CN107888321A - 一种基于oam的模分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OAM的模分多址接入方法，该方法包括将M(M≥1)路基带信号调制到相控阵列天线产生的携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波载波上，OAM模态由拉盖尔‑高斯波束表示，总的发送信号表达为接收端接收到的总信号为然后k(M≥K≥1)个终端接收到信号后，使用接收天线阵列，把自己所需要的第i路基带信号从中分解出来，得到第i路基带接收信号最后将采样量化处理后，得到量化基带接收信号T为码元间隔。该发明利用OAM波束的正交性以及其模态l的希尔伯特空间特性，提出以OAM模态作为新自由度的模分多址接入方案，该发明能够提高频谱利用率、增加设备连接数量，从而大幅度提升毫米波系统容量，满足未来海量数据的传输要求，应用前景巨大。

Description

一种基于OAM的模分多址接入方法

技术领域

本发明涉及毫米波系统中的多址接入方法，特别涉及一种基于OAM的模分多址接入 (MDMA)方法。

背景技术

随着移动数据业务需求的爆炸式增长，频谱资源以及频谱利用率正面临着巨大的挑战。 传统3GHz以下频谱资源的利用已趋近饱和，频谱利用率也已逼近香农容量极限，这已成为 网络容量提升的瓶颈。未来各种业务，例如超高清(4K，8K)视频业务的应用，将进一步增 加无线通信对频谱资源的需求，使得适合于无线通信服务的低频段频谱资源日渐稀缺；同时 随着物联网技术的发展，小区内或者室内连接设备数量将呈现指数式增长，使得连接设备数 量有限的传统无线通信技术已经无法满足人们的需求。这些问题成为制约移动通信发展的重 要因素。因此，如何实现高速率、大连接的多址接入技术已经成为一个亟待解决的问题。

采用高频段通信可以突破低频段可用频谱资源匮乏的瓶颈，满足未来移动数据业务的需 求。毫米波无线通信技术拥有带宽极宽、易小型化的优势，此外60GHz的毫米波还具有无需 授权使用的优势。因此，毫米波无线通信技术有望成为5G通信的关键技术之一，特别适合 多终端、大容量通信。

目前，现有的无线通信系统已经充分使用频率、时间、码型和空间等自由度资源作为多址 接入的方式，连接设备数量有限，不能满足万物互联的需求。同时无线通信系统容量以及频 谱效率也已经接近香农极限。为了进一步提升系统容量、频谱效率以及连接设备数量，满足 未来高速率、多终端的移动数据传输业务的需求，需要探索新的通信技术。轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)(附图1)作为描述电磁波螺旋相位结构的物理量，是传统自由度 之外的另一个自由度。1992年，Allen等人首次实验证实电磁波除了拥有线动量和自旋角动 量(Spin angular momentum，SAM)外，还具有的轨道角动量，其中l表示OAM模态。理 论上l可以取值从负无穷大到正无穷大，可以构成无穷维的希尔伯特空间(高维性)；同时具 有不同模式的OAM波束是相互正交的(正交性)。因此，利用OAM模态服务不同的终端， 理论上可同时实现无穷多个终端的互联互通。

目前，OAM模态已经在光通信中被深入研究，利用OAM模态复用技术可以实现超过160Tbit/s的通信速率和25.6bit/(s.Hz)的频带利用率。此外，无线电频段也被实验验证可以实 现OAM模态复用传输。毫米波由于其频率相比于无线电较高，具有类光性，因此光通信中 OAM模态复用技术可以应用到毫米波通信中并且更易小型化。同时由于毫米波的频率相比于 光波较低，所以毫米波不会受到散射、大气湍流等光波在传输中容易受到的影响因素的干扰。 因此OAM模态在毫米波频段具有干扰小、容量大和易集成等的优势，具有良好的应用前景。 国内外多个研究小组已经利用OAM模态在毫米波频段进行通信研究，实验实现了32Gbit/s 的总传输速率和16bit/(s.HZ)的频谱利用率。同时通过理论分析表明OAM模态在毫米波频段 适合于大容量的通信。因此，OAM模态在毫米波频段适合于多终端海量数据的传输。综上所 述，本发明可以很好地解决上述的问题。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种在毫米波系统中OAM的模分多 址接入方法，该方法应用于多种室内毫米波系统通信场景时可以提高频谱利用率、增加设备 连接数量，从而大幅度提升毫米波系统容量，满足未来海量数据的传输要求。该方法解决了 在移动数据业务爆炸式增长的情况下，移动数据传输存在的频谱资源短缺、频谱利用率低、 连接设备有限的问题。该方案包括将M(M≥1)路基带信号调制到相控阵列天线产生的携 带本征值为l_i的OAM模态的毫米波载波上，OAM模态由拉盖尔-高斯波束表示， 总的发送信号表达为信号传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的 遮挡和反射的干扰等影响，同时存在加性噪声的干扰，因此接收端接收到的总信号为 然后k(M≥K≥1)个终端接收到信号后，使用接收天线阵列，把自己所需要的第i路基带信号从中分解出来，得到第i路基带接收信号s_i'(t)；最后将s_i'(t) 采样量化处理后，得到量化基带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔。该方法利用OAM 波束的正交性以及其模态l的希尔伯特空间特性，提出以OAM模态作为新自由度的模分多址 接入方案，该方法能够提高频谱利用率、增加设备连接数量，从而大幅度提升毫米波系统容 量，满足未来海量数据的传输要求，应用前景巨大。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于OAM的模分多址接入方法，该 方法包括如下步骤：

步骤1：信号经过信号发生设备产生基带信号，然后通过相控阵列天线产生携带本征值 为l_i的OAM模态的毫米波作为载波对基带信号调制。

步骤2：调制信号经过OAM毫米波信道传输，传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的 遮挡和反射的干扰等影响，同时会有加性噪声的干扰，最终到达接收端。

步骤3：接收端接收到信号后，经过接收天线阵列，然后经过采样量化后将基带信号分 解出来。

进一步地，本发明上述步骤1中的第i路发送数据信号表示为x_i(k)，经过信号发生设备， 产生基带信号s_i(t)，通过相控阵列天线产生携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波作为载波对基带信号调制，得到OAM模态毫米波调制信号

进一步地，本发明通过OAM调制后的信号具有不同的OAM模态，不同模态值的信号理论上完全正交、互不影响。

进一步地，本发明上述步骤2包括：

(1)M路OAM模态毫米波调制信号的在信道中的总的发送信号表达为

上述符号解释：P表示发送功率，ω表示OAM模态毫米波的频率，表示OAM模态毫米波的初始相位，表示OAM模态毫米波信号 携带的本征值为l_i的OAM模态。

(2)OAM模态毫米波在传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的遮挡和反射的干扰等 影响，同时存在加性噪声的干扰，因此到达接收端的总信号为

上述符号解释：是信道的冲击响应，N是加性高斯白噪声，n_i是第i路信号受到 的加性高斯白噪声。

进一步地，本发明上述步骤3包括：

(1)各个终端接收到后，使用接收天线阵列，把所需要的第i路基带信号从 中分解出来，得到第i路基带接收信号

上述符号解释为：<·|·>表示内积。

(2)经过采样量化处理后，得到量化基带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔。

进一步地，本发明应用于大容量、多终端的毫米波通信系统。

有益效果：

1、本发明在毫米波频段的场景下，结合OAM技术的特点，实现一种新型的模分多址接 入技术(MDMA)，从而设计出一种新的毫米波系统中的多址接入方案，它能够实现多终端、 大容量的传输要求，从而提升毫米波频段数据传输的质量。

2、本发明可以有效提高毫米波频段的频谱利用率，增加设备连接数量，同时可以加大传 输距离，减少数据传输时信号间的干扰。

附图说明

图1为轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)示意图。

图2为本发明的毫米波系统中模分多址接入方案应用模型示意图。

图3为MDMA技术方案的原理图。

图4为相控阵列天线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，为轨道角动量的示意图。其表示的是OAM波束与传统电磁波波束的区别。

如图2所示，本发明所针对的毫米波系统是一个典型的室内智能网络系统示意图，室内 有多个终端A,B,C,D和一个信号收发装置E。收发装置E可以同时对各个用户发送大量的内 容(比如高清视频)，同时终端A,B,C,D可以上传内容给装置E，此外终端间也可以进行通 信，由于A和C间无障碍物，A和C可以直接进行视距通信。基于OAM的模分多址接入技 术方案，该技术方案包括如下步骤：

步骤一：在毫米波MDMA方案中，基站(终端)向K个终端发送M(M≥K≥1)路 数据，第i路发送的数据信号表示为x_i(k)，经过信号发生设备，产生基带信号s_i(t)，同时利 用相控阵天线阵列产生携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波作为载波，将基带信 号s_i(t)调制到载波上，得到OAM模态毫米波调制信号

步骤二：调制信号经过信道发送，由于共有M路OAM模态毫米波调制信号同时在信道 中传输，因此总的发送信号表达为

步骤三：OAM模态毫米波在传输过程中受到空气的衰减、障碍物的遮挡和反射的干扰等 影响，同时存在加性噪声的干扰，到达接收端的总信号为

步骤四：各个终端接收到后，使用接收天线阵列，把所需要的第i路基带信号 从中分解出来，得到第i路基带接收信号s_i'(t)，经过采样量化处理后，得到量化基 带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔。

如图3所示，在毫米波MDMA方案中，基站(终端)向K个终端发送M路数据， (M≥K≥1)，第i路发送数据信号表示为x_i(k)，经过信号发生设备，产生基带信号s_i(t)， 同时利用相控阵天线阵列产生携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波作为载波，将 基带信号s_i(t)调制到载波上，得到OAM模态毫米波调制信号

其中P表示发送功率，ω表示OAM模态毫米波的频率， 表示OAM模态毫米波的初始相位，表示OAM模态毫米波信号携带的本征值为l_i的 OAM模态。

如图4所示，本发明相控阵列天线产生OAM波束过程如下：

(1)相控天线阵阵因子有螺旋相位exp(-jlφ)。天线理论中，在电流源为阵元的环形相 控天线阵列，在电流源数量趋向于无穷多时阵因子为G＝K₁e^-jHφJ_H(kasinθ)，其中，k和a 分别表示波数和阵列半径，K₁是与阵因子有关的一个常数，H表示沿圆周绕一周后电流相位 的增量，是2π的H倍。令H＝t，则上式中e^-jHφ就化为exp(-jlφ)。这正是轨道角动量电磁波 所需要的相位因子。

(2)如图4所示，多个相似天线单元沿圆周放置，组成了典型相控天线阵。假设远场P 点到参考点o的距离是r，激励源是I_s＝Iexp(-jβ_n)，n表示序数，β是第n个激励源的相位。所以远区电场可以表示为：

φ_n表示第n个阵列单元的方位角你，a为阵列半径，N为阵元数目，可以看出阵因子是： 当N为无穷大时，上式可以写为f_a＝K₁e^-jHθJ_H(kasinθ)，此处，K1＝N，并且H＝β_n/φ_n，二者分别依赖于参考天线和天线电流关系的常数，假如电流相位满足：β_n＝lnΔφ，则H＝lnΔφ/nΔφ＝l，相位因子e^-jHθ可以写为e^-jlθ，其中，l表示模态，θ表示相位，所以最终可以得到

本发明采用拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)波束表示OAM模态，在圆柱坐标系中可 以表述为：

其中是归一化常数。ξ是描述强度分布的径向节点数目的序号，通常取ξ＝0。 是本征值为l_i的OAM模态的束腰半径。是广义拉盖尔多项式。exp(-jl_iφ)是本征值 为l_i的OAM模态的螺旋相位分布。

由于共有M路OAM模态毫米波调制信号同时在信道中传输，因此总的发送信号表达为

由于OAM模态毫米波在传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的遮挡和反射的干扰等 影响，同时存在加性噪声的干扰，因此到达接收端的总信号为

其中是信道的冲击响应，N是加性高斯白噪声，n_i是第i路信号受到的加性高斯 白噪声。这里假设携带本征值为l_i的OAM模态毫米波受到信道的影响是相同的。上式写成矩 阵形式为：

各个终端接收到后，使用接收天线阵列，把自身所需要的第i路基带信号从 中分解出来，得到第i路基带接收信号s_i'(t)，

其中<·|·>表示内积。

本发明接收天线阵列接收与检测过程如下：

对于OAM波束的接收和检测也可以通过阵列天线接收，接收原理是完整孔径的取样接 收。当复用OAM的路数较多时，就需要增加相应的天线单元。接收端的

输出为：

经过采样量化处理后，得到量化基带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔，写成矩 阵的形式：

其中x_i(k)＝s_i(t＝kT)为离散后的发送信号，表示采用 OAM模态为l_i的毫米波信号作为发送载波而接收到OAM模态为l_j时的广义信道冲击响应。

利用信号处理技术可以从上式中恢复出各路发送数据信号由于OAM模态的正交 性导致广义信道矩阵中的非对角线元素接近于0，因此所需要的信号处理算法复杂度很低。

Claims (6)

1.基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：信号经过信号发生设备产生基带信号，然后通过相控阵列天线产生携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波作为载波对基带信号调制；

步骤2：调制信号经过OAM毫米波信道传输，传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的遮挡和反射的干扰等影响，同时会有加性噪声的干扰，最终到达接收端；

步骤3：接收端接收到信号后，经过接收天线阵列，然后经过采样量化后将基带信号分解出来。

2.根据权利要求1所述的基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于：所述步骤1中的第i路发送数据信号表示为x_i(k)，经过信号发生设备，产生基带信号s_i(t)，通过相控阵列天线产生携带本征值为l_i的OAM模态的毫米波作为载波对基带信号调制，得到OAM模态毫米波调制信号

3.根据权利要求1或2所述的基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于：所述方法通过OAM调制后的信号具有不同的OAM模态，不同模态值的信号理论上完全正交、互不影响。

4.根据权利要求1所述的基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于：所述方法中的步骤2包括：

(1)M路OAM模态毫米波调制信号的在信道中的总的发送信号表达为其中P表示发送功率，ω表示OAM模态毫米波的频率，表示OAM模态毫米波的初始相位，表示OAM模态毫米波信号携带的本征值为l_i的OAM模态；

(2)到达接收端的总信号为：

其中是信道的冲击响应，N是加性高斯白噪声，n_i是第i路信号受到的加性高斯白噪声。

5.根据权利要求1所述的基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于：所述方法中的步骤3包括：

(1)各个终端接收到后，使用接收天线阵列，把所需要的第i路基带信号从中分解出来，得到第i路基带接收信号其中<·|·>表示内积；

(2)经过采样量化处理后，得到量化基带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔。

6.根据权利要求1所述的基于OAM的模分多址接入方法，其特征在于：所述方法应用于大容量、多终端的毫米波通信系统。