CN109905151A - 基于uca天线的多模态非规则oam电磁波生成、分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成、分离方法及装置，通过对信息序列进行IDFT变换及归一化处理，得到UCA天线的N个阵元产生多模态规则OAM电磁波所需的激励利用Zadoff‑Chu序列对进行相位扰动，生成多模态非规则OAM电磁波，使传统涡旋电磁波呈现非中空的特点，以更加高效地利用高阶涡旋电磁波实现长距离无线通信，通过在视距传输场景下且当收发两端的UCA天线相互对齐时，计算在完美估计信道状态情况下的信道估计向量，根据该估计向量，生成信号对进行DFT变换，得到信号对进行N模态信息的分离，分别得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的准确值及估计值，实现了对多模态非规则OAM电磁波的分离。

Description

基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成、分离方法及 装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成、分离方法及装置。

背景技术

现今，信息交换无时无刻不被需求，尤其是“信息高速公路”的亟待建设，对促进现代社会生产力的发展产生了不容忽视的作用。随着向全球信息化的迈进，无线通信技术也进入了现代化阶段，在不断创新中发挥着日益重要的作用。在无线通信领域，大容量传输和高频谱效率作为不动摇的发展目标一直以来激励着众多科学工作者在探索中不断前行。其中，基于多天线多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统的传输技术在近三十年来已显现出它的优越性，尤其是MIMO-OFDM复合技术的应用，有效地提高了传输速率，改善了通信质量。除MIMO技术外，近些年来不断涌现出许多新颖的无线电波传输技术。其中，以轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)为核心的涡旋电磁波技术，以其在提升信道容量方面的巨大潜力，逐渐在无线电波领域崭露头角。

最初，OAM主要在光学领域被广泛研究。2007年，B.Thidé等人通过电磁波束辐射场矢量特性分析，向世人打开了于微波射频领域研究OAM及其应用的大门。传统意义上，涡旋电磁波是波前相位分布呈现螺旋状的电磁波，这是电磁波束内在具有OAM的一种外在表现。在经典电动力学中，OAM作为描述波束涡旋性的电磁量，与描述极化状态的自旋角动量组合构成了角动量这一守恒量。具有OAM的电磁波束含有一定的拓扑荷，称为OAM模态，并且不同模态之间相互正交。OAM因其内在的正交性，独立于频率、时间、码字及极化等现有资源，催生出基于OAM的模分复用技术，即携带不同信息的多模态涡旋电磁波束共享同一频段进行互不干扰地独立传输，从而为无线工作者提供了一个全新且富有机遇的方案来提升信道容量。

从经典电磁场理论出发，场方程中具有项的电磁波束因其优良的轨道角动量特征(规则的螺旋状波前相位分布)被称为涡旋电磁波并得以广泛研究。首先在涡旋波束的产生上，利用均匀圆阵列(Uniform Circular Array，UCA)天线并通过选择天线振子，可以有效地产生具有不同OAM模态的涡旋电磁波。然而从理论仿真及实验验证可知，以UCA天线为基础所产生的涡旋电磁波束，具有明显的中空发散现象，尤其是当电磁波束携带高阶OAM时，上述现象变得愈加严重，极大地影响了高阶涡旋电磁波束的高效利用，进而增加了模分复用技术在实际应用中的难度，从而限制了基于轨道角动量电磁传输技术的通信距离。

目前解决OAM电磁波束中空发散问题的技术鲜为提出。有文献指出采用特殊透镜材料进行涡旋波束的汇聚来缓解涡旋波束的发散问题，其效果可观，但中空发散问题并没有从根本上解决，随着传播距离的增加，OAM电磁波束的中空现象显现明显。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成、分离方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成方法包括：

对信息序列进行IDFT变换及归一化处理，得到UCA天线的N个阵元产生多模态规则OAM电磁波所需的激励其中，

式(1)中，n＝0,1,…,N-1。

利用Zadoff-Chu序列对进行相位扰动，生成多模态非规则OAM电磁波，其中，Zadoff-Chu序列的表达式为：

其中，UCA天线的N个阵元产生多模态非规则OAM电磁波所需的天线激励n＝0,1,…,N-1，N为Zadoff-Chu序列的长度，M为Zadoff-Chu序列的根指数，M的值小于N且与N互素。

第二方面，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离方法包括：

在视距传输场景下且当收发两端的UCA天线相互对齐时，计算在完美估计信道状态情况下的信道估计向量其中，信道矩阵H(t)与信道估计向量之间的关系表达式为：

式(3)中，表示以i为索引的列向量，表示对进行元素右移操作，n表示移位量，n＝0,1,…,N-1，同时也为H(t)的第n+1列；表示H(t)的第n+1行；

多模态非规则OAM电磁波经无线信道传输，生成信号其中，

式(4)中，n＝0，1，…，N-1，w(t)表示白噪声；

对进行DFT变换，得到信号

其中，

k＝0,1,…,N-1，n＝0,1,…,N-1，w(t)表示白噪声序列；

对进行N模态信息的分离，在无噪声传输环境下，得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的准确值；在有噪声传输环境下，得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的估计值其中，的表达式为

式(5)中，信道估计向量经傅里叶变换后得到对取广义逆得对进行傅里叶变换得并由此组成矩阵其中，为循环矩阵，为的逆矩阵。

第三方面，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成装置包括：

UCA天线、Zadoff-Chu序列生成器、IDFT系数生成器、参数调配器和多位乘法器。

第四方面，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离装置包括：

DFT变换器、模态信息分离器、信道参数估计器及控制器，其中，所述模态信息分离器包括：Zadoff-Chu序列生成器、Zadoff-Chu序列处理器、信道参数处理器及多位乘法器。

本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成、分离方法及装置，具有以下有益效果：

(1)结合空间信号处理原理，从OAM电磁波场分布特性出发，利Zadoff-Chu序列对传统涡旋电磁波进行相位加扰，使其呈现非中空的特点，以更加高效地利用高阶涡旋电磁波实现长距离无线通信；

(2)构建了基于OAM的非规则电磁波通信系统模型，结合矩阵变换理论，实现多模态非中空OAM电磁波信号的生成与分离。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成装置结构示意图；

图4为UCA天线的平面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离装置结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离装置的模态信息分离器结构示意图。

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。

参照图1，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成方法包括以下步骤：

S101，对信息序列进行IDFT变换及归一化处理，得到UCA天线的N个阵元产生多模态规则OAM电磁波所需的激励其中，

式(1)中，n＝0,1,…,N-1。

S102，利用Zadoff-Chu序列对进行相位扰动，生成多模态非规则OAM电磁波，其中，Zadoff-Chu序列的表达式为：

其中，UCA天线的N个阵元产生多模态非规则OAM电磁波所需的天线激励n＝0,1,…,N-1，N为Zadoff-Chu序列的长度，M为Zadoff-Chu序列的根指数，M的值小于N且与N互素。

参照图2，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离方法包括以下步骤：

S201，在视距传输场景下且当收发两端的UCA天线相互对齐时，计算在完美估计信道状态情况下的信道估计向量其中，信道矩阵H(t)与信道估计向量之间的关系表达式为：

式(3)中，表示以i为索引的列向量，表示对进行元素右移操作，n表示移位量，n＝0,1,…,N-1，同时也为H(t)的第n+1列；表示H(t)的第n+1行；

S202，多模态非规则OAM电磁波在无线信道传输过程中，根据及H(t)，生成信号其中，

式(4)中，n＝0，1，…，N-1，w(t)表示白噪声；

S203，对进行DFT变换，得到信号

其中，

k＝0,1,…,N-1，n＝0,1,…,N-1，w(t)表示白噪声序列；

S204，对进行N模态信息的分离，在无噪声传输环境下，得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的准确值；在有噪声传输环境下，将得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的估计值其中，的表达式为

式(5)中，信道估计向量经傅里叶变换后得到对取广义逆得对进行傅里叶变换得并由此组成矩阵其中，为循环矩阵，的逆矩阵。

参照图3，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成装置包括UCA天线、Zadoff-Chu序列生成器、IDFT系数生成器、参数调配器和多位乘法器。

其中，规则OAM波激励生成器用于生成多模态规则OAM电磁波，Zadoff-Chu序列生成器作为相位加扰源，位于多位乘法器5输入端，加扰时注意天线的阵元索引应匹配Zadoff-Chu序列的元素索引，参数调配器用于协调整个生成过程所需参数(如N，k等)。

进一步地，如图4所示，UCA天线的N个阵元等间隔均匀分布在半径为R的天线板面上，阵元间距d≤λ/2，其中，λ为载波波长，

相邻阵元之间的方位角相差2π/N。

本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则电磁波生成方法及装置，通过对信息序列进行IDFT变换及归一化处理，得到UCA天线的N个阵元产生多模态规则OAM电磁波所需的激励利用Zadoff-Chu序列对进行相位扰动，生成多模态非规则OAM电磁波，使传统涡旋电磁波呈现非中空的特点，以更加高效地利用高阶涡旋电磁波实现长距离无线通信。

参照图5，本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离装置包括DFT变换器、模态信息分离器、信道参数估计器及控制器，其中，如图6所示，模态信息分离器包括：Zadoff-Chu序列生成器、Zadoff-Chu序列处理器、信道参数处理器及多位乘法器。

其中，多模态非规则电磁波通过遍历UCA天线的各个阵元，生成含有振幅与相位的响应序列，该响应序列以并行方式送入DFT变换器。DFT变换器的输出端连接模态信息分离器的输入端，在信道参数估计器的协作下，DFT变换器6输出的信号序列经由模态信息分离器7完成调制信息的提取，整个分离过程在控制器的统一协调下进行。

本发明实施例提供的基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波分离方法及装置，通过在视距传输场景下且当收发两端的UCA天线相互对齐时，计算在完美估计信道状态情况下的信道估计向量，根据该估计向量，生成信号对进行DFT变换，得到信号对进行N模态信息的分离，分别得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的准确值及估计值，实现了对多模态非规则OAM电磁波的分离。

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 (4)

1.一种基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

对信息序列进行IDFT变换及归一化处理，得到UCA天线的N个阵元产生多模态规则电磁波所需的激励其中，

式(1)中，n＝0,1,…,N-1；

利用Zadoff-Chu序列对进行相位扰动，生成多模态非规则OAM电磁波，其中，Zadoff-Chu序列的表达式为：

其中，UCA天线的N个阵元产生多模态非规则电磁波所需的天线激励n＝0,1,…,N-1，N为Zadoff-Chu序列的长度，M为Zadoff-Chu序列的根指数，M的值小于N且与N互素。

2.一种基于UCA天线的多模态非规则OAM电磁波信号分离方法，其特征在于，包括：

在视距传输场景下且当收发两端的UCA天线相互对齐时，计算在完美估计信道状态情况下的信道估计向量其中，信道矩阵H(t)与信道估计向量之间的关系表达式为：

式(3)中，表示以i为索引的列向量，表示对进行元素右移操作，n表示移位量，n＝0,1,…,N-1，同时也为H(t)的第n+1列；表示H(t)的第n+1行；

多模态非规则OAM电磁波在无线信道传输过程中，根据及H(t)，生成信号其中，

式(4)中，n＝0，1，…，N-1，w(t)表示白噪声；

对进行DFT变换，得到信号

其中，

n＝0,1,…,N-1，w(t)表示白噪声序列；

对进行N模态信息的分离，在无噪声传输环境下，得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的准确值；在有噪声传输环境下，得到多模态非规则OAM电磁波所携带的调制信息的估计值其中，的表达式为

式(5)中，信道估计向量经傅里叶变换后得到对取广义逆得对进行傅里叶变换得并由此组成矩阵其中，为循环矩阵，为的逆矩阵。

3.一种基于UCA天线的多模态非规则电磁波生成装置，其特征在于，包括：

UCA天线、Zadoff-Chu序列生成器、IDFT系数生成器、参数调配器和多位乘法器。

4.一种基于UCA天线的多模态非规则电磁波分离装置，其特征在于，包括：

DFT变换器、模态信息分离器、信道参数估计器及控制器，其中，所述模态信息分离器包括：Zadoff-Chu序列生成器、Zadoff-Chu序列处理器、信道参数处理器及多位乘法器。