CN111133697B - Oam复用通信系统以及模式间干扰去除方法 - Google Patents

Oam复用通信系统以及模式间干扰去除方法 Download PDF

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Abstract

以低运算量抑制由于发送UCA与接收UCA之间的光轴的偏移、倾斜、反射波等而产生的模式间干扰。在本发明中，发送站包括：多个发送权重乘法部，分别输入多个发送信号序列，对每个发送信号序列乘以发送权重，转换为与构成M‑UCA的UCA对应的MTX个信号并输出；MTX个发送OAM模式生成处理部，输入与UCA对应的信号，进行离散傅立叶变换，分别输出到对应的UCA；接收站包括：MRX个接收OAM模式分离处理部，从构成M‑UCA的UCA分别输入信号并进行逆傅立叶变换，并按每个接收信号序列输出；多个接收权重乘法部，对每个接收信号序列乘以接收权重，分离被空间复用传输的接收信号序列，并且抑制空间复用后的OAM模式间的干扰并输出。

Description

OAM复用通信系统以及模式间干扰去除方法
技术领域
本发明涉及利用电磁波的轨道角动量(Orbital Angular MOAMentum：OAM)对无线信号进行空间复用传输的OAM复用通信系统以及模式间干扰去除方法。
背景技术
使用OAM对无线信号进行空间复用传输的技术对于提高无线通信的传输容量是有效的。具有OAM模式的电波的特征在于，等相位面沿着以光束的传播轴为中心的旋转方向呈螺旋状分布，将等相位面所形成的螺旋的周期为2π×k的模式称为OAM模式k。由于不同的OAM模式在旋转方向上彼此具有正交性，因此，能够对多个OAM模式的信号进行空间复用传输。例如，由于OAM模式1和OAM模式2的信号在空间上相互正交，所以即使从发送天线同时发送这些模式，在接收侧也能够分离OAM模式1和OAM模式2的信号。还报告有如下方法：在OAM模式的生成中，使用将多个天线元件等间距地配置为圆形的等间距圆形阵列天线(UniformCircular Array：UCA)。
在OAM复用通信系统中，通过作为收发天线使用的UCA彼此面对面配置，可以与收发天线之间的距离无关地，将涉及OAM模式传输的发射侧的权重乘法和接收侧的权重乘法统一化(非专利文献1)。在这里，安装进行与收发的权重乘法有关的DFT(Discrete FourierTransform，离散傅里叶变换)处理的脉冲矩阵电路，减少涉及OAM模式传输的数字信号处理的运算量。
图9示出现有的OAM复用通信系统的构成示例。
在图9中，发送站和接收站的天线分别是配备L元件作为天线元件的UCA。为了简化说明，将发送站和接收站所具备的UCA的天线元件数量和空间复用数量设为相同(L复用)。
发送站的S(串行)/P(并行)转换/信号处理部11一旦被输入发送信号序列，则将其转换为L个并行的位串，对各位串进行调制，输出发送信号序列S1(1＝1，2，…，L)。发送OAM模式生成处理部14输入发送信号序列s1，进行DFT运算，输出到发送UCA15的各天线元件。发送UCA 15对发送OAM模式生成处理部14的输出信号进行发送。
接收站的接收UCA 21通过各天线元件接收被空间复用的OAM模式的信号，并输出到接收OAM模式分离处理部22。接收OAM模式分离处理部22对每个天线元件的接收信号进行IDFT(Inverse DFT，逆离散傅立叶变换)运算，分离被空间复用的OAM模式，并输出接收信号序列r1(1＝1，2，…，L)。信号处理/P/S转换部24对各接收信号序列进行解调，输出按照原始的顺序重新排列的接收信号序列。
图9示意性地示出发送UCA 15和接收UCA 21的位置关系。各天线开口面被配置成：与连结构成发送UCA 15及接收UCA 21的圆形配置的天线元件(图中由●示出)的中心P、Q的直线(光轴)W垂直。此时，与发送接收UCA间的距离无关地，发送UCA 15和接收UCA 21之间的信道矩阵H是循环矩阵。根据循环矩阵的性质，信道矩阵通过DFT运算和IDFT运算而被进行特征值分解，因此，在图9的OAM复用通信系统中，接收信号rl始终是：
[数学式1]
rl＝λlsl…(1)
无论传送距离如何，都能够无模式间干扰地接收信号。在此，λ1是模式1的奇异值。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：E.Sasaki,M.Hirabe,T.Maru,N.Zein，“Pragmatic OAM withpolarization multiplexing transmission for future 5G ultra-high capacityradio，未来5G超高容量无线电的极化多路传输实用OAM”,EuMA2016，2016年10月。
发明内容
发明所要解决的问题
在非专利文献1的构成中，限定为：发送UCA和接收UCA配置在正面对置的位置，且没有反射波的预测环境。但是，在实际运用中，还需要考虑发送UCA和接收UCA固定设置在从正面对置配置偏离的位置的情况、由周边环境产生的反射波等的影响。当由于这样的影响，发送UCA和接收UCA之间的信道矩阵偏离理想的正面对置配置时，在接收侧的巴特勒矩阵电路的输出级会残留OAM模式间的干扰。因此，OAM模式1的接收信号r1为：
[数学式2]
Figure BDA0002423492460000031
因此，会受到第二项所示的来自与OAM模式1不同的OAM模式的干扰，导致通信质量变差。另外，式(2)中的λ’l是与OAM模式1的输出相乘的常数，λ’1,k是表示OAM模式k对OAM模式1的干扰量的常数。
本发明的目的在于，提供一种能够以低运算量抑制由于发送UCA与接收UCA之间的光轴的偏移、倾斜、反射波等而产生的模式间干扰的OAM复用通信系统以及模式间干扰去除方法。
用于解决问题的手段
第一发明是一种OAM复用通信系统，包括：发送站，包括发送天线，发送天线使用M-UCA，M-UCA由同心圆状且等间距地配置的直径不同的MTX个UCA构成，其中，MTX个为多个，UCA为以圆形等间距配置多个天线元件来构成的等间距圆形阵列天线；和接收站，与发送站同样地，包括使用了由MRX个UCA构成的M-UCA的接收天线，其中，MRX个为多个；OAM复用通信系统使用电磁波的轨道角动量模式对多个发送信号序列进行空间复用传输，将轨道角动量模式称为OAM模式，其特征在于，发送站包括：多个发送权重乘法部，分别输入多个发送信号序列，对每个发送信号序列乘以发送权重，转换为与构成M-UCA的UCA对应的MTX个信号并输出；以及MTX个发送OAM模式生成处理部，输入多个发送权重乘法部分别输出的与UCA对应的信号，进行离散傅立叶变换，分别输出到对应的UCA；接收站包括：MRX个接收OAM模式分离处理部，从构成M-UCA的UCA分别输入信号并进行逆傅立叶变换，并按每个接收信号序列输出；以及多个接收权重乘法部，对接收OAM模式分离处理部输出的每个接收信号序列乘以接收权重，分离被空间复用传输的接收信号序列，并且抑制空间复用后的OAM模式间的干扰并输出。
在第一发明的OAM复用通信系统中，发送权重乘法部被构成为输入多个发送信号序列并乘以发送权重，接收权重乘法部被构成为对被空间复用传输的多个接收信号序列进行分离。
在第一发明的OAM复用通信系统中，包括：权重运算部，根据接收OAM模式分离处理部针对从发送站发送到接收站的已知信号序列的输出值进行信道估计，确定发送权重和接收权重；并被构成为：接收权重设定到接收权重乘法部，发送权重从接收站向发送站反馈而设定到发送权重乘法部，以抑制被空间复用传输的OAM模式间的干扰分量。
第二发明是一种OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，OAM复用通信系统包括：发送站，包括发送天线，发送天线使用M-UCA，M-UCA由同心圆状且等间距地配置的直径不同的MTX个UCA构成，其中，MTX个为多个，UCA为以圆形等间距配置多个天线元件来构成的等间距圆形阵列天线；和接收站，与发送站同样地，包括使用了由MRX个UCA构成的M-UCA的接收天线，其中，MRX个为多个；OAM复用通信系统使用电磁波的轨道角动量模式对多个发送信号序列进行空间复用传输，将轨道角动量模式称为OAM模式，OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法的特征在于，发送站如下动作：在多个发送权重乘法部中，分别输入多个发送信号序列，对每个发送信号序列乘以发送权重，转换为与构成M-UCA的UCA对应的MTX个信号并输出；在MTX个发送OAM模式生成处理部中，输入多个发送权重乘法部分别输出的UCA所对应的信号来进行离散傅立叶变换，分别输出到对应的UCA；接收站如下动作：在由MRX个接收OAM模式分离处理部中，从构成M-UCA的UCA分别输入信号并进行逆傅立叶变换，并按每个接收信号序列输出；在多个接收权重乘法部中，按接收OAM模式分离处理部输出的每个接收信号序列乘以接收权重，分离被空间复用传输的接收信号序列，并且抑制空间复用的OAM模式间的干扰并输出。
根据接收OAM模式分离处理部针对从发送站发送给接收站的已知信号序列的输出值进行信道估计，确定发送权重和接收权重；并且，将接收权重设定到接收权重乘法部，将发送权重从接收站向发送站反馈而设定到发送权重乘法部，抑制空间复用后的OAM模式间的干扰。
在第二发明的OAM复用通信系统的模式间干扰去除方法中，也可以是：根据接收OAM模式分离处理部的输出中的、表示来自残留于特定的离散频率分量的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果、和表示自离散频率分量的矩阵的奇异值分解的结果，确定用于抑制被空间复用的信号之间的干扰的发送权重以及接收权重。
此外，也可以是：在表示来自在接收OAM模式分离处理部的输出中产生的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果中，将包含与属于左奇异向量的向量中的一个以上的向量正交的向量的权重作为接收权重。
另外，也可以是：在表示来自在接收OAM模式分离处理部的输出中产生的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果中，基于与属于左奇异向量的向量正交的向量和表示自离散频率分量的矩阵的相乘结果的奇异值分解，确定发送权重以及接收权重。
此外，也可以是：进行空间复用的信号的多路复用数是根据以下标准来确定或预先确定的，该标准为使与接收信号质量相应的合计速率为最大的标准。
发明效果
本发明通过适当设定发送权重以及接收权重，能够抑制由于发送天线和接收天线被固定设置在从正面对置配置偏离的位置上的情况、或周边环境的反射波等而产生的OAM模式间的干扰。
附图说明
图1是示出本发明的OAM复用通信系统的M-UCA的构成示例的图；
图2是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的结构的图；
图3是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的处理顺序的流程图；
图4是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的变形结构的图；
图5是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的变形结构的处理顺序的流程图；
图6是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的结构的图；
图7是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的处理顺序的流程图；
图8是示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的变形结构的图；
图9是示出现有的OAM复用通信系统的构成示例的图。
具体实施方式
图1示出本发明的OAM复用通信系统的M-UC的构成示例。
在图1中，M(Multi)-UCA是将多个UCA呈同心圆状且等间距地配置的结构。在此，示出了配置4个UCA的结构，从内侧的UCA开始依次设为第一UCA、第二UCA、第三UCA、第四UCA。另外，在发送UCA的情况下，称为第n发送UCA，在接收UCA的情况下，称为第n接收UCA。各UCA示出了具备8个元件的天线元件(图中用●示出)的例子，但各UCA的天线元件数不一定需要是相同数。
在下面的说明中使用的各符号的定义如下。
[数学式3]
第m发送UCA的天线元件数：NTX(m)
构成发送侧的M-UCA的UCA的数量：MTX
第n接收UCA天线的元件数：NRX(n)
构成接收侧的M-UCA的UCA的数量：MRX
第m发送UCA和第n接收UCA间的信道矩阵：
Figure BDA0002423492460000071
上标T、H：转置、复共轭转置
Figure BDA0002423492460000072
表示复数整体的集合
(实施例1)
图2示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的结构。
在图2中，发送站包括：S/P转换/信号处理部11、L个第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L、分别与MTX个发送UCA 15-1～15-MTX对应的MTX个第一发送OAM模式生成处理部14-1～第MTX发送OAM模式生成处理部14-MTX、参考信号发送部16。
接收站包括：分别与MRX个接收UCA 1-1～21-MRX对应的MRX个第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX、L个第一接收权重乘法部23-1～第L接收权重乘法部23-L、信号处理/P/S转换部24、信道状态获取部26、权重运算部27、反馈部28。
实施例1的OAM复用通信系统不同于现有结构，是使用了M-UCA的天线结构。另外，不同点在于，将获取信道信息来计算出的权重反馈给发送站的点、以及将由发送站以及接收站基于信道信息而计算出的权重相乘的点。
首先，用数学式表示实施例1的发送站和接收站的输入输出关系。发送站将输入的发送信号序列进行S/P转换而转换为L个并行的位串，对各位串进行调制而生成发送信号sL(1＝1，2，…，L)。第一发送权重乘法部(13-1)对发送信号sL乘以发送权重VL，并输出s’L。
[数学式4]
Figure BDA0002423492460000073
Figure BDA0002423492460000074
第m发送OAM模式生成处理部14-m被输入第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L的输出的第m个信号s’l[m]，(l＝1，2，…，L)进行排列而得到的信号向量S’[m]＝(s’1[m]，……、s’L[m])T，对S’[m]乘以DFT矩阵Dm TX并输出。在此，在Dm TX中，其p行q列分量是由数学式5提供的NTX(m)×L的DFT矩阵，
[数学式5]
Figure BDA0002423492460000081
式中的j表示虚数单位，l(q)表示第q列的DFT的离散频率索引。
另外，涉及DFT运算的处理，可以通过使用了与非专利文献1相同的巴特勒矩阵的模拟电路来实施，也可以通过数字信号处理来实施。
第一发送OAM模式生成处理部14-1～第MTX发送OAM模式生成处理部14-MTX的输出信号从与各DFT运算部连接的发送UCA 15-1～15-MTX向接收UCA发送。此时，在第k接收UCA21-k接收的信号如下。
[数学式6]
Figure BDA0002423492460000082
在式(3)中，为了简化说明，忽略了噪音项。
接着，接收站的第k接收OAM模式分离处理部22-k对由第k接收UCA21-k接收到的信号乘以IDFT矩阵Dk RX并输出。在这里，如下表示IDFT矩阵Dk RX的p行q列分量。
[数学式7]
Figure BDA0002423492460000083
p行q列分量：
Figure BDA0002423492460000084
l(p)表示第p列的IDFT的离散频率索引。
第k接收IDFT运算部22-k的输出如下所示：
Figure BDA0002423492460000091
第一接收权重乘法部23-1是对第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX的第一个输出rk[l](k＝1，2，…，MRX)进行排列的向量r[l]。
[数学式8]
Figure BDA0002423492460000092
输入所述数学式，乘以接收权重Ul并输出。
Figure BDA0002423492460000093
rl＝Ulr[l]
信号处理/P/S转换部24根据接收权重乘法运算后的信号r1估计发送的信息位串，并在P/S转换后，按照原来的信息位串的顺序排列。
此外，发送站的参考信号发送部16向接收站发送用于估计信道响应的已知信号序列。
接收站的信道状态获取部26与第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX连接，基于已知信号序列来估计信道响应。将估计出的信息输出到权重运算部27。
权重运算部27基于信道状态获取部26的估计值来确定发送权重以及接收权重，并设定到接收站的第一接收权重乘法部23-1～第L接收权重乘法部23-L，并经由反馈部28设定到发送站的第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L。
接着，说明权重运算部27中的发送权重和接收权重的运算方法。为了明确说明，对接收权重乘法运算后的信号r1中残留的干扰分量进行数学式表达。首先，发送站和接收站的M-UCA彼此正面对置，在不产生干扰的情况下，信道矩阵Hm,k通过从左乘以IDFT矩阵Dk RX，从右乘以DFT矩阵Dm TX来被对角化。因此，从第一接收权重乘法部23-1输出的信号rl如以下所示。
[数学式9]
rl＝UlΛlVlsl…(4)
式(4)中的Λl是表示各信道的响应的MRX×MTX的矩阵。由式(4)可知，在正面对置时，不会产生来自索引1不同的信号(不同的OAM模式)的干扰。因此，与现有结构同样地，信号处理/P/S转换部24能够在免受其他模式的干扰的情况下针对每个信号rl来估计位串sl。另一方面，在除此以外的情况下，rl成为包含来自其他模式的干扰的信号。
[数学式10]
Figure BDA0002423492460000101
式(5)中的第二项是干扰分量，受到来自索引1不同的发送信号的干扰，信号质量劣化。此外，Λl,k是表示从OAM模式k对OAM模式1的干扰的MRX×MTX的矩阵。
以下对用于抑制干扰分量(式(5)的第二项的信号分量)并改善通信质量的发送权重Vl和接收权重Ul的确定方法进行说明。
在实施例1中，通过对干扰分量的矩阵进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition：SVD)，在接收权重中采用与干扰量多的左奇异向量正交的向量，从而抑制干扰分量。
首先，为了找出干扰量多的奇异向量，当对干扰分量的矩阵ΛINT进行奇异值分解时，如式(6)所示。
[数学式11]
Figure BDA0002423492460000111
[数学式12]
在这里，
Figure BDA0002423492460000112
是
Figure BDA0002423492460000113
的左奇异向量，
Figure BDA0002423492460000114
是
Figure BDA0002423492460000115
的右奇异向量。
矩阵
Figure BDA0002423492460000116
分别是一元矩阵，
On×m表示n行m列的零矩阵。
假定奇异值σm为
Figure BDA0002423492460000117
使用式(6)的奇异值分解结果，能够将式(5)的接收信号如下改写。
[数学式13]
Figure BDA0002423492460000118
根据式(7)可知，如果对接收信号rl乘以左奇异向量ul,m的复共轭转置uH l,m，则可以从左奇异向量之间的正交性中去除第一接收权重乘法部23-1的输出中包含的干扰分量(式(7)的第二项)中的σmul,mvH l,m之外的分量。为了有效地抑制接收信号的干扰，在接收权重Ul中采用奇异值最小的左奇异向量uH 1,MRX，去除干扰大的项即可。此时接收信号rl如下所示，可知与接收权重相乘后，干扰分量被抑制。另外，接收权重也可以是最小奇异值的左奇异向量uH l,MRX以外的例如uH l,MRX-1。
[数学式14]
Figure BDA0002423492460000121
另一方面，矩阵uH 1,MRXΛl在接收信号中形成不包含干扰的主分量的特征空间。如果将该特征空间中的非零的特征值的特征向量作为发送权重来发送信号，则能够实现不包含干扰的主分量的信号传输。具体而言，在通过对矩阵uH 1,MRXΛl进行奇异值分解而得到的右奇异向量中，将发送权重Vl确定为非零奇异值的右奇异向量。
[数学式15]
Figure BDA0002423492460000122
在这里，
Figure BDA0002423492460000123
是
Figure BDA0002423492460000124
的左奇异向量，
Figure BDA0002423492460000125
是
Figure BDA0002423492460000126
的右奇异向量。
此外，μl，1是奇异值。
如今，如果将式(8)中的右奇异向量φl,1确定为发送向量Vl，则：
Figure BDA0002423492460000131
因此，能够降低由于倾斜、反射波等而产生的干扰，能够提高解调部的比特估计精度。另外，在接收权重为uH l,MRX以外的情况下，基于接收权重Ul和矩阵Λl,m的相乘结果UlΛl,m的奇异值分解结果来确定发送权重。
图3示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的处理步骤。
在图3中，当发送信号序列被输入到发送站时，S/P转换/信号处理部11生成调制信号(S11)。接着，从发送站的参考信号发送部16发送已知信号序列(S12)。接收站接收到已知信号序列后，信道状态获取部26基于已知信号序列，估计各信道的响应Λl以及Λl,k(S21)。权重运算部27基于估计出的信道的响应Λl以及Λl,k，实施式(5)和(8)的奇异值分解，确定发送权重Vl和接收权重Ul(S22)，将接收权重Ul设定到接收站的各接收权重乘法部23。进而，反馈部28将在权重运算部27中确定的发送权重Vl设定到发送站的各发送权重乘法部13(S23)。
接着，发送站的各发送权重乘法部13对在步骤S11中生成的调制信号乘以发送权重Vl(S13)。而且，发送OAM模式生成处理部14通过DFT运算对乘以发送权重Vl后的调制信号进行OAM模式生成处理(S14)，从发送站的各发送UCA 15发送各OAM模式的信号(S15)。
接收站的各接收UCA 21接收从发送站发送的信号(S24)，由接收OAM模式分离处理部22通过IDFT运算进行OAM模式分离处理(S25)。接着，各接收权重乘法部23对各OAM模式的接收信号乘以接收权重Ul(S26)。信号处理/P/S转换部24对通过以上的处理抑制了模式间干扰的接收信号进行解调而转换为位串，进而进行P/S转换来排列为原来的信息位串列并输出(S27)。
(实施例1的变形)
图4示出本发明的OAM复用通信系统的实施例1的变形结构。
在图4中，发送站包括：S/P转换/信号处理部11、L个第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L、分别与MTX个发送UCA15-1～15-MTX对应的MTX个第一发送OAM模式生成处理部14-1～第MTX发送OAM模式生成处理部14-MTX、权重运算部17。
接收站包括：分别与MRX个接收UCA 21-1～21-MRX对应的MRX个第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX、L个第一接收权重乘法部23-1～第L接收权重乘法部23-L、信号处理/P/S转换部24、权重运算部29。
与图2所示的实施例1的不同点在于，在接收站中不实施信道估计，以及发送站和接收站独立地确定发送权重以及接收权重这两点。即，在图4的结构中，在发送站和接收站中预先估计有信道响应，估计值由发送站的权重运算部17和接收站的权重运算部29保持(保存)，权重运算部17、29基于信道响应来确定发送权重和接收权重，并设定到发送权重乘法部13和接收权重乘法部23。
图5示出本发明的OAM多重通信系统的实施例1的变形结构的处理步骤。
在图5中，当发送信号序列输入到发送站时，权重运算部17基于事先保持的信道响应值来确定发送权重Vl，并设定到各发送权重乘法部13(S31)。S/P转换信号处理部11生成调制信号(S32)。接着，各发送权重乘法部13将生成的调制信号乘以发送权重Vl(S33)。而且，发送OAM模式生成处理部14通过DFT运算对乘以发送权重Vl后的调制信号进行OAM模式生成处理(S34)，从各发送UCA 15发送各OAM模式的信号(S35)。
另一方面，接收站根据权重运算部29事先保持的信道响应值来确定接收权重Ul，并设定到各接收权重乘法部23(S41)。各接收UCA 21接收从发送站发送的信号(S42)，由接收OAM模式分离处理部22通过IDFT运算进行OAM模式分离处理(S43)。接着，各接收权重乘法部23对各OAM模式的接收信号乘以接收权重Ul(S44)。信号处理/P/S转换部24对通过以上的处理抑制了模式间干扰的接收信号进行解调并转换为位串，并且进行P/S转换而排列为原来的信息位串列并输出(S45)。
(实施例2)
图6示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的结构。
在图6中，发送站包括：S/P转换/信号处理部12、分别输入M1～ML信号的L个第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L、分别与MTX个发送UCA 15-1～15-MTX对应的MTX个第一发送OAM模式生成处理部14-1～第MTX发送OAM模式生成处理部14-MTX、参考信号发送部16。
接收站包括：分别与MRX个接收UCA 21-1～21-MRX对应的MRX个第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX、L个第一接收权重乘法部23-1～第L接收权重乘法部23-L、分别输入M1～ML的接收信号的信号处理/P/S转换部25、信道状态获取部26、权重运算部27、反馈部28。
实施例2的OAM复用通信系统和实施例1的区别在于，输入到一个发送权重乘法部13的调制信号存在多个系统，从一个接收权重乘法部23输出的接收信号存在多个系统。此外，随着输入的系统数增加，发送权重和接收权重的矩阵尺寸也不同，发送权重乘法部13以及接收权重乘法部23的处理方法不同。由此，通过选择OAM模式中SINR(Signal-to-interference-plus-noise ratio，信噪比)高的OAM模式来使用，从而补偿倾斜、轴偏移、多路径的干扰，并且提高吞吐量，在这点上与实施例1不同。
第l发送权重乘法部(13-l)输入Ml个并行的调制信号(sl)，输出对各调制信号乘以发送权重(Vl)而得到的调制信号(s’l)。
[数学式16]
Figure BDA0002423492460000161
Figure BDA0002423492460000162
Figure BDA0002423492460000163
第l接收权重乘法部23-1输入第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX的输出(rl[1]，…，rMRX[l])T，输出乘以接收权重Ul而得到的接收信号rl。
[数学式17]
Figure BDA0002423492460000164
Figure BDA0002423492460000165
在发送天线和接收天线并不是理想的预测环境、且正面对置配置的情况下，接收信号向量rl为：
[数学式18]
Figure BDA0002423492460000166
因此，产生式(9)中的第二干涉分量。
以下，对实施例2中的发送权重Vl和接收权重Ul的确定方法进行说明。使用式(6)的奇异值分解结果，能够将式(9)的接收信号如下改写。
[数学式19]
Figure BDA0002423492460000167
需要注意的是，通过将左奇异向量(uH l,MRX-(Ml-1)，…，uH l,MRX-1，uH l,MRX)乘以排列有第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX的输出的第l个序列的向量(r’l[l]，…，r’MRX[l])T，从而除去一部分干扰分量。
[数学式20]
Figure BDA0002423492460000171
即，通过乘以(uH l,MRX-(Ml-1)，…，uH l,MRX-1，uH l,MRX)，能够除去包含干扰分量的主要分量的向量空间。接着，使用对主信号分量的矩阵(uH l,MRX-(Ml-1)，…，uH l,MRX-1，uH l,MRX)Λl进行奇异值分解而得到的奇异向量，确定发送权重和接收权重。由此，能够在降低模式间的干扰的同时传输特征模式。该矩阵的奇异值分解结果如下。
[数学式21]
Figure BDA0002423492460000172
在此，θl (img)、θl (ker)分别是对应于(uH l,MRX-(Ml-1)、…、uH l,MRX-1、uH l,MRX)Λl的非零奇异值的左奇异向量、对应于零奇异值的左奇异向量，Φl (img)、Φl (ker)分别是对应于同矩阵的非零奇异值的右奇异向量、对应于零奇异值的右奇异向量。基于式(10)的奇异值分解结果，如以下的式(11)那样确定发送权重Vl以及接收权重Ul。
[数学式22]
Figure BDA0002423492460000173
此时，接收信号rl如以下所示作为抑制了干扰的信号而被输出。
[数学式23]
Figure BDA0002423492460000181
多路复用数Ml可以是按照根据SINR等计算的合计容量的选择标准，也可以按照其他选择标准确定。或者，多路复用数Ml也可以是系统事先固定地确定的。
图7示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的处理步骤。
在图7中，发送站从参考信号发送部16发送已知信号序列(S51)。接收站接收已知信号序列后，信道状态获取部26基于已知信号序列，估计各信道的响应Λl以及Λl,k(S61)。接着，权重运算部27基于估计出的信道的响应Λl以及Λl,k，实施式(9)的奇异值分解，如式(10)那样确定发送权重Vl和接收权重Ul并且确定多路复用数Ml，将接收权重Ul设定到各接收权重乘法部23(S62)。多路复用数Ml可以是预先确定的，也可以是自适应地选择的。反馈部28将由权重运算部27确定的多路复用数Ml设定到发送站的S/P转换/信号处理部12，并且将发送权重Vl设定到发送站的各发送权重乘法部13(S63)。
发送站在设定了多路复用数Ml的S/P转换信号处理部12中生成调制信号(S52)。接着，各发送权重乘法部13对生成的调制信号乘以发送权重Vl(S53)。而且，发送OAM模式生成处理部14通过DFT运算对乘以发送权重Vl后的调制信号进行OAM模式生成处理(S54)，从发送站的各发送UCA 15发送各OAM模式的信号(S55)。
接收站的各接收UCA 21接收从发送站发送的信号(S64)，由接收OAM模式分离处理部22通过IDFT运算进行OAM模式分离处理(S65)。接着，各接收权重乘法部23对各OAM模式的接收信号乘以接收权重Ul(S66)。信号处理/P/S转换部25对通过以上的处理抑制了模式间干扰的接收信号进行解调并转换为位串，进一步进行P/S转换而排列为原来的信息位串列并输出(S67)。
(实施例2的变形)
图8示出本发明的OAM复用通信系统的实施例2的变形结构。
在图8中，发送站包括：S/P转换/信号处理部12、L个第一发送权重乘法部13-1～第L发送权重乘法部13-L、分别与MTX个发送UCA 15-1～15-MTX对应的MTX个第一发送OAM模式生成处理部14-1～第MTX发送OAM模式生成处理部14-MTX、权重运算部17。
接收站包括：分别与MRX个接收UCA 21-1～21-MRX对应的MRX个第一接收OAM模式分离处理部22-1～第MRX接收OAM模式分离处理部22-MRX、L个第一接收权重乘法部23-1～第L接收权重乘法部23-L、分别输入M1～ML的接收信号的信号处理/P/S转换部25、权重运算部29。
与图6示出的实施例2的不同点在于，在接收站中不实施信道估计，以及发送站和接收站独立地确定发送权重以及接收权重这两点。即，在图8的结构中，在发送站和接收站中预先估计有信道响应，估计值由发送站的权重运算部17和接收站的权重运算部29保持，权重运算部17、29基于信道响应确定发送权重和接收权重，并设定到发送权重乘法部13和接收权重乘法部23。此外，由于事先确定了多路复用数Ml，发送站和接收站都具有多路复用数Ml的信息，因此能够不经由反馈处理而进行通信。
本发明的OAM多重通信系统的实施例2的变形结构中的处理步骤，相对于图5所示的实施例1的变形结构中的处理步骤除了以下处理之外均相同：在发送站的S/P转换/信号处理部12中生成与多路复用数Ml对应的调制信号，在接收站中在信号处理P/S转换部25中对与多路复用数Ml对应的接收信号进行解调。
符号说明
11、12 S/P转换/信号处理部
13 发送权重乘法部
14 发送OAM模式生成处理部
15 发送UCA
16 参考信号发送部
17 权重运算部
21 接收UCA
22 接收OAM模式分离处理部
23 接收权重乘法部
24、25 信号处理/P/S转换部
26 信道状态获取部
27 权重运算部
28 反馈部
29 权重运算部

Claims (8)

1.一种OAM复用通信系统，包括：
发送站，包括发送天线，所述发送天线使用M-UCA，所述M-UCA由同心圆状且等间距地配置的直径不同的MTX个UCA构成，其中，所述MTX个为多个，所述UCA为以圆形等间距配置多个天线元件来构成的等间距圆形阵列天线；和
接收站，与所述发送站同样地，包括使用了由MRX个UCA构成的M-UCA的接收天线，其中，所述MRX个为多个；
所述OAM复用通信系统使用电磁波的轨道角动量模式对多个发送信号序列进行空间复用传输，将所述轨道角动量模式称为OAM模式，其特征在于，
所述发送站包括：
每个所述OAM模式的多个发送权重乘法部，按照要发送的每个所述OAM模式输入所述多个发送信号序列，对每个所述OAM模式的每个所述发送信号序列分别乘以发送权重，转换为与构成所述M-UCA的UCA对应的MTX个信号并输出；以及
MTX个发送OAM模式生成处理部，输入所述多个发送权重乘法部分别输出的与所述UCA对应的信号，进行离散傅立叶变换，分别输出到对应的所述UCA；
所述接收站包括：
MRX个接收OAM模式分离处理部，从构成所述M-UCA的UCA分别输入信号并进行逆傅立叶变换，并按每个接收信号序列输出；以及
每个所述OAM模式的多个接收权重乘法部，对所述接收OAM模式分离处理部输出的每个所述OAM模式的每个接收信号序列分别乘以接收权重，分离被空间复用传输的接收信号序列，并且抑制空间复用后的OAM模式间的干扰并输出。
2.如权利要求1所述的OAM复用通信系统，其特征在于，
包括：权重运算部，根据所述接收OAM模式分离处理部针对从所述发送站发送到所述接收站的已知信号序列的输出值进行信道估计，确定所述发送权重和所述接收权重；
并被构成为：所述接收权重设定到所述接收权重乘法部，所述发送权重从所述接收站向所述发送站反馈而设定到所述发送权重乘法部，以抑制被空间复用传输的OAM模式间的干扰分量。
3.一种OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，所述OAM复用通信系统包括：发送站，包括发送天线，所述发送天线使用M-UCA，所述M-UCA由同心圆状且等间距地配置的直径不同的MTX个UCA构成，其中，所述MTX个为多个，所述UCA为以圆形等间距配置多个天线元件来构成的等间距圆形阵列天线；和接收站，与所述发送站同样地，包括使用了由MRX个UCA构成的M-UCA的接收天线，其中，所述MRX个为多个；所述OAM复用通信系统使用电磁波的轨道角动量模式对多个发送信号序列进行空间复用传输，将所述轨道角动量模式称为OAM模式，所述OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法的特征在于，
所述发送站如下动作：
在每个所述OAM模式的多个发送权重乘法部中，按照要发送的每个所述OAM模式输入所述多个发送信号序列，对每个所述OAM模式的每个所述发送信号序列分别乘以发送权重，转换为与构成所述M-UCA的UCA对应的MTX个信号并输出；
在MTX个发送OAM模式生成处理部中，输入所述多个发送权重乘法部分别输出的所述UCA所对应的信号来进行离散傅立叶变换，分别输出到对应的所述UCA；
所述接收站如下动作：
在由MRX个接收OAM模式分离处理部中，从构成所述M-UCA的UCA分别输入信号并进行逆傅立叶变换，并按每个接收信号序列输出；
在每个所述OAM模式的多个接收权重乘法部中，对所述接收OAM模式分离处理部输出的每个所述OAM模式的每个接收信号序列分别乘以接收权重，分离被空间复用传输的接收信号序列，并且抑制空间复用的OAM模式间的干扰并输出。
4.如权利要求3所述的OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，其特征在于，
根据所述接收OAM模式分离处理部针对从所述发送站发送给所述接收站的已知信号序列的输出值进行信道估计，确定所述发送权重和所述接收权重；
并且，将所述接收权重设定到所述接收权重乘法部，将所述发送权重从所述接收站向所述发送站反馈而设定到所述发送权重乘法部，抑制空间复用后的OAM模式间的干扰。
5.如权利要求4所述的OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，其特征在于，
根据接收OAM模式分离处理部的输出中的、表示来自残留于特定的离散频率分量的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果、和表示自离散频率分量的矩阵的奇异值分解的结果，确定用于抑制被空间复用的信号之间的干扰的所述发送权重以及所述接收权重。
6.如权利要求4所述的OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，其特征在于，
在表示来自在所述接收OAM模式分离处理部的输出中产生的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果中，将包含与属于左奇异向量的向量中的一个以上的向量正交的向量的权重作为所述接收权重。
7.如权利要求4所述的OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，其特征在于，
在表示来自在所述接收OAM模式分离处理部的输出中产生的其他离散频率分量的干扰分量的矩阵的奇异值分解的结果中，基于与属于左奇异向量的向量正交的向量和表示自离散频率分量的矩阵的相乘结果的奇异值分解，确定所述发送权重以及所述接收权重。
8.如权利要求3所述的OAM复用通信系统的模式间干扰消除方法，其特征在于，
进行空间复用的信号的多路复用数是根据以下标准来确定或预先确定的，所述标准为使与接收信号质量相应的合计速率为最大的标准。
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