CN111769856B - 用于oam-mimo动态信道的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于OAM‑MIMO动态信道的功率分配方法，属于无线通信技术领域。在动态的OAM‑MIMO场景下，信道的状态会随着接收机的移动而改变，由于系统中存在反馈时延和估计误差，因此很难准确地得到信道状态信息，进而会使得系统的容量性能变得不太理想。本发明与传统的延续前次功率算法和平均功率分配算法相比，能在系统总功率资源有限的情况下，有效地提升OAM‑MIMO系统的容量性能。最后的仿真实验结果也表明，在工作频率为10GHz，波长为3cm，阵元数为8，发射和接收UCA半径为9cm以及信道状态信息未知的情况下，本发明所提出的功率预分配算法要明显优于传统的平均功率分配算法和延续前次功率算法。

Description

用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法。

背景技术

随着无线用户的不断增长，满足无线网络中持续的容量增长需求变得越来越有挑战性。为了能够在有限的资源下满足持续增长的需求，必须依靠新的技术来提升系统容量及频谱利用率。

根据麦克斯韦理论，电磁辐射同时携带有能量和动量，而动量又可以分解为线性动量(Linear Momentum，LM)与角动量(Angular Momentum，AM)，其中角动量包含自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分。自旋角动量与电磁波的极化方式有关，取值为普朗克常量，分别对应左右圆极化。而轨道角动量与电磁场的涡旋相位结构有关，取值为，其中称作拓扑电荷和模态值，理论上可以取任何一个值，取整数表示本征态，取分数表示多个本征态的叠加，不同的本征态之间是相互正交的。携带轨道角动量的电磁波不同于平面电磁波的地方是多了相位旋转因子，具体表现是相位波前具有围绕波束轴的空间螺旋相位结构，因而也常被称作涡旋波。由于不同本征态的涡旋波之间具备物理正交特性，可以将多路信号调制到不同本征态涡旋波上独立传输，从而在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下极大地增加无线通信系统的信道容量，为研究无线通信频谱资源紧缺的问题提供了一个新的解决方案。

在OAM-MIMO通信系统中，不同模态的涡旋电磁波相当于独立的信道，通过对不同模态的涡旋电磁波分配功率值，可使得系统容量最大化，这在功率资源有限的情况下提升OAM-MIMO通信系统的性能是很有必要的。

在以往的OAM-MIMO通信系统中，研究的功率分配方案都是基于静态的场景，接收机和发射机都是静止不动的。然而在实际的应用中，接收机往往会处于移动的状态，这使得系统的信道状态会随着接收机的移动而改变。由于在动态场景中会存在反馈时延和估计误差，通常系统很难准确地得到信道状态信息。在信道状态信息未知的情况下，利用传统的平均功率分配方法或者延续前次功率分配方法会造成功率资源的浪费。因此，如何在动态信道下有效地分配功率资源，在一定程度上决定了OAM-MIMO通信系统的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

在一个动态场景的OAM-MIMO多模态复用通信系统中，发射机放置于房间顶部，接收机在地面移动，发射和接收天线都是由N天线单元组成的均匀圆形阵列。其中D为发射天线阵列到地面的距离，d_n,m是发射天线m到接收天线n的距离，x为发射阵列到地面投影的圆心到接收阵列圆心距离在x轴的投影，y则为在y轴的投影。因此发射天线m到接收天线n的距离d_n,m可以表示为：

其中，R_t和R_r分别为发射阵列和接收阵列的半径，

和θ_n＝2πn/N+θ₀则分别为发射阵列和接收阵列天线单元的方位角，

和θ₀分别是两阵列天线单元的初始相位。

LOS场景中MIMO系统第m个发射天线到第n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：

当发射与接收机传输多个模态时，接收机会对多个模态的涡旋信号进行接收，从而对接收到的l模态涡旋信号使用多个模态涡旋信号的解调矢量，其过程可以表示为：

其中，H为接收机移动到(x,y)处的信道矩阵，n为独立同分布的高斯白噪声，其中λ_q,l表示

相乘的结果，x_l＝w_t ^Tx_t为发射信号，W_r＝[w₁,w₂,...,w_L]^T为接收端解调L个OAM模态的解调矩阵，

为单个OAM模态q的解调矢量。因此，l模态涡旋信号的信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio，SINR)可以表示为：

其中σ²表示噪声信号的方差，p_l表示OAM模态为l的涡旋波的发射功率，可以得出信干噪比下的l模态信道容量为：

C_l＝log₂(1+SINR_l)

由上式中发射单个l模态时的信道容量，容易写出发射与接收机传输的模态数为L时的系统容量为：

在动态场景的OAM-MIMO系统中，接收机在轨迹点A和J处的OAM模态谱是一致的，在轨迹点F和U处也是一样，而轨迹点A与F处的OAM模态谱略微有些差别，并且四个轨迹点处的OAM模态谱都是模态4占比最高。由于涡旋波的辐射场是是围绕轴中心对称的，轨迹点A和J也是以发射机投影为中点对称，轨迹点F和U也一样，因而OAM模态谱也是一致的，而且轨迹AFJU四点距离发射机投影的距离是一致的，从而A与F处的OAM模态谱差别不大，略微的差别来自于模态解调时引起的干扰。

在动态场景的OAM-MIMO系统中，接收机在AFJU四个轨迹点处的信道容量是一样的，说明了接收机在与发射机投影等距离处的信道状态是相同的。这是因为涡旋波辐射场是呈轴中心对称的，从而接收机在同一圆上任意位置处的信道状态都是一致的。

在动态场景的OAM-MIMO系统中，当接收机沿着轨迹点移动时，OAM模态占比最大的模态值在不断地变化。这是因为接收机在移动过程中与发射机投影的距离不断改变，模态信道状态也随之不断变化，从而OAM模态占比最大的模态值也不断地改变。因此，在信道状态信息未知的轨迹点处，继续延续上一轨迹点的功率分配值会造成系统性能的下降。

综上所述，接收机在移动过程中，模态信道状态在不断变化，如果采用平均功率分配方法或者延续前次功率分配方法，可能会给信道增益较小的子信道分配了较大的功率，而对信道增益较大的子信道分配了较小的功率，使得功率存在较大的浪费，并且导致系统性能变差。而通过前面的分析可知，在对称的轨迹点处的模态信道状态是一致的，因此能够通过对模态信道状态的预测，在未知信道状态信息情况下，采用基于移动轨迹的功率预分配方法实现对动态场景的信道进行功率分配，能够很好地克服传统方法所存在的缺陷，实现OAM-MIMO通信系统容量的最大化。

本发明的有益效果在于：

本发明根据动态场景下不同接收机位置处OAM-MIMO系统信道状态信息存在的差异和联系，利用已知接收机轨迹点的信道状态信息预测下一接收机轨迹点的信道状态信息，然后根据预测得到的信道状态信息找到与之相匹配的功率分配矢量完成下一接收机轨迹点的功率预分配，实现了在功率有限的情况下系统容量的最大化。并且其性能相比于传统的平均功率分配方法或者延续前次功率分配方法有着较大的提升。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

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为动态场景的OAM-MIMO多模态复用通信系统示意图；

图2为接收机按矩形的移动轨迹点示意图；

图3为接收机按S形的移动轨迹点示意图；

图4为接收机在AFJU四个对称位置处的OAM模态谱(模态值分别为1,2,3,4)；

图5为接收机在AFJU四个对称位置处的信道容量；

图6为OAM模态占比随接收机移动轨迹变化图，(a)是OAM模态占比随矩形轨迹变化图，(b)是OAM模态占比随S形轨迹变化图；

图7为系统信道容量随轨迹点变化图，(a)是系统信道容量随矩形轨迹变化图，(b)是系统信道容量随S形轨迹变化图；

图8为本发明提出的基于移动轨迹的功率预分配算法流程图；

图9为矩形轨迹下CSI已知的注水分配算法，CSI未知的三种功率分配算法的性能对比；

图10为S形轨迹下CSI已知的注水分配算法，CSI未知的三种功率分配算法的性能对比。

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。

本发明考虑一个动态场景的OAM-MIMO多模态复用通信系统，如图1所示。该系统的发射机放置于房间的顶部，接收机在地面移动，发射和接收天线都是由N天线单元组成的均匀圆形阵列，其中D为发射天线阵列到地面的距离，d_n,m是发射天线m到接收天线n的距离，x为发射阵列到地面投影的圆心到接收阵列圆心距离在x轴的投影，y则为在y轴的投影。

假设接收天线阵列圆心与发射天线阵列投影圆心的距离为(x²+y²)^1/2，其中x和y分别为其在x轴与y轴的投影。发射天线m到接收天线n的距离d_n,m可以表示为：

其中，D为发射天线阵列到地面的距离，R_t和R_r分别为发射阵列和接收阵列的半径，

和θ_n＝2πn/N+θ₀则分别为发射阵列和接收阵列天线单元的方位角，

和θ₀分别是两阵列天线单元的初始相位。

由于接收机处于移动的状态，接收机与发射机大多数情况是处于不对齐的状态。当接收机与发射机传输多个模态时，发射阵列与接收阵列的不对齐则会引起模态信道间的干扰。为了研究发射与接收机传输多个模态时，引起模态信道间干扰的影响，因而首先分析发射机发射单个模态，接收机多个模态接收的情况。假设发射阵列与接收阵列天线单元数都为N，发射与接收机传输的模态数为L，当发射机发射OAM模态为l的涡旋信号时，发射信号可以表示为：

x_l＝w_t ^Tx_t

其中l模态涡旋波的馈电矢量

x_t表示需要调制到l模态上的原始信号，x_l表示传输的l模态涡旋信号。在接收端，N个接收天线的输出信号为：

其中，H为接收机移动到(x,y)处的信道矩阵H[h_n,m(d_n,m(x,y))]，n为独立同分布的高斯白噪声。当发射与接收机传输多个模态时，接收机会对多个模态的涡旋信号进行接收，从而对接收到的l模态涡旋信号使用多个模态涡旋信号的解调矢量，其过程可以表示为：

其中接收端解调L个OAM模态的解调矩阵W_r＝[w₁,w₂,...,w_L]^T，单个OAM模态q的解调矢量

W_rn依然是独立同分布的高斯白噪声。可以知道，当解调矢量w_q与馈电矢量w_t的OAM模态值一致时，

的结果为l模态信道的传输增益，而两个矢量的OAM模态不一致，

的结果则为l模态信道对于q模态信道所产生的信道干扰。因此，上式可以表示为：

y_l＝[λ_1,l,...,λ_q,l,...,λ_L,l]^Tx_l+n

其中λ_q,l表示

相乘的结果。当视距下收发机对齐时，λ_q,l只有在OAM模态与l相等时才有值。而接收机处于移动的状态，接收机与发射机大多数情况是处于不对齐的状态，导致λ_q,l在OAM模态q与l不相等时也会有值，表示l模态信道对于q模态信道所产生的信道干扰。因此，l模态涡旋信号的信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio，SINR)可以表示为：

其中σ²表示噪声信号的方差，p_l表示OAM模态为l的涡旋波的发射功率，可以得出信干噪比下的l模态信道容量为：

C_l＝log₂(1+SINR_l)

由上式中发射单个l模态时的信道容量，容易写出发射与接收机传输的模态数为L时的系统容量为：

在动态场景的OAM-MIMO系统中，由于涡旋波辐射场的对称性，使得接收机在特殊位置处的信道状态是相同的。

图2和图3给出了两种接收机移动轨迹点图，分别为矩形移动轨迹(如图2所示)和S形移动轨迹(如图3所示)。矩形移动轨迹中，a₁,a₂,b₁,b₂分别表示发射机投影圆心距离AF轨迹线的长度，距离MR轨迹线的长度，距离RW轨迹线的长度和距离FM轨迹线的长度，白色圆表示接收机，灰色圆表示发射机在地面的投影，接收机从轨迹点A到轨迹点W围绕着发射机在地面移动。S形移动轨迹中，a₁,a₂,b₁,b₂分别表示发射机投影圆心距离OR轨迹线的长度，距离GI轨迹线的长度，距离AG轨迹线的长度和距离RX轨迹线的长度，蓝色圆表示接收机，紫色圆表示发射机在地面的投影，接收机从轨迹点A移动到轨迹点X。

根据涡旋辐射场的对称性，选定矩形轨迹中AFJU四个对称的轨迹点，分析接收机在其位置处的OAM模态谱和信道容量，分别如图4和图5所示。从图4中可以看到，接收机在矩形移动轨迹AFJU四个点处的OAM模态谱都存在模态间的干扰，同时可以发现，接收机在轨迹点A和J处的OAM模态谱是一致的，在轨迹点F和U处也是一样，而轨迹点A与F处的OAM模态谱略微有些差别。从图5中可以看到，随着信噪比的增加，接收机在AFJU四个轨迹点处的信道容量是一样的，说明了接收机在与发射机投影等距离处的信道状态是相同的。

表1接收机矩形移动轨迹仿真参数

图6给出了OAM模态占比随接收机移动轨迹变化图，其中(a)为OAM模态占比随矩形轨迹变化图，仿真参数如表1所示，(b)为OAM模态占比随S形轨迹变化图，仿真参数如表2所示，红色虚线连接的点为当前轨迹点处的OAM模态占比最大模态值。从图中可以看到，当接收机沿着轨迹点移动时，OAM模态占比最大的模态值在不断地变化。这是因为接收机在移动过程中与发射机投影的距离不断改变，模态信道状态也随之不断变化，从而OAM模态占比最大的模态值也不断地改变。因此，在信道状态信息未知的轨迹点处，继续延续上一轨迹点的功率分配值会造成系统性能的下降。

表2接收机S形移动轨迹仿真参数

图7给出了信道容量随轨迹点变化图，其中(a)为系统信道容量随矩形轨迹变化图，仿真参数如表1所示；(b)为系统信道容量随S形轨迹变化图，仿真参数如表2所示，信噪比SNR＝30dB，功率分配采用的是注水分配算法。可以清楚地看到，信道容量在对称的轨迹点处是一致的。可以得出，接收机在移动过程中，模态信道状态在不断变化，但是在对称的轨迹点处的模态信道状态是一致的，因此能够通过对模态信道状态的预测，在未知信道状态信息情况下，预分配各模态信道的功率。

参见图8，下面介绍基于移动轨迹的功率预分配算法具体步骤。

1.假设系统内可传输模态个数为N，可分配总功率为P_t。初始化前j个已知轨迹点处的功率分配集合{P_m-1,...,P_m-j}和信道状态集合{h_m-1,...,h_m-j}，其中第j个轨迹点处的功率分配矢量和信道状态矢量为各模态信道分配到的功率值和各模态信道的增益，如下所示：

P_m-j＝[p₁,...,p_N]^T

h_m-j＝[λ₁₁,...,λ_NN]^T

2.首先在已知轨迹点的信道状态集合{h_m-2,...,h_m-j}中搜索与前一轨迹点信道状态h_m-1相同的信道状态矢量h_m-k,k＝2,...,j，如果存在信道状态矢量h_m-k与h_m-1相等，则对信道状态矢量h_m-2与h_m-k+1和h_m-k-1进行判断，当信道状态矢量h_m-2与h_m-k+1相等时，h_m-k-1是当前轨迹点的预测矢量h_m；当信道状态矢量h_m-2与h_m-k-1相等时，h_m-k+1则是当前轨迹点的预测矢量h_m；若信道状态矢量h_m-2与两者都不相等，则继续搜索信道状态矢量h_m-k。如果不存在信道状态矢量h_m-k与h_m-1相等，则表示前一轨迹点的信道状态不与其他任何已知轨迹点的信道状态一致，难以预测当前轨迹点的信道状态。

3.根据信道预测得出的当前信道状态矢量h_m，在已知轨迹点处的功率分配集合{P_m-1,...,P_m-j}中找到对应的P_m，其次将功率分配矢量P_m应用于当前信道状态信息未知的轨迹点处，完成功率值的预分配。

图9和图10分别描述了矩形轨迹下和S形轨迹下CSI已知的注水分配算法，CSI未知的等功率分配算法和延续前次功率分配算法与功率预分配算法的性能对比。其中(a)-(d)分别表示矩形轨迹中EJQW四点处CSI未知下的三种功率分配算法与CSI已知的注水分配算法的性能对比。从两幅图中可以看到，在CSI未知的情况下，功率预分配算法性能要明显优于等功率分配算法和延续前次功率分配算法，能够很好地提升系统的容量性能。

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 (6)

1.用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一步：基于动态信道的OAM-MIMO多模态复用通信系统模型设计；

基于动态信道的OAM-MIMO多模态复用通信系统由发射机、接收机、波束成形器组成，波束成形器用于产生具有多个模态的信号，发射机用于发射涡旋电磁波信号，接收机用于接收和解调具有多个模态的涡旋信号；

第二步：推导基于动态信道的OAM-MIMO多模态复用通信系统的在单个轨迹点处的信干噪比和系统容量；

根据第一步设计的基于动态信道的OAM-MIMO多模态复用通信系统，推导出在单个轨迹点处，系统中每个模态的信干噪比和总的系统容量；

当发射与接收机传输多个模态时，接收机会对多个模态的涡旋信号进行接收，从而对接收到的l模态涡旋信号使用多个模态涡旋信号的解调矢量，其过程表示为：

其中，H为接收机移动到(x,y)处的信道矩阵，n为独立同分布的高斯白噪声，其中λ_q,l表示

相乘的结果，

为发射信号，W_r＝[w₁,w₂,...,w_L]^T为接收端解调L个OAM模态的解调矩阵，

为单个OAM模态q的解调矢量；l模态涡旋信号的信干噪比SINR表示为：

其中σ²表示噪声信号的方差，p_l表示OAM模态为l的涡旋波的发射功率，得出信干噪比下的l模态信道容量为：

C_l＝log₂(1+SINR_l)

第三步：推导系统容量在各个轨迹点下的联系；

根据第二步求出的单个轨迹点处的系统容量，推导出在矩形轨迹点和S形轨迹点下各个轨迹点之间系统容量的联系；

根据涡旋辐射场的对称性，选定矩形轨迹中AFJU四个对称的轨迹点，分析接收机在其位置处的OAM模态谱和信道容量，接收机在矩形移动轨迹AFJU四个点处的OAM模态谱都存在模态间的干扰，接收机在轨迹点A和J处的OAM模态谱是一致的，在轨迹点F和U处也是一样，而轨迹点A与F处的OAM模态谱有差别；随着信噪比的增加，接收机在AFJU四个轨迹点处的信道容量是一样的，说明接收机在与发射机投影等距离处的信道状态是相同的；

信道容量在对称的轨迹点处是一致的；接收机在移动过程中，模态信道状态在不断变化，在对称的轨迹点处的模态信道状态是一致的，通过对模态信道状态的预测，在未知信道状态信息情况下，预分配各模态信道的功率；

第四步：动态场景的多模态传输功率分配优化；

根据第三步推导出的各个轨迹点之间系统容量的联系，采用基于移动轨迹的功率预分配算法对系统功率进行最优分配，求出最优功率分配解。

2.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：所述接收机处于移动状态，同时传输多个模态，传输的模态数和天线数相等。

3.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：所述发射机和接收机均为一个均匀圆形天线阵列，每个天线阵元均匀的分布在圆周上且所有天线单元的天线极化方向相同。

4.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：所述第二步中，单个轨迹点的信干噪比为：

从而信道容量为：

5.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：所述第三步中，矩形轨迹点为一共23个点均匀的分布在矩形的4条边上，S形轨迹点为一共24个点均匀的分布在S形的各条边上。

6.根据权利要求1所述的用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法，其特征在于：所述各个轨迹点之间的联系为：对于互相对称的各个轨迹点，它们的信道容量是相同的。

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