CN108282208A - Oam通信系统中均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道角动量OAM通信系统中均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法，主要解决现有通信系统中收发端圆阵未对准时不能获得信息高效传输的问题。其处理过程为：1)根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的发射向量，产生轨道角动量波束；2)判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列是否对准：若对准，则根据均匀圆形相控天线阵列的接收向量对接收的涡旋信号矢量进行处理，得到接收到的信号；当接收端发生偏转或偏移时，则使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵接收或发射和接收的波束进行处理，使收发端的圆形相控天线阵对准。本发明提高了信息传输的效率，且操作简单，可用于轨道角动量通信系统。

Description

OAM通信系统中均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法，可用于轨道角动量OAM通信系统。

背景技术

随着多媒体服务的爆炸式增长以及移动互联网应用的蓬勃发展，使容量需求与频谱资源短缺的矛盾日益突出。轨道角动量OAM作为一个新的传输维度，能够在同一频带同时传输多路信息，可以有效地解决频谱资源短缺的问题。在2012年，Bo Thidé等人在Tamburini F,ThidéB,Boaga V,et al.Experimental demonstration of free-spaceinformation transfer using phase modulated orbital angular momentum radio[J].Physics,2013.)文章中通过实验证明了这一技术的可行性并证实了OAM的确有很强的抗干扰性能，这为无线通信系统的容量提升提供了一个新的途径。

使用OAM通信的关键技术之一就是如何在无线频带上产生OAM波束，由于OAM波束的等相位面是螺旋形的，一般平面波的产生方法不能适用。现在研究最多的是使用均匀圆形相控天线阵列UCA产生涡旋电磁波，这种方法是由Bo Thidé教授在Thidé B,Then H,Sjholm J,et al.Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain[J].Physical Review Letters,2007,99(8):87-91.)文章中首先提出的，他认为均匀圆阵可以同时产生多路正交的具有不同模式数的涡旋电磁波。

然而，使用UCA产生OAM有一个致命的缺点，即发射端与接收端的UCA必须完全对准，也就是说，发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线要在同一直线上并且收发端圆阵面平行，当不满足这个条件时，系统性能会下降得非常迅速，见Xie,Guodong,Li,Long,Ren,Yongxiong,et al.Performance Metrics and Design Parameters for a Free-spaceCommunication Link Based on Multiplexing ofMultiple Orbital-Angular-MomentumBeams[J].Physics,2014:481-486.)。在实际应用场景中，由于很难保证收发端完全对准，因而信道容量会变得相当低，尤其是在远距离传输的情况下，导致信息传输无法高效地进行。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种OAM通信系统中均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法，在收发端没有完全对准的情况下，进行信息的高效传输。

实现本发明的技术思路是：假定某种具有代表性的收发阵未对准情景，对均匀圆形相控天线阵列UCA发送端的发送波束进行处理，以抑制性能的迅速下降，然后再将此波束成形方法推广到UCA阵未对准的一般情形，其实现方案包括如下：

(1)根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的发射向量f^H(l)，产生轨道角动量OAM波束x_t；

(2)判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列是否在同一直线上，即是否对准，如果对准，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；

(3)根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的接收向量f(l)，对接收的涡旋信号矢量y_r进行处理，得到接收到的信号y(l)；

(4)判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列的未对准情况：

如果是接收端发生偏转，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面不平行，则执行步骤(5)；

如果是接收端发生偏移，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面平行但发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上，则执行步骤(6)；

如果两种情况同时发生，则先执行步骤(5)后执行步骤(6)；

(5)使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵接收的波束y_r进行处理，得到新的等效信道矩阵h_eff(l)为：

h_eff(l)＝(f(l)⊙b)Xf^H(l)

其中，X为收发端不加任何处理时的信道矩阵，b为接收端的波束成形向量， q＝1,…,N′，N′为接收端天线阵元的个数，α为接收圆阵的偏转角，R_r为接收端圆阵的天线阵半径，λ为接收波束的波长，f^H(l)是对f(l)的共轭转置；

(6)使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵发射的发射波束x_t以及接收波束y_r进行处理，得到新的等效信道矩阵h′_eff(l)为：

h′_eff(l)＝(f(l)⊙b)X(c^T⊙f^H(l))

其中，c^T是对c的转置，c为发射端的波束成形向量，

n＝1,…,N，β为发送端均匀圆形相控天线阵的偏转角与接收端均匀圆形相控天线阵的偏转角，N为发射端天线阵元的个数，R_t为发射端天线阵的半径，λ为发射波束的波长。

本发明具有如下优点：

1.本发明提出了步骤(5)和步骤(6)里所述的新的等效信道矩阵，因而能够在接收端均匀圆形相控天线阵与发射端均匀圆形相控天线阵未对准的情况下校准传输波束，大大提升了信道容量，保证了信息的高效传输；

2.本发明提出的步骤(5)和步骤(6)的方法由于不需要改变接收端均匀圆形相控天线阵和发射端的均匀圆形相控天线阵的原始位置与结构，故具有易操作性和实用性。

附图说明

图1是本发明的实现流程示意图；

图2是本发明中收端和发端未对准时，接收端均匀圆形相控天线阵UCA发生偏转时的示意图；

图3是本发明中收端与发端未对准时，接收端均匀圆形相控天线阵UCA发生偏移时的示意图；

图4是采用本发明后信道容量的性能提升图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据均匀圆形相控天线阵的的发射向量f^H(l)，产生轨道角动量OAM波束x_t。

假设发射端均匀圆形相控天线阵上有N个阵元子，则相邻阵元子间的相位差为2πl/N，其中l为发射涡旋波的模式数；

假设激励信号为x(l)，天线阵对激励信号的处理可以看成是对激励信号进行IDFT变换，则使用均匀圆形相控天线阵产生的轨道角动量OAM波束x_t可以表示为：

其中，j表示虚数符号，f^H(l)表示对f(l)的共轭转置，T＝exp(-j2π/N)。

步骤2，根据接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列是否在同一直线上，判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列的对准性，且进行不同的操作。

判断对准性的方法有接收时间判断法、根据波束与圆阵的垂直性判断法，本发明采用但不限于接收时间判断法，其实现步骤如下：

2.1)测量接收端各个阵元接收信号的最大传输时间T_i和最小传输时间t_i，其中，i表示接收端的阵元编号，i＝1,…,N，N为接收端的天线阵个数；

2.2)判断所有的t_i，t_j，T_i，T_j的值，其中，i，j代表不同的阵元编号：

若存在t_i＝t_j且T_i＝T_j并能够在所有的时间集合t_i中找到唯一一个最小的t_min，表明接收端发生了偏转，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面不平行，则判断发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上，即接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列未对准，如图2所示，执行步骤4；

若所有的t_i＝t_j或者t_i＝T_j并且T_i≠T_j，表明接收端发生了偏移，则判断发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上，即接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列未对准，如图3所示，执行步骤5；

若所有的t_i＝t_j且T_i＝T_j，表明接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列在同一直线上，即接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列对准，执行步骤3。

步骤3，根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的接收向量f(l)，对接收的涡旋信号矢量y_r进行处理，得到接收到的信号y(l)。

在接收端采用与发射端相同的均匀圆形相控天线阵接收信号，它的作用相当于对接收到的信号进行DFT变换，将涡旋波变成平面波，通过下式进行：

其中，N′表示接收端均匀圆形相控天线阵的阵元个数，N′＝N，y(l)是经过UCA接收后得到的信息信号，y_r＝[y_r,1,y_r,2,…,y_r,N]^T是接收端接收到的涡旋信号矢量，T为转置符号。

步骤4，接收端发生偏转的校准方法。

使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵接收的波束y_r进行处理，即用接收向量f(l)加上接收端波束形成向量b的相位项，得到新的等效信道矩阵h_eff(l)为：

h_eff(l)＝(f(l)⊙b)Xf^H(l),

其中，X为收发端不加任何处理时的信道矩阵，⊙表示对相位进行叠加处理，b为接收端的波束形成向量，

其中，α为接收圆阵的偏转角，R_r为接收端圆阵的天线阵半径，λ为波束的波长，f^H(l)是对f(l)的共轭转置。

步骤5，接收端发生偏移的校准方法。

使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵发射的发射波束x_t以及接收波束y_r进行处理，即用接收向量f(l)加上接收端波束形成向量b的相位项，用发射向量f^H(l)加上发射端波束形成向量c^T的相位项，得到新的等效信道矩阵h_e′_ff(l)为：

h′_eff(l)＝(f(l)⊙b)X(c^T⊙f^H(l))

其中，c^T是对c的转置，c为发射端的波束形成向量，⊙表示对相位进行叠加处理，

其中，R_t为发射端天线阵的半径，β为发送端均匀圆形相控天线阵的偏转角与接收端均匀圆形相控天线阵的偏转角，β＝arctan(B/D)，B为接收端的偏移距离，D为传输距离。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

1.仿真条件：设定一个基于均匀圆形相控天线阵的轨道角动量OAM通信系统，收发端均为12根天线。假设系统发送信噪比为40dB；每一对发送与接收天线之间的信道模型均为自由空间信道；发送信号采用的模式数为1；接收端发生偏转时，偏转角α为2°；接收端发生偏移时，偏移距离B为50λ。

2.仿真内容：

使用以上仿真条件对使用本发明后的信道容量与使用本发明前的信道容量进行仿真分析，得到信道容量随传输距离变化的五条曲线，如图4所示。

五条变化曲线从上往下依次为收发端对准时的容量、当接收端发生偏转时使用本发明前的容量、当接收端发生偏转时使用本发明后的容量、当接收端发生偏移时使用本发明前的容量、当接收端发生偏移时使用本发明后的容量。

从图4中可以看出，当收发端未对准时，采用本发明后，信道容量得到了大幅度的提升，甚至可以达到收发端对准时的信道容量。

Claims (4)

1.OAM通信系统中均匀圆形相控天线阵列的波束校准方法，包括：

(1)根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的发射向量f^H(l)，产生轨道角动量OAM波束x_t；

(2)判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列是否在同一直线上，即是否对准，如果对准，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；

(3)根据均匀圆形相控天线阵列UCA阵的接收向量f(l)，对接收的涡旋信号矢量y_r进行处理，得到接收到的信号y(l)；

(4)判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列的未对准情况：

如果是接收端发生偏转，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面不平行，则执行步骤(5)；

如果是接收端发生偏移，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面平行但发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上，则执行步骤(6)；

如果两种情况同时发生，则先执行步骤(5)后执行步骤(6)；

(5)使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵接收的波束y_r进行处理，得到新的等效信道矩阵h_eff(l)为：

其中，X为收发端不加任何处理时的信道矩阵，b为接收端的波束形成向量，N为天线阵元的个数，α为接收圆阵的偏转角，R_r为接收端的天线阵半径，λ为接收波束的波长，f^H(l)是对f(l)的共轭转置；

(6)使用波束成形方法对均匀圆形相控天线阵UCA阵发射的发射波束x_t以及接收波束y_r进行处理，得到新的等效信道矩阵h_e′_ff(l)为：

其中，c^T是对c的转置，c为发射端的波束形成向量，

β为发送端均匀圆形相控天线阵的偏转角与接收端均匀圆形相控天线阵的偏转角，N为天线阵元的个数，R_t为发射端天线阵的半径，λ为发射波束的波长。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中所述的产生的轨道角动量OAM波束x_t表示为：

其中，N为发射端均匀圆形相控天线阵列的阵元个数，x(l)为激励信号，l为发射涡旋波的模式数，f^H(l)是对f(l)的共轭转置，

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中判断接收端均匀圆形相控天线阵列与发射端的均匀圆形相控天线阵列是否在同一直线上，其实现如下：

(2a)测量接收端各个阵元接收信号的最大传输时间T_i和最小传输时间t_i，其中，i表示接收端的阵元编号，i＝1,…,N，N为接收端的天线阵个数；

(2b)判断所有的t_i，t_j，T_i，T_j的值，其中，i，j代表不同的阵元编号：

若所有的t_i＝t_j或者t_i＝T_j并且T_i≠T_j，表明接收端发生了偏移，则判断发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上；

若存在t_i＝t_j且T_i＝T_j并能够在所有的时间集合t_i中找到唯一一个最小的t_min，表明接收端发生了偏转，即接收端均匀圆形相控天线阵面与发射端的均匀圆形相控天线阵面不平行，则判断发射端的圆阵垂线与接收端的圆阵垂线不在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中得到的接收到的信号y(l)，表示为：

其中，N为发射端均匀圆形相控天线阵列的阵元个数，y_r＝[y_r,1,y_r,2,y_r,i,…,y_r,N]^T是接收端接收到的涡旋信号矢量，y(l)是经过均匀圆形相控天线阵列接收后得到的信息信号。