CN109286469A - 基于同轴天线阵列uca的涡旋电磁波的最大似然检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法，涉及无线通讯技术领域，通过利用对h_mn进行求解，根据公式W^*HW＝Λ，对h_mn构成的信道矩阵H进行对角化，设定y＝Hx+z，根据公式W*y＝W*HWs+W*z＝Λs+W*z对接收信号进行处理，对信息符号矢量s进行估计，实现了基于同轴天线阵列UCA涡旋电磁波的快速最大似然检测，解决了现有技术存在的不能快速及有效地对基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波进行最大似然检测的缺陷。

Description

基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，具体涉及一种基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法。

背景技术

在过去二十几年中，具有均匀线性阵列的多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)无线通信体系结构已被广泛研究。在一些文献中已经针对上述系统提出了许多有效的调制和解调方案，比如贝尔实验室提出的分层空时编码方案与空时块编码方案，解调方案一般包括线性接收机、串行干扰消除接收机和最大似然接收机。虽然线性接收机和串行干扰消除接收机通常比最大似然接收机快得多，但是它们的性能与最大似然接收机相比较是差的。为了实现快速的最大似然接收，通常需要在多个时隙中配备正交空时块编码，但是这会降低复用增益，所以需设计其他更优方案来解决该问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明实施例提出了一种基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法，该方法包括：

利用公式求解h_mn，其中，h_mn为发射UCA面板上的第n个天线阵元到接收UCA面板上的第m个天线阵元的信道增益，β为常数，λ为涡旋电磁波的波长，d_mn表示接收UCA面板上的第m个天线阵元到发射UCA面板上第n个天线阵元的距离，1≤m≤M，1≤n≤N，M为接收UCA面板上天线阵元的个数，N为发射UCA面板上天线阵元的个数，M＝N，包括：

根据公式

及

得

其中，α_mn为发射UCA面板上第n个天线阵元在接收UCA面板上的投影与接收UCA面板上第m个天线阵元之间的夹角，且

θ、分别表示发射UCA面板与接收UCA面板上的第一个天线阵元与X轴之间的夹角，其中，表示发射UCA面板上第n个天线阵元的方位角，表示接收UCA面板上第m个天线阵元的方位角，表示发射UCA面板上的第n个天线阵元在接收UCA面板上的投影与接收UCA面板上的第m个天线阵元的距离；

根据公式W^*HW＝Λ，对h_mn构成的信道矩阵H进行对角化，得Λ＝diag(H₁₁,H₁₂,...,H_1N)，其中，W为具有元素的N×N傅立叶反变换矩阵，l≥1,n≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}是信道矩阵H的第一行数据{h₁₁,h₁₂,...,h_1n}傅里叶变换后的数据且1≤k≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}的方差为σ²且

设定y＝Hx+z，其中，y为接收UCA收到的信号，y＝[y₁,...,y_m,...,y_M]^T,z＝[z₁,...,z_m,...,z_M]^T,x＝Ws，s表示待发送信息符号的矢量且s＝[s₁,s₂,...,s_n]^T，y_m和z_m分别表示接收UCA第m个天线单元的接收信号和噪声，根据公式

W*y＝W*HWs+W*z＝Λs+W*z对接收信号进行处理；

根据公式

得到完成对信息符号矢量s的估计，其中，Ω为信号矢量s的星座图。

本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法所产生的有益效果如下：

实现了基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的快速最大似然检测。

附图说明

图1是基于LOS MIMO无线通信的系统模型示意图；

图2是本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法的信道增益的方差仿真图；

图4是本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法的相邻天线距离仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍

近年来，研究表明UCA可在可视场景下(Line of Sight，LOS)进行无线通信。由于天线阵元均匀地放置在圆周的周围，当发送UCA和接收UCA对准时，信道矩阵是循环矩阵。当信道矩阵是循环矩阵时，可以通过傅里叶变换实现其对角化，利用这一特性，可以快速、有效地对基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波进行最大似然检测。

参照图1，发射UCA面板和接收UCA面板的天线阵元均匀地围绕圆周排列。在该模型中，发射UCA面板和接收UCA面板的圆心是共轴的并且所在平面彼此平行。其中，r和R分别是发射端UCA和接收端UCA的圆平面的半径，d表示发射端UCA和接收端UCA这两个圆平面圆心的距离，d_mn表示接收UCA面板上第m个天线阵元与发射UCA面板上第n个天线阵元的距离，表示发射UCA面板上两个相邻天线阵元的距离，表示发射UCA面板上的第n个天线阵元在接收UCA所在平面上的投影与接收UCA面板上的第m个天线阵元的距离，θ和φ分别表示第一个天线阵元与发射UCA和接收UCA相对应的零弧度之间的夹角，发射UCA面板和接收UCA面板上分别有N个、M个天线阵元。在该系统中，发射UCA面板上的各个天线阵元的输入信号相同，但他们具有不同的相位因子，不同于传统基于LOS MIMO的无线通信系统，该系统的天线是用不同的信号馈电的。

参照图2，本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法包括以下步骤：

101，利用求解h_mn，其中，h_mn为发射UCA面板上的第n个天线阵元到接收UCA面板上的第m个天线阵元的信道增益，β为常数，λ为涡旋电磁波的波长，d_mn表示接收UCA面板上的第m个天线阵元与发射UCA面板上第n个天线阵元的距离，1≤m≤M，1≤n≤N，M为接收UCA面板上天线阵元的个数，N为发射UCA面板上天线阵元的个数，M＝N，包括：

根据公式

及

得

其中，α_mn为发射UCA面板上的第n个天线阵元在接收UCA所在平面上的投影与接收UCA上的第m个天线阵列之间的夹角，且

θ、分别表示发射UCA面板和接收UCA面板上的第一个天线阵元与X轴之间的夹角，表示发射UCA面板上第n个天线阵元的方位角，表示接收UCA面板上第m个天线阵元的方位角，表示发射UCA面板上的第n个天线阵元在接收UCA面板所在平面上的投影与接收UCA面板上的第m个天线阵元的之间的距离；

102，根据公式W^*HW＝Λ，对h_mn构成的信道矩阵H进行对角化，得Λ＝diag(H₁₁,H₁₂,...,H_1N)，其中，W为具有元素的N×N傅立叶反变换矩阵，l≥1,n≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}是信道矩阵H的第一行数据{h₁₁,h₁₂,...,h_1n}傅里叶变换后的数据且1≤k≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}的方差为σ²且

103，设定y＝Hx+z，其中，y为接收UCA收到的信号，y＝[y₁,...,y_m,...,y_M]^T,z＝[z₁,...,z_m,...,z_M]^T,x＝Ws，S表示待发送信息符号的矢量且s＝[s₁,s₂,...,s_n]^T，y_m和z_m分别表示接收UCA第m个天线单元的接收信号和噪声，根据公式

W*y＝W*HWs+W*z＝Λs+W*z对接收信号进行处理；

104，根据公式

得到完成对信息符号矢量s的估计，其中，Ω为信号矢量s的星座图。

在传统的LOS MIMO系统中，每个天线发射一个信息符号，相对应的传统的最大然检测(ML)方法如下式：

通过式(1)及(2)的比较，可以得出在复杂度分析上基于符号的快速最大似然检测(ML)明显优于传统最大似然检测(ML)，如表1，

表1

参照图3，在N的取值不同的情况下，序列{|H_1,1|,|H_1,2|,...,|H_1,N|}的方差随半径R的增加而减小，这是因为两个相邻天线阵元之间的距离随着半径的增加而增加。

参照图4，图4描述了当σ²＜0.01时的两个相邻天线阵元之间波长归一化距离，即可以看出在σ²＜0.01的情况下，随着R的增加，天线的最大数量增加。当R大于2λ时，约为1.7λ，对应于σ²＜0.01的最优N。

本发明实施例提供的基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法，通过利用对h_mn进行求解，根据公式W^*HW＝Λ，对h_mn构成的信道矩阵H进行对角化，设定y＝Hx+z，根据公式W*y＝W*HWs+W*z＝Λs+W*z对接收信号进行处理，对信息符号矢量s进行估计，实现了基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的快速最大似然检测。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种基于同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的最大似然检测方法，其特征在于，包括：

利用公式求解h_mn，其中，h_mn为发射UCA面板上的第n个天线阵元到接收UCA面板上的第m个天线阵元的信道增益，β为常数，λ为涡旋电磁波的波长，d_mn表示接收UCA面板上的第m个天线阵元到发射UCA面板上第n个天线阵元的距离，1≤m≤M，1≤n≤N，M为接收UCA面板上天线阵元的个数，N为发射UCA面板上天线阵元的个数，M＝N，包括：

根据公式

及

得

其中，α_mn为发射UCA面板上第n个天线阵元在接收UCA面板上的投影与接收UCA面板上第m个天线阵元之间的夹角，且

θ、分别表示发射UCA面板与接收UCA面板上的第一个天线阵元与X轴之间的夹角，其中，表示发射UCA面板上第n个天线阵元的方位角，表示接收UCA面板上第m个天线阵元的方位角，表示发射UCA面板上的第n个天线阵元在接收UCA面板上的投影与接收UCA面板上的第m个天线阵元的距离；

根据公式W^*HW＝Λ，对h_mn构成的信道矩阵H进行对角化，得Λ＝diag(H₁₁,H₁₂,...,H_1N)，其中，W为具有元素的N×N傅立叶反变换矩阵，l≥1,n≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}是信道矩阵H的第一行数据{h₁₁,h₁₂,...,h_1n}傅里叶变换后的数据且1≤k≤N，序列{H₁₁,H₁₂,...,H_1N}的方差为σ²且

设定y＝Hx+z，其中，y为接收UCA收到的信号，y＝[y₁,...,y_m,...,y_M]^T,z＝[z₁,...,z_m,...,z_M]^T,x＝Ws，s表示待发送信息符号的矢量且s＝[s1,s2,...,sn]^T，y_m和z_m分别表示接收UCA第m

个天线单元的接收信号和噪声，根据公式

W*y＝W*HWs+W*z＝Λs+W*z对接收信号进行处理；

根据公式

得到完成对信息符号矢量s的估计，其中，Ω为信号矢量s的星座图。