CN110022171A - 用于oam-mimo系统的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于OAM‑MIMO系统的功率分配方法，属于无线通信系统的资源分配技术领域。在OAM多模态复用通信系统中，不同模态的涡旋电磁波相当于独立的信道，通过对不同模态的涡旋电磁波分配功率值，使得系统容量最大化，在功率资源有限的情况下是很有必要的。本发明与传统的平均功率分配算法比较，该方法能够在功率资源有限的情况下，有效提高系统的信道容量和能量效率。仿真结果表明，当收发端距离D≥2λ时，本发明所提的功率分配方法与传统功率分配方法有着较为明显的差别，当SNR≥20dB时，本发明所提的功率分配方法优于传统功率分配方法。这项工作有利于OAM‑MIMO系统在未来无线通信领域中的广泛应用。

Description

用于OAM-MIMO系统的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，属于无线通信系统的资源分配技术领域。

背景技术

随着无线用户的不断增长及移动终端的广泛普及，满足无线网络中持续的容量增长和用户增长需求变得越来越有挑战性。为了在有限的无线资源下实现目标，必须依靠新的技术来提升系统容量及频谱利用率。轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)作为无线通信中一种新的自由度，可以被多路复用，因而基于OAM多模态复用通信系统有效地提升了通信系统容量和频谱利用率。

在OAM多模态复用通信系统中，不同模态的涡旋电磁波相当于独立的信道，通过对不同模态的涡旋电磁波分配功率值，使得系统容量最大化，在功率资源有限的情况下是很有必要的。

传统的模态复用功率分配方法，主要是平均功率分配方法。平均功率分配方法是将发送功率均匀分配给每一个模态的涡旋电磁波，由于各模态涡旋波之间通信性能存在差异性，均匀分配会造成功率资源的浪费。因此，如何在功率资源有限的情况下有效地分配功率资源，在一定程度上决定了OAM多模态复用通信系统的频谱利用率和能量效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于OAM-MIMO系统的注水功率分配方法，本发明是根据不同模态涡旋电磁波信道状态的差异性，将注水功率分配方法应用于OAM-MIMO系统中，实现多模态的功率分配。与传统的平均功率分配算法比较，该方法能够在功率资源有限的情况下，有效提高系统的信道容量和能量效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

在OAM多模态复用通信系统中，包含N个模态为l_i＝(i＝1，2，…，N)的子信道，每个信道独立且彼此正交。在自由空间视距条件下，N×N的MIMO系统信道矩阵可以表示为

其中h_n，m为发送天线m到接收天线n的传递函数，可以表示为

其中，β是一个常量，λ代表波长，d_nm代表发射天线m到接收天线n的距离，可以表示为

其中，D表示两个天线阵列的距离，表示第m个接收天线单元于第n个接收天线单元之间的旋转角度，R_t和R_r分别代表发射天线阵列和接收天线阵列的半径，N_t和N_r分别代表发射端UCA和接收端UCA的天线数。当N_t＝N_r＝N，H_MIMO矩阵就变为循环矩阵

利用发射端与接收端部分的波束赋形网络(Beam-Forming Network,BFN)，在收发两端进行离散傅里叶逆变换和变换。因此，H_OAM信道矩阵可以表达为

从而，OAM-MIMO系统的信道容量可以表示为

其中，h_ii ²表示多模态信道中模态为l_i的子信道增益，P_i表示模态为l_i的子信道的发射功率，则是总的发射功率，是接收端噪声的方差。

在平均功率分配方法下，OAM-MIMO系统的每个模态l_i的子信道的发射功率相等，但是每个模态l_i的子信道增益h_ii ²不同，导致了功率资源的浪费。因此采用注水功率分配方法对每个模态l_i的子信道分配功率，能够实现OAM-MIMO系统容量的最大化。

本发明的有益效果在于：

本发明根据不同模态的子信道通信性能的不同，利用注水功率分配方法合理的分配功率，实现了在功率资源有效的情况下OAM-MIMO系统容量的最大化。

当收发端距离D≥2λ时，本发明所提的功率分配方法与传统功率分配方法有着较为明显的差别，当SNR≥20dB时，本发明所提的功率分配方法优于传统功率分配方法。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为OAM-MIMO多模态复用通信系统示模型图；

图2为注水功率分配方法流程图；

图3为不同距离下的传输增益示意图；

图4为固定距离下的两种功率分配方法信道容量对比图；

图5为不同距离下的两种功率分配方法信道容量对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，OAM-MIMO多模态复用通信系统模型包含发射端，接收端和波束赋形网络三部分。发射端的均匀圆形阵列(Uniform circular arrays,UCA)有N个天线阵元，每个阵元均匀分布排列在圆周上，阵列单元的激励信号相同，相邻两个阵元间的相位差表示为δφ＝2πl/N。涡旋波束围绕轴线旋转一周后，相位增加2πl，从而可以通过改变阵元之间的馈电相位差来产生不同的OAM模态，其中模态l满足-N/2＜l＜N/2。接收端的N个天线阵元用来接收对应的OAM信号。

在本实施例中，规定收发端为8×8大小的均匀圆形阵列，收发端均匀圆形阵列大小为1λ，波长λ＝1。

在OAM多模态复用通信系统中，发射端UCA和接收端UCA可以看作一个传统的视距下的MIMO系统。在自由空间视距条件下，N×N的MIMO系统信道矩阵可以表示为

其中h_n，m为发送天线m到接收天线n的传递函数，可以表示为

其中，β是一个常量，λ代表波长，d_nm代表发射天线m到接收天线n的距离，可以表示为

其中，D表示两个天线阵列的距离，表示第m个接收天线单元于第n个接收天线单元之间的旋转角度，R_t和R_r分别代表发射天线阵列和接收天线阵列的半径，N_t和N_r分别代表发射端UCA和接收端UCA的天线数。当N_t＝N_r＝N，H_MIMO矩阵就变为循环矩阵

利用发射端与接收端部分的波束赋形网络(Beam-FormingNetwork,BFN)，在收发两端进行离散傅里叶逆变换和变换。因此，H_OAM信道矩阵可以表达为

从而，OAM-MIMO系统的信道容量可以表示为

其中，h_ii ²表示多模态信道中模态为l_i的子信道增益，P_i表示模态为l_i的子信道的发射功率，则是总的发射功率，是接收端噪声的方差。为了实现OAM-MIMO系统容量的最大化，使用注水功率分配方法计算出各个模态l_i子信道的发射功率值P_i，执行流程图如图2所示。

参见图2，下面介绍注水功率分配方法的具体操作步骤。由于在前面推导出了其系统容量的公式，那么最大化信道容量的问题可以转化为下列等式

同时，信号的发射功率需要满足以下条件

在上式约束条件下，最大化信道容量的问题变成了一个有约束条件的极值问题。根据拉格朗日乘数法，引入目标函数

其中，λ是拉格朗日乘子，经过计算可得第一次模态为l_i的子信道的发射功率

令上式可以变换为

接着，按照P_i值的大小进行降序排列。然后把子信道划分成E和F两部分，E是P_i≥0的集合，即E＝{P_i|μ≥1/g_i}，F是P_i≤0的集合，即E＝{P_i|μ＜1/g_i}。

其中，注水线μ等于

当集合F不为空集，即存在P_i≤0时，更新注水线μ值

式中，|E|表示集合E中元素的个数，即E包含的子信道个数。更新μ值后，各个子信道重新分配的功率为

重新分配功率后，若集合F仍不为空集，则再次更新注水线μ值，直到集合F为空集为止，最后输出各个模态为l_i的子信道的发射功率P_i。

根据H_OAM信道矩阵，利用Matlab仿真软件给出不同模态电磁涡旋波随着距离变化的传输增益如图3所示，从图3可以看出，在距离逐渐增大的情况下，电磁涡旋波的传输增益随着模态值的增加而减小。从而，高阶模态的电磁涡旋波容易受到传输距离的限制。因此，在OAM-MIMO系统当中，不同模态的电磁涡旋波的传输性能各不相同，对每个模态的电磁涡旋波进行等功率分配显然会造成一部分功率资源的损失。

在收发端距离为3λ下，OAM-MIMO系统分别使用平均分配功率方法和注水功率分配方法的信道容量对比如图4所示。由图4可以观察，在较低信噪比的情况下，发射端采用注水功率分配算法所获得信道容量明显高于等功率分配算法。由于在较低信噪比时，高模态的子信道带来的信道容量增益要小于低模态的子信道，因此在低信噪比时等功率分配算法不是有效的功率分配算法。随着信噪比的增加，各个模态的子信道带来的信道容量增益趋于一致，两种算法所获得的信道容量会也会趋于一致。

图5描述了不同传输距离下，两种功率分配方法的系统容量与接收信噪比之间曲线关系图。由图5可以看出，在收发两端距离非常小的情况下，两种算法获得的系统容量在大信噪比时无明显差别，较小信噪比时，注水功率分配算法也只是略优。随着收发两端距离的增大，两种算法获得的系统容量都在减小，同时两者的差异也在逐渐增大。尤其在距离大的情况下，注水功率分配算法明显优于等功率分配算法。

从图4和图5都可以看出，OAM-MIMO系统使用注水功率分配方法都是优于平均功率分配方法。当收发端距离D≥2λ时，本发明所提的功率分配方法与传统功率分配方法有着较为明显的差别，当SNR≥20dB时，本发明所提的功率分配方法优于传统功率分配方法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一步，OAM-MIMO多模态复用通信系统模型设计；

OAM-MIMO多模态复用通信系统由均匀圆形天线阵列和波束形成网络组成，波束形成网络用于产生多个模态的叠加信号，均匀圆形阵列用于发射具有多个模态叠加的射频信号；

第二步，推导OAM-MIMO多模态复用系统响应函数及系统容量；

根据第一步设计的OAM-MIMO多模态复用通信系统，推导出系统响应函数以及OAM-MIMO系统的系统容量；

第三步，多模态传输功率分配优化；

根据第二步推导出的系统容量公式，采用注水功率分配算法对多模态复用系统分配功率，求解出最优的功率分配解。

2.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，其特征在于：所述系统能够同时传输多个模态，能够传输的最大模态数和天线数量相等。

3.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，其特征在于：所述均匀圆形天线阵列由多个天线阵元组成，阵列中均匀分布有多个等间距排布的天阵单元且所有天线单元的天线极化方向相同，且两个均匀圆形天线阵列处于同一个中心轴线上。

4.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，其特征在于：所述第二步中，H_OAM信道矩阵表达式为

从而，OAM-MIMO系统的信道容量表示为

其中，h_ii ²表示多模态信道中模态为l_i的子信道增益，P_i表示模态为l_i的子信道的发射功率，则是总的发射功率，是接收端噪声的方差。

5.根据权利要求4所述的用于OAM-MIMO系统的功率分配方法，其特征在于：所述第三步中，最大化信道容量的问题转化为下列等式

同时，信号的发射功率需要满足以下条件

在上式约束条件下，最大化信道容量的问题变成一个有约束条件的极值问题。