CN111133695A - 无线通信装置以及无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

无线通信装置包括：多个天线元件；调制部，以彼此不同的实数值的多个第一OAM模式对包含数据的信号进行调制；运算部，根据表示作为数据的发送目的地的相对的无线通信装置中的无线环境的信息，按照多个天线元件中的每一个来计算系数，该系数表示针对由调制部调制的多个第一OAM模式中的每个模式的信号的加权；以及发送处理部，使用系数，按照多个天线元件中的每一个，对多个第一OAM模式中的每个模式的信号进行多路复用，并将按照多个天线元件中的每一个进行了多路复用的信号输出至所述多个天线元件中的每一个。

Description

无线通信装置以及无线通信方法
技术领域
本发明涉及一种使用电磁波的轨道角动量(Orbital Angular Momentum：OAM)对无线信号进行空间复用传输的无线通信装置以及无线通信方法。
背景技术
在无线通信系统中，提出了利用OAM复用对电磁波进行多路复用来增大传输容量的技术(例如，参照非专利文献1)。并且，使用了OAM的电磁波的等相位面以传播方向为轴的中心，沿着垂直于轴的旋转方向呈螺旋状分布。此时，将等相位面的螺旋周期为2π×l的模式称为OAM模式l。
此外，彼此不同的整数值的OAM模式l的电磁波在旋转方向上具有正交性，能够进行空间复用。因而，彼此不同的整数值的OAM模式l的电磁波即使被同时发送，在接收方也能够按照每个OAM模式来进行分离。因而，有人提出了使用圆形阵列天线或SPP(Spiral PhasePlate，螺旋相位板)等的天线，对多个OAM模式l的电磁波进行多路复用并发送的技术(例如，参照非专利文献2、3)。
此外，还提出了发送OAM模式l为0.5或1.5等实数值的电磁波的技术(例如，参照非专利文献4)。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1:Y.Yan等“High-capacity millimetre-wave communications withorbital angular momentum multiplexing，具有轨道角动量多路多路复用的大容量毫米波通信”，Nat.Commun.,5,4876,2014.
非专利文献2:A.Honda等，“Development of wireless communicationtechnologies for future multi-gigabit data transmission，用于未来的千兆位数据传输的无线通信技术的发展”，2014年APMC会议。
非专利文献3:F.E.Mahmouli等，“4-Gbps uncompressed video transmissionover a 60-GHz orbital angular momentum wireless channel，通过60GHz轨道角动量无线信道进行的4-Gbps非压缩视频传输”，IEEE wirelesscommun.lett.,vol.2，第2号，第223-226页，2013年。
非专利文献4:J.Wang等，“Experimental demonstration of free-spaceoptical communications using OFDM-QPSK/16QAM-carrying fractional orbitalangular momentum(OAM)multiplexing，使用OFDM-QPSK/16QAM携带分数轨道角动量(OAM)多路复用的自由空间光通信的实验演示”，in proc.of OFC 2015。
发明内容
发明所要解决的问题
发射电磁波的发送方的天线的光束图案与OAM模式l的绝对值成比例地扩大。即，随着OAM模式l的绝对值增大，发送方的天线朝向接收方的无线通信装置所含天线的方向的方向性降低，接收方的无线通信装置中的接收功率降低。因而，有的发送方的无线通信装置在能够获得无线通信所需的接收功率并且能够进行多路复用的OAM模式的数量上受到限制。
本发明的目的在于提供一种无线通信装置以及无线通信方法，与以往相比，以更多数量的OAM模式对电磁波进行多路复用，从而提高吞吐量。
本发明的第一方式提供一种无线通信装置，其包括：多个天线元件；调制部，以彼此不同的实数值的多个第一OAM模式对包含数据的信号进行调制；运算部，根据表示作为数据的发送目的地的相对的无线通信装置中的无线环境的信息，按照多个天线元件中的每一个来计算系数，该系数表示针对由调制部调制的多个第一OAM模式中的每个模式的信号的加权；以及发送处理部，使用系数，按照多个天线元件中的每一个，对多个第一OAM模式中的每个模式的信号进行多路复用，并将按照多个天线元件中的每一个进行了多路复用的信号输出至所述多个天线元件中的每一个。
在本发明第一方式的无线通信装置中，还可以包括：接收处理部，针对从相对的无线通信装置接收到的接收信号，以与多个第一OAM模式中的每一个相对应的相位量进行相位旋转，从接收信号分离出多个第一OAM模式的信号中的每一个；以及，解调部，对分离出的多个第一OAM模式的信号进行解调。
在本发明第一方式的无线通信装置中，还可以包括：聚光部，在相对的无线通信装置的位置处对由多个天线元件发射的电磁波进行聚光。
在本发明第一方式的无线通信装置中，还可以是：多个天线元件是在与设置相对的无线通信装置的方向垂直的二维平面上呈同心圆状配置的多组圆形阵列天线。
在本发明第一方式的无线通信装置中，还可以是：还包括配置在多组圆形阵列天线的每一组中的多个发送处理部，运算部按照所述多组圆形阵列天线中的每一组来计算系数，多个发送处理部中的每一个使用系数，按照所配置的每个圆形阵列天线，对多个第一OAM模式中的每个模式的信号进行多路复用，对进行了多路复用的信号，执行与所配置的圆形阵列天线中设定的整数值的第二OAM模式相应的相位加权。
本发明的第二方式提供了一种无线通信方法，该无线通信方法是具有多个天线元件的无线通信装置的无线通信方法，其特征在于，以彼此不同的实数值的多个第一OAM(轨道角动量)模式对包含数据的信号进行调制，根据表示作为数据的发送目的地的相对的无线通信装置中的无线环境的信息，按照多个天线元件中的每一个来计算系数，该系数表示针对由调制部调制的多个第一OAM模式的每个模式的信号的加权，使用系数，按照多个天线元件中的每一个，对多个第一OAM模式中的每个模式的信号进行多路复用，并将按照多个天线元件中的每一个进行了多路复用的信号输出至多个天线元件中的每一个。
发明效果
本发明能够以与以往相比更多的数量的OAM模式对电磁波进行多路复用，从而提高吞吐量。
附图说明
图1是无线通信系统的一个实施方式的示意图；
图2是图1所示的发送站以及接收站的一个例子的示意图；
图3是图2所示的发送站中的天线元件的配置的一个例子的示意图；
图4是图1所示的无线通信系统中的通信处理的一个例子的示意图；
图5是无线通信系统的另一实施方式的示意图；
图6是图5所示的发送站中的多重圆形阵列天线的一个例子的示意图；
图7是图5所示的发送站的一个例子的示意图；
图8是图7所示的发送处理部的一个例子的示意图；
图9是图4所示的无线通信系统中的通信处理的一个例子的示意图。
具体实施方式
以下，使用附图对实施方式进行说明。
图1示出了无线通信系统的一个实施方式。
图1所示的无线通信系统SYS具有发送站100以及接收站200。发送站100对彼此不同的实数值的多个OAM模式的电磁波进行多路复用，使用包括Nt个天线元件ATx(ATx(1)～ATx(Nt))的发送天线，将多路复用后的电磁波发送给接收站200。接收站200使用包括Nr个天线元件ARx(ARx(1)～ARx(Nr))的接收天线，接收由发送站100发送的电磁波。
另外，发送站100可以具有接收站200的功能，接收站200也可以具有发送站100的功能。由此，发送站100与接收站200能够彼此双向地执行无线通信。发送站100是无线通信装置的一个例子，接收站200是相对的无线通信装置的一个例子。
图2示出图1所示的发送站100以及接收站200的一个例子。图2的(a)示出发送站100，图2的(b)示出接收站200。
发送站100具有：S/P(Serial-to-Parallel，串并转换)部110、调制部120、运算部130、发送处理部140以及Nt个天线元件ATx。
S/P部110经由发送站100所包含的输入接口或网络接口等，接收包含从智能手机或平板电脑型终端等移动通信终端发送的数据的信号、或者包含从网络接收的数据的信号。S/P部110例如将接收到的信号(以下，也称为“发送信号序列”)从串行信号转换为M个并行信号。S/P部110将转换为并行信号的M个发送信号序列输出给调制部120。
调制部120针对从S/P部110接收到的M个并行的发送位串的每个，以PSK(PhaseShift Keying，相移键控)/QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制)方式等进行调制，生成M个发送信号序列。然后，调制部120将生成的M个发送信号序列输出给发送处理部140。在这里，调制部120输出的第m个发送信号序列是使用OAM模式lm发送的(m是从1到M的整数)。对于该发送处理，后面将详细说明。
另外，OAM模式lm间的间隔被设定为“1/3”等的分数、或者“0.2”或“0.5”等小于1的值。即，发送站100通过间隔被设定为比1小的值的M个OAM模式lm传输发送信号序列。由此，发送站100在能够发送的OAM模式的范围相同时，与以间隔为“1”等的整数值来设定多个OAM模式的情况相比，能够以更多的OAM模式lm对发送信号序列进行调制。此外，通过将OAM模式lm的绝对值设定为较小的值，发送站100能够抑制Nt个天线元件ATx引起的光束图案的扩大。此外，OAM模式lm间的间隔也可以选择不等间隔。
此外，发送站100也可以具有M个调制部120。此时，M个调制部120中的每一个被设定为彼此不同的实数值的M个OAM模式lm中的任一个，从S/P部110接收M个发送信号序列中的任一个，针对接收到的发送信号序列，以所设定的OAM模式lm进行传输。
运算部130是发送站100所包含的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)等的处理器，根据表示作为发送信号序列的发送目的地的接收站200中的无线环境的信息，按照Nt个天线元件Atx中的每一个，计算针对由调制部120调制的M个OAM模式lm的发送信号序列中的每一个的加权系数。运算部130将计算出的加权系数输出给发送处理部140。在图4中，针对运算部130的工作以及表示接收站200的无线环境的信息进行说明。
发送处理部140例如具有M个OAM模式生成处理部141(141(1)～141(M))、以及Nt个多路复用部142(142(1)～142(Nt))。M个OAM模式生成处理部141中的每一个使用由运算部130计算出的加权系数，按照天线元件Atx中的每一个，对从调制部120接收到的发送信号序列进行加权。M个OAM模式生成处理部141中的每一个将按照天线元件Atx中的每一个进行加权的发送信号序列分别输出给对应的天线元件ATx所连接的多路复用部142。然后，M个多路复用部142中的每一个对由M个OAM模式生成处理部141中的每一个进行加权的发送信号序列进行多路复用，将多路复用后的发送信号序列输出给天线元件ATx。利用图4，对OAM模式生成处理部141以及多路复用部142的工作进行说明。
Nt个天线元件ATx是阵列天线，其被配置在与向接收站200发射的电磁波的传播方向相垂直的平面上。另外，Nt个天线元件ATx可以具有任意的方向性以及偏振特性。利用图3，对使用Nt个天线元件ATx的阵列天线进行说明。
接收站200具有：Nr个天线元件ARx、接收处理部210、解调部220以及P/S(Parallel-to-Serial)部230。
Nr个天线元件ARx是一组圆形阵列天线，它们在与由发送站100发射的电磁波传播过来的方向垂直的平面内，等间隔地配置在半径Rrx的圆周上。Nr个天线元件ARx接收具有由发送站100发射的OAM的电磁波，将所接收到的OAM的电磁波的接收信号输出给接收处理部210。
接收处理部210例如具有Nr个分波部211(211(1)～211(Nr))以及M个OAM模式分离处理部212(212(1)～212(M))。Nr个分波部211中的每一个例如将经由天线元件ARx接收到的接收信号分配给M个OAM模式分离处理部212中的每一个。然后，M个OAM模式分离处理部212中的每一个被设定为彼此不同的实数值的M个OAM模式lm中的一个，针对被Nr个分波部211各自分波的接收信号执行与设定的OAM模式lm相对应的规定相位量的相位旋转。由此，M个OAM模式分离处理部212中的每一个从接收信号分离出所设定的OAM模式lm的发送信号序列。M个OAM模式分离处理部212中的每一个将分离出的OAM模式lm的发送信号序列输出给解调部220。利用图4，对接收处理部210以及OAM模式分离处理部212的工作进行说明。
解调部220针对从接收处理部210接收到的M个OAM模式lm的发送信号序列的每一个执行解调处理。
P/S部230将作为从解调部220接收到的M个发送信号序列的并行信号转换为串行信号。然后，接收站200经由接收站200所包含的输出接口等，将被转换为串行信号的发送信号序列输出给外部的移动通信终端或者网络等。
Nr个天线元件ARx是单重的圆形阵列天线，在与由发送站100发送的电磁波传播的方向相垂直的平面内被配置在具有任意半径的圆周上。另外，天线元件ARx也可以具有任意的方向性以及偏振特性。
图3示出图2所示的发送站100中的天线元件ATx的配置的一个例子。图3的(a)示出Nt个天线元件ATx被配置成同心圆状的多组阵列天线(以下，也称为“多重圆形阵列天线”)的情况。图3的(b)示出Nt个天线元件ATx被配置成栅格状的阵列天线(以下，也称为“栅格阵列天线”)的情况。另外，图3示出以发送站100发射的电磁波向接收站200传播的方向为Z轴方向，从Z轴方向的正向(即，接收站200那侧)看到的XY平面上的Nt个天线元件ATx的配置。此外，在图3中，Nt个天线元件Atx中的每一个以圆形的标记表示。
此外，在图3中，尽管示出了多重圆形阵列天线或者栅格阵列天线，但也可以将Nt个天线元件ATx随机配置在XY平面上。
另外，当发送站100作为接收站接收从接收站200发射的电磁波时，并且如图3的(a)所示将Nt个天线元件ATx配置为多重圆形阵列天线时，发送站100使用多重圆形阵列天线中的任一组圆形阵列天线，接收来自接收站200的电磁波。此外，如图3的(b)所示，当Nt个天线元件ATx被配置为栅格阵列天线时，发送站100使用栅格阵列天线中位于具有规定半径的圆周上的多个天线元件ATx作为单重的圆形阵列天线，接收来自接收站200的电磁波。
另外，也可以在图1所示的发送站100和接收站200的至少一者上配置将电磁波传播的方向作为光轴的电介质透镜或者抛物面反射镜等的聚光器，使得由Nt个天线元件ATx发射的电磁波在接收站200的位置被聚光，通过接收站200的Nr个天线元件Arx被高效地接收。由此，无线通信系统SYS能够抑制Nt个天线元件ATx引起的光束图案的扩大。
图4示出图1所示的无线通信系统SYS中的通信处理的一个例子。在图4所示的处理中，从步骤S100至步骤S140的处理是由发送站100来执行的。此外，从步骤S200至步骤S230的处理是由接收站200来执行的。即，图4示出通信方法的一个实施方式。
在步骤S100中，运算部130根据作为发送信号序列的发送目的地的接收站200中的表示无线环境的信息，按照Nt个天线元件Atx中的每一个，计算出针对由调制部120调制的M个OAM模式lm的每一个发送信号序列的加权系数。例如，当发送站100使用OAM模式lm将发送信号序列sm发送给接收站200时，在接收站200的位置处形成的光束图案um(x，y，zd)用式(1)表示：
um(x，y，zd)＝um(r，φ，zd)＝exp(i lmφ)·f(r)…(1)
zd表示发送站100和接收站200之间的距离。另外，发送站100作为XYZ坐标的原点。此外，(r，φ，zd)是用圆柱坐标来表示(x，y，zd)的结果，x＝r cosφ且y＝r sinφ。此外，exp(i lmφ)表示OAM模式lm中的相位分布。此外，f(r)是表示r方向(直径方向)上的光束的分布形状的函数。i表示虚数单位。
然后，由式(1)的分布，发送站100中的光束图案um(r，φ，0)例如基于“K.Matsushima等、‘Band-limited angular spectrum method for numericalsimulation of free-space propagation in far and near fields(用于远近场自由空间传播的数值模拟的有限域角谱方法)’，Optics express(光学快报)，17版，第22号，第19662-19673页，2009”，如式(2)那样与式(1)的接收站200中的光束图案um(r，φ，zd)关联起来。
um(r，φ，0)＝um(r，φ，zd)＊h(r，φ，-zd)…(2)
h(r，φ，-zd)表示发送站100与接收站200之间的传播信道的响应。
运算部130经由网络等从接收站200获取表示无线环境的信息，例如发送站100与接收站200之间的距离zd、基于接收站200的Nr个天线元件Arx的单重圆形阵列天线的半径、表示光束的形状的函数f(r)等。然后，运算部130使用获得的信息，使用式(3)来计算对各天线元件ATx加权的系数wm，以使得发送站100的基于Nt个天线元件Atx的光束图案成为式(2)那样。
wm＝(wm,l，…，wm,Mt)T
＝Am(um(r1，φ1，0)，…，um(rNt，φNt，0))T… (3)
Am是任意常数，可适当确定。下面，Am被设为“1”。xn以及yn表示配置了天线元件ATx(n)的XY平面上的位置坐标(n是从1到Nt的整数)。此外，rn是(xn 2+yn 2)1/2，φn是sgn(yn)×cos-1(xn/rn)。此外，sgn是符号函数。
另外，接收站200中的无线环境的信息也可以预先由对无线通信系统SYS进行管理的管理人员等输入，存储在发送站100所包含的硬盘装置或存储器等的存储装置中。
接着，在步骤S110中，调制部120使用PSK/QAM等对从S/P部110接收到的发送位串的每一个进行调制，生成M个发送信号序列sm(m是从1到M的整数)。然后，调制部120将所生成的发送信号序列sm输出给发送处理部140。
接着，在步骤S120中，发送处理部140的OAM模式生成处理部141(m)使用在步骤S100中计算出的式(3)所示的加权系数wm，按照M个天线元件Atx中的每一个，对在步骤S110中生成的发送信号序列sm执行加权处理，生成OAM模式lm。OAM模式生成处理部141(m)将加权后的发送信号序列wm,n·sm分别输出给Nt个多路复用部142(n是从1到Nt的整数)。
接着，在步骤S130中，多路复用部142(n)使用式(4)对在步骤S120中进行了加权的发送信号序列wm,n·sm进行多路复用(n是从1到Nt的整数)。
[数学式1]
Figure BDA0002423004760000091
接着，在步骤S140中，多路复用部142(n)将在步骤S130中进行了多路复用的发送信号序列SSn输出给天线元件ATx(n)，将进行了多路复用的发送信号序列ssn的电磁波向接收站200发射。通过这样传输，能够在接收站200的天线元件Arx的位置处得到合成了OAM模式l1到OAM模式lM的光束图案。
然后，发送站100结束发送处理。每当从外部接收一次发送信号序列，发送站100重复执行步骤S100至步骤S140的处理。另外，步骤S100的处理只要最开始执行一次即可，在第二次及其以后可以省略。
在步骤S200中，接收站200的接收处理部210经由Nr个天线元件Arx接收在步骤S140中发射的发送信号序列的电磁波。然后，接收处理部210的分波部211(nr)将接收到的发送信号序列的接收信号tnr分配给M个OAM模式分离处理部212中的每一个(nr是从1到Nr的整数)。另外，接收信号tnr如式(5)那样表示。
[数学式2]
Figure BDA0002423004760000101
Rr表示具有Nr个天线元件Arx的单重圆形阵列天线的半径。
接着，在步骤S210中，OAM模式分离处理部212(m)针对从分波部211(nr)接收到的接收信号tnr执行与OAM模式lm相应的相位量的相位旋转，合成Nr个接收信号tnr。例如，OAM模式分离处理部212(m)对从分波部211(nr)接收到的接收信号tnr进行相位量exp(～ilm 2π·nr/Nr)的相位旋转，合成进行了相位旋转的Nr个接收信号tnr。另外，通过OAM模式分离处理部212(m)合成的信号st(m)由式(6)表示。
[数3]
Figure BDA0002423004760000102
即，通过将Nr个接收信号tnr用OAM模式lm进行同相合成，所合成的信号st(m)中，式(6)的第一项所示的OAM模式lm的发送信号序列的强度与第二项的其他OAM模式的发送信号序列相比足够大。由此，OAM模式分离处理部212(m)能够从接收信号分离出以实数值的OAM模式lm传输的发送信号序列。然后，OAM模式分离处理部212(m)将分离出的OAM模式lm的发送信号序列输出给解调部220。
接着，在步骤S220中，解调部220针对在步骤S210中分离的M个OAM模式lm的发送信号序列中的每一个执行解调处理。
接着，在步骤S230中，P/S部230将在步骤S220中解调的M个发送信号序列的并行信号转换为串行信号。然后，接收站200经由接收站200所含的输出接口等，将被转换为串行信号的发送信号序列输出至外部的移动通信终端或网络等。
然后，接收站200结束接收处理。接收站200在每次接收来自发送站100的发送信号序列时，重复执行步骤S200至步骤S230的处理。
在图1至图4所示的实施方式中，发送站100通过模式的间隔是小于1的实数值的M个OAM模式lm的每一个来传输发送信号序列，对以M个OAM模式lm调制的发送信号序列进行多路复用，发送给接收站200。即，发送站100使用间隔被设定为比1小的值的包括非整数次和整数次的M个OAM模式lm，由此当能够发送的OAM模式的范围相同时，与多个OAM模式被设定成整数值间隔的情况相比，能够以更多的OAM模式lm对发送信号序列进行调制。此外，通过将OAM模式lm的绝对值设定为较小的值，发送站100能够抑制Nt个天线元件Atx引起的光束图案的扩大。
例如，在非专利文献4等的现有技术中，即使在能够确保通信所需的接收功率的OAM模式为-2、-1、0、2、2这五个模式多路复用是极限的情况下，发送站100也能实现OAM模式为-2.0、-1.5、-1.0、-0.5、0、0.5、1.0、1.5、2.0这九个模式的多路复用，从而多路复用数是以前的1.8倍。
此外，接收站200针对从发送站100接收到的接收信号执行与OAM模式lm相应的相位量的相位旋转，对接收到的接收信号进行同相合成，由此能够分离各OAM模式lm的发送信号序列。综上所述，无线通信系统SYS能够在抑制光束图案的扩大的同时，以数量比以往更多的OAM模式对电磁波进行多路复用，从而能够提高吞吐量。
图5示出无线通信系统的另一实施方式。其中，针对与图1中说明的构件相同或具有同样功能的构件，标注相同或同样的符号，并省略针对它们的具体说明。
图5所示的无线通信系统SYS1具有发送站100A以及接收站200。发送站100A使用包括Nt个天线元件Atx的发送天线，将以彼此不同的实数值的多个OAM模式多路复用的电磁波发送给接收站200。然后，接收站200使用包括Nr个天线元件Arx的接收天线，接收由发送站100A发送的电磁波。
另外，在无线通信系统SYS1中，发送站100A合成彼此不同的整数值的OAM模式来近似地生成实数值的多个OAM模式，将多路复用后的电磁波发送给接收站200。由此，能够使现有的无线通信系统的发送站以及接收站作为无线通信系统SYS1的发送站100以及接收站200来进行工作。
此外，发送站100A具有接收站200的功能，接收站200具有发送站100A的功能，由此，在发送站100A和接收站200之间也可以双向地执行无线通信处理。
此外，Nt个天线元件ATx例如如图3的(a)所示，被配置成多重圆形阵列天线。
图6示出图5所示的发送站100A中的多重圆形阵列天线的一个例子。如图6所示，Nt个天线元件Atx被配置成E组的圆形阵列天线SA(SA(1)～SA(E))。E组的圆形阵列天线SA中的每一个具有彼此不同的半径Rt(Rt(1)～Rt(E))，并被配置成同心圆状。并且，在圆形阵列天线SA(1)～SA(E)中的每一个中，例如K(1)个至K(E)个天线元件Atx被等间隔地配置在圆周上。即，被配置于圆形阵列天线SA(je)上的K(je)个天线元件Atx被以角度2π/K(je)的间隔配置(je是从1到E的整数)。另外，K(1)+K(2)+…+K(E)＝Nt。此外，在图6中，与图3的情况一样，将Nt个天线元件Atx中的每一个用圆形的标记表示。此外，Nt个天线元件Atx也可以具有任意的方向性以及偏振特性。
此外，圆形阵列天线SA的组数E、各圆形阵列天线SA所包含的天线元件Atx的数量K(1)～K(E)，优选根据无线通信系统SYS1的规模、或所要求的通信质量来适当确定。
此外，也可以在图1所示的发送站100A以及接收站200中的至少一者上配置以电磁波传播的方向为光轴的电介质透镜或者抛物面反射镜等的聚光器，以使得Nt个天线元件ATx发射的电磁波在接收站200的位置上聚光，从而通过接收站200的Nr个天线元件Arx被高效地接收。由此，无线通信系统SYS1能够抑制Nt个天线元件Atx引起的光束图案的扩大。
图7示出图5所示的发送站100A的一个例子。其中，针对与图2中说明的构件相同或者具有同样功能的构件，标注相同或者同样的符号，并省略对它们的具体说明。
发送站100A具有S/P部110、调制部120、M个分波部125(125(1)～125(M))、运算部130a、E个发送处理部140a(140a(1)～140a(E))以及Nt个天线元件ATx。
调制部120针对从S/P部110接收到的M个并行的发送位串中的每一个，通过PSK/QAM方式等进行调制，并生成M个发送信号序列。然后，调制部120将生成的发送信号序列输出给M个分波部125的每一个。在这里，调制部120输出的第m个发送信号序列使用OAM模式lm来发送。对于该发送处理，将在后面详细叙述。
M个分波部125中的每一个将从调制部120接收到的发送信号序列分配给E个发送处理部140a中的每一个。
运算部130a是发送站100A中包含的CPU等的处理器，根据作为发送信号序列的发送目的地的接收站200中的表示无线环境的信息，按照E个圆形阵列天线SA中的每一个，计算针对由调制部120调制后的M个发送信号序列中的每一个的加权系数。运算部130a将计算出的加权系数分别输出给E个发送处理部140a。在图9中，对运算部130a的工作进行说明。
E个发送处理部140a中的每一个例如被连接至图6所示的圆形阵列天线SA(1)～SA(E)中的每一个上。即，发送处理部140a(je)被连接至圆形阵列天线SA(je)所包含的K(je)个天线元件Atx上。然后，发送处理部140a(je)针对从M个分波部125接收到的各OAM模式lm的发送信号序列执行发送处理，经由圆形阵列天线SA(je)将包含发送信号序列的电磁波向接收站200发射。在图8中，对发送处理部140a的工作进行说明。
图8示出图7所示的发送处理部140a的一个例子。另外，在图8中虽然是对发送处理部140a(1)进行说明，但对于发送处理部140a(2)～140a(E)来说，也是和发送处理部140a(1)同样地进行工作。
图8所示的发送处理部140a(1)具有M个第一OAM模式生成处理部141a(141a(1)～141a(M))、(L+1)个多路复用部142a(142a(1)～142a(L+1))、(L+1)个第二OAM模式生成处理部143(143(1)～143(L+1))以及K(1)个第二多路复用部144(144(1)～144(K(1)))。
M个第一OAM模式生成处理部141a中的每一个与图2所示的OAM模式生成处理部141同样地，使用由运算部130a计算出的加权系数，对从分波部125接收到的OAM模式lm的发送信号序列sm进行加权(m是从1到M的整数)。M个第一OAM模式生成处理部141a中的每一个将加权后的发送信号序列sm分别输出给(L+1)个多路复用部142a。
(L+1)个多路复用部142a的每一个对由M个第一OAM模式生成处理部141a加权后的发送信号序列进行多路复用，将多路复用后的发送信号序列输出给第二OAM模式生成处理部143。
(L+1)个第二OAM模式生成处理部143中的每一个对由(L+1)个多路复用部142中的每一个进行了多路复用后的发送信号序列，执行用于在圆形阵列天线SA(1)中以预先设定的整数值的OAM模式l’的光束图案进行发送的相位加权处理。(L+1)个第二OAM模式生成处理部143中的每一个将执行了相位加权处理后的发送信号序列输出给与圆形阵列天线SA(1)的K(1)个天线元件Atx中的每一个相连接的第二多路复用部144。
K(1)个第二多路复用部144中的每一个对从(L+1)个第二OAM模式生成处理部143中的每一个接收到的发送信号序列进行多路复用，经由圆形阵列天线SA(1)将多路复用后的发送信号序列信号以OAM模式l’的电磁波向接收站200发射。在图9中，对第一OAM模式生成处理部141a、多路复用部142a、第二OAM模式生成处理部143以及第二多路复用部144的工作进行说明。
图9示出图5所示的无线通信系统SYS中的通信处理的一个例子。其中，在图9所示步骤的工作中，对于与图4所示步骤相同或者同样的处理标注相同的步骤标号，省略具体的说明。在图9所示的处理中，从步骤S300至步骤S360的处理由发送站100A执行。此外，从步骤S200至步骤S230的处理由接收站200执行。即，图9示出无线通信方法的另一实施方式。
另外，在图9所示的处理中，对发送站100A中与图6所示的圆形阵列天线SA(1)相连接的发送处理部140a(1)的工作进行说明。但是，对于发送处理部140a(2)～140a(E)来说，其工作也和发送处理部140a(1)的工作一样，从而省略具体的说明。
在步骤S300中，运算部130a根据作为发送信号序列的发送目的地的接收站200中表示无线环境的信息，按照每个圆形阵列天线SA来计算针对由调制部120调制后的M个OAM模式lm的发送信号序列中的每一个的加权系数。
在这里，当以整数值的OAM模式l’为基础向量对发送站100中形成的光束的分布式(式(2))进行展开时，式(2)即成为式(7)。
[数学式4]
Figure BDA0002423004760000151
cl'(lm，r)是在对将OAM模式lm级数展开时的整数模式l进行加权的展開系数。R表示在r方向上变化的函数。即，cl'(lm，r)是仅在r方向上波动的函数。
然后，运算部130a使用式(7)以及式(8)来计算加权系数wm。即，式(8)表示半径Rt(1)的圆形阵列天线SA(1)中的加权系数wm。
wm＝(wm，Lmin(Rt(1))，wm，Lmin+1(Rt(1))，…，
wm，Lmin+L(Rt(1)))T
＝Am(cLmin(lm，Rt(1))，cLmin+1(lm，Rt(1))，…，
cLmin+L(lm，Rt(1)))T…(8)
Am是任意的常数，可适当确定。下面，Am被设为“1”。另外，多路复用部142a以及第二OAM模式生成处理部143的个数(L+1)中L的值、以及Lmin的值处于能够从圆形阵列天线SA(1)发射的整数次的OAM模式的次数以内即可。
运算部130a将按照每个圆形阵列天线SA计算出的加权系数wm输出给各发送处理部140a。
另外，接收站200中的无线环境的信息也可以是由管理无线通信系统SYS1的管理人员等预先输入，并存储到发送站100A所包含的硬盘装置或存储器等的存储装置中。
接着，在步骤S310中，调制部120对从S/P部110接收到的M个发送信号序列中的每一个进行调制。然后，调制部120经由M个分波部125将M个OAM模式lm的发送信号序列sm输出至E个发送处理部140a中的每一个。
接着，在步骤S320中，发送处理部140a(1)的第一OAM模式生成处理部141a(m)使用在步骤S300中计算出的式(8)的加权系数wm，对在步骤S310中被调制的OAM模式lm的发送信号序列sm执行加权处理(m是从1到M的整数)。然后，第一OAM模式生成处理部141a(m)将加权后的发送信号序列wm，Lmin+j·sm分别输出给多路复用部142a(j+1)(j是从0到L的整数)。
接着，在步骤S330中，多路复用部142a(j+1)使用式(9)，对在步骤S320中通过第一OAM模式生成处理部141a(m)中的每一个进行了加权的发送信号序列wm，Lmin+j·sm进行多路复用。然后，多路复用部142a(j+1)将进行了多路复用的发送信号序列s’Lmin+j输出给第二OAM模式生成处理部143(j+1)。
[数学式5]
Figure BDA0002423004760000161
接着，在步骤S340中，第二OAM模式生成处理部143(j+1)针对在步骤S330中被多路复用后的发送信号序列s’Lmin+j，执行用于使用圆形阵列天线SA(1)以整数值的OAM模式l’进行发送的相位加权处理。即，第二OAM模式生成处理部143(j+1)针对进行了多路复用的发送信号序列s’Lmin+j乘以与圆形阵列天线SA(1)的K(1)个天线元件相应的相位权重θl’，ka(＝exp(i 2πl’·ka/K(1))(ka是从1到K(1)的整数，l’∈{Lmin，Lmin+1，…，Lmin+L})。
然后，第二OAM模式生成处理部143(j+1)将进行了相位加权的发送信号序列θl’，ka·s’Lmin+j输出给与天线元件ATx(ka)连接的第二多路复用部144(ka)。
接着，在步骤S350中，第二多路复用部144(ka)从第二OAM模式生成处理部143(j)接收在步骤S340中进行了相位加权的发送信号序列θl’，ka·s’Lmin+j。然后，第二多路复用部144(ka)使用式(10)，对接收到的发送信号序列θl’，ka·s’Lmin+j进行多路复用。另外，式(10)使用式(7)进行变形。此外，在式(10)中，j’＝l’＝Lmin+j。
[数6]
Figure BDA0002423004760000171
在步骤S360中，第二多路复用部144(ka)将在步骤S350进行了多路复用的发送信号序列sska输出给天线元件ATx(ka)，将进行了多路复用的发送信号序列sska的电磁波向接收站200发射。即，通过图9所示的处理，与一个实施方式同样地，在接收站200中生成多路复用了多个模式的光束。
然后，发送站100A结束发送处理。当每次从外部接收发送信号序列时，发送站100A重复执行步骤S300至步骤S360的处理。另外，步骤S300的处理只要在最开始执行一次即可，在第二次及其以后可省略。
另外，图9所示的接收站200的处理与图4所示的处理一样，因此省略对其详细说明。
在图5至图9所示的实施方式中，发送站100A以模式间隔为小于1的实数值的M个OAM模式lm中的每一个来传输发送信号序列，并对以M个OAM模式lm调制的发送信号序列进行多路复用，发送给接收站200。即，发送站100A使用间隔被设定为比1小的值的包括非整数次和整数次的M个OAM模式lm，由此当能够发送的OAM模式的范围相同时，与多个OAM模式被设定成整数值间隔的情况相比，能够以更多OAM模式lm对发送信号序列进行调制。此外，通过将OAM模式lm的绝对值设定为较小的值，发送站100A能够抑制Nt个天线元件Atx引起的光束图案的扩大。
例如，在非专利文献4等的现有技术中，即使在能够确保通信所需的接收功率的OAM模式为-2、-1、0、2、2这五个模式多路复用是极限的情况下，发送站100A也能实现OAM模式为-2.0、-1.5、-1.0、-0.5、0、0.5、1.0、1.5、2.0这九个模式的多路复用，从而多路复用数是以前的1.8倍。
此外，接收站200针对从发送站100A接收到的接收信号执行与OAM模式lm相应的相位量的相位旋转，对接收到的接收信号进行同相合成，由此能够分离各OAM模式lm的发送信号序列。综上所述，无线通信系统SYS1能够在抑制光束图案的扩大的同时，以数量比以往更多的OAM模式对电磁波进行多路复用，从而能够提高吞吐量。
此外，无线通信系统SYS1也可以通过如下方式实现：针对具有发射彼此不同的整数值的多个OAM模式l’的电磁波的多组圆形阵列天线的现有无线通信系统，在利用整数值的OAM模式l’对发送信号序列进行多路复用之前，以彼此不同的实数值的M个OAM模式lm来进行多路复用。即，无线通信系统SYS1能够使用现有的无线通信系统，以低成本来实现，并能够提高吞吐量。
通过上述具体说明，实施方式的特点以及优点已经很明确了。其含义在于，在权利要求书不脱离其精神及权利范围的范围内探讨上述实施方式的特点及优点。此外，只要是本技术领域中具有常识的人，应该容易想到有关的一切改良和变更。因此，不应将具有发明特性的实施方式的范围限定于上述内容，其应当包括实施方式公开范围内所含的适当改良产物以及等同替代物。
符号说明
100，100A…发送站、110…S/P部、120…调制部、125(1)～125(M)，211(1)～211(Nr)…分波部、130，130a…运算部、140，140a(1)～140(E)…发送处理部、141…OAM模式生成处理部、141a(1)～141a(L+1)…第一OAM模式生成处理部、142，142a(1)～142a(L+1)…多路复用部、143(1)～143(L+1)…第二OAM模式生成处理部、144(1)～144(K(1))…第二多路复用部、200…接收站、210…接收处理部、212(1)～212(Nr)…OAM模式分离处理部、220…解调部、230…P/S部、ATx(1)～ATx(Nt)，ARx(1)～ARx(Nr)…天线元件、SA(1)～SA(E)…圆形阵列天线、SYS，SYS1…无线通信系统。

Claims (6)

1.一种无线通信装置，其特征在于，包括：
多个天线元件；
调制部，以多个第一轨道角动量模式对包含数据的信号进行调制，所述多个第一轨道角动量模式为彼此不同的实数值；
运算部，根据表示相对的无线通信装置中的无线环境的信息，按照所述多个天线元件中的每一个计算系数，所述系数表示针对由所述调制部调制的所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式的信号的加权，所述相对的无线通信装置为所述数据的发送目的地；以及
发送处理部，使用所述系数，按照所述多个天线元件中的每一个，对所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式的信号进行多路复用，并将按照所述多个天线元件中每一个进行了多路复用的信号输出到所述多个天线元件中的每一个。
2.如权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，还包括：
接收处理部，针对从所述相对的无线通信装置接收到的接收信号，以与所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式相对应的相位量进行相位旋转，从所述接收信号中分离出所述多个第一轨道角动量模式的信号中的每一个；以及
解调部，对分离出的所述多个第一轨道角动量模式的信号进行解调。
3.如权利要求1或2所述的无线通信装置，其特征在于，还包括：
聚光部，在所述相对的无线通信装置的位置处对由所述多个天线元件发射的电磁波进行聚光。
4.如权利要求1或2所述的无线通信装置，其特征在于，
所述多个天线元件是在二维平面上呈同心圆状配置的多组圆形阵列天线，所述二维平面与设置所述相对的无线通信装置的方向垂直。
5.如权利要求4所述的无线通信装置，其特征在于，
还包括配置在所述多组圆形阵列天线的每一组中的多个所述发送处理部，
所述运算部按照所述多组圆形阵列天线中的每一组计算所述系数，
所述多个发送处理部中的每一个使用所述系数，按照所配置的每个所述圆形阵列天线，对所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式的信号进行多路复用，对进行了多路复用的信号，执行与所配置的所述圆形阵列天线中设定的整数值的第二轨道角动量模式相应的相位加权。
6.一种无线通信方法，所述无线通信方法是具有多个天线元件的无线通信装置的无线通信方法，其特征在于，
以多个第一轨道角动量模式对包含数据的信号进行调制，所述多个第一轨道角动量模式为彼此不同的实数值，
根据表示相对的无线通信装置中的无线环境的信息，按照所述多个天线元件中的每一个计算系数，所述系数表示针对由所述调制部调制的所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式的信号的加权，所述相对的无线通信装置为所述数据的发送目的地，
使用所述系数，按照所述多个天线元件中的每一个，对所述多个第一轨道角动量模式中的每个模式的信号进行多路复用，并将按照所述多个天线元件中每一个进行了多路复用的信号输出到所述多个天线元件中的每一个。
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