CN110212961A - 时间调制阵列多模电磁涡旋发射机及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种时间调制阵列多模电磁涡旋发射机及其使用方法，属于无线电波传播技术领域。开关调制电磁涡旋发射机包括基带信号处理单元、高速射频开关和均匀圆形天线阵列，基带信号处理单元用于产生时间开关序列，该序列用于控制每个射频开关的周期性开启和关闭，高速射频开关根据开关序列控制射频信号的发送指令，均匀圆形天线阵列用于发射具有时间延迟的相同射频信号。本发明用高速开关周期性开启关闭的方法，使得发射信号产生具有多个模态和谐波频率的电磁涡旋信号，提高电磁波在视距通信场景下的频谱效率，本发明的发射机相较传统的电磁涡旋波发射机能大大降低涡旋信号调制复杂度。在四单元的收发系统中，频率效率的提升可以高达10％。

Description

时间调制阵列多模电磁涡旋发射机及其使用方法
技术领域
本发明属于无线电波传播技术领域，特别涉及一种基于TMAs的涡旋电磁波发射机的使用方法。
背景技术
大规模多输入多输出(Massive multiple-input-multiple-output,MassiveMIMO)技术,作为第五代移动无线通信系统关键技术之一，指的是基站端集成多个发射天线单元。随着Massive MIMO技术的出现，通过利用空间自由度大大地提高了信道容量。然而，Massive MIMO技术仍然面临许多现实性的挑战。如，发射端高额的硬件开销及基带信号处理超高计算复杂度。此外，基于现实的三维空间信息传输场景，三维(Three-dimensional,3D)MIMO也被提出用于探索额外的自由度，即垂直平面。利用3D MIMO技术可以很好的需分具有相同方位角不同俯仰角的用户，在干扰管理放面获得了额外的灵活度。这些技术只能最大程度的减缓干扰而不是完全地消除干扰，因此，提高MIMO系统信道容量仍然是无线通信面临的关键性问题。
相比于传统MIMO技术在时间维度、空间维度和频率维度提供的自由度，电磁涡旋技术提供了一个全新的维度，即模态维度。在视距通信(Line-of-sight，LOS)模分多路复用(Mode division multiplexing，MDM)MIMO系统中，由于不同整数模态间的正交特性，信道容量在LOS场景中可以被最大化。并且，只有整数模态才适合于传输，其也被称作本征模态。因此，凭借其在LOS通信中的天然优势，电磁涡旋技术可以被广泛地应用于数据中心数据交换，无人机空地通信系统及无线回程(Backhaul)通信
多模电磁涡旋波技术可以大大地提高信道容量和频谱效率。今年来光通信领域已经有了比较成熟的发展。同时，在无线通信领域，此技术也吸引了大量科研工作者的兴趣。2007年电磁涡旋技术被B.Thide等人首次应用在1GHz以下的低频无线通信，随后于2012年F.Tamburini等人第一次实验测试证明了电磁涡旋技术应用于无线通信领域的可行性。2015年，Q.Zhou等人提出了射频涡旋MIMO(Radi vortex-MIMO,RV-MIMO)系统，在理想的LOS实现了高达160％的信道容量提升。W.Zhang等人在2017年提出基于轨道角动量的MDM通信系统，并且用实验证明了在10GHz频段电磁涡旋技术带来的系统性能提升，同年X.Ge等人提出了基于空间调制的毫米波轨道角动量(Orbit angular momentum-spatial modulation，OAM-SM)通信系统，利用空间调制与模态调制的联和复用，提出了具有鲁棒性的长距离电磁涡旋无线通信系统。
目前，电磁涡旋无线通信技术研究已经比较深入，但是对于联合电磁涡旋与其他调制技术如空间调制(Spatial modulation，SM)、极化调制(Polarization modulation，PM)和频率调制(Frequency modulation，FM)技术的联合复用的研究还不够充分。因此，探索并评估联合复用技术是本发明的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于TMAs的多模态涡旋电磁波发射机。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
TMAs的电磁涡旋发射机包括基带信号处理单元、高速射频开关和均匀圆形天线阵列，所述基带信号处理单元用于产生时间开关序列用于控制每个射频开关的周期性开启和关闭，所述高速射频开关根据开关序列控制射频信号的发送指令，所述均匀圆形天线阵列用于发射具有时间延迟的相同射频信号。
优选的，高速射频开关，其开关切换频谱满足如下不等式：
其中，T表示符号周期，fc表示载波频率。
优选的，4单元均匀圆形阵列天线，天线间距大于半波长λ。
基于TMAs的多模电磁涡旋发射机的使用方法，包括上述的任一均匀圆形阵列发射机，忽略天线单元之间的耦合影响，根据电磁波在LOS场景中的传播特性，计算出LOS场景中MIMO系统模型收发端的复信道增益。
优选的，LOS场景中MIMO系统第n个发射天线到第m个接收天线之间的复信道增益为：
其中，表示对应于天线衰减的常数项，dmn表示第n个发射天线单元到第m个接收天线单元之间的距离，其可以被表示为：
其中，D表示发射天线阵列于接收天线阵列之间的距离，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，Rt和Rr分别表示发射天线阵列和接收天线阵列的半径。因此，MIMO信道矩阵可以表达为：
优选的，利用TMAs，发射信号由多个围绕着中心频率和中心模态的叠加信号组成，假设天线模式方程为带限，总共拥有2L+1个频率资源，其表达式为：
此时，TMAs输出信号矩阵表达式为：
xm(t)＝AMTXsm,n(t)
具体可表示为：
因此，接收端输出解调信号可以表示为：
rm(t)＝A′MRXHxm(t)+A′MRXwm(t)
＝A′MRXHAMTXsm,n(t)+A′MRXwm(t)
其中，A′表示接收端天线傅里叶系数，MRX表示接收端时间调制矩阵，wm(t)表示接收复高斯噪声向量。由此，基于TMAs的正交频分复用轨道角动量(Orthogonal frequencydivision multiplexing-orbit angular momentum,OFDM-OAM)信道矩阵表达为：
HOFDM-OAM＝A′MRXHAMTX
本发明的有益效果在于：
本发明用简单的射频开关实现了OFDM与OAM的双调制，通过连续性相位叠加达到了电磁涡旋的调制效果，同时大大地降低了发射端基带信号处理的算法复杂度，且本发明的电磁涡旋发射机在70GHz的毫米波频段具有较好的工作性能，相比于传统的电磁涡旋调制技术以及传统MIMO系统，系统的频谱效率有高达10％的提升。
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为本发明基于TMAs的多模电磁涡旋发射机系统示意图；
图2为本发明的四单元发射阵列时间-天线资源示意图，图2(a)是发送单个数据流的四单元发射阵列时间-天线资源示意图；图2(b)发送多个数据流的四单元发射阵列时间-天线资源示意图；
图3为本发明的谐波信号幅度分布示意图；
图4为本发明的电磁涡旋波幅度和波前相位分布图，图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别是OAM模态为0、1、2、3的波前相位分布图；图4(e)、图4(f)、图(g)、图4(h)分别是OAM模态为0、1、2、3的幅度分布图；
图5为本发明的不同发射天线间距通信距离和频谱效率关系对比曲线图；
图6为本发明的通信距离和频谱效率关系对比曲线图；
图7为本发明与传统方法加法运算复杂度对比图；
图8为本发明与传统方法乘法运算复杂度对比图；
附图标记：1-基带信号处理单元，2-开关序列和信息序列模块，3-开关控制器，4-均匀圆形阵列。
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。
本发明提供一种基于TMAs的多模电磁涡旋发射机，如图1所示，所述电磁涡旋发射机包括基带信号处理单元、开关序列和信息序列模块、开关控制器和均匀圆形阵列，所述TMAs发射机的时间天线资源划分示意图如图2所示，所述时间天线资源快，当只有一个数据流需要传输的时候，每个时间块只有一个链接天线单元的射频开关处于开启状态，其于关闭，且随着时间变化射频开关处于周期性的顺序地开启和关闭，保持每个天线单元发射的射频信号具有连续性的相位叠加。然而，当发射机需要同时发送多个数据流的时候，时间天线资源块分布情况如图2(b)所示。
在本实施例中，规定收发端为4×4大小的均匀圆形阵列，天线单元之间的初始间距为0.5λ，接收信噪比为20dB，传输距离为30λ，所述4×4大小收发天线能够产生的OAM模态分别为l1＝-2，l2＝-1，l3＝0和l4＝1。
基于TMAs的多模电磁涡旋发射机的使用方法，包括上述的任一均匀圆形阵列发射机，忽略天线单元之间的耦合影响，根据电磁波在LOS场景中的传播特性，计算出LOS场景中MIMO系统模型收发端的复信道增益。在自由空间LOS场景中，MIMO系统第n个发射天线到第m个接收天线之间的复信道增益为：
其中，表示对应于天线衰减的常数项，因此，MIMO信道矩阵可以表达为：
其中，dmn表示第n个发射天线单元到第m个接收天线单元之间的距离，其可以被表示为D表示发射天线阵列于接收天线阵列之间的距离，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，Rt和Rr分别表示发射天线阵列和接收天线阵列的半径。
利用TMAs，发射信号由多个围绕着中心频率和中心模态的叠加信号组成，同时假设天线模式方程为带限，总共拥有2L+1个频率资源，其表达式为：
此时，TMAs输出信号矩阵表达式为：
xm(t)＝AMTXsm,n(t)
具体可表示为：
因此，接收端输出解调信号可以表示为：
rm(t)＝A′MRXHxm(t)+A′MRXwm(t)
＝A′MRXHAMTXsm,n(t)+A′MRXwm(t)
其中，A′表示接收端天线傅里叶系数，MRX表示接收端时间调制矩阵，wm(t)表示接收复高斯噪声向量。由此，基于时间调制阵列的正交频分复用轨道角动量(Orthogonalfrequency division multiplexing-orbit angular momentum,OFDM-OAM)信道矩阵表达为：
HOFDM-OAM＝A′MRXHAMTX
因此，系统可获得频谱效率为：
其中，且表示发射OAM模态集合，pl表示功率分配系数，hl表OFDM-OAM子信道，δ2表噪声方差。此外，本发明考虑信道状态未知情况，采用平均功率分配策略。
根据阵列输出表达式，利用matlab仿真软件给出不同模态电磁涡旋波的幅度和相位波前分布如图4所示，从图4可以看出，电磁涡旋波的径向方向存在一个零值的中心区域，零值区域的大小随着模态值的增加而增大。此外，在相位界面存在一个具有连续的相位旋转，其值为
在本发明的4×4收发结构中，系统频谱效率与通信距离关系曲线如图5所示。由图5可以观察，当天线间距等于波长时，随着通信距离的增加，本发明所使用的时间调制阵列多模发射机系统性能由小于传统方案到大于传统方案。当传输距离固定不变时，系统性能随着天线间距的增加而提升。由此，本发明方案对于长距离通信具有较强的鲁棒性。
图6描述了不同传输距离下，系统频谱效率与接收信噪比之间曲线关系图。从图6中可以看出，当通信距离为D＝30λ，本发明所提系统与传统方案系统性能都随接收信噪比增加而提升，当SNR≤14dB时，本发明系统性能优于传统电磁涡旋系统，当SNR≤11.4dB时，本发明系统性能优于传统MIMO通信系统。当通信距离增加到D＝300λ，本发明所提系统在全局范围内都可以获得最优的系统性能，并且系统性能提升高达10％。
本发明所提发射机与传统电磁涡旋发射机信号调制复杂度计算对比如图7和图8所示。从图7和图8中可以看出，在发射端信号调制需要进行的加法运算和乘法运算都大大低于传统的电磁涡旋发射机。此外，根据快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)实现原理，基于二次FFT、2维(Two-dimensional,2-D)FFT和TSAs实现的OAM调制计算复杂度如表1所示。
表1算法复杂度对比
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 (8)

1.时间调制阵列TMAs多模电磁涡旋发射机，所述发射机包括信道处理单元、高速射频开关和均匀圆形天线阵列；其特征在于：所述信号处理单元用于产生时间开关序列用于控制每个射频开关的周期性开启和关闭，所述高速射频开关根据开关序列控制射频信号的发送指令，所述均匀圆形天线阵列用于发射具有时间延迟的相同射频信号。
2.根据权利要求1所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：所述信号处理单元用于产生周期性的时间控制阵列，每个时间块只能有一个高速射频开关处于开启状态。
3.根据权利要求1所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：所述高速射频开关是周期性的顺序开启和关闭。
4.根据权利要求1所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：所述均匀圆形天线阵列有4个天线单元，且所有天线单元在一个符号周期内发送相同的射频信号。
5.根据权利要求4所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：相邻所述天线单元间距大于半波长间距，圆形天线阵列的半径为0.5倍波长。
6.根据权利要求5所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：所述均匀圆形阵列冲激响应表示为
其中，N表示发射均匀圆形阵列天线单元数，表示第n个天线单元与参考天线单元之间的相位差，ψ表示发射端俯仰角，表示发射端方位角。
7.根据权利要求6所述的时间调制阵列多模电磁涡旋发射机，其特征在于：利用所述时间开关序列实现不同天线单元发射信号之间的时间差得到需要的相位差，根据均匀圆形阵列冲击响应，对于第m个数据流，时间调制阵列输出表示为：
其中，sn(m)ej2πft表示在第n个天线单元上第m个载频为f传统射频信号，表示波数，λ表示波长，In(t)表示时间开关序列，其表达式为：
其中，u表示整数，Ts表示开关序列周期；开关序列的傅里叶展开为：
其中，l为傅里叶级数的阶数，同时也表示电磁涡旋波的模态数，其傅里叶展开对应的谐波系统表达为：
均匀圆形阵列的输出写为：
其中，表示谐波信号幅度，表示第n个天线单元与初始天线单元间相位差，表示TSAs的调至采样频率，表示第n天线单元处于开启状态的时间占空比，表示第n个天线单元处于关闭状态的时间占空比。
8.基于权利要求1或4或6或7所述发射机的使用方法，其特征在于：根据所述均匀圆形天线阵列中天线单元的数量设计一个具有相同数量时间资源块的开关序列；利用预设计的开关序列顺序性开启和关闭射频天线单元，产生具有均匀递增相位差的多个相同信息源的射频信号，根据开关序列展开所得傅里叶级数表达式，计算出输出信号表达式，确定同时产生的多个模态和频率的涡旋信号分布，根据利用相同的开关调制原理解调接收电磁涡旋波信号。
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