CN111133696B - Oam多路复用通信方法和系统、发送装置以及接收装置 - Google Patents

Abstract

OAM多路复用发送装置包括如下单元：在发送对象的数据信号序列之前，对于具有预定长度的零相关的信道估计用信号序列(基本信道估计用信号序列)，将按照每个发送流根据预定偏移值时移的信号序列配置为信道估计用信号序列，并且在BB频带中生成在该信道估计用信号序列的前半部分上配置了预定长度的CP的各发送流；在将生成的所有发送流的BB频带的信号序列变换到RF频带、或者变换到IF频带之后再频率变换到RF频带；以及将频率变换后的多个发送流变换为阶数不同的多个OAM模式的信号，并从UCA进行空间多路复用发送。

Description

OAM多路复用通信方法和系统、发送装置以及接收装置

技术领域

本发明涉及使用电磁波的轨迹角动量(Orbital Angular Momentum：OAM)对无线信号进行空间多路复用传输的OAM多路复用通信系统、OAM多路复用发送装置、OAM多路复用接收装置以及OAM多路复用通信方法。

背景技术

近年来，为了提高传输容量，报告有使用了OAM的无线信号的空间多路复用传输技术(非专利文献1)。在具有OAM的电磁波中，等相面以传播轴为中心沿着传播方向上以螺旋状分布。具有不同的OAM模式且在相同方向上传播的电磁波在旋转轴方向上空间相位分布正交，因此通过在接收站对由不同的信号序列被调制而成的各OAM模式的信号进行分解，可以对信号进行多路复用传输。

在使用了该OAM多路复用技术的无线通信系统中，使用将多个天线元件等间距地圆形配置了的多个天线元件的等间距均匀圆形阵列天线(以下，称为UCA(UniformCircular Array))，生成并合成多个OAM模式，并进行发送，由此进行不同的信号序列的空间多路复用传输(非专利文献2)。

图7示出用于生成OAM模式的信号的UCA的相位设定例。

在图7中，发送侧的OAM模式0、1、2、3、……的信号根据UCA的各天线元件(用●表示)的相位差来生成。即，通过设定各天线元件的相位以使得UCA的相位为旋转n圈(n×360度)，来生成OAM模式n的信号。例如，由8个天线元件构成的UCA在生成OAM模式n＝2的信号的情况下，在各天线元件上设定绕逆时针方向360n/m＝90度的相位差(0度、90度、180度、270度、0度、90度、180度、270度)，以使得如图7的(3)所示那样相位旋转两圈。此外，将相位的旋转方向相对于OAM模式n的信号相反的信号设为OAM模式-n。例如，将正的OAM模式的信号的相位的旋转方向设为逆时针方向，并将负的OAM模式的信号的相位的旋转方向设为顺时针方向。

生成不同的信号序列作为不同的OAM模式的信号，并同时发送所生成的信号，由此能够进行基于空间多路复用的无线通信。在发送侧，可以预先生成并合成以各OAM模式传输的信号，并由单一UCA发送各OAM模式的合成信号，也可以使用多个UCA，按照每个OAM模式由不同的UCA来发送各OAM模式的信号。

图8示出OAM多路复用信号的相位分布与信号强度分布的示例。

在图8的(1)、(2)中，用箭头表示从发送侧在正交于传播方向的端面(以下，称为传播正交平面)上观察到的、OAM模式1和OAM模式2的信号的相位分布。箭头的起点是0度，相位线性变化，箭头的终点是360度。即，OAM模式n的信号在传播正交平面上，相位旋转n圈(n×360度)的同时进行传播。此外，OAM模式-1、-2的信号的相位分布的箭头变为相反。

在各OAM模式的信号中，每个OAM模式的信号强度分布和信号强度最大的位置不同。但是，编码不同的相同OAM模式的强度分布相同。具体而言，随着OAM模式变为高阶，信号强度最大的位置变得远离传播轴(非专利文献2)。这里，将OAM模式的值大的模式称为高阶模式。例如，与OAM模式0、OAM模式1、OAM模式2的信号相比，OAM模式3的信号为高阶模式。

图8的(3)用圆环表示每个OAM模式下信号强度最大的位置，但随着OAM模式变为高阶，信号强度最大的位置变得远离中心轴，并且OAM模式多路复用信号的波束直径根据传播距离而变宽，表示每个OAM模式下信号强度最大的位置的圆环变大。

图9示出用于分解OAM多路复用信号的UCA的相位设定例。

在图9中，在接收侧，设定UCA的各天线元件的相位，以使得与发送侧的天线元件的相位成相反方向，并分解各OAM模式的信号。即，设定各天线元件的相位以使得向与图7的情况相反的方向旋转，例如在分离OAM模式2的信号的情况下，对各天线元件设定绕顺时针方向90度的相位差(0度、90度、180度、270度、0度、90度、180度、270度)，使得相位旋转两圈。

接收侧的分离处理能够使用单一UCA一并接收各OAM模式之后分离，也可以使用多个UCA接收，按照每个UCA由不同的OAM模式的信号。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：J.Wang等人，“Terabit free-space data transmissionemploying orbital angular momentum multiplexing,”Nature Photonics(自然光子学),第6期，第488-496页，2012年7月；

非专利文献2：Y.Yan等人，“High-capacity millimeter-wave communicationswith orbital angular momentum multiplexing,”Nature Commun.，第五期，第4876页，2014年9月。

发明内容

发明要解决的问题

在OAM多路复用通信中，由单一UCA对多个OAM模式的信号进行空间多路复用，或者由多个UCA对相同的OAM模式的信号进行空间多路复用而提高多路复用数量，由此能够提高传输容量。在OAM多路复用通信中，从单一UCA发送的各个OAM模式的信号的分解通过图9所示的构成来进行，但为了从由多个UCA发送的相同OAM模式的信号中分离出各个信号(以下，称为流)而使用信道估计用信号。该信道估计用信号是作为发送装置和接收装置中的已知信号而用于进行信道估计的信号，因此当信道估计用信号的开销变大时，实际期望发送的数据的传输容量会减少。

图10示出已有的信道估计用信号的发送方式。

在图10中，各发送流依次发送各自的信道估计用信号，在其他流的信道估计用信号的发送时间中不发送自身流的信道估计用信号。另外，同时发送所有流的数据信号。重复这样的信道估计用信号和数据信号的发送，一边估计信道一边进行通信。此外，尽管图10中省略，通过每个流依次发送或者通过所有流同时发送同步用信号等控制信号。本发明不是针对该控制信号，而是以信道估计用信号和其估计处理为对象。在图10的已有方法中，存在当多路复用数量增加时信道估计用信号的开销增加的问题。

图11示出已有的信道估计处理例。这里，UCA可以是一个，也可以是多个。

在图11中，在OAM多路复用接收装置的接收天线部和RF(radio frequency，无线电频率)部中包含OAM接收用的天线构成和相位变换器、频带限制滤波器、下变频器、低噪声放大器等，但在这里，由于将数字信号处理部中的接收信号的数字变换后的信道估计处理作为对象，因此省略OAM多路复用接收装置的接收天线部和RF部的细节。

ADC(模拟-数字变换器)在数字信号中采样OAM多路复用接收装置的接收天线部和RF部的输出。这里，在已有方法中，对于采样后的所有的接收流的信号，进行针对所有发送流的信道估计，因此存在当多路复用数量增加时信道估计中所需的运算量会增加的问题。

如此，当多路复用数量增加时，需要适于OAM多路复用通信的信道估计用信号的设计、以及使用其信道估计用信号的信道估计法。另外，当在宽频带上进行OAM多路复用通信时，在将频带划分为多个频带来进行OAM多路复用通信的情况下，也需要信道估计用信号的设计和与其相当的信道估计法。

此外，在使用了信道估计用信号的信道估计处理之后，进行各流的数据信号的均衡处理等，并进行解调处理。省略该均衡处理和解调处理的细节，设想ZF(zero forcing，迫零)、MMSE(minimum mean square error，最小均方误差)方法等一般使用的均衡方法、以及MLD(Maximum likelihood decoding，最大似然解码)、MDD(Minimum distance decoding，最小差距解码)、VD(Viterbi decoder，维特比译码器)等的无线通信系统中通常使用的解调方法。此外，还设想信道编码和解码处理等。

本发明的目的在于，提供一种OAM多路复用通信系统、OAM多路复用发送装置、OAM多路复用接收装置以及OAM多路复用通信方法，其在使用OAM多路复用传输的无线通信系统中，即使多路复用数量增加也不会增加信道估计用信号的开销的信道估计用信号的生成方法、以及使用该信号的低负荷的信道估计处理方法。

用于解决问题的手段

本发明的OAM多路复用发送装置通过对在OAM多路复用发送的各发送流施加时移而设定一个信道估计用信号序列，并且各发送流同时发送经过该时移而输入的信道估计用信号序列。这里，信道估计用信号序列使用戈莱码(Golay code)等的具有零相关的信号序列。另外，各发送流的时移量以比信道响应的时间长的时间设定。这里的时移的值设定为比所有发送流的信道响应的最大值长。

另外，为了削减OAM多路复用接收装置的运算量，将各发送流的信道估计用信号序列的后半部分作为CP(cyclic prefix，循环前缀)附加到信道估计用信号序列的前半部分。该CP设定为比各发送流的信道响应长。由此，即使同时发送各发送流的信道估计用信号序列，也可以在接收侧进行各发送流的信道估计，并且能够降低信道估计用信号的开销。

此外，由于发送侧同时发送信道估计用信号序列，因此在接收侧的各接收流的输出中同时接收发送侧的所有发送流的信道估计用信号序列。另外，由于在信道估计用信号序列中附加比信道响应长的CP，因此各接收流的输出表示为循环矩阵。该循环矩阵具有能够分解为DFT(discrete Fourier transform，离散傅里叶变换)、对角矩阵以及IDFT(inverse discrete Fourier transform，离散傅里叶逆变换)的乘积的特征。另外，戈莱码等的具有零相关的信号序列具有相关性相对于时移而变为零的特点，各发送流利用通过比信道响应长的时移生成一个零相关的信号序列的特点，能够一并对从所有发送流到各接收流的信道响应进行信道估计。

另外，在将频带划分为多个频带来进行OAM多路复用传输的情况下，即使分解频带的数量增加，也能够以同样的解决手段解决问题。

发明的效果

在本发明的OAM多路复用通信系统中，能够实现即使多路复用数量增加信道估计用信号的开销也不会增加的信道估计用信号的生成方法和使用该信号的低负荷的信道估计处理，能够减少信道估计用信号的开销，并且能够较少信道估计处理的运算量。另外，在将频带划分为多个频带来进行OAM通信的情况下，即使分解频带的数量增加，也能够发挥同样的效果。

附图说明

图1是示出本发明的OAM多路复用收发装置的简要构成的图；

图2是示出本发明中的实施例1的信道估计用信号的生成例的图；

图3是示出本发明中的实施例1的信道估计处理例的图；

图4是示出根据本发明的通过划分频带来进行OAM多路复用通信的示例的图；

图5是示出本发明中的实施例2的信道估计用信号序列的生成例的图；

图6是示出本发明中的实施例2的信道估计处理例的图；

图7是示出用于生成OAM模式的信号的UCA的相位设定例的图；

图8是示出OAM多路复用信号的相位分布与信号强度分布的示例的图；

图9是示出用于分解OAM多路复用信号的UCA的相位设定例的图；

图10是示出已有的信道估计用信号的发送方式的图；

图11是示出已有的信道估计处理例的图。

具体实施方式

在以下所示的实施例中，设为如下：通过使用GPS信息或其他测量方法，将发送天线的UCA和接收天线的UCA的中心与各自的传播方向一致，并且各UCA被配置在传播正交平面上。

图1示出本发明的OAM多路复用收发装置的简要构成。

在图1中，OAM多路复用发送装置10具备数字信号处理部11、RF处理部12以及发送天线部13。数字信号处理部11进行在数据的调制、流生成等通信中所需的数字信号处理。RF处理部12进行频率变换、RF滤波等模拟处理。发送天线部13通过UCA发送多个流。OAM多路复用接收装置20具备接收天线部21、RF处理部22以及数字信号处理部23。接收天线部21通过UCA接收多个OAM模式的信号。RF处理部22进行频率变换、RF滤波等模拟处理。数字信号处理部23对通过均衡处理而被多路复用的流进行分离处理，该均衡处理基于ZF(zero forcing，迫零)、MMSE(minimum mean square error，均方误差)方法等。当进行信道估计时，OAM多路复用发送装置10的数字信号处理部11生成和发送已知信号，OAM多路复用接收装置20的数字信号处理部23使用该已知信号的信息来进行信道估计。

(实施例1)

图2示出本发明中的实施例1的信道估计用信号的生成例。

在图2中，各流的信道估计用信号同时被发送。另外，各流在时域中连续发送信道估计用信号序列和数据信号序列。虽然未图示，但在时域中也连续发送以同步信号等的无线通信标准规定的控制信号。此外，将各流的信道估计用信号序列的后半的一部分作为CP(cyclic prefix，循环前缀)附加到信道估计用信号序列的前半部分，并对其进行发送。该CP设定为比各流的信道响应的长度中最长的值长。

另外，各流的信道估计用信号序列对一个具有零相关的信号序列(以下，称为基本信道估计用信号序列)进行时移来使用。这里的时移是指循环时移。另外，该时移的值设定为比各流的信道响应的长度中最长的值长。另外，信道估计用信号序列使用比将多路复用的流的数量乘以时移的值而计算出的值长的信号序列。当如戈莱(Golay)信号等那样使用具有2的幂的长度的信号序列作为信道估计用信号序列的情况下，使用具有比将多路复用的流的数量乘以时移的值而计算出的值大的2的幂的长度的信号序列。这里，各流的信道响应的长度可以使用与本发明不同的其他手段测量，也可以使用预设值。另外，多路复用的流的数量、信道估计用信号序列的种类以及长度、时移的值是收发中已知的。这些可以使用前述的控制信号从发送侧传送到接收侧，也可以设想作为预设的已知值而是发送侧和接收侧双方已知的。

(发送流的示例1)

在多路复用的流的数量为4、时移的值为2、基本信道估计用信号序列的长度为8(c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8)、CP的长度为3的情况下，各流的信道估计用信号序列变为如下。下划线是CP。

发送流1的信道估计用信号序列：

(c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8)

发送流2的信道估计用信号序列：

(c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6)

发送流3的信道估计用信号序列：

(c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4)

发送流4的信道估计用信号序列：

(c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2)

图3示出本发明中的实施例1的信道估计处理例。

在图3中，OAM多路复用接收装置的接收天线部21、RF部22和数字信号处理部23的ADC的动作与以往构成相同。本发明中的信道估计处理的特点在于，从所有发送流针对每个接收流一并进行信道估计。由此，与针对每个发送流进行信道估计的以往方法相比，能够降低信道估计中所需的运算量。另外，在发送侧对具有零相关的信号序列进行时移的同时作为各发送流的信道估计用信号序列而发送的情况下，能够将ADC处理后的各接收流表示为循环矩阵，因此可以通过使用DFT(discrete Fourier transform，离散傅里叶变换)和IDFT(inverse discrete Fourier transform，逆离散傅里叶变换)来进一步降低运算量。

接着，在上述的发送流的示例的情况下，示出接收流1的接收信号被表示为循环矩阵的情况。以下，虽然示出接收流1的示例，但其他接收流也同样能够表示为循环矩阵。这里，从发送流i(xi)到接收流j(yj)的信道响应的长度设想为一个时间采样的长度，并且用hij(hij(0)，hij(1))表示。N表示噪声分量。

[式1]

y1＝x1*h11+x2*h21+x3*h31+x4*h41+N…(1)

这里，*表示卷积(convolution)。卷积能够表示为矩阵运算，因此将式(1)如式(2)那样，能够以矩阵运算表示。

[式2]

式(2)的y1(k)和n(k)表示y1的ADC处理后的第k个时域的信号和噪声分量。

另外，利用信道估计用信号是相同的基本信道估计用信号的时移的特点，将式(2)如式(3)那样，能够用一个矩阵表示。

[式3]

这里，y1(1)、y1(2)、y1(3)是相当于CP的信号，因此不使用，当设为表示仅y1(4)至y1(11)的式子时，变为式(4)。

[式4]

这里，式(4)的右项的第一个矩阵变成循环矩阵。另外，循环矩阵由于是信道估计用信号序列，因此对于发送侧和接收侧是已知的。因此，接收侧只要使用已知的循环矩阵和各流的ADC处理后的信号来估计未知的信道即可。尤其在本发明中，如式(4)所示，能够一并估计从发送侧的所有流到各接收流的信道响应。

接着，对利用循环矩阵分解为DFT矩阵、对角矩阵和IDFT矩阵的特点的信道估计法进行说明。首先，将式(4)表示为式(5)。

[式5]

这里，DFT(8×8)和IDFT(8×8)表示8点的DFT矩阵和IDFT矩阵。另外，C1、C2、……、C8是基本信道用信号序列(c1，c2，……，c8)的DFT处理后的值，因此对于接收侧是已知的。如式(5)所示，由于循环矩阵被分解，因此若对[y1(4)，y1(5)，……，y1(11)]的列向量进行DFT处理、对角矩阵的逆矩阵运算以及IDFT处理，则可以一并进行从所有发送流到接收流1的信道估计。由于DFT处理和IDFT处理的运算量是0(nlogn)，对角矩阵的逆矩阵运算是标量值的乘积，因此为0(n)。这小于用于逆矩阵运算中的运算量、即0(n3)。这里，n是矩阵的大小(行数)。

由此，可以通过本发明大幅度降低信道估计中所需的运算量。另外，上述说明是简单的示例，但也能够同样应用于具有一般值的情况中。

(实施例2)

实施例2解决如下问题：在通过将频带划分为多个的分解频带来进行OAM多路复用通信的情况下，随着分解频带的增加而信道估计用信号的开销会增加，信道估计中所需的运算量会增加。

图4示出基于本发明的划分频带而进行OAM多路复用通信的示例。这里，对于在使用分解频带时的信道估计用信号序列的开销的降低和信道估计的运算量的降低进行说明。

在图4中，OAM多路复用通信中使用的整个频带划分为分解频带。在28GHz、60GHz、73GHz或更高的频带中使用OAM多路复用通信的情况下，这些毫米波的频带使用比现有的6GHz以下微波的频带宽10倍至100倍左右的频带，因此有必要根据ADC速度的限制等来划分和使用频带。例如，在将28GHz带的2GHz频带用于OAM多路复用通信时，在使用甚至500MHz也不能应对的ADC等部件的情况下，需要将频带分解为4个来使用。

因此，各发送流使用多个m个的小分解频带来构成。在各小分解频带中，如图5所示，在基带(BB)频带中生成包含信道估计用信号序列、其CP、数据信号序列的信号序列(后面叙述细节)。如图4所示那样，将由此生成的信号序列作为小分解频带而组合到RF带的信号，并进行发送。

这里，在BB频带的信号序列中，如实施例1中说明那样，还设想根据通信标准的需要来输入控制信号的情况。另外，可以在RF频带中的各小分解频带的组合中插入引导间隔(GI)。例如，在将2GHz的RF频带宽度(27～29GHz)分解为四个、对每个小分解频带插入100MHz的GI的情况下，设想小分解频带按照每425MHz(＝(2000-300)/4)分割的情况。此外，还设想此示例以外的图案的小分解频带的数量、其频带、GI频带的设定。另外，这些信息对于收发之间是已知的。例如，使用控制信息等，通过与本发明不同的其他手段使在收发之间成为已知，或者可以不使用控制信息等，通过预设值来设为已知。

另外，图4中示出BB频带信号直接变换为RF频带的所谓直接变换(directconversion)的示例，但可以进行在中频(IF)带中组合之后变换为RF带的外差法(heterodyne)类变换。例如，可以将BB带的信号组合作为IF频带的9～11GHz，并将该IF频带的信号变换为RF带(27～29GHz)。

图5示出本发明中的实施例2的信道估计用信号序列的生成例。

在图5中，信道估计用信号序列ij表示第i个发送流的第j个小分解频带的信道估计用信号序列。这里，使用一个信道估计用信号序列对其进行时移(循环偏移)的同时，将其设定为各发送流的各小分解频带的信道估计用信号序列。时移和方法与实施例1同样，定为比所有发送流的所有小分解频带的信道的信道响应长的值。通过该设定，可以在信道估计中防止各信道的干扰。另外，信道估计用信号序列的长度设定为如下长度：即使时移设定各发送流的各小分解频带的信道估计用信号序列，也能够用一个戈莱码等的具有零相关的信道估计用信号序列应对。例如，在将四个发送流划分为三个小分解频带来进行OAM多路复用通信的情况下，当时移的值为2时，信道估计用信号序列设定为长于4×3×2(＝24)。在设为2的幂的长度的情况下，设为比该长度大的2的幂的值(例如，32等)。

另外，如实施例1所示，附加比时移长的CP。由此对各发送流的各小分解频带设定信道估计用信号序列，并进行同时发送。由此，无需在其他时间将信道估计用信号发送给各发送流的各小分解频带，能够大幅度削减信道估计用信号序列的开销。

图6示出本发明中的实施例2的信道估计处理例。

在图6中，OAM多路复用接收装置的接收天线部21和RF部22基本上与实施例1相同，但使用带通滤波器(BPF)等将各接收流划分为小分解频带，并作为BB频带而输出(与图5相反)。例如，在接收流为n个、小分解频带的数量为m个的情况下，输出n×m个BB频带的信号。还具备n×m个ADC，并将各自的输出变换为数字信号。

在实施例2中，不进行需要大运算量的n×m个信道估计，汇总接收流的所有小分解频带的信号，并根据所有发送流的小分解频带的信号一并进行向各接收流的所有小分解频带的信道估计。由此，可以降低接收侧的信道估计的运算量。

(发送流的示例2)

在多路复用的流的数量为4个、各流的小分解频带为2个、时移的值为2、基本信道估计用信号序列的长度为16(c1，c2，……，c16)、所有流的所有小分解频带的最长信道响应为一个采样大小的长度、CP的长度为3的情况下，各流的小分解频带的信道估计用信号序列变为如下。下划线是CP。

发送流1的小分解频带1的信道估计用信号序列：

(c14，c15，c16，c1，c2，……，c15，c16)

发送流2的小分解频带1的信道估计用信号序列：

(c12，c13，c14，c15，c16，……，c13，c14)

发送流3的小分解频带1的信道估计用信号序列：

(c10，c11，c12，c13，c14，……，c11，c12)

发送流4的小分解频带1的信道估计用信号序列：

(c8，c9，c10，c11，c12，……，c9，c10)

发送流1的小分解频带2的信道估计用信号序列：

(c6，c7，c8，c9，c10，……，c7，c8)

发送流2的小分解频带2的信道估计用信号序列：

(c4，c5，c6，c7，c8，……，c5，c6)

发送流3的小分解频带2的信道估计用信号序列：

(c2，c3，c4，c5，c6，……，c3，c4)

发送流4的小分解频带2的信道估计用信号序列：

(c16，c1，c2，c3，c4，……，c1，c2)

接着，示出组合了相对于发送流的示例2的接收流1的各小分解频带的BB频带信号的信号表示为循环矩阵的情况。这里示出接收流1的示例，但其他接收流也同样能够表示为循环矩阵。这里，将从发送流i的第k个小分解频带的流(xik)到接收流j的第l个小分解频带的流(yjl)的信道响应的长度设想为一个时间采样的长度，表示为h^jl _ik(h^jl _ik(0)，h^jl _ik(1))。另外，Nij表示噪声分量。

以下，表示接收侧的信道估计法。

[式6]

这里，如图6中所示那样，当组合接收流1的所有小分解频带的流的信号时(标记为y1)，变为式(7)。

[式7]

这里，如实施例1所示，当将卷积表示为矩阵运算时，得到式(8)。

[式8]

式(8)的y1(k)和n(k)表示y1的第k个时域的信号和噪声分量。

另外，利用信道估计用信号是相同基本信道估计用信号的时移的特点，能够将式(8)如式(9)所示那样用一个矩阵表示。

[式9]

这里，由于y1(1)、y1(2)、y1(3)是相当于CP的信号，因此不使用，当仅使用y1(4)至y1(19)表示式时变为式(10)。

[式10]

这里，式(10)的右项的第一个矩阵变为循环矩阵。另外，循环矩阵是信道估计用信号序列，因此发送侧和接收侧是已知的。因此，接收侧只要使用已知的循环矩阵和各流的ADC处理后的信号来估计未知信道即可。尤其在本发明中，如式(10)所示，能够一并估计从发送侧的所有流到各接收流的信道响应。

接着，示出利用循环矩阵分解为DFT矩阵、对角矩阵和IDFT矩阵的特点的信道估计法。首先，将式(10)表示为式(11)。

[式11]

这里，DFT(16×16)和IDFT(16×16)表示16点的DFT矩阵和IDFT矩阵。另外，C1、C2、……、C16是基本信道用信号序列(c1，c2，……，c16)的DFT处理后的值，因此对于接收侧是已知的。如式(11)所示，循环矩阵被分解，因此若对[y1(4)，y1(5)，……，y1(19)]的列向量进行DFT处理、对角矩阵的逆矩阵运算以及IDFT处理，则可以一并进行从所有发送流到接收流1的信道估计。由于DFT处理和IDFT处理的运算量是0(nlogn)，对角矩阵的逆矩阵运算是标量值的乘积，因此为0(n)。这小于用于逆矩阵运算的运算量、即0(n3)。这里，n是矩阵的大小(行数)。

由此，可以通过本发明大幅度降低信道估计中所需的运算量。另外，上述说明是简单的示例，但也能够同样应用于具有一般值的情况中。

(实施例3)

实施例3示出如下示例：在实施例1和实施例2中，进一步使用OAM多路复用通信的特点，减少信道估计用信号序列的开销和信道估计中所需的运算量，并且提高信道估计的性能。

OAM多路复用通信的接收信号按照每个OAM模式而接收分布不同。具体而言，如图8所示，越是为高阶模式，功率的峰值的位置越远离中心。但是，编码不同的相同OAM模式的强度分布相同。根据该OAM多路复用通信的特点，编码不同的相同OAM模式之间由于接收时刻的强度相同，因此干扰变强。另外，相邻模式之间(例如，OAM模式1和OAM模式2)的干扰也有变强的趋势。利用该OAM多路复用通信的特点，调整信道估计用信号序列的时移，将干扰可能变强的模式之间的信道分量配置为彼此较远，由此能够进行信道估计的性能改善。

这里，在OAM多路复用收发装置中，示出由一个UCA使用OAM模式-3、-2、-1、0、1、2、3的情况(7个多路复用)。

按照OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序，通过基本信道用信号序列及其时移来生成信道估计用信号序列。例如，在CP的长度为2、时移值为1的情况下，设定为如下。下划线是CP。

OAM模式1的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8)

OAM模式3的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7)

OAM模式2的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5，c6)

OAM模式0的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4，c5)

OAM模式-1的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3，c4)

OAM模式-3的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2，c3)

OAM模式-2的信道估计用信号序列(基本信道用信号序列)：

(c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c1，c2)

通过如此设定，在接收侧，将干扰变强的模式之间的信道分量较远地配置。例如，由于式(5)的h的列向量中的距离变远，因此能够抑制干扰的影响并改善性能。

接着，在OAM多路复用收发装置中，示出由四个UCA使用OAM模式-3、-2、-1、0、1、2、3的情况(28个多路复用)。

按照各UCA的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序，设定时移。即，按照UCA1的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA2的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA3的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA4的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序设定时移。

接着，在OAM多路复用收发装置中，示出在由一个UCA使用OAM模式-3、-2、-1、0、1、2、3的情况下使用两个小分解频带的情况(7个多路复用，每个流两个小分解频带)。

按照小分解频带的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序，设定时移。即，按照小分解频带1的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、小分解频带2的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序设定时移。

接着，示出在OAM多路复用收发装置中在由两个UCA使用OAM模式-3、-2、-1、0、1、2、3的情况下，使用两个小分解频带的情况(14个多路复用，每个流两个小分解频带)。

按照各UCA的各小分解频带的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序，设定时移。即，按照UCA1的小分解频带1的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA1的小分解频带2的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA2的小分解频带1的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2、UCA2的小分解频带2的OAM模式1、3、2、0、-1、-3、-2的顺序，设定时移。

通过如此，能够降低在时移值设定为比最大信道响应短的情况下的干扰的影响，因此能够改善信道估计的性能。换句话说，由于可以允许某种程度上的模式之间的干扰，即由于设定为信道估计处理中的相邻干扰变少，因此通过将时移值设定为比大于预设阈值的延迟的长度长而不是最大信道响应，能够进一步降低用于信道估计的信号序列的开销。例如，在OAM模式1的信道响应是五个时间采样的时间量的情况下、且第四个和第五个信道响应小于阈值的情况下，当将时移值设定为3时，根据第四个和第五个信道响应来产生对信道估计的干扰，信道估计的性能会降低，但由于OAM模式1的用于信道估计的信号序列的相邻信道估计用信号序列是OAM模式0和2，因此能够降低其干扰的影响。

符号说明

10…OAM多路复用发送装置；

11…数字信号处理部；

12…RF处理部；

13…发送天线部(UCA)；

20…OAM多路复用接收装置；

21…接收天线部(UCA)；

22…RF处理部；

23…数字信号处理部。

Claims (8)

1.一种OAM多路复用发送装置，使用等间距均匀圆形阵列天线UCA对电磁波的轨迹角动量OAM模式的信号进行空间多路复用发送，所述UCA为将多个天线元件以等间距圆形配置而成，其特征在于，

所述OAM多路复用发送装置包括：

数字信号处理单元，在发送对象的数据信号序列之前，对于具有预定长度的零相关的基本信道估计用信号序列，将按照每个发送流根据预定偏移值进行时移的信号序列配置为信道估计用信号序列，并且在基带BB频带中生成各发送流，所述各发送流是在该信道估计用信号序列的前半部分配置了预定长度的循环前缀CP而成；

RF处理单元，在将生成的所有所述发送流的BB频带的信号序列变换到无线频率RF频带、或者变换到中频IF频带之后频率变换到RF频带；以及

发送天线单元，将所述频率变换后的多个发送流变换为阶数不同的多个OAM模式的信号，并从所述UCA进行空间多路复用发送。

2.根据权利要求1所述的OAM多路复用发送装置，其特征在于，

所述数字信号处理单元将进行所述空间多路复用发送的频带划分为小分解频带而进行无线通信，

所述数字信号处理单元在BB频带中生成所述各发送流时，将一个基本信道估计用信号序列在所有发送流的所有小分解频带上实施时移而设定为信道估计用信号序列，

所述RF处理单元将所述所有小分解频带进行变换，以组合到RF频带而变为整个频带，或者变换到IF频带之后变换到RF频带。

3.一种OAM多路复用接收装置，使用等间距均匀圆形阵列天线UCA接收被进行空间多路复用传输的电磁波的轨迹角动量OAM模式的信号，所述UCA为将多个天线元件以等间距圆形配置而成，其特征在于，

所述OAM多路复用接收装置包括：

接收天线单元和RF单元，向所述UCA输入所接收的所述OAM模式的信号，并分离为各阶数的OAM模式的接收流，按照每个该接收流从无线频率RF频带变换到基带BB频带，或者在频率变换到中频IF频带之后向BB进行频带频率变换；以及

信道估计单元，将进行了所述频率变换的各接收流的信号序列变换为数字信号，进行预定长度的DFT处理，对DFT处理后的值与对角矩阵进行乘法运算，对其结果进行具有与DFT处理相同长度的IDFT处理，并且使用该结果作为从按照每个预定时移量而划分的所有发送流到各接收流的信道响应的估计值，所述对角矩阵具有以下值的倒数作为对角分量，该值是对具有预定长度的零相关的基本信道估计用信号序列进行了DFT处理长度的FFT处理而得。

4.根据权利要求3所述的OAM多路复用接收装置，其特征在于，

所述接收天线单元和RF单元将进行空间复用发送的频带划分为小分解频带而进行无线通信，

所述接收天线单元和RF单元进行变换，使得所述各接收流的各小分解频带变为BB频带，或者在变换到IF频带之后再变换到BB频带，

所述信道估计单元组合所述接收流的所有小分解频带，将对其信号进行DFT处理、对角矩阵的乘法运算、IDFT处理而得到的结果按照每个预定时移量划分，并用作从所有发送流的各小分解频带到各接收流的各小分解频带信道响应的估计值。

5.一种OAM多路复用通信系统，其特征在于，包括：

权利要求1所述的OAM多路复用发送装置的UCA；以及

权利要求3所述的OAM多路复用接收装置的UCA，

并在权利要求1所述的OAM多路复用发送装置的UCA与权利要求3所述的OAM多路复用接收装置的UCA之间对多个OAM模式的信号进行空间多路复用传输。

6.根据权利要求5所述的OAM多路复用通信系统，其特征在于，

调整信道估计的时移，以使得编码不同的相同OAM模式或相邻的OAM模式的信号的信道分量在所述OAM多路复用发送装置与所述OAM多路复用接收装置之间远离地配置，使OAM模式之间的干扰最小化。

7.一种OAM多路复用通信方法，其特征在于，

使用等间距均匀圆形阵列天线UCA对电磁波的轨迹角动量OAM模式的信号进行空间多路复用发送，所述UCA为将多个天线元件以等间距圆形配置而成，

OAM多路复用发送装置具有如下步骤：

在发送对象的数据信号序列之前，对于具有预定长度的零相关的基本信道估计用信号序列，将按照每个发送流根据预定偏移值进行时移的信号序列配置为信道估计用信号序列，并且在基带BB频带中生成各发送流，所述各发送流是在该信道估计用信号序列的前半部分配置了预定长度的循环前缀CP而成；

在将生成的所有所述发送流的BB频带的信号序列变换到无线频率RF频带、或者变换到中频IF频带之后频率变换到RF频带；以及

将所述频率变换后的多个发送流变换为阶数不同的多个OAM模式的信号，并从所述UCA进行空间多路复用发送，

OAM多路复用接收装置具有如下步骤：

向所述UCA输入所接收的所述OAM模式的信号，并分离为各阶数的OAM模式的接收流，按照每个该接收流从无线频率RF频带变换到基带BB频带，或者在频率变换到中频IF频带之后再频率变换到BB频带；以及

将进行了所述频率变换的各接收流的信号序列变换为数字信号，进行预定长度的DFT处理，对DFT处理后的值与对角矩阵进行乘法运算，对其结果进行具有与DFT处理相同长度的IDFT处理，并且使用该结果作为从按照每个预定时移量而划分的所有发送流到各接收流的信道响应的估计值，并进行信道估计，所述对角矩阵具有以下值的倒数作为对角分量，该值是对具有预定长度的零相关的基本信道估计用信号序列进行了DFT处理长度的FFT处理而得到。

8.根据权利要求7所述的OAM多路复用通信方法，其特征在于，

将进行所述空间多路复用发送的频带划分为小分解频带而进行无线通信，

在BB频带中生成所述各发送流的步骤中，将一个基本信道估计用信号序列在所有发送流的所有小分解频带上实施时移而设定为信道估计用信号序列，

在所述OAM多路复用发送装置的进行频率变换的步骤中，将所述所有小分解频带进行变换，以组合到RF频带而变为整个频带，或者变换到IF频带之后变换到RF频带

在所述OAM多路复用接收装置的进行频率变换的步骤中，进行变换，使得所述各接收流的各小分解频带变为BB频带，或者在变换到IF频带之后再变换到BB频带，

在进行所述信道估计的步骤中，组合所述接收流的所有小分解频带，将对其信号进行DFT处理、对角矩阵的乘法运算、IDFT处理而得到的结果按照每个预定时移量划分，并用作从所有发送流的各小分解频带到各接收流的各小分解频带信道响应的估计值。

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