CN110601729A - 一种室内通信方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内通信方法及其装置，该方法包括构建室内环境的模式矩阵模型；计算所述室内环境的菲涅尔反射系数；计算所述室内环境的信号路径长度；根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到信道模型；根据所述信道模型得到信道容量。本发明提供了一种室内通信方法，该通信方法与传统的MIMO方法相比，通过构建室内环境的模式矩阵模型和信道模型，使得信道容量有显著的提高，从而满足室内通信对更高信道容量的需求。

Description

一种室内通信方法及其装置

技术领域

本发明属于无线通信技术邻域，具体涉及一种室内通信方法及其装置。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，能给无线通信系统分配的频谱变得非常拥挤，频谱资源匮乏的问题越来越严重，这已成为无线通信以及服务应用持续发展的瓶颈。

目前，大约有70％的移动设备主要的使用场所是在建筑内部，一些专业人士预测未来几年内移动设备在室内的使用率将达到90％。多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)技术在室内通信中使用最为广泛。MIMO技术利用多个天线实现多收多发，能够充分开发空间资源，在不需要增加频谱资源和天线功率的情况下，大大提高了信道容量。然而在实际的传播环境中，信道具有一定的时间和空间的相关性，MIMO系统大容量的实现依赖于MIMO信道的相关特性。近年来，人们对射频频段下的OAM 波束进行了大量的研究，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，简称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，从而作为一种提高无线通信频谱效率的新方法。

但是，现有的OAM通信大多用在室外通信，而MIMO通信又无法满足室内通信对更高信道容量的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种室内通信方法及装置。

本发明实施例提供了一种室内通信方法，该方法包括：

构建室内环境的模式矩阵模型；

计算所述室内环境的菲涅尔反射系数；

计算所述室内环境的信号路径长度；

根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到信道模型；

根据所述信道模型得到信道容量。

在本发明的一个实施例中，构建室内环境的模式矩阵模型，包括：

获取所述室内环境的若干OAM天线单元，所述若干OAM天线单元等间距分布形成方形OAM天线阵列；

根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型。

在本发明的一个实施例中，在根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型之前，还包括：

利用注水方法对所述若干OAM天线单元进行功率分配。

在本发明的一个实施例中，根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型，包括：

获取所述OAM天线阵列中每个OAM天线单元的模式；

从所有所述OAM天线单元的模式中选取最大模式和最小模式；

根据所述最大模式和所述最小模式，构建所述模式矩阵模型。

在本发明的一个实施例中，根据所述最大模式和所述最小模式，构建所述模式矩阵模型，包括：

计算所述最大模式和所述最小模式之间的差值△x，△x为大于0的整数；

根据所述差值△x构建所述模式矩阵模型的每一行元素，所述模式矩阵模型中同一行任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x；

根据所述差值△x构建所述模式矩阵模型的每一列元素，所述模式矩阵模型中同一列任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x。

在本发明的一个实施例中，计算所述室内环境的菲涅尔反射系数，包括：

获取所述OAM天线阵列在所述室内环境的第一反射角、第二反射角和第三反射角；

根据所述第一反射角计算所述室内环境的第一菲涅尔反射系数；

根据所述第二反射角计算所述室内环境的第二菲涅尔反射系数；

根据所述第三反射角计算所述室内环境的第三菲涅尔反射系数。

在本发明的一个实施例中，计算所述室内环境的信号路径长度，包括：

获取所述OAM天线阵列在所述室内环境的第一路径、第二路径和第三路径；

根据所述第一路径计算所述室内环境的第一信号路径长度；

根据所述第二路径计算所述室内环境的第二信号路径长度；

根据所述第三路径计算所述室内环境的第三信号路径长度。

在本发明的一个实施例中，根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到信道模型，包括：

根据所述模式矩阵模型和所述第一信号路径长度得到第一信道模型；

根据所述模式矩阵模型、所述第一菲涅尔反射系数和所述第二信号路径长度得到第二信道模型；

根据所述模式矩阵模型、所述第二菲涅尔反射系数、所述第三菲涅尔反射系数和所述第三信号路径长度得到第三信道模型；

根据所述第一信道模型、所述第二信道模型和所述第三信道模型得到所述信道模型。

在本发明的一个实施例中，根据所述信道模型得到信道容量，包括：

对所述信道模型进行奇异值分解得到若干奇异值；

根据所述若干奇异值得到所述信道容量。

本发明另一实施例提供了一种室内通信装置，所述装置包括：

第一模型构建模块，用于构建所述室内环境的所述模式矩阵模型；

第一数据处理模块，用于计算所述室内环境下的所述菲涅尔反射系数；

第二数据处理模块，用于计算所述室内环境下的所述信号路径长度；

第二模型构建模块，用于根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到所述信道模型；

数据确定模块，用于根据所述信道模型得到所述信道容量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供了一种室内通信方法，该通信方法与传统的MIMO方法相比，通过构建室内环境的模式矩阵模型和信道模型，使得信道容量有显著的提高，从而满足室内通信对更高信道容量的需求。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种室内通信方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种室内通信方法中OAM天线阵列的示意图；

图3a～3b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型1时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图4a～4b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型2时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图5a～5b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型3时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图6a～6b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型4时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图7a～7b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型1时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图8a～8b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型2时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图9a～9b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型3时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图10a～10b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型4 时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图；

图11是本发明实施例提供的一种室内通信方法在未利用注水方法时，不同模式矩阵模型下的信道容量范围示意图；

图12是本发明实施例提供的一种室内通信方法在利用注水方法时，不同模式矩阵模型下的信道容量范围示意图；

图13是本发明实施例提供的一种室内通信方法在利用注水方法时，不同模式矩阵模型下条件数对应的概率密度函数示意图；

图14是本发明实施例提供的一种室内通信装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种室内通信方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种室内通信方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、构建室内环境的模式矩阵模型；

步骤2、计算室内环境的菲涅尔反射系数；

步骤3、计算室内环境的信号路径长度；

步骤4、根据模式矩阵模型、菲涅尔反射系数和信号的路径长度，得到信道模型；

步骤5、根据信道模型得到信道容量。

具体而言，目前室内通信大多采用的是MIMO技术，随着移动设备在室内的使用率的增加，MIMO技术已无法满足室内通信对更高信道容量的需求。基于上述问题，本实施例提出了一种室内通信方法，首先构建与该室内环境对应的模式矩阵模型，以及计算在该室内环境的菲涅尔反射系数、信号路径长度，通过构建的模式矩阵模型和计算的菲涅尔反射系数、信号路径长度来构建室内环境的信道模型，最后根据该信道模型获取信道容量。

本实施例通过如上模式矩阵模型和信道模型的构建，解决了MIMO通信无法满足室内通信对更高信道容量需求的问题，实现了高信道容量的室内通信。

进一步地，本实施例步骤1构建室内环境的模式矩阵模型。

具体而言，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种室内通信方法中OAM天线阵列的示意图。图2中，A、B、C、D分别表示室内的四面墙(相当于镜面)，O为图2的坐标原点，室内地面设置有信号接收端，室内天花板设置有信号发射端，本实施例步骤1具体包括步骤1.1、步骤1.2：

步骤1.1、获取室内环境的若干OAM天线单元，若干OAM天线单元等间距分布形成方形OAM天线阵列。

具体而言，本实施例室内环境包括若干OAM天线单元，由若干OAM 天线单元构建收发端OAM天线单元的拓扑结构，其中，若干OAM天线单元在室内地面等间距分布形成方形接收端OAM天线阵列，若干OAM天线单元在室内天花板等间距分布形成方形发射端OAM天线阵列。发射端 OAM天线阵列中的OAM天线单元产生OAM波束，每个OAM波束对应一种模式，根据OAM波束在墙面的镜面反射特性，利用几何光学方法，设计收发端OAM天线单元的排布方式来进行模式矩阵建模。其中，每个OAM 天线单元与一射频链路连接，由射频链路为OAM天线单元提供馈电。

步骤1.2、根据OAM天线阵列构建模式矩阵模型。

具体而言，本实施例通过室内发射端OAM天线阵列构建模式矩阵模型，模式矩阵模型中的每个元素表示一种模式，具体地，该模式与发射端OAM 天线阵列中的OAM天线单元产生的OAM波束对应，本实施例步骤1.2具体包括步骤1.2.1、步骤1.2.2、步骤1.2.3：

步骤1.2.1、获取OAM天线阵列中每个OAM天线单元的模式。

具体而言，本实施例的模式矩阵模型根据室内发射端OAM天线阵列具体设计而构建。发射端OAM天线阵列中的每个OAM天线单元发射一模式的 OAM波束，接收端OAM天线阵列中的每个OAM天线单元接收任意一个发射端发射的OAM波束。其中，OAM波束对应的模式具体由发射该OAM波束的OAM天线单元决定。

步骤1.2.2、从所有OAM天线单元的模式中选取最大模式和最小模式。

具体而言，本实施例每个OAM天线单元发射的OAM波束对应的模式不同，则从所有模式中选出最大模式和最小模式，将最大和模式和最小模式作为约束条件来构建模式矩阵模型。

步骤1.2.3、根据最大模式和最小模式，构建模式矩阵模型。

具体而言，本实施例根据室内发射端OAM天线阵列的特点，步骤1.2.3 具体包括步骤1.2.3.1、步骤1.2.3.2、步骤1.2.3.3：

步骤1.2.3.1、计算最大模式和最小模式之间的差值△x，△x为大于0的整数。

具体而言，比如模式矩阵模型X为其中，A₁为发射端 OAM天线阵列发射的OAM波束对应的最大模式，C₄为发射端OAM天线阵列发射的OAM波束对应的最小模式，则计算该最大模式A₁和最小模式C₄之间的差值，记为△x，△x为大于0的整数。

步骤1.2.3.2、根据差值△x构建模式矩阵模型的每一行元素，模式矩阵模型中同一行任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x。

具体而言，本实施例根据步骤1.2.3.1中计算得到的差值△x来构建模式矩阵模型的每一行元素，且同一行任意相邻元素之间的差值的绝对值不能大于差值△x。比如模式矩阵模型X，对于第一行元素[A₁、A₂、A₃、A₄]， A₁、A₂之间、A₂、A₃之间、A₃、A₄之间的差值的绝对值分别取值为0～△x。其中，A₁、A₂之间、A₂、A₃之间、A₃、A₄之间的差值的绝对值不一定相等，具体由发射端OAM天线单元决定。

优选地，模式矩阵模型中同一行任意相邻元素之间差值的绝对值取值为△x。

步骤1.2.3.3、根据差值△x构建模式矩阵模型的每一列元素，模式矩阵模型中同一列任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x。

具体而言，本实施例根据步骤1.2.3.1中计算得到的差值△x来构建模式矩阵模型的每一列元素，且同一列任意相邻元素之间的差值的绝对值不能大于差值△x。比如模式矩阵模型X，对于第一列元素[A₁、B₁、C₁、D₁]^T， A₁、B₁之间、B₁、C₁之间、C₁、D₁之间的差值的绝对值分别取值为0～△x。其中，A₁、B₁之间、B₁、C₁之间、C₁、D₁之间的差值的绝对值不一定相等，具体由发射端OAM天线单元决定。

优选地，模式矩阵模型中同一列任意相邻元素之间差值的绝对值取值为△x。

本实施例为了分析不同模式矩阵模型对信道容量的影响，通过改变发射端OAM天线阵列中模式复用的个数和模式复用的间隔数来改变信道容量。具体地，比如模式矩阵模型X中每个元素可以表示一种模式，模式矩阵模型 X中所有元素只有两种数字(数字不分正数、负数)，表明该模式矩阵模型X 复用了2种模式，模式矩阵模型X中所有元素只有4种数字，表明该模式矩阵模型X复用了2种模式，依次类推；模式矩阵模型X中同一行任意相邻元素的差值的绝对值表示模式复用的间隔数，模式矩阵模型X中第一行元素[A₁、 A₂、A₃、A₄]，A₁、A₂之间、A₂、A₃之间、A₃、A₄之间的差值的绝对值为模式复用的间隔数。

本实施例通过OAM天线阵列中的各OAM天线单元产生涡旋电磁波 (OAM波束)，其产生的涡旋电磁波模式值是不同的，模式复用个数越多，模式复用的间隔越大，信道容量提高会越多，通过更改模式值来提高室内信道容量；本实施例中OAM天线阵列产生涡旋电磁波的模式值，可以通过调节射频链路来实现该模式值的调整，从而提高了系统的灵活性、实用性，降低了维护成本。

进一步地，本实施例步骤2计算室内环境的菲涅尔反射系数。

具体而言，本实施例OAM天线发射的OAM波束在室内或是封闭环境的墙面存在反射，所以OAM波束从发射端到接收端的传输过程中包括OAM波束直射、OAM波束一阶反射、OAM波束二阶反射，以及OAM波束高阶反射(大于等于3阶的反射)，由于高阶反射的反射损失要大得多，因此本实施例忽略了高阶反射，则本实施例只需要计算OAM波束直射时的菲涅尔反射系数，OAM波束一阶反射时的菲涅尔反射系数，OAM波束二阶反射时的菲涅尔反射系数，菲涅尔反射可以很好的反映OAM波束在室内的反射情况，其中，OAM波束直射为发射端发射的OAM波束不经过任何墙面反射直接到达接收端的情况，OAM波束一阶反射为发射端发射的OAM波束从发射端经过墙面一次反射后再到达接收端的情况，OAM波束二阶反射为发射端发射的OAM波束从发射端经过两堵墙各一次的反射后再到达接收端的情况。本实施例具体步骤2包括步骤2.1、步骤2.2、步骤2.3、步骤2.4：

步骤2.1、获取OAM天线阵列在室内环境的第一反射角、第二反射角和第三反射角。

具体而言，本实施例要计算OAM波束直射时的菲涅尔反射系数，OAM 波束一阶反射时的菲涅尔反射系数，OAM波束二阶反射时的菲涅尔反射系数，就需要知道OAM波束直射时的反射角，实际中直射时的反射角为0度， OAM波束一阶反射时的反射角，记为第一反射角，OAM波束二阶反射时反射角包括在墙面第一次发生反射时的反射角，记为第二反射角，以及在墙面发生第二次反射时的反射角，记为第三反射角。

步骤2.2、根据第一反射角计算室内环境的第一菲涅尔反射系数。

具体而言，本实施例第一菲涅尔反射系数为OAM波束一阶反射时的菲涅尔反射系数，第一菲涅尔反射系数设计为：

其中，θ_R1,j表示OAM波束在一阶反射过程中在墙面上的反射角，即第一反射角，ε_r表示透射率，该透射率与OAM波束的工作频率和反射材料(墙面) 有关。

步骤2.3、根据第二反射角计算室内环境的第二菲涅尔反射系数。

具体而言，本实施例第二菲涅尔反射系数为OAM波束二阶反射中第一次反射时的菲涅尔反射系数，第二菲涅尔反射系数设计为：

其中，θ_R2,k为OAM波束在二阶反射过程中第一次反射时在墙面上的反射角，即第二反射角。

步骤2.4、根据第三反射角计算室内环境的第三菲涅尔反射系数。

具体而言，本实施例第三菲涅尔反射系数为OAM波束二阶反射中第二次反射时的菲涅尔反射系数，第三菲涅尔反射系数设计为：

其中，φ_R2,k为OAM波束在二阶反射过程中第二次反射时在墙面上的反射角，即第三反射角。

需要说明的是，本实施例中OAM波束在直射时的菲涅尔反射系数取值为0。

进一步地，本实施例步骤3计算室内环境的信号路径长度。

具体而言，本实施例信号路径长度包括OAM波束在直射时、OAM波束在一阶反射时和OAM波束在二阶反射时对应的信号路径长度，具体步骤3 包括步骤3.1、步骤3.2、步骤3.3、步骤3.4：

步骤3.1、获取OAM天线阵列在室内环境的第一路径、第二路径和第三路径。

具体而言，请再参见图2，本实施例的信道路径包括第一路径(灰色实线所示)、第二路径(黑色虚线所示)、第三路径(灰色虚线所示)，其中，第一路径(Line of Sight，简称LOS)为信号由发射端直接到达接收端的传播路径，第二路径为信号由发射端经过一堵墙面(比如墙面A)的一次反射后再到达接收端的传播路径，第三路径为信号从发射端经过两堵墙面(比如墙面A和墙面 B)各一次的反射后再到达接收端的传播路径。

步骤3.2、根据第一路径计算室内环境的第一信号路径长度。

具体而言，请再参见图2，本实施例第一路径长度为信号直射路径，OAM 波束没有墙面反射的情况下，在本实施例图2建立的坐标系中，第n个发射天线到第m个接收天线的第一信号路径长度设计为：

其中，(x_Tn,y_Tn,z_Tn)表示第n个发射天线在图2建立的坐标系中的坐标， (x_Rm,y_Rm,z_Rm)表示第m个接收天线在图2建立的坐标系中的坐标。

步骤3.3、根据第二路径计算室内环境的第二信号路径长度。

具体而言，请再参见图2，本实施例第二路径长度为信号一阶反射路径， OAM波束一阶反射的情况下，在本实施例图2建立的直接坐标系中，第n个发射天线到达墙面反射点，然后从墙面反射点反射后再到达第m个接收天线的第二信号路径长度设计为：

其中，(x_mirror,Tn,y_mirror,Tn,z_mirror,Tn)表示第n个发射天线以四面墙为镜面，得到的在图2建立的坐标系中的镜像点坐标。

步骤3.4、根据第三路径计算室内环境的第三信号路径长度。

具体而言，请再参见图2，本实施例第三路径长度为信号二阶反射路径，OAM波束二阶反射的情况下，在本实施例图2建立的直接坐标系中，第n个发射天线到达墙面第一个反射点，又从墙面第一个反射点反射到达墙面第二个反射点，然后从墙面第二个反射点反射到达第m个接收天线的第三信号路径长度设计为：

其中，(x_mirror,Rm,y_mirror,Rm,z_mirror,Rm)表示第m个接收天线以四面墙为镜面，得到的在图2建立的坐标系中的镜像点坐标。

进一步地，本实施例步骤4根据模式矩阵模型、菲涅尔反射系数和信号路径长度得到信道模型。

具体而言，本实施例信号模型由上述步骤1得到的模式矩阵模型、步骤 2得到的菲涅尔反射系数、步骤3得到的信号路径长度来构建，具体步骤4包括步骤4.1、步骤4.2、步骤4.3、步骤4.4：

步骤4.1、根据模式矩阵模型和第一信号路径长度，得到第一信道模型。

具体而言，本实施例第一信道模型为信道模型在信号直射时的分量，第一信道模型设计为：

其中，l表示OAM天线阵列中的模式矩阵模型，具体地模式矩阵模型包括模式矩阵模型1、模式矩阵模型2、模式矩阵模型3、模式矩阵模型4， d_LOS(m,n)表示上述第一信号路径长度，d_LOS(m,n)可取任意正数，是第m个接收天线相对于第n个发射天线的方位角，λ为OAM波束的波长。

步骤4.2、根据模式矩阵模型、第一菲涅尔反射系数和第二信号路径长度，得到第二信道模型。

具体而言，本实施例第二信道模型为信道模型在信号一阶反射时的分量，第二信道模型设计为：

其中，d_R1,j(m,n)表示上述第二信号路径长度，d_R1,j(m,n)可取任意正数，Γ(θ_R1,j)表示上述第一菲涅尔反射系数。

步骤4.3、根据模式矩阵模型、第二菲涅尔反射系数、第三菲涅尔反射系数和第三信号路径长度，得到第三信道模型。

具体而言，本实施例第三信道模型为信道模型在信号二阶反射时的分量，第三信道模型设计为：

其中，d_R2,k(m,n)表示上述第三信号路径长度，d_R2,k(m,n)可取任意正数，Γ(θ_R2,k)表示上述第二菲涅尔反射系数，Γ(φ_R2,k)表示上述第三菲涅尔反射系数。

本实施例中Γ(θ_R1,j)、Γ(θ_R2,k)和Γ(φ_R2,k)表示垂直或平行菲涅尔反射系数。由于相对的两墙面互相平行，所以在实际计算中可以近似认为第二反射角和第三反射角相等，即θ_R2,k＝φ_R2,k，其中，θ_R2,k为OAM波束在二阶反射过程中第一次反射时在墙面上的反射角，φ_R2,k为OAM波束在二阶反射过程中第二次反射时在墙面上的反射角。

步骤4.4、根据第一信道模型、第二信道模型和第三信道模型，得到信道模型。

具体而言，本实施例考虑到高阶反射路径损失和反射损失要大得多，因此在仿真中忽略了高阶反射，只取了信号直射、信号一阶反射、信号二阶反射时对应的信道模型分量，具体构建的室内信道模型设计为：

其中，表示信号直射时的分量，表示信号一阶反射时的分量，表示信号二阶反射时的分量。

需要说明的是，在本实施例基础上考虑到利用更多高阶反射的信号来增加信道容量的，都在本实施例的保护范围。

进一步地，本实施例步骤5根据信道模型得到信道容量。

具体而言，本实施例对上述公式(10)的信道模型进行奇异值分解，得到若干奇异值，将得到的奇异值进行降序排列，记为σ₁、σ₂、σ₃、...σ_r。本实施例的信道容量设计为：

其中，P_i表示未利用注水方法时每个OAM天线单元分配的功率，σ_i表示信道模型的第i个奇异值，N₀表示平均噪声功率。

需要说明的是本实例未利用注水方法时，每个OAM天线单元分配的功率P_i是相等的，则r个奇异值对应分配给OAM天线单元的总传输功率为：

进一步地，利用注水方法对若干OAM天线单元进行功率分配，根据 OAM天线阵列构建模式矩阵模型。

具体而言，为了得到更高的信道容量，本实施例利用注水方法对若干 OAM天线单元进行功率分配，每个OAM天线分配的功率不一定相等，具体根据公式(10)得到的奇异值大小，进行相应权重的分配，比如奇异值大的权值大，分配的功率大，奇异值小的权值小，分配的功率小，从而使得信道模型得到的信道容量更高。其中，r个奇异值对应分配给OAM天线单元的总传输功率为：

其中，P_i'为利用注水方法时每个OAM天线单元分配的功率，P_i'可能相等，可能不等，具体决定于OAM天线单元的信道状态。则根据步骤1～4得到信道模型，并对信道模型进行奇异值分解，则新的信道容量C'更新设计为：

通过公式(14)，可以获取更高的信道容量。如果利用注水方法在发射端的OAM天线单元之间平均分配功率，也就是说，信道之间功率增益相同，那么此时室内的信道容量为最大，换言之，对于注水方法得到信道容量最大的时候，必然是信道模型的所有奇异值都相等的时候，即信道模型的奇异值分布越紧密，高信噪比室内环境下的信道容量越大。在信道状态良好的情况下，利用注水方法和未利用注水方法进行功率分配后得到的信道容量差别不大，但当信道状态为病态的情况下，本实施例利用注水方法进行功率分配后得到的信道容量要比未利用注水方法得到的信道容量大的多。

本实施例还定义有信道模型的条件数，具体条件数设计为：

其中，σ_max表示信道模型进行奇异值分解后的最大奇异值，σ_min表示信道模型进行奇异值分解后得到的最小奇异值。

对于一个病态的信道模型而言，κ(H)的值很大，然而对于一个良态的信道模型而言，κ(H)接近于1，条件数是衡量信道状态的一个重要指标，通过条件数的值可以直观的看出当前信道的状态，条件数κ(H)越接近1表示信道状态越好，信道状态越好表示信道容量越高。

综上，本实施例基于OAM天线阵列的室内通信方法，通过室内环境构建的模式矩阵模型和信道模型，使得信道容量有显著的提高，可以满足现在室内通信对信道容量的需求；本实施例在构建的模式矩阵模型和信道模型基础上，利用注水方法对OAM天线单元进行功率分配，使得信道容量有更显著的提高。

为了说明本实施例提供的一种室内通信方法的效果，通过以下仿真实验做以进一步说明：

仿真条件：

本实施例室内房间的尺寸是5m×5m×3m，OAM波束的工作频率为3GHz，相应的OAM波束的波长λ＝100mm。利用注水方法时，每个信道的噪声都是独立的高斯分布，总传输功率P根据每个信道的状态分布，且分别为每个发射端的OAM天线单元分配相应的功率。本实施例中，发射端由4×4 个间距为半波长的各向同性OAM天线单元组成发射OAM天线阵列，接收机由2×2个间距为半波长的OAM天线单元组成接收OAM天线阵列，石灰岩壁面介电常数为7.511。

表1列出了发射端的四种模式复用方式对应的模式矩阵模型，具体地，模式复用方式1对应的模式矩阵模型记为模式矩阵模型1，模式复用方式2对应的模式矩阵模型记为模式矩阵模型2，模式复用方式3对应的模式矩阵模型记为模式矩阵模型3，模式复用方式4对应的模式矩阵模型记为模式矩阵模型4。其中，每个模式矩阵模型中的数字代表发射端OAM天线阵列中每个 OAM天线产生的OAM波束的模式，具体产生的模式是多少，由室内环境的OAM天线单元决定，模式矩阵模型中存在几种数字代表复用了几种模式，比如模式复用方式1的模式矩阵模型1中包括1和2两种数字，表示发射端 OAM天线阵列发射了两种模式的OAM波束，即复用了2个不同模式，且模式矩阵模型1中同一行任意相邻元素之间的间隔均为1；同理，模式复用方式2复用了4个不同模式，且模式的间隔为1；同理，模式复用方式3复用了8个不同模式，且模式复用的间隔为1；同理，模式复用方式4复用了8个不同模式，且模式复用的间隔为5。

表1发射端的四种模式复用方式对应的模式矩阵模型

表1中模式矩阵模型1、模式矩阵模型2、模式矩阵模型3用于说明模式复用的个数对室内信道容量的影响，模式矩阵模型3、模式矩阵模型4用于说明模式复用的间隔数对室内信道容量的影响。本实施例并不局限于这4 中模式矩阵模型设计。

仿真结果分析：

请参见图3a～3b、图4a～4b、图5a～5b、图6a～6b，图3a～3b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在在模式矩阵模型1时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图4a～4b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型2时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图5a～5b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型3时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图6a～6b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型4时，未利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图。图3a～3b、图4a～4b、图5a～5b、图6a～6b 左边均为信道容量的分布平面图，右边均为信道容量的分布立体图。从图3a～3b、图4a～4b、图5a～5b可以看出：在模式的间隔数相同的情况下，复用的模式数越多，信道容量提升越显著；从图6a～6b可以看出：在复用模式数相同的情况下，模式的间隔数越大，信道容量提升越明显。本实施例提供的室内通信方法可以得到较高的信道容量。

请参见图7a～7b、图8a～8b、图9a～9b、图10a～10b，图7a～7b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型1时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图8a～8b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型2时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图9a～9b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型3时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图，图10a～10b是本发明实施例提供的一种室内通信方法在模式矩阵模型4时，利用注水方法分配功率，得到的信道容量分布平面和立体示意图。图7a～7b、图8a～8b、图9a～9b、图10a～10b 左边均为信道容量的分布平面图，右边均为信道容量的分布立体图。从 7a～7b、图8a～8b、图9a～9b可以看出：在模式的间隔数相同的情况下，复用的模式数越多，信道容量提升越显著；从图10a～10b可以看出：在复用模式数相同的情况下，模式数间隔数越大，信道容量提升越明显；同时与上述图3a～3b、图4a～4b、图5a～5b、图6a～6b相比，可以看出，在未利用注水方法的情况下，信道容量的变化规律与利用注水方法时相同，但本实施例在利用注水方法基础上，进一步提高了信道容量。

请参见图11，图11是本发明实施例提供的一种室内通信方法在未利用注水方法时，不同模式矩阵模型下的信道容量范围示意图。横坐标表示信噪比，纵坐标表示信道容量，可见，不管是低信噪比还是高信噪比，本申请的信道容量范围均比MIMO技术有提高，随着信噪比升高，本申请的信道容量范围相比MIMO技术提高更明显，而且复用模式的间隔数越大，复用模式数越多，比如模式矩阵模型4的情况，信道容量的范围更大。

请参见图12，图12是本发明实施例提供的一种室内通信方法在利用注水方法时，不同模式矩阵下的信道容量范围示意图。横坐标表示信噪比，纵坐标表示信道容量，可见，随着信噪比升高，本申请的信道容量范围相比MIMO技术有了明显的提高，而且使用模式的间隔数越大，模式数越多，比如模式矩阵模型4的情况，信道容量的范围要更大；同时与图11相比，不管是低信噪比还是高信噪比，以及不管是哪种模式矩阵模型，本申请利用注水方式时的信道容量范围均比未利用注水方式时信道容量范围更大；同一信噪比下，本申请利用注水方法与未利用注水方法相比，信道容量有了明显的提高。

请参见图13，图13是本发明实施例提供的一种室内通信方法在利用注水方法时，不同模式矩阵模型下条件数对应的概率密度函数示意图。横坐标表示条件数大小，纵坐标表示条件数出现的概率，可见，本申请室内通信方法不管在是哪种模式矩阵模型下，条件数数值均低于MIMO技术，本申请条件数比MIMO技术的条件数更接近于1，而且复用模式的间隔数越大，复用模式数越多，比如模式矩阵模型4的情况，较小条件数出现的概率越高，由上述可知条件数越接近于1，表示信道状态越好，信道容量越高，则不管在是哪种模式矩阵模型下，本申请与MIMO技术相比，室内的信道容量更高。

实施例二

在上述实施例一的基础上，请参见图14，图14是本发明实施例提供的一种室内通信装置的结构示意图。本实施例提供了一种室内通信装置，该装置包括：

第一模型构建模块，用于构建室内环境的模式矩阵模型。

具体而言，本实施例模式矩阵模型根据室内环境而构建，具体包括本获取室内环境的若干OAM天线单元，若干OAM天线单元等间距分布形成方形OAM天线阵列；根据OAM天线阵列构建模式矩阵模型。

进一步地，本实施例根据OAM天线阵列构建模式矩阵模型，包括：获取OAM天线阵列中每个OAM天线单元的模式；从所有OAM天线单元的模式中选取最大模式和最小模式；根据最大模式和最小模式，构建模式矩阵模型。其中，根据最大模式和最小模式，构建模式矩阵模型，包括：计算最大模式和最小模式之间的差值△x，△x为大于0的整数；根据差值△x构建模式矩阵模型的每一行元素，模式矩阵模型中同一行任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x；根据差值△x构建模式矩阵模型的每一列元素，模式矩阵模型中同一列任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x。

进一步地，本实施例在根据OAM天线阵列构建模式矩阵模型之前，还包括：利用注水方法对若干OAM天线单元进行功率分配。

第一数据处理模块，用于计算室内环境下的菲涅尔反射系数。

具体而言，本实施例计算室内环境下的菲涅尔反射系数包括获取OAM 天线阵列在室内环境的第一反射角、第二反射角和第三反射角；根据第一反射角计算室内环境的第一菲涅尔反射系数；根据第二反射角计算室内环境的第二菲涅尔反射系数；根据第三反射角计算室内环境的第三菲涅尔反射系数。

第二数据处理模块，用于计算室内环境下的信号路径长度。

具体而言，本实施例计算室内环境下的信号路径长度包括获取OAM天线阵列在室内环境的第一路径、第二路径和第三路径；根据第一路径计算室内环境的第一信号路径长度；根据第二路径计算室内环境的第二信号路径长度；根据第三路径计算室内环境的第三信号路径长度。

第二模型构建模块，用于根据模式矩阵模型、菲涅尔反射系数和信号路径长度，得到信道模型。

具体而言，本实施例根据模式矩阵模型、菲涅尔反射系数和信号路径长度，得到信道模型包括根据模式矩阵模型和第一信号路径长度，得到第一信道模型；根据模式矩阵模型、第一菲涅尔反射系数和第二信号路径长度，得到第二信道模型；根据模式矩阵模型、第二菲涅尔反射系数、第三菲涅尔反射系数和第三信号路径长度，得到第三信道模型；根据第一信道模型、第二信道模型和第三信道模型，得到信道模型。

数据确定模块，用于根据信道模型得到信道容量。

具体而言，本实施例根据信道模型得到信道容量包括对信道模型进行奇异值分解得到若干奇异值；根据若干奇异值得到信道容量。

本实施例提供的一种室内通信装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术邻域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种室内通信方法，其特征在于，包括：

构建室内环境的模式矩阵模型；

计算所述室内环境的菲涅尔反射系数；

计算所述室内环境的信号路径长度；

根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到信道模型；

根据所述信道模型得到信道容量。

2.根据权利要求1所述的室内通信方法，其特征在于，构建室内环境的模式矩阵模型，包括：

获取所述室内环境的若干OAM天线单元，所述若干OAM天线单元等间距分布形成方形OAM天线阵列；

根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型。

3.根据权利要求2所述的室内通信方法，其特征在于，在根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型之前，还包括：

利用注水方法对所述若干OAM天线单元进行功率分配。

4.根据权利要求2或3任一项所述的室内通信方法，其特征在于，根据所述OAM天线阵列构建所述模式矩阵模型，包括：

获取所述OAM天线阵列中每个OAM天线单元的模式；

从所有所述OAM天线单元的模式中选取最大模式和最小模式；

根据所述最大模式和所述最小模式，构建所述模式矩阵模型。

5.根据权利要求4所述的室内通信方法，其特征在于，根据所述最大模式和所述最小模式，构建所述模式矩阵模型，包括：

计算所述最大模式和所述最小模式之间的差值△x，△x为大于0的整数；

根据所述差值△x构建所述模式矩阵模型的每一行元素，所述模式矩阵模型中同一行任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x；

根据所述差值△x构建所述模式矩阵模型的每一列元素，所述模式矩阵模型中同一列任意相邻元素之间差值的绝对值取值为0～△x。

6.根据权利要求2或3任一项所述的室内通信方法，其特征在于，计算所述室内环境的菲涅尔反射系数，包括：

获取所述OAM天线阵列在所述室内环境的第一反射角、第二反射角和第三反射角；

根据所述第一反射角计算所述室内环境的第一菲涅尔反射系数；

根据所述第二反射角计算所述室内环境的第二菲涅尔反射系数；

根据所述第三反射角计算所述室内环境的第三菲涅尔反射系数。

7.根据权利要求6所述的室内通信方法，其特征在于，计算所述室内环境的信号路径长度，包括：

获取所述OAM天线阵列在所述室内环境的第一路径、第二路径和第三路径；

根据所述第一路径计算所述室内环境的第一信号路径长度；

根据所述第二路径计算所述室内环境的第二信号路径长度；

根据所述第三路径计算所述室内环境的第三信号路径长度。

8.根据权利要求7所述的室内通信方法，其特征在于，根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到信道模型，包括：

根据所述模式矩阵模型和所述第一信号路径长度得到第一信道模型；

根据所述模式矩阵模型、所述第一菲涅尔反射系数和所述第二信号路径长度得到第二信道模型；

根据所述模式矩阵模型、所述第二菲涅尔反射系数、所述第三菲涅尔反射系数和所述第三信号路径长度得到第三信道模型；

根据所述第一信道模型、所述第二信道模型和所述第三信道模型得到所述信道模型。

9.根据权利要求1所述的室内通信方法，其特征在于，根据所述信道模型得到信道容量，包括：

对所述信道模型进行奇异值分解得到若干奇异值；

根据所述若干奇异值得到所述信道容量。

10.一种室内通信装置，其特征在于，所述装置包括：

第一模型构建模块，用于构建所述室内环境的所述模式矩阵模型；

第一数据处理模块，用于计算所述室内环境下的所述菲涅尔反射系数；

第二数据处理模块，用于计算所述室内环境下的所述信号路径长度；

第二模型构建模块，用于根据所述模式矩阵模型、所述菲涅尔反射系数和所述信号路径长度，得到所述信道模型；

数据确定模块，用于根据所述信道模型得到所述信道容量。