{\left(1\right)}\left(t\right)& \mathrm{...}& s_k^{(M_k-1)}\left(t\right)\end{array}\]---\left(8\right)$

式(8)中为行矢量；

(4)k＝k+1；

(5)k＝N？，否，转步骤(2)，是，结束；

(f)对步骤(e)计算所得的进行空间正交变换(见本发明人(组)申请的国家发明专利“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”(申请号：201610077471.1)，以引用的方式将其公开在此)，有

式(9)中l_k＝0，1，…M_k-1，k＝0，1，…，N-1，即为UCA_k的模态l_k涡旋电磁波携带的独立调制信息；采用本发明所述天线与多模态涡旋电波MIMO信号分离方法预期实现系统的频谱效益改善值最大为其中N为普通(或经典)MIMO系统的复用效益，M_k为模态复用效益。

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.面向同心圆(或同轴圆台)涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构，其特征在于，涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构具有同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线嵌套结构，它是由不同阵元数量的均匀圆阵列天线按照同心圆(或同轴圆台)嵌套而成，该天线相同圆周上的阵元间隔d满足(λ₀为MIMO信号载频波长)，而相邻圆周上的阵元间隔D满足

2.面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统的涡旋信号分离方法，其特征在于，理想视距场景下，通信双方使用相同参数的同心圆(或同轴圆台)天线收、发多模态涡旋电磁波MIMO信号，不失一般性，设通信双方使用的同心圆(或同轴圆台)天线有N层，天线阵元采集空间传播的涡旋电磁波MIMO信号并按照阵元所在的均匀圆阵列分组，首先取各组0号阵元响应进行信道估计，其次按照估计所得信道，对各层阵元响应解MIMO并对解MIMO结果在该层可用模态范围内进行多模态分离，以获取发端对应层天线发送的多模态涡旋电磁波携带的独立调制信息，遍历处理接收天线的所有层，即可获本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信号携带的所有信息；同时本发明公开了基于同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线的涡旋波MIMO信号分离方法与实现装置。

所述电磁涡旋波MIMO信号多模态分离方法包括如下步骤：

(a)以本发明所述天线的几何中心(或几何轴)建立参考系，记为XOY，同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线共有N层(各层分别对应一个均匀圆阵列天线)，不失一般性，将本发明所述天线的由内层到外层均匀圆阵列天线依次记为UCA_i(i＝0，1，…，N-1)，其阵元数依次记为M_i，则由UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号记为s_i(t)，可按式(1)进行，

式(1)中为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i(l_i＝0，1，…M_i-1)模态涡旋电磁波携带的振幅信息，为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波携带的相位信息，θ为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波绕其传播轴的方位角；

(b)通信双方采用本发明所述天线，且工作在多模态涡旋电磁波MIMO体制下，且收发天线对齐，发端UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号s_i(t)经信道后传递到接 收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})，不失一般性设UCA_i到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})信道仅为一条传播路径，根据本发明所述天线阵元布局特点，信号从UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})的不同阵元传播信道近似一致，记为h_k，i(r)(r为信号传播路径距)，有，

接收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})接收的空间传播的涡旋电磁波MIMO信号为y_k(r，t)，可按式(3)进行，

式(3)中为列矢量，为列矢量，，n(t)为高斯噪声；

(c)接收端UCA_k的不同阵元响应为取UCA_k(k＝0，1，…，N-1)的0号阵元响应构成并按式(4)计算其相关矩阵，有，

式(4)中，[·]^H为复共轭转置运算；

(d)利用式(4)中估计本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信道函数(MIMO信道估计方法参见“李化，MIMO信道模型及信道估计技术研究[D]，太原理工大学，2011(3)”，以引用的方式公开在此)，估计出的信道函数为有，

(e)由式(5)估计所得的对式(3)解MIMO处理，具体解MIMO处理步骤如下：

(1)k＝0；

(2)接收天线UCA_k有M_k个阵元，其m(m＝0，1，…，M_k-1)号阵元接收的空间多模态涡旋电磁波MIMO信号为用矩阵形式表达有，

式(6)中是按照UCA_k的阵元空间布局方位角的信号，对式(6)两边同左乘以的广义逆，有，

(3)对接收UCA_k而言，是UCA_k物理阵元对应的解MIMO多模态涡旋电磁波信号，从式(7)等号左边的矩阵的k行，有，

式(8)中为行矢量；

(4)k＝k+1；

(5)k＝N？，否，转步骤(2)，是，结束；

(f)对步骤(e)计算所得的进行空间正交变换(见本发明人(组)申请的国家发明专利“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”(申请号：201610077471.1)，以引用的方式将其公开在此)，有

式(9)中l_k＝0，1，…M_k-1，k＝0，1，…，N-1，即为UCA_k的模态l_k涡旋电磁波携带的独立调制信息。

3.根据权利要求2所述的用于面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统涡旋信号接收分离装置，其特征在于：接收端从本发明所述天线的不同半径均匀圆阵列天线上取0号阵元的响应构成接收信号矢量，并以此为基础进行信道估计，再根据估计所得信道函数，接收端逐层对阵元的接收信号解MIMO处理，并取出该层阵元对应的非MIMO涡旋信号，并对其在可用模态范围内进行空间正交变换模态分离，可获得发端对应层天线发送的多模态涡旋电磁波信号携带的独立调制信息，接收端遍历处理接收天线的所有层，即可获得本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信号携带的所有信息。

4.根据权利要求3所述，用于面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统涡旋信号接收分离系统，还包括：同心圆(或同轴圆台)结构天线1，信道参数估计器2，解MIMO器3，模态分离器4，控制器5；同心圆(或同轴圆台)结构天线1的输出端连接解MIMO器3的信号输入端，MIMO器3的输出端连接模态分离器4；模态分离器4的输出端为调制信息，同心圆(或同轴圆台)结构天线1不同半径均匀圆阵列天线的0号阵元的输出端连接信道参数估计器2的输入端，信道参数估计器2的输出端连接解MIMO器3的信道参数输入端，并且系统中的信道参数估计器2、解MIMO器3与模态分离器4在控制器5的协同下工作。