CN112202476B - 基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，结合涡旋电磁波无线通信技术，解决多线圈近场互感通信多线圈串扰问题，突破传统NFC容量瓶颈。技术方案包括：建立坐标系、确定线圈编号和坐标；计算收发线圈互感矩阵和发射线圈互感矩阵；计算OAM‑NFC信道矩阵；确定发射端线圈激励；对OAM‑NFC信号进行接收和分离；对分离信号判决，实现了近距离涡旋互感通信。本发明基于OAM‑NFC信道建模，在不额外用更多带宽等正交资源的情况下，相较于MIMO‑NFC系统，解决发射线圈间互感串扰问题，大大提升NFC系统容量。应用于需要高速率数据传输的近场流媒体传输及高分辨率指纹传输识别等近距离无线通信。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，主要涉及电磁波近场无线通信，具体是一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，主要用于近距离无线通信。
背景技术
由射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术演变而来的近场无线通信(Near Field Communication,NFC)技术以其低功耗和简单性著称。NFC物理传输基于线圈之间的互感效应，传输距离短(<4cm)，因此经常被用于无接触支付、门禁等涉及安全的领域，也被用于建立其他较复杂链接的前期连接建立数据交换场景。然而较低的传输速率限制了NFC应用于未来一些需要高数据传输速率场景，比如高分辨率的指纹传输，或者平板间的NFC流媒体传输等。因此需探索相关技术，提高NFC的系统容量。针对上述NFC传输速率瓶颈问题，将多输入多输出(Multi-Input-Multi-Output,MIMO)技术引入NFC领域的MIMO-NFC方案是一种可行的提升系统容量的方案。
文献1，R.B.Gottula,“Channel characterisation and link budget of MIMOconfiguration in near field magnetic communication,”Int.J.Electron.Telecommun.,vol.59,no.3,pp.255–262,Aug.2013中提出了MIMO-NFC方案，并分析了接收功率和线圈正对偏转角之间的关系。该方案的缺点是多组发射线圈之间的互感效应会对彼此造成干扰，从而导致多组传输线路之间的串扰，最终降低系统的容量。
文献2，H.Kim,J.Park,K.Oh,J.P.Choi,J.E.Jang,and J.Choi,“Near-fieldmagnetic induction MIMO communication using heterogeneous multipole loopantenna array for higher data rate transmission,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.64,no.5,pp.1952–1962,May.2016中针对MIMO-NFC发射线圈之间的干扰问题，提出了一种基于具有特殊空间排布和相对电流大小的发射多线圈的MIMO-NFC系统，此方案成功化解了MIMO-NFC多发射线圈互相干扰问题。该方案的缺点是发射线圈排布相对固定，且发射线圈中电流关系固定，因此既不能采用其他多天线排列方式作为收发线圈阵列，也不能像微波领域的MIMO技术一样对发射信号进行相应的预编码，极大限制了MIMO-NFC的适用范围。
基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋电磁波无线通信技术最早被用于光通信领域，相关研究验证将其应用范围拓展到了较低频段的无线电频段(Radio Frequency,RF)通信，并可实现不追加额外功率和频带的情况下提升系统容量。基于涡旋电磁波的RF无线通信采用的天线有多种，包括螺旋相位板(Spiral Phase Plate,SPP)、均匀圆形阵列(Uniform Circular Array,UCA)和超材料表面天线等。目前尚无涡旋电磁波无线通信技术应用于NFC通信的文献，关于基于涡旋电磁波技术的RF无线通信，已有相关文献验证其可行性和容量提升作用：
文献3，B.Thide,H.Then,J.
K.Palmer,J.Bergman,T.D Carozzi,Y.Istomin,N.Ibragimov,and R.Khamitova,“Utilization of photon orbital angularmomentum in the low-frequency radio domain,”Physical review letters,vol.99,pp.087701–087701,Aug.2007中提出了涡旋电磁波技术在RF无线通信领域的应用、计算了基于均匀圆阵列(Uniform Circular Array,UCA)发射天线的涡旋电磁波电场表达式并验证了涡旋电磁波技术在RF无线通信领域应用的可行性。
文献4，W.Cheng,W.Zhang,H.Jing,S.Gao,and H.Zhang,“Orbital angularmomentum for wireless communications,”IEEE Wireless Communications Magazine,vol.26,no.1,pp.100–107,Feb.2019系统阐述了涡旋电磁波技术在RF无线通信领域的理论基础、容量提升作用和应用现状，并分析说明了其广阔的应用前景和现存问题。
综上，目前近场互感无线通信NFC存在传输容量瓶颈以及多线圈系统各路的严重串扰问题，难以支持未来有高数据传输速率要求的通信应用；而涡旋电磁波无线通信技术主要应用于光通信和RF通信场景，且其应用存在收发天线难对齐、远距离串扰和衰减严重问题，尚无互感近场通信领域应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述NFC系统的容量瓶颈问题，及现有MIMO-NFC方案技术缺点，结合涡旋电磁波无线通信技术，提出一种高容量、抗串扰的基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法(OAM-NFC)。
本发明是一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，该通信方法对应的通信系统包括近距离(一个波长之内)放置的发射端和接收端，其中发射端包括有单位逆离散傅里叶变换(IDFT)模块和发射线圈圆阵列，接收端包括有接收线圈圆阵列和单位离散傅里叶变换(DFT)模块，输入信号通过IDFT模块进入发射端，接收端输出信号通过DFT模块输出，其特征在于，包括以下步骤：
(1)定义发射和接收线圈圆阵列：发射线圈圆阵列为一个半径为Rt的圆环状线圈阵列，半径为Rt的圆环状线圈阵列包括有Nt个法线相互平行的发射线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在发射线圈圆阵列上；接收线圈圆阵列为一个半径为Rr的圆环状线圈阵列，半径为Rr的圆环状线圈阵列包括有Nr个法线相互平行的接收线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在接收线圈圆阵列上；
(2)建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置：建立表述线圈相对几何位置关系的坐标系，在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号；
2a)建立用于标注各个线圈位置的三维正交坐标系；
2b)按照顺时针或逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；
2c)圈轴线偏离发射线圈轴线的偏转角θx和θy，以及发射和接收线圈编号，确定接收线圈圆阵列中各个线圈所在坐标；
(3)计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms：由所得的发射和接收线圈圆阵列中的各发射线圈和接收线圈的位置坐标及编号，计算得到收发线圈之间和发射线圈之间的互感矩阵；
3a)由接收线圈位置坐标，计算得到收发线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为nt的发射线圈和编号为nr的接收线圈之间的互感，0≤nt≤Nt-1，0≤nt≤Nt-1.当dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，M为循环矩阵；
3b)依据发射线圈位置坐标，计算得到发射线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为n2的发射线圈和编号为n1的接收线圈之间的互感，0≤n1,n2≤Nt-1.Ms为循环矩阵；
(4)计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵：根据发射和接收线圈阵列中的收发线圈之间的互感矩阵M、发射线圈之间的互感矩阵Ms以及互感电动势
和发射线圈激励
间的关系，计算得到OAM-NFC信道矩阵H；
(5)确定发射端OAM-NFC线圈激励：将发射端的输入信号转变为各发射线圈上的激励，设输入的需要传输的信号表示为列向量
则每个发射线圈的激励电压vt为：
vt＝Wxt
其中W为单位IDFT矩阵；
(6)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号进行接收和分离：由发射激励感应得到的接收电动势，得到近场涡旋电磁波的分离信号，即恢复的输入信号；
由发射激励感应得到接收电动势，接收端接收线圈圆阵列上接收线圈互感电动势为vr＝HWxt+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声；当发射线圈总数等于接收线圈总数时，即Nr＝Nt，dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，接收线圈的互感电动势与输入信号存在如下关系：
其中WH为单位DFT矩阵，向量h为矩阵H的第一列；因此分离信号
即恢复的输入信号由接收互感电动势存在如下关系：
其中，
为列向量形式的分离信号，即恢复信号，diag(WHh)+为diag(WHh)的广义逆矩阵；
(7)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决：对分离信号
进行离散判决，得到离散化表达的接收端处理后的输出信号xr：
其中，
为所有可能的发射信号组成的向量集合；由输入信号xt经过所述通信方法对应的通信系统得到输出信号xr的过程，实现了涡旋电磁波近场通信过程；
本发明实现了涡旋电磁波无线通信技术在近场互感无线通信领域的应用，克服了以MIMO-NFC为代表的多线圈NFC存在的发射线圈信号严重串扰问题，为解决传统近场互感通信NFC的容量瓶颈问题提出了一种可行方法。
本发明通过将涡旋电磁波无线通信技术与近场无线通信相结合，建立涡旋电磁波近场无线通信方法：对输入信号进行单位IDFT变换后由发射线圈圆阵列发射、对互感接收信号进行DFT变换并判决得到输出信号，以实现在不不使用额外频域、码域等其他正交资源的情况下，显著提升NFC系统容量。
与现有技术相比，本发明的技术优势包括：
提高了信道容量：相较于传统近场互感无线通信NFC技术，本发明将涡旋电磁波无线通信技术与传统互感通信相结合，利用涡旋电磁波的多模态波束正交性，启用了多模态涡旋电磁波产生、分离方法，对输入信号进行单位IDFT变换后由发射线圈圆阵列发射、对互感接收信号进行DFT变换并判决得到输出信号，从而实现了信号的多路复用传输，进而大大提高了NFC系统的信道容量。
避免了多线圈串扰：相较于MIMO-NFC技术，本发明利用涡旋电磁波多模态波束的正交性，实现了多路近场互感信号的去串扰传输，从而避免了由线圈串扰带来的NFC信道容量损失，保证了多线圈近场无线通信相较于传统NFC的信道容量提升效果。
规避了涡旋电磁波技术远距离传输问题：相较于射频RF领域涡旋电磁波无线通信技术，本发明基于近场通信场景，规避了远距离通信场景中涡旋电磁波传输和分离对收发天线对齐的较高要求，避免了远距离传输衰减严重问题，从而使具体工程实现更为容易。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明使用的收发系统示意图；
图3(a)为仿真中采用的发射和接收线圈，图3(b)为发射和接收线圈阵列；
图4(a)为仿真的发射线圈在接收线圈位置一模态电场相位图，图4(b)为二模态电场相位图；
图5为仿真的本发明和现有MIMO-NFC技术的容量对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施对本发明作具体介绍。
实施例1
由于协议和频段限制，目前近场互感无线通信NFC存在传输容量瓶颈；而多线圈近场互感通信系统各路又存在严重的串扰问题，这导致了近场互感无线通信NFC难以支持未来有高数据传输速率要求的通信应用；而涡旋电磁波无线通信技术主要应用于光通信和射频RF通信频段，由于该技术对收发天线对齐有着较高要求，目前在上述频段存在工程上的技术实现困难问题。本发明针对现状展开了研究与探索，力图克服串扰，提高信道容量，提出了一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法。
本发明是一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，该通信方法对应的通信系统包括近距离(一个波长之内)放置的发射端和接收端，其中发射端包括有单位逆离散傅里叶变换(IDFT)模块和发射线圈圆阵列，接收端包括有接收线圈圆阵列和单位离散傅里叶变换(DFT)模块，输入信号通过IDFT模块进入发射端，发射端的每个发射线圈的激励电压为vt，vt＝Wxt；接收端输出信号通过DFT模块输出，参见图1，包括有以下步骤：
(1)定义发射和接收线圈圆阵列：发射线圈圆阵列为一个半径为Rt的圆环状线圈阵列，半径为Rt的圆环状线圈阵列包括有Nt个法线相互平行的发射线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在发射线圈圆阵列上；接收线圈圆阵列为一个半径为Rr的圆环状线圈阵列，半径为Rr的圆环状线圈阵列包括有Nr个法线相互平行的接收线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在接收线圈圆阵列上；发射线圈圆阵列和接收线圈圆阵列通过互感传输信号，发射线圈圆阵列接收IDFT模块的输出信号，接收线圈圆阵列将输出信号传递给DFT模块。
换句话说，本发明的线圈圆阵列至少包括：一个半径为Rt的圆环状发射线圈阵列和一个半径为Rr的圆环状接收线圈阵列；所述发射线圈圆阵列包括有Nt个几何中心等间距排列在发射线圈圆阵列上且法线相互平行的发射线圈，接收线圈圆阵列包括有Nr个几何中心等间距排列在接收线圈圆阵列上且法线相互平行的接收线圈。
(2)建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置：建立表述线圈相对几何位置关系的坐标系，参见图2，在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号。
2a)建立用于标注各个线圈位置的三维正交坐标系；
2b)按照顺时针或逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；
2c)圈轴线偏离发射线圈轴线的偏转角θx和θy，以及发射和接收线圈编号，确定接收线圈圆阵列中各个线圈所在坐标。
(3)计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms：由步骤(1)和(2)中所得的发射和接收线圈圆阵列中的各发射线圈和接收线圈的位置坐标及编号，计算得到收发线圈之间和发射线圈之间的互感矩阵；用于信道矩阵推导。
3a)由接收线圈位置坐标，计算得到收发线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为nt的发射线圈和编号为nr的接收线圈之间的互感，0≤nt≤Nt-1，0≤nt≤Nt-1.当dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，M为循环矩阵。
3b)依据发射线圈位置坐标，计算得到发射线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为n2的发射线圈和编号为n1的接收线圈之间的互感，0≤n1,n2≤Nt-1.Ms为循环矩阵。
(4)计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵：根据收发线圈之间和发射线圈之间的互感矩阵，计算得到OAM-NFC信道矩阵。
根据发射和接收线圈阵列中的收发线圈之间的互感矩阵M、发射线圈之间的互感矩阵Ms以及互感电动势
和发射线圈激励
间的关系，计算得到OAM-NFC信道矩阵H。
(5)确定发射端OAM-NFC线圈激励：将发射端的输入信号转变为各发射线圈上的激励，设输入的需要传输的信号表示为列向量
则每个发射线圈的激励电压vt为：
vt＝Wxt
其中W为单位IDFT矩阵。
(6)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号进行接收和分离：由发射激励感应得到的接收电动势vr，完成了对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号的接收。由接收电动势vr得到近场涡旋电磁波的分离信号
即恢复的输入信号。
考虑到噪声的影响，由发射激励感应得到接收电动势，接收端接收线圈圆阵列上接收线圈互感电动势为vr＝HWxt+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声。当发射线圈总数等于接收线圈总数时，即Nr＝Nt，dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，接收线圈的互感电动势与输入信号存在如下关系：
其中WH为单位DFT矩阵，向量h为矩阵H的第一列；因此分离信号
即恢复的输入信号由接收互感电动势存在如下关系：
其中，
为列向量形式的分离信号，即恢复信号，diag(WHh)+为diag(WHh)的广义逆矩阵。
(7)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决：对分离信号
进行离散判决，得到离散化表达的接收端处理后的输出信号xr：
其中，
为所有可能的发射信号组成的向量集合。由输入信号xt经过激励产生、互感接收、涡旋信号分离以及对分离信号判决，结合OAM-NFC信道计算，得到输出信号xr的过程，实现了涡旋电磁波近场通信的全过程。
本发明提供了一种将涡旋电磁波无线通信技术与近场互感无线通信NFC技术相结合的通信方法的整体技术方案，通过对输入信号进行单位IDFT变换后由发射线圈圆阵列发射、对接收线圈互感接收信号进行DFT变换并判决得到输出信号，以实现在不不使用额外频域、码域等其他正交资源的情况下，显著提升NFC系统容量。
现有技术中，存在近场互感无线通信受制于协议和频段，传输容量低的、多线圈近场互感方案多路传输信号存在严重串扰的问题，而涡旋电磁波技术主要应用于光通信和射频RF通信场景，存在远距离收发天线难对齐、远距离波束中空发散导致衰减严重的问题。本发明针对上述问题，进行了研究探索。本发明的技术构思为通过将涡旋电磁波无线通信技术与近场互感通信NFC技术相结合，对输入信号进行单位IDFT变换后由发射线圈圆阵列发射、对接收线圈互感接收信号进行DFT变换并判决得到输出信号，以实现在不不使用额外频域、码域等其他正交资源的情况下，显著提升NFC系统容量。本发明的技术手段包括定义发射和接收线圈圆阵列、建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置、计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms、计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵、确定发射端OAM-NFC线圈激励、对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号进行接收和分离以及对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决。本发明避免了以MIMO-NFC为代表的多线圈互感系统互感串扰问题，实现了提升近场互感无线通信NFC信道容量达两倍以上。
实施例2
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，同实施例1，本发明步骤(2)中所述的建立三维笛卡尔坐标系、确定各线圈编号和坐标位置，具体包括：
2.1)以发射线圈圆阵列的圆心到任意一个发射线圈中心连线方向为x轴，以发射线圈圆阵列的轴线方向为z轴，按照右手螺旋法则确定y轴，建立三维空间直角坐标系。
2.2)所述编号方法为：按照顺时针或者逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；其中，发射线圈编号为：0≤n≤Nt-1，接收线圈编号为：0≤m≤Nr-1。
2.3)得到的各个线圈的坐标。发射线圈和不同情况下的接收线圈的坐标分别标注如下：
2.31)其中，标号为n的发射线圈的坐标为：
2.32a)当θx＝θy＝0，标号为m的接收线圈坐标为：
2.32b)对于其他θx和θy，标号为m的接收线圈坐标为：
本发明在三维笛卡尔坐标系中按上述步骤标注出各个发射和接收线圈的位置坐标与编号。
本发明实现了流程化定义三维笛卡尔坐标系、明确了收发线圈阵列中各线圈的相对位置关系和编号，从而为计算收发线圈互感矩阵、发射线圈间互感矩阵以及涡旋电磁波近场互感OAM-NFC信道提供了较大便利。
实施例3
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法同实施例1-2，本发明步骤(3)中所述的计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms，具体过程如下：
Nt个发射线圈均为半径为rt的圆形线圈，匝数为Kt；所述的Nr个发射线圈均为半径为rr的圆形线圈，匝数为Kr。互感矩阵M中各个元素和Ms中非对角线元素的计算方法均如下：
其中M2,1表示编号为1的线圈和编号为2的线圈之间的互感，对于M，编号1对应于发射线圈的编号，编号2对应于接收线圈的坐标；对于Ms，编号1和编号2分别对应两个发射线圈的编号。μ0是真空磁导率，r1和r2分别为编号为1的线圈和编号为2的线圈的半径，
表示编号1和编号2两个线圈轴线夹角，d表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈轴线之间的距离，D表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈圆面的垂直距离，参数φ为表征编号为2的线圈上任一点坐标的方位角，0≤φ≤2π。为了简化互感公式表达，互感计算公式中参数由下列公式得出：
上述V，k，K(k)，E(k)，ψ(k)为互感公式变换中的中间参数，均由r1，r2，θ，d，D，φ确定，是互感公式表述中的中间变量；Ms中对角线元素均为0。
本发明利用一个互感计算表公式，较为简便而机械化地给出了收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms，为后续计算OAM－NFC信道提供了便利。
实施例4
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法同实施例1-3，本发明步骤(4)中所述的计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵，其中，OAM-NFC信道矩阵H的计算方法如下：
其中，j为虚数单位，ω为信号角频率，Zt为发射线圈阻抗；
本例中的信道计算方法能够更为简便地由收发线圈互感矩阵、发射线圈间互感矩阵计算涡旋电磁波近场互感OAM-NFC信道，同时实现了对发射线圈串扰的计算。
本发明中，本发明的实现不拘泥于本例中给出的信道计算方法，采用其他常规信道矩阵计算方法也能得到上述信道模型，实现本发明整体方案。
本发明主要解决了现有NFC系统的容量瓶颈问题。实现过程包括：1)建立坐标系、确定线圈编号和坐标位置；2)计算收发线圈之间的互感矩阵和发射线圈之间的互感矩阵；3)计算OAM-NFC信道矩阵；4)确定发射端OAM-NFC线圈激励；5)对OAM-NFC信号进行接收和分离；6)对分离信号进行判决。本发明在不额外利用更多带宽等其他正交资源的情况下，相较于已经存在的MIMO-NFC系统，可以为解决发射线圈间的互感干扰提供一种可行的解决方案，大大提升NFC系统信道容量。
下面给出一个更加详细的例子，对本发明进一步说明。
实施例5
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法同实施例1-4，本发明方案中所有发射线圈设定为相同，参照图2，所有接收线圈也设置相同，几何中心分别按照均匀圆环排列方式组成了发射和接收线圈圆阵列；所有发射线圈法线平行，所有接收线圈法线平行。
参照图1，对本发明做进一步的详细描述。本发明利用图2所示系统进行下行信号检测。
步骤1，确定坐标系和在坐标系中线圈的位置及线圈编号：
首先，参见图2，以发射线圈圆阵列的圆心到任意一个发射线圈圆心连线方向为x轴，以发射线圈圆阵列的轴线方向为z轴，按照右手螺旋法则确定y轴，建立三维空间直角坐标系。
其次，按照顺时针或者逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；其中，发射线圈编号为：0≤n≤Nt-1，接收线圈编号为：0≤m≤Nr-1。本发明中，对收、发线圈圆阵列中线圈的编号要求采用同样时钟顺序，即需要收发线圈同时采用顺时针或逆时针顺序编号。
最后，根据发射与接收线圈圆阵列线圈数目Nt和Nr、发射与接收线圈圆阵列半径Rt和Rr、接收线圈圆心坐标位置(dx,dy,dz)、接收线圈轴线沿着x轴和y轴方向偏离发射线圈轴线的偏转角θx和θy，以及发射和接收线圈编号，确定接收线圈圆阵列中各个线圈所在坐标，其中，标号为n的发射线圈的三维笛卡尔坐标(x'n,y'n,z'n)为：
当θx＝θy＝0，标号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(xm,ym,zm)为：
对于非0的θx和θy，标号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(xm,ym,zm)为：
得到了坐标系中收发线圈的位置及每个线圈编号。
步骤2，计算收、发线圈阵列互感矩阵：
依据互感计算公式：
其中M2,1表示编号为1的线圈和编号为2的线圈之间的互感。对于本发明收发线圈圆阵列中任意一对发射和接收线圈，编号1对应于发射线圈的编号，编号2对应于接收线圈的坐标；对于本发明发射线圈中任意两个发射线圈，编号1和编号2分别对应两个发射线圈的编号。μ0是真空磁导率，r1和r2分别为编号为1的线圈和编号为2的线圈的半径，
表示两个线圈轴线夹角，d表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈轴线之间的距离，D表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈圆面的垂直距离，参数φ为表征编号为2的线圈上任一点坐标的方位角，0≤φ≤2π。互感公式中其他中间变量由下列公式得出：
上述V，k，K(k)，E(k)，ψ(k)参数均由r1，r2，θ，d，D，φ确定，是互感公式表述中的中间变量。
由接收线圈位置坐标，利用上述互感公式，计算得到收、发线圈之间的互感矩阵如下：
当dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，M为循环矩阵。
依据发射线圈位置坐标，计算得到发射线圈圆阵列中两两线圈之间的互感矩阵如下：
Ms为循环矩阵，是发射线圈阵列中任意两两线圈之间的互感。
步骤3，计算OAM-NFC信道矩阵：
根据收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms，OAM-NFC信道矩阵可由下式得到：
其中，j为虚数单位，ω＝2πf为信号角频率，f为信号频率，Zt为发射线圈阻抗。
式中的H还表征了互感电动势
和发射线圈激励
之间的关系：vr＝Hvt+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声。
步骤4，OAM-NFC信号生成和发射：当输入的需要传输的信号表示为列向量
每个发射线圈的激励电压可由表示为vt＝Wxt，其中W为单位逆离散傅里叶变换(Inverse discrete Fourier transform,IDFT)矩阵。
步骤5，OAM-NFC信号接收和分离：考虑到噪声的影响，接收线圈互感电动势为vr＝HWxt+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声。当Nr＝Nt，dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，由恒等关系：
其中，WH是N维IDFT矩阵W的共轭转置矩阵，C表示一N维循环方阵，c是C的的第一列，v1表示任一N维列向量，可知：
其中h为H的第一列。
因此恢复的输入信号，也即分离信号
可由接收互感电动势给出：
其中，diag(WHh)+为diag(WHh)的广义逆。
步骤6，对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决：
由于分离信号
在其值域连续，需要对其进行离散判决，得到离散化表达的接收端输出信号xr：
其中，
为所有可能的发射信号组成的向量集合。由输入信号xt经过发射线圈激励产生、接收线圈互感接收、涡旋信号分离和判决的流程，结合OAM-NFC信道计算，得到输出信号xr的过程，实现了涡旋电磁波近场通信的全过程。
本发明结合涡旋电磁波技术，利用线圈之间互感进行近场无线通信，规避了多线圈串扰问题，大幅度提升了近场无线通信系统容量。
通过以下仿真对本发明的效果进行验证性说明：
实施例6
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法同实施例1-5。
仿真条件
设置仿真的信号频率为13.56MHz，Nr＝Nt＝8，Rt＝Rr＝25mm，Zt＝50Ω，dx＝dy＝0，θx＝θy＝0，dz＝25mm。参照图3，设置发射和接收线圈材质为铜，线圈线宽为0.5mm，线的高度设置在0.1mm，且rt＝rr＝5mm，Kt＝Kr＝5.设置MIMO-NFC系统，采用相同的收发线圈圆阵列作为收发天线。设置SISO-NFC系统，采用轴线重合的接收和发射线圈，线圈参数设置和上述圆阵列线圈相同。
仿真内容
在ANYSY HFSS中对该系统仿真得到发射线圈在接收线圈位置的电场相位图以及信道矩阵；发射线圈在接收线圈位置的电场相位图如图4。
仿真结果与分析
图4为仿真的发射线圈在接收线圈位置的电场相位图,其中，颜色由深黑色到灰色再到白色表示相位由-180°变化到180°。图4(a)表示一模态的涡旋电磁波信号电场相位，反映了一模态下互感近场通信NFC涡旋电磁波相位特征；图4(b)表示二模态的涡旋电磁波信号电场相位，反映了二模态下互感近场通信NFC涡旋电磁波相位特征。
从图4(a)和图4(b)结合比照可以看出，仿真得到的电场相位结构呈现明显的涡旋电磁波一、二模态螺旋相位结构特征。图4(a)中电场相位由-180°变化到180°，经过了一个360°的完整角度周期，呈现一模态涡旋相位特征；图4(b)中电场相位由-180°变化到180°再变化到-180°最终变化到180°，经过了720°的两个角度周期，呈现二模态涡旋相位特征，从而表明采用本发明通信方法可以产生特征明显的涡旋电磁波。
实施例7
基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法同实施例1-5，仿真条件同实施例6，仿真内容有所增加。
增加的仿真内容
将实施例6中ANYSY HFSS中仿真得到的传输系数矩阵导入Matlab，在Matlab中仿真噪声为加性高斯白噪声，信噪比范围为0～50dB，仿真30个点的频谱利用率(Capacityper Hertz)对比图。利用考虑信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)的香农公式，仿真得到本发明OAM-NFC，MIMO-NFC和SISO-NFC三个系统的频谱利用率，结果如图5所示。其中，横坐标为接收线圈上的信噪比(Signal to Interference to NoiseRatio,SNR)，纵坐标表示频谱利用率，十字标识曲线表示SISO-NFC系统频谱利用率，圆形标识曲线表示本发明OAM-NFC系统频谱利用率，星号标识曲线表示MIMO-NFC系统频谱利用率。通过多次实验统计平均容量；同时给出SISO－NFC以及同样收发线圈阵列支持下的MIMO－NFC容量仿真作为对比。
仿真结果与分析
从图5可以看出，本发明OAM-NFC系统频谱利用率高于MIMO-NFC和SISO-NFC两种系统，且优势随着SNR提升越发明显。OAM-NFC和MIMO-NFC因为存在多路信号之间的干扰，随着SNR提升，频谱利用率会趋于饱和：当SNR>25dB，MIMO-NFC系统的信道容量趋于饱和；当SNR>50dB，OAM-NFC系统的信道容量趋于饱和。当SNR>50dB，SISO-NFC系统优于饱和的MIMO-NFC。总体来说，本发明OAM-NFC的容量在SNR<20dB时相较于MIMO-NFC和SISO-NFC的容量优势虽然并不明显但仍为最佳；在20<SNR<50dB时，本发明OAM-NFC容量优势突飞猛进，达到了MIMO-NFC和SISO-NFC容量的三倍以上；当SNR＝50dB时，本发明OAM-NFC容量虽然趋于饱和，但是仍然大大优于MIMO-NFC和SISO-NFC系统的容量；考虑到实际系统中更大的SNR情况较少出现，因此本发明OAM-NFC容量饱和效应在实际中并不会造成OAM-NFC容量劣于SISO-NFC。
简而言之，本发明的基于线圈圆阵列的涡旋电磁波(OAM)近场无线通信(NFC)方法，主要结合涡旋电磁波无线通信技术，解决现有多线圈NFC系统多线圈间的串扰问题，从而突破传统NFC系统的容量瓶颈。其技术方案包括：1)建立坐标系、确定线圈编号和坐标位置；2)计算收发线圈之间的互感矩阵和发射线圈之间的互感矩阵；3)计算OAM-NFC信道矩阵；4)确定发射端OAM-NFC线圈激励；5)对OAM-NFC信号进行接收和分离；6)对分离信号进行判决，实现了近距离互感通信。本发明基于OAM-NFC信道建模，实现了在不额外利用更多带宽等其他正交资源的情况下，相较于已经存在的MIMO-NFC系统，很好地解决了发射线圈间的互感串扰问题，大大提升了NFC系统的信道容量。应用于需要高速率数据传输的近场流媒体传输及高分辨率指纹传输识别等近距离无线通信。
Claims (2)
1.一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，该通信方法对应的通信系统包括一个波长之内的近距离放置的发射端和接收端，其中发射端包括有单位逆离散傅里叶变换IDFT模块和发射线圈圆阵列，接收端包括有接收线圈圆阵列和单位离散傅里叶变换DFT模块，输入信号通过IDFT模块进入发射端，接收端输出信号通过DFT模块输出，其特征在于，包括以下步骤：
(1)定义发射和接收线圈圆阵列：发射线圈圆阵列为一个半径为Rt的圆环状线圈阵列，半径为Rt的圆环状线圈阵列包括有Nt个法线相互平行的发射线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在发射线圈圆阵列上；接收线圈圆阵列为一个半径为Rr的圆环状线圈阵列，半径为Rr的圆环状线圈阵列包括有Nr个法线相互平行的接收线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在接收线圈圆阵列上；
(2)建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置：建立表述线圈相对几何位置关系的坐标系，在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号；
2a)建立用于标注各个线圈位置的三维正交坐标系；
2b)按照顺时针或逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；
2c)根据接收线圈轴线偏离发射线圈轴线的偏转角θx和θy，以及发射和接收线圈编号，确定接收线圈圆阵列中各个线圈所在坐标；
其中，建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置，具体包括：
2.1)以发射线圈圆阵列的圆心到任意一个发射线圈中心连线方向为x轴，以发射线圈圆阵列的轴线方向为z轴，按照右手螺旋法则确定y轴，建立三维空间直角坐标系；
2.2)所述编号方法为：按照顺时针或者逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号，其中，发射线圈编号为：0≤n≤Nt-1，接收线圈编号为：0≤m≤Nr-1；
2.3)得到的各个线圈的坐标，
2.31)其中，编号为n的发射线圈的三维笛卡尔坐标(x'n,y'n,z'n)为：
2.32a)当θx＝θy＝0，编号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(xm,ym,zm)为：
2.32b)对于其他θx和θy，编号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(xm,ym,zm)为：
在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号；式中，(dx,dy,dz)为接收线圈圆心坐标位置，接收线圈轴线沿着x轴和y轴方向偏离发射线圈轴线的偏转角θx和θy，
表示两个线圈轴线夹角；
(3)计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms：由所得的发射和接收线圈圆阵列中的各发射线圈和接收线圈的位置坐标及编号，计算得到收发线圈之间和发射线圈之间的互感矩阵；
3a)由接收线圈位置坐标，计算得到收发线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为nt的发射线圈和编号为nr的接收线圈之间的互感，0≤nt≤Nt-1，0≤nr≤Nr-1.当dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，M为循环矩阵；
3b)依据发射线圈位置坐标，计算得到发射线圈之间的互感矩阵如下：
其中，
表示编号为n2的发射线圈和编号为n1的发射线圈 之间的互感，0≤n1,n2≤Nt-1，Ms为循环矩阵；
(4)计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵：根据发射和接收线圈阵列中的收发线圈之间的互感矩阵M、发射线圈之间的互感矩阵Ms以及互感电动势
和发射线圈激励
间的关系，计算得到OAM-NFC信道矩阵H；
(5)确定发射端OAM-NFC线圈激励：将发射端的输入信号转变为各发射线圈上的激励，设输入的需要传输的信号表示为列向量
则每个发射线圈的激励电压vt为：
vt＝Wxt
其中W为单位IDFT矩阵；
(6)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号进行接收和分离：由发射激励感应得到的接收电动势，得到近场涡旋电磁波的分离信号，即恢复的输入信号；
由发射激励感应得到接收电动势，接收端接收线圈圆阵列上接收线圈互感电动势为vr＝HWxt+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声；当发射线圈总数等于接收线圈总数时，即Nr＝Nt，dx＝dy＝0且θx＝θy＝0时，接收线圈的互感电动势与输入信号存在如下关系：
其中WH为单位DFT矩阵，向量h为矩阵H的第一列；因此分离信号
即恢复的输入信号与接收互感电动势存在如下关系：
其中，
为列向量形式的分离信号，即恢复信号，diag(WHh)+为diag(WHh)的广义逆矩阵；
(7)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决：对分离信号
进行离散判决，得到离散化表达的接收端处理后的输出信号xr：
其中，
为所有可能的发射信号组成的向量集合；由输入信号xt经过所述通信方法对应的通信系统得到输出信号xr的过程，实现了涡旋电磁波近场通信过程。
2.根据权利要求1所述基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵Ms，具体过程如下：
Nt个发射线圈均为半径为rt的圆形线圈，匝数为Kt；所述的Nr个接收线圈均为半径为rr的圆形线圈，匝数为Kr；互感矩阵M中各个元素和Ms中非对角线元素的计算方法均如下：
其中M2,1表示编号为1的线圈和编号为2的线圈之间的互感，对于M，编号1对应于发射线圈的编号，编号2对应于接收线圈的坐标；对于Ms，编号1和编号2分别对应两个发射线圈的编号；μ0是真空磁导率，r1和r2分别为编号为1的线圈和编号为2的线圈的半径，d表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈轴线之间的距离，D表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈圆面的垂直距离，参数φ为表征编号为2的线圈上任一点坐标的方位角，0≤φ≤2π；互感计算公式中其他中间变量由下列公式得出：
上述V，k，K(k)，E(k)，ψ(k)参数均由r1，r2，θ，d，D，φ确定，是互感公式表述中的中间变量；Ms中对角线元素均为0。
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