CN113162747A - 一种全双工通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例涉及一种全双工通信方法及装置，用于在全双工通信过程实现自干扰消除并避免波束中心的能量空洞问题，该全双工通信方法包括：通过发射天线阵列发射不同轨道角动量OAM态的发射波束，所述发射天线阵列为均匀环形阵列UCA；通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束，所述接收天线阵列为UCA，所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等，所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数；通过馈电网络给所述发射天线阵馈电和合成所述接收天线阵列的信号。

Description

一种全双工通信方法及装置
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种全双工通信方法及装置。
背景技术
随着可用的频谱资源越来越少而各类应用对于无线传输速率的需求越来越高，全双工技术逐渐成为了能够使频谱效率翻倍的潜在技术手段。其中，通过设计天线阵列的摆放方式在传播域进行被动叠加消除是实现收发端口之间高隔离度比较方便的一种方法，从而能够实现全双工技术中的自干扰信号消除。
轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是电磁波的一种固有属性，对应于波束在空间中的螺旋形相位波前。携带不同OAM态的电磁波在空间中同轴传输时相互正交，因此传统的轨道角动量电磁波通信理论认为将不同的信息调制到不同OAM态的电磁波上用于复用可以增加无线通信系统的信道容量。然而，传统的OAM电磁波通信由于波束发散、波束中心的能量空洞以及偏心偏轴导致性能恶化等问题很难用于实际的通信系统中。
通过天线阵列产生OAM波束是OAM波束的一种较为便捷的产生方法。因此，如何合理地设计天线阵列及其馈电网络以利用OAM波束的正交性实现传播域的自干扰消除是全双工通信中需要解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种全双工通信方法及装置，用于在全双工通信过程中实现自干扰消除。
第一方面，本申请实施例提供了一种全双工通信方法，包括通过发射天线阵列发射不同轨道角动量OAM态的发射波束，所述发射天线阵列为均匀环形阵列UCA；通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束，所述接收天线阵列为UCA，天线阵列包括所述发射天线阵列和所述接收天线阵列，其中，所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等，所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数；通过馈电网络给所述发射天线阵列馈电和所合成述接收天线阵列的信号。
具体的，馈电网络给发射UCA馈电，发射UCA可以发射不同OAM态的发射波束，馈电网络合成接收UCA的信号，接收UCA可以接收不同OAM态的接收波束。所述发射UCA和所述接收UCA同心同轴放置。所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径可以相同或者可以不同。示例性的，若所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同，所述发射UCA和所述接收UCA可以共用天线阵列，或者所述发射UCA和所述接收UCA可以使用独立的天线阵列。
所述馈电网络可以包括发射馈电网络和接收馈电网络。所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以共用一个馈电网络，或者所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以使用独立的馈电网络。示例性的，所述发射馈电网络给发射UCA馈电，所述接收馈电网络合成接收UCA的信号。
可选的，所述发射UCA可以产生OAM态连续的多个发射波束。
通过本申请实施例提供的方法，收发天线阵列的天线数目相等，所述全双工通信装置通过发射UCA发射不同OAM态的发射波束，通过接收UCA接收不同OAM态的接收波束，且发射波束的OAM态不等于接收波束的OAM态的相反数，通过OAM态的正交性，从而实现自干扰消除，实现全双工通信。另外，本申请实施例中还可以通过同时产生OAM态连续的多个发射波束，将能量汇聚到特定的方向，实现波束赋形。
在一种可能的实现中，所述预设条件还包括：所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半。
该实现可以进一步保证发射UCA能够产生OAM态的波束，实现自干扰消除。
在一种可能的实现中，每个所述发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000021
其中p表示第p个发射波束，
Figure BDA0002378684380000022
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数。
在该实现中，根据发射UCA的阵元数目选定发射的OAM态组合，基于选定的OAM态组合，确定每个发射波束的OAM态，以保证实现自干扰消除及波束赋形。
在一种可能的实现中，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000023
其中q表示第q个接收波束，
Figure BDA0002378684380000024
表示第q个接收波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数。
在该实现中，根据接收UCA的阵元数目选定接收的OAM态组合，基于选定的OAM态组合，确定每个接收波束的OAM态，以保证实现自干扰消除。
在一种可能的实现中，所述通过发射天线阵列发射不同OAM态的发射波束之前，还可以通过馈电网络调整所述发射天线阵列中每个发射天线的相位，其中所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态LTX和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。
示例性的，所述N个发射天线中第n个发射天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000025
其中
Figure BDA0002378684380000026
表示第p个发射波束输入端口被激励时，第n个发射天线的相位。
在该实现中，还可以同时激励多个波束端口，从而在空间中产生OAM态连续的多个发射波束，实现发射端波束赋形。
在该实现中，当多个波束端口被同时激励时，发射天线的相位等于单个端口被激励时的相位的叠加。
在一种可能的实现中，所述通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束之前，还可以通过馈电网络调整所述接收天线阵列中每个接收天线的相位，其中所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态LRX和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。
示例性的，所述M个接收天线中第m个接收天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000031
其中
Figure BDA0002378684380000032
表示第q个接收波束输出端口被激励时，第m个接收天线的相位。
在该实现中，当在空间中接收到特定的波束时，信号从对应的波束端口输出，实现接收端波束赋形。当同时接收到多个特定的波束时，信号同时从多个波束端口输出。
在一种可能的实现中，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
所述P个发射波束输入端口和所述Q个接收波束输出端口之间的传输矩阵满足以下公式：HRX,TX＝ΦTXHcΦRX T，HRX,TX为所述P个发射波束输入端口和所述Q个接收波束输出端口之间的传输矩阵，ΦTX为所述发射馈电网络的传输矩阵，ΦRX为所述接收馈电网络的传输矩阵，Hc为所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵。
所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000033
βTX(n),RX(m)为第n个发射天线到第m个接收天线的耦合系数。当所述发射UCA的发射天线数目M等于所述接收UCA的接收天线数目N时，所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000034
在一种可能的实现中，所述方法还包括：通过发射天线阵列同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。
在该实现中，同时激励OAM态连续的多个发射波束，随着不同模态的OAM波束数量的增加，空间中叠加形成的波束的能量在周向逐渐集中到一个特定的方向上，从而避免单个OAM波束的主瓣方向上的能量空洞的问题。
在一种可能的实现中，所述方法还包括：通过移相器调整所述发射波束和/或所述接收波束的初相，所述馈电网络位于所述移相器和所述发射天线阵列之间，且所述馈电网络位于所述移相器和所述接收天线阵列之间。
所述移相器和所述馈电网络之间可以直接连接或间接连接。若所述移相器和所述馈电网络之间间接连接，PA和/或LNA可以位于所述移相器和所述馈电网络之间。
在一种可能的实现中，若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。
示例性的，所述P个发射波束的在球坐标系中某点
Figure BDA0002378684380000041
的远场电场满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000042
其中
Figure BDA0002378684380000043
为所述P个发射波束在空间中叠加形成的波束的远场电场，μ0为真空磁导率，ω为角频率，k为波数，je为电偶极子的电流密度，d为电偶极子的长度，a为所述发射UCA的半径，Jl为l阶的贝塞尔函数，
Figure BDA0002378684380000044
为LTX中的元素，
Figure BDA0002378684380000045
为发射波束及接收波束的OAM态的初相，k满足k＝ω/c，c为真空中光速。
在一种可能的实现中，所述方法还包括：通过所述馈电网络调整发射波束主瓣的θml度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000046
度数。
在该实现中，θml度数表示发射波束主瓣(main lobe，ml)的θ度数，
Figure BDA0002378684380000047
度数表示发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000048
度数。
所述发射馈电网络可以通过使用不同模态的OAM波束实现发射波束主瓣的θml度数的调整。移相器可以通过改变发射波束的初相
Figure BDA0002378684380000049
实现发射波束主瓣的
Figure BDA00023786843800000410
度数的调整。
所述第p个发射波束对应的移相器的值
Figure BDA00023786843800000411
取决于初相
Figure BDA00023786843800000412
和OAM模态
Figure BDA00023786843800000413
Figure BDA00023786843800000414
在该实现中，通过调整发射波束主瓣的方向，可以实现不同方向上的波束赋形和波束扫描。
在一种可能的实现中，所述方法还包括：通过所述馈电网络调整发射波束的主瓣个数。
所述发射馈电网络可以通过调整LTX中OAM态的间隔实现发射波束的主瓣个数的调整。一般的，LTX中OAM态的间隔等于发射波束的主瓣个数。
在该实现中，通过调整发射波束的主瓣个数可以实现不同形状的波束赋形。
第二方面，本申请实施例提供了一种全双工通信装置，包括移相器，馈电网络和天线阵列，所述馈电网络位于所述移相器和所述天线阵列之间，所述天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列；所述天线阵列为UCA，所述UCA用于发射不同OAM态的发射波束和接收不同OAM态的接收波束，且所述全双工通信装置满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等；所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数。
在一种可能的实现中，所述预设条件还包括：所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半。
在一种可能的实现中，所述发射UCA和所述接收UCA同心同轴放置。
在一种可能的实现中，所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同或不同。
在一种可能的实现中，若所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，或者所述发射天线阵列与所述接收天线阵列为独立的天线阵列。
在一种可能的实现中，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，所述装置还包括：环形器，所述环形器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。
在一种可能的实现中，所述馈电网络包括发射馈电网络和接收馈电网络，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络共用同一馈电网络，或者所述发射馈电网络和所述接收馈电网络使用独立的馈电网络。
在一种可能的实现中，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络共用同一馈电网络，所述装置还包括：功分器，所述功分器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。
在一种可能的实现中，所述装置还包括以下一项或多项：基带模块，数字消除模块，数字模拟转换模块DAC，模拟数字转换模块ADC，本振LO，和混频器；其中，所述基带模块与所述数字消除模块连接，所述DAC和所述ADC位于所述基带模块和所述混频器之间，所述LO与所述混频连接。
在一种可能的实现中，所述装置还包括：功率放大器PA，和/或低噪声放大器LNA；所述PA和/或所述LNA位于所述混频器和所述移相器之间；或者所述PA和/或所述LNA位于所述移相器和所述馈电网络之间。
在一种可能的实现中，所述发射天线阵列的阵元相对于发射天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述发射天线阵列的阵元数目和所述发射天线阵列的阵元的编号确定；和/或所述接收天线阵列的阵元相对于接收天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述接收天线阵列的阵元数目和所述接收天线阵列的阵元的编号确定。
在一种可能的实现中，所述发射馈电网络根据待发射波束的OAM态和发射天线阵列的阵元数目确定；和/或所述接收馈电网络根据待接收波束的OAM态和接收天线阵列的阵元数目确定。
示例性的，发射馈电网络满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000051
其中ΦTX为所述发射馈电网络的传输矩阵，LTX为与P个发射波束输入端口对应的P个发射波束的OAM态，
Figure BDA0002378684380000052
为发射UCA的阵元的周向位置，ΔφTX为任意值，N为所述发射天线数目，N为正整数。
接收馈电网络满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000053
其中ΦRX为所述接收馈电网络的传输矩阵，LRX为与Q个接收波束输出端口对应的Q个待接收波束的OAM态，
Figure BDA0002378684380000061
为接收UCA的阵元的周向位置，ΔφRX为任意值，M为所述接收天线数目，M为正整数。
在一种可能的实现中，所述每个发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000062
其中p表示第p个发射波束，
Figure BDA0002378684380000063
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数；和/或所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态LTX和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。
在一种可能的实现中，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000064
其中q表示第q个接收波束，
Figure BDA0002378684380000065
表示第q个发射波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数；和/或所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态LRX和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。
在一种可能的实现中，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
在一种可能的实现中，所述发射UCA，具体用于同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。
在一种可能的实现中，所述移相器用于调整发射波束和/或接收波束的初相。
在一种可能的实现中，若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束的OAM态的初相确定。
在一种可能的实现中，所述发射馈电网络，具体用于调整发射波束主瓣的θml度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000066
度数。
在一种可能的实现中，所述发射馈电网络，具体用于调整发射波束的主瓣个数。
第三方面，本申请实施例提供了一种全双工通信装置，所述全双工通信装置可以实现上述第一方面及第一方面任一可能的实现中的方法。这些功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。所述硬件或软件包括一个或多个与上述功能相对应的功能模块。
第四方面，提供了一种全双工通信装置，该全双工通信装置包括收发器以及处理器，可选的，还包括存储器，其中，该存储器用于存储计算机程序或指令，处理器分别与存储器、收发器耦合，当处理器执行所述计算机程序或指令时，使全双工通信装置执行上述第一方面及第一方面任一可能的实现中的方法。
第五方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：计算机程序代码，当所述计算机程序代码在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面及第一方面任一可能的实现中的方法。
第六方面，本申请提供了一种芯片系统，该芯片系统包括处理器和存储器，所述处理器、所述存储器之间电偶合；所述存储器，用于存储计算机程序指令；所述处理器，用于执行所述存储器中的部分或者全部计算机程序指令，当所述部分或者全部计算机程序指令被执行时，用于实现上述第一方面及第一方面任一可能的实现的方法中的功能。
在一种可能的设计中，所述芯片系统还包括收发器，所述收发器，用于发送所述处理器处理后的信号，或者接收信号输入给所述处理器。该芯片系统，可以由芯片构成，也可以包括芯片和其他分立器件。
第七方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，当该计算机程序被运行时，实现上述第一方面及第一方面任一可能的实现中的方法。
附图说明
下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。
图1为本申请实施例中通信系统架构示意图；
图2为十字对称结构的天线结构示意图；
图3为十字对称结构的远场能量分布示意图；
图4为三维结构的天线结构示意图；
图5为三维结构的远场能量分布示意图；
图6为本申请实施例中全双工通信方法流程示意图；
图7为本申请实施例中远场能量分布示意图；
图8为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图9为本申请实施例中馈电网络示意图；
图10为本申请实施例中收发UCA示意图；
图11为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图12为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图13为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图14为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图15为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图16为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图17为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图18为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图；
图19为本申请实施例中全双工通信装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。
本申请将围绕可包括多个设备、组件、模块等的系统来呈现各个方面、实施例或特征。应当理解和明白的是，各个系统可以包括另外的设备、组件、模块等，并且/或者可以并不包括结合附图讨论的所有设备、组件、模块等。此外，还可以使用这些方案的组合。
另外，在本申请实施例中，“示例的”一词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。
本申请实施例描述的网络架构以及业务场景是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着网络架构的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
以下对本申请实施例的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
1)全双工(full-duplex)通信，也称为双向同时通信，采用全双工通信方式的设备可以同时发送和接收信息，即可以在接收数据的同时发送数据。
2)移相器，用于对电磁波(或波束)的相位进行调整。在本申请实施例中相位的初始值(或者说初始相位)也称为初相。
3)馈电网络，包括发射馈电网络和接收馈电网络。馈电网络用于产生特定相位和幅度的射频信号对发射天线阵列进行馈电。
4)天线阵列，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列，也叫天线阵。构成天线阵的天线辐射单元称为阵元。天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列。
天线阵列的结构包括均匀环形阵(Uniform Circular Array，UCA)、均匀直线阵(Uniform Linear Array，ULA)等。在本申请实施例中，天线阵列的结构主要为UCA，其中结构为UCA的发射天线阵列也称为发射UCA，结构为UCA的接收天线阵列也称为接收UCA。
5)波束，表示由天线发射出来的电磁波在空间中形成的形状，就像手电筒的光束有一定的范围。或者天线发射的信号非360°的辐射，而是在一定的方位集中发射的信号波。一般的，波束包括发射波束和接收波束。波束能量最强的方向称为波束的主瓣方向。一般的，如果波束有多个能量相等且最大的方向，则波束有多个主瓣。
6)OAM态，也称OAM模态，是电磁波的固有属性之一。OAM态可以为任意整数，如-1，1，2，3等，或者OAM态可以为整数构成的一维数组，一维数组中包括的OAM态的个数不做限定，如[-2，-1，1，2]等有限数量个，或者OAM态的数量可以无上限。可以理解的是，实际应用时，可以是一个组合内包括发射波束的OAM态和接收波束的OAM态，或者可以是一个组合内包括发射波束的OAM态，另一个组合内包括接收波束的OAM态。一般的，OAM态为整数。
波束的OAM态可以相同或不同，在本申请实施例中，主要以波束的OAM态不同为例进行说明。不同OAM态的波束也称为不同模态的OAM波束。
本申请中的“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中所涉及的多个，是指两个或两个以上。
另外，需要理解的是，在本申请的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
本申请实施例提供的全双工通信方法和装置能够应用到各种通信系统中，例如：所述移动通信系统可以为第四代(4th Generation，4G)通信系统(例如，长期演进(longterm evolution，LTE)系统)，全球互联微波接入(worldwide interoperability formicrowave access，WiMAX)通信系统，第五代(5th Generation，5G)通信系统(例如，新无线(new radio，NR)系统)，及未来的移动通信系统，如6G系统等。以及，本申请实施例提供的全双工通信方法及装置可以应用于卫星通信系统其中，所述卫星通信系统可以与上述通信系统相融合。
为了便于理解本申请实施例，以图1所示的通信系统架构为例对本申请使用的应用场景进行说明。参阅图1所示，通信系统100包括网络设备101和终端设备102。本申请实施例提供的全双工通信装置可以应用到网络设备101，或者应用到终端设备102。也可以认为，全双工通信装置可以是网络设备101，或者是终端设备102。在本申请实施例中主要以全双工通信装置应用到网络设备101为例进行说明。可以理解的是，图1仅示出了本申请实施例可以应用的一种可能的通信系统架构，在其他可能的场景中，所述通信系统架构中也可以包括其他设备。
网络设备101为具有无线收发功能的设备或可设置于该设备的芯片，该设备包括但不限于：演进型节点B(evolved Node B，eNB)、无线网络控制器(radio networkcontroller，RNC)、节点B(Node B，NB)、基站控制器(base station controller，BSC)、基站收发台(base transceiver station，BTS)、家庭基站(例如，home evolved NodeB，或homeNode B，HNB)、基带单元(baseband unit，BBU)，无线保真(wireless fidelity，WIFI)系统中的接入点(access point，AP)、无线中继节点、无线回传节点、传输点(transmission andreception point，TRP或者transmission point，TP)等，还可以为5G，如，NR，系统中的gNB，或，传输点(TRP或TP)，5G系统中的基站的一个或一组(包括多个天线面板)天线面板，或者，还可以为构成gNB或传输点的网络节点，如基带单元(BBU)，或，分布式单元(distributedunit，DU)等，还可以为卫星通信系统中的卫星。
在一些部署中，gNB可以包括集中式单元(centralized unit，CU)和DU。gNB还可以包括射频单元(radio unit，RU)。CU实现gNB的部分功能，DU实现gNB的部分功能，比如，CU实现无线资源控制(radio resource control，RRC)，分组数据汇聚层协议(packet dataconvergence protocol，PDCP)层的功能，DU实现无线链路控制(radio link control，RLC)、媒体接入控制(media access control，MAC)和物理(physical，PHY)层的功能。由于RRC层的信息最终会变成PHY层的信息，或者，由PHY层的信息转变而来，因而，在这种架构下，高层信令，如RRC层信令或PHCP层信令，也可以认为是由DU发送的，或者，由DU+RU发送的。可以理解的是，网络设备可以为CU节点、或DU节点、或包括CU节点和DU节点的设备。此外，CU可以划分为接入网RAN中的网络设备，也可以将CU划分为核心网CN中的网络设备，在此不做限制。
终端设备也可以称为用户设备(user equipment，UE)、接入终端、用户单元、用户站、移动站、移动台、远方站、远程终端、移动设备、用户终端、终端、无线通信设备、用户代理或用户装置。本申请的实施例中的终端设备可以是手机(mobile phone)、平板电脑(Pad)、带无线收发功能的电脑、虚拟现实(virtual reality，VR)终端设备、增强现实(augmentedreality，AR)终端设备、工业控制(industrial control)中的无线终端、无人驾驶(selfdriving)中的无线终端、远程医疗(remote medical)中的无线终端、智能电网(smartgrid)中的无线终端、运输安全(transportation safety)中的无线终端、智慧城市(smartcity)中的无线终端、智慧家庭(smart home)中的无线终端等等。本申请的实施例对应用场景不做限定。本申请中将具有无线收发功能的终端设备及可设置于前述终端设备的芯片统称为终端设备。
本申请实施例提供的全双工通信装置和方法可以应用到多天线的全双工通信场景中。多天线的应用场景例如可以包括：多入多出(multi-input multi-output，MIMO)技术，或者，大规模多入多出massive-MIMO技术。
通信系统(如4G系统、5G系统)大多使用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)系统和频分双工(Frequency Division Duplexing，FDD)系统。TDD系统中上行信号和下行信号在不同的时隙上传输。FDD系统中上行信号和下行信号在不同的频段上传输。TDD和FDD作为半双工系统，如果同时同频发射和接收信号，发射端的发送信号会泄露到接收端，可能出现干扰通信系统正常接收信号的问题，故在半双工系统中，同时同频传输上行信号和下行信号是不可实现的。随着可用的频谱资源越来越少而各类应用对于无线传输速率的需求越来越高，全双工技术逐渐成为了能够使频谱效率翻倍的潜在技术手段。全双工技术的核心是自干扰信号消除，通过传播域的被动消除、模拟域的主动消除和数字域的主动消除等方式可以实现自干扰信号消除。其中一种比较方便的实现自干扰信号消除的方法是，通过设计天线阵列的摆放方式，在传播域进行被动叠加消除以实现设备收发端口间的高隔离度。
OAM是电磁波的一种固有属性，对应于波束在空间中的螺旋形相位波前。携带不同OAM态的电磁波在空间中同轴传播时相互正交，因此传统的轨道角动量电磁波理论认为将不同的信息调制到不同OAM态的电磁波上用于复用可以增加无线通信系统的信道容量。但是，所有非零态的OAM电磁波的波束中心都存在一个能量空洞，且空洞的面积随着传播距离的增加而增大，这就意味着接收端需要一个口径极大的天线或天线阵列才能完美地解调OAM波束。此外，OAM电磁波的复用与解复用对于发送端和接收端的天线对准有十分严苛的条件，稍微的偏心或偏轴就会造成性能的急剧下降。显然地，网络设备(如基站)和终端设备都很难使用极大口径的天线阵列，且网络设备和终端设备之间的链路由于终端的移动性极难保持同轴传输，故利用OAM波束的正交性在网络设备和终端设备间实现复用的方法很难用于实际通信系统中。另一方面，对于网络设备或终端设备的某一侧，发射阵列和接收阵列一般可共用阵列，或实现同心同轴的发射阵列和接收阵列并不困难，因此，如果发射波束和接收波束的OAM态满足一定的条件，可以用OAM模态间的正交性实现自干扰消除，从而实现全双工通信。因此，如何合理地设计天线阵列及其馈电网络以利用OAM波束的正交性实现传播域的自干扰消除并避免OAM波束带来的波束中心能量空洞等问题是全双工通信中需要解决的问题。
如图2示出了一种十字对称结构的天线阵列，该天线阵列用于通信系统中，以实现自干扰消除。其中x轴方向为发射天线阵列，y轴方向为接收天线阵列，满足以下条件：发射天线阵列和接收天线阵列均为ULA，并呈十字对称结构放置；轴对称的两个天线间的相位差为π，轴对称的两个天线如图2中的Tx1与Tx`1，Tx2与Tx`2，Rx1与Rx`1等。
但是以上方法相比于普通的天线阵列，天线数目增加了一倍，浪费了天线的分集增益；远场主瓣方向上有很多能量空洞，如图3中黑色区域所示，发射天线的垂直等分线和以对称的发射天线对为焦点的双曲线上都没有能量分布，出现能量空洞；ULA只能实现一个方向的波束赋形，所以在应用到通信系统中时，不能很好的满足实际的通信需求。
如图4示出了三维结构的天线阵列，该天线阵列用于通信系统中，以实现自干扰消除。其中x轴和y轴所构成的平面为发射天线阵列所在平面，z轴方向为接收天线阵列，满足以下条件：发射天线阵列为UCA；接收天线阵列为ULA。接收天线ULA置于发射UCA的中心轴线上。发射UCA上各阵元的相位满足一定条件以实现波束中心能量为零。
但是以上方法所示的三维结构的天线阵列浪费空间；发射天线阵列和接收天线阵列的结构不一致，会导致发射波束和接收波束的主瓣方向不一致，从而影响通信系统的性能；发射天线阵列无法进行波束扫描，不利于进行信号的接收；三维结构的天线阵列的远场能量分布如图5所示，存在波束中心的能量空洞，利用波束中心的能量空洞可以实现自干扰消除，但是这样的波束形状不利于终端设备侧的接收，例如位于波束中心区域(即存在能量空洞的区域)的终端设备接收不到能量。
以上示出的几种天线阵列在消除自干扰信号时会带波束中心能量空洞、无法波束赋性、浪费能量、结构复杂等问题，因此全双工通信中如何在消除自干扰的同时支持多天线、支持三维波束赋型、波束中心没有能量空洞、结构简单等现有通信系统的优势是需要解决的问题。
鉴于此，为了在全双工通信中支持多天线、支持三维波束赋型、波束中心没有能量空洞、结构简单等现有通信系统的优势并实现自干扰消除，本申请提出一种全双工通信方法来消除全双工通信中的自干扰信号。
在该方法中，通过发射UCA发射不同OAM态的发射波束，通过接收UCA接收不同OAM态的接收波束，通过馈电网络给发射UCA馈电和合成接收UCA收到的信号，发射天线阵列的发射天线数目和接收天线阵列的接收天线数目相等，发射波束的OAM态不等于接收波束的OAM态的相反数，从而利用OAM态的特性实现自干扰消除。
本申请实施例提供的全双工通信方法可以应用于上述图1所示的通信系统中。下面参考图6，详细说明全双工通信方法的具体过程。如图6所示，该过程包括：
S601：通过发射天线阵列发射不同OAM态的发射波束。
其中，所述发射天线阵列为UCA，结构为UCA的所述发射天线阵列也称为发射UCA。具体的，所述全双工通信装置通过所述发射UCA发射不同OAM态的所述发射波束。所述全双工通信装置还可以通过所述发射UCA产生不同OAM态的发射波束。所述发射UCA为圆形，且所述发射UCA中每个天线阵元之间的间距相等。所述发射天线阵列可以理解为位于发射射频链路中。
若全双工通信装置为网络设备，在该S601中能够在自由空间内同时传输的多个不同模态的OAM波束，终端设备不需要完整接收整个OAM波束，也不需要考虑OAM波束。终端设备可以按照处理普通波束的方式，对接收到的信号进行处理。
在该S601中，一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置向馈电网络发送控制指令或控制信号，控制所述馈电网络对所述发射天线阵列进行馈电，激励所述发射天线阵列产生和发射不同OAM态的所述发射波束。
所述馈电网络可以包括发射馈电网络和接收馈电网络。所述发射馈电网络位于所述发射射频链路中，所述接收馈电网络位于所述接收射频链路中。所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以共用一个馈电网络，或者所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以使用独立的馈电网络。
在该实现方式中，所述发射天线阵列和所述馈电网络可以位于发射射频链路中，所述全双工通信装置向所述发射天线阵列所在的发射射频链路发送控制指令或控制指令，控制所述发射射频链路中的所述馈电网络对所述发射天线阵列进行馈电，激励所述发射天线阵列产生和发射不同OAM态的所述发射波束。
另一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置向所述发射天线阵列的阵元发送具有特定相位的射频信号，控制所述发射天线阵列产生和发射不同OAM态的所述发射波束。
又一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置包括所述发射天线阵列和所述馈电网络，所述全双工通信装置中的所述馈电网络根据发射射频信号，对所述发射天线阵列进行馈电，激励所述发射天线阵列产生和发射不同OAM态的所述发射波束。所述发射天线阵列和所述馈电网络可以均位于所述发射射频链路中。
在该实现方式中，所述全双工通信装置中的所述馈电网络包括发射馈电网络和接收馈电网络，所述发射馈电网络与所述发射天线阵列连接。具体的该实现方式可以参见下述全双工通信装置的实施例。
所述发射天线阵列可以用于产生和发射一个或多个发射波束。一般的，所述发射天线阵列产生和发射多个发射波束。每个所述发射波束的OAM态不同，不同OAM态的所述发射波束也可以称为不同模态的OAM发射波束。另外，(任一)发射波束的OAM态的绝对值小于发射天线数目的一半，可以进一步保证发射UCA能够产生OAM态的波束，实现自干扰消除。
发射UCA产生OAM态的波束时，可以先在OAM态的集合中选取OAM态，然后产生该OAM态的发射波束。
示例性的，每个所述发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000121
其中p表示第p个发射波束，
Figure BDA0002378684380000122
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数。也就是说一般发射波束的OAM态在LTX集合中选取。P还可以理解为P个发射射频链路，即发射天线阵列所在的发射射频链路有P个，或者P也可以理解为P个发射波束输入端口，所述P个发射波束输入端口位于馈电网络上，所述馈电网络可以通过P个发射波束输入端口，激励发射UCA产生和发射P个发射波束。
可选的，所述发射UCA可以包括一个环形阵列，即所述发射UCA位于一个环形阵列上，或者所述发射UCA也可以包括同心同轴的多个环形阵列，即所述发射UCA可以位于不同的环形阵列上。
另外，上述现有技术会出现波束中心能量空洞、无法波束赋性等问题的问题，进一步导致上述现有技术无法更好地应用到通信系统中。而本申请提出的全双工通信方法不仅可以实现自干扰消除，还能够解决能量空洞的问题，同时支持三维的波束赋性和波束扫描。
如上述现有技术所示，如图7(a)所示，发射波束的OAM态为0，对于零态单模OAM波束中心的场强非0。而由于贝塞尔函数的性质，如图7(b)(c)(d)所示，任何非零态单模OAM波束中心的场强都为0，其中图7(b)中发射波束的OAM态为1，图7(c)中发射波束的OAM态为2，图7(d)中发射波束的OAM态为3。由于OAM波束具有发散性，波束中心的能量空洞的面积会随着传播距离的增大而增加，由于终端设备位于波束覆盖的中心区域，则该终端设备将接收不到任何能量。本申请实施例中可以通过同时激励多个模态实现OAM波束赋形来解决。
具体的，在S601中，所述全双工通信装置可以通过所述发射天线阵列产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。这样，同时激励OAM态连续的多个发射波束，随着不同模态的OAM波束数量的增加，空间中叠加的波束的能量在周向逐渐集中到一个特定的方向上，也就是说，发射波束的能量分布由单模激励时的各相均匀分布变为汇聚到一个特定的方向，从而可以避免波束中心的能量空洞。如图7(e)(f)(g)(h)所示，图7(e)中发射波束的OAM态为1，图7(f)中发射波束的OAM态为1，2，图7(g)中发射波束的OAM态为1，2，3，图7(h)中发射波束的OAM态为1，2，3，4。
若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束在球坐标系中某点
Figure BDA0002378684380000131
的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。示例性的，所述P个OAM态的发射波束的远场电场满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000132
其中
Figure BDA0002378684380000133
为所述P个发射波束在空间中叠加形成的波束的远场电场，μ0为真空磁导率，ω为角频率，k为波数，je为电偶极子的电流密度，d为电偶极子的长度，a为所述发射UCA的半径，Jl为l阶的贝塞尔函数，
Figure BDA0002378684380000134
为LTX中的元素，
Figure BDA0002378684380000135
为发射波束及接收波束的OAM态的初相，k满足k＝ω/c，c为真空中光速。
所述P个OAM态的发射波束可以为多个单模态OAM波束的远场电场的叠加，激励的单模态OAM波束的远场电场满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000136
在S601之前，所述全双工通信装置还可以调整所述发射天线阵列中每个发射天线的相位。其中，所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态LTX和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。示例性的，所述N个发射天线中第n个发射天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000137
其中
Figure BDA0002378684380000138
表示第p个发射波束输入端口被激励时，第n个发射天线的相位。
可选的，在波束赋形的过程中，所述全双工通信装置还可以通过移相器调整所述发射波束的初相，即调整发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000139
度数，所述馈电网络位于所述移相器和所述发射天线阵列之间。所述移相器和所述馈电网络之间可以直接连接或间接连接。若所述移相器和所述馈电网络之间为间接连接，放大器可以位于所述移相器和所述馈电网络之间，所述放大器包括功率放大器(Power Amplifier，PA)和/或低噪声放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)。例如，在发射射频链路中，所述PA位于所述移相器和所述馈电网络之间，在接收射频链路中，所述LNA位于所述移相器和所述馈电网络之间。如图7(m)中所述发射波束的OAM态包括1，2，3和4，初相为0，如图7(n)中所述发射波束的OAM态包括1，2，3和4，初相为
Figure BDA0002378684380000141
如图7(o)中所述发射波束的OAM态包括1，2，3和4，初相为
Figure BDA0002378684380000142
如图7(p)中所述发射波束的OAM态包括1，2，3和4，初相为
Figure BDA0002378684380000143
可选的，在波束赋形的过程中，所述全双工通信装置还可以通过所述馈电网络调整发射波束主瓣的θml度数。例如，θ方向的波束扫描可以通过使用不同模态的OAM波束实现，OAM模态的阶数越高，波束主瓣的θml角越大，如图7(i)(j)(k)(l)所示，图7(i)中激励的发射波束的OAM态包括1，2，3和4，图7(j)中激励的发射波束的OAM态包括2，3，4和5，图7(k)中激励的发射波束的OAM态包括3，4，5和6，图7(l)中激励的发射波束的OAM态包括4，5，6和7。
可选的，在波束赋形的过程中，所述全双工通信装置还可以通过所述馈电网络调整发射波束的主瓣个数。例如所述发射波束的主瓣个数可以通过改变OAM态的间隔实现，波束的主瓣个数为OAM态的间隔，如图7(q)(r)(s)(t)所示，图7(q)中激励的发射波束的OAM态包括1，2，3和4，OAM态的间隔为1，图7(r)中激励的发射波束的OAM态包括1，3，5和7，OAM态的间隔为2，图7(s)中激励的发射波束的OAM态包括1，4，7和10，OAM态的间隔为3，图7(t)中激励的发射波束的OAM态包括1，5，9和13，OAM态的间隔为4。
S602：通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束。
其中，所述阵列包括所述发射天线阵列和所述接收天线阵列，所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：发射天线阵列的发射天线数目和接收天线阵列的接收天线数目相等，发射波束的OAM态不等于接收波束的OAM态的相反数。
其中，所述接收天线阵列为UCA，结构为UCA的所述接收天线阵列也称为接收UCA。具体的，所述全双工通信装置通过所述接收UCA接收不同OAM态的所述接收波束。所述接收UCA为圆形，且所述接收UCA中每个天线阵元之间的间距相等。所述接收天线阵列可以理解为位于接收射频链路中。所述发射UCA和所述接收UCA的半径可以相同，或者所述发射UCA和所述接收UCA的半径可以不同。可选的，若所述发射UCA和所述接收UCA的半径相同，所述发射UCA和所述接收UCA可以共用一个天线阵列，或者所述发射UCA和所述接收天线阵列UCA可以使用独立的天线阵列。
与所述发射天线阵列相似的，在该S602中，一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置将所述接收天线阵列收到的射频信号合成为表征不同OAM态的波束的射频信号，控制所述接收天线阵列接收不同OAM态的所述接收波束。
另一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置向馈电网络发送控制指令或控制指令，控制所述馈电网络将所述接收天线阵列的阵元收到的射频信号合成为表征不同OAM态的波束的射频信号，控制所述接收天线阵列接收空间中的特定OAM态的所述接收波束。
在该实现方式中，所述接收天线阵列和所述馈电网络可以位于接收射频链路中，所述全双工通信装置向所述接收天线阵列所在的接收射频链路发送控制指令或控制指令，控制所述接收射频链路中的所述馈电网络将所述接收天线阵列的阵元收到的射频信号合成为表征不同OAM态的波束的射频信号，控制所述接收天线阵列接收空间中的特定OMA态的所述接收波束。
又一种可能的实现方式中，所述全双工通信装置包括所述接收天线阵列和所述馈电网络，所述全双工通信装置中的所述馈电网络根据所需接收的OAM态波束，对所述接收天线阵列的阵元收到的射频信号进行合成，控制所述接收天线阵列只接收空间中的特定OAM态的所述接收波束。所述接收天线阵列和所述馈电网络可以均位于所述接收射频链路中。
在该实现方式中，所述全双工通信装置中的所述馈电网络包括发射馈电网络和接收馈电网络，所述接收馈电网络与所述接收天线阵列连接。具体的该实现方式可以参见下述全双工通信装置的实施例。
所述接收天线阵列可以用于接收一个或多个接收波束。一般的，所述接收天线阵列接收多个接收波束。每个所述接收波束的OAM态不同，不同OAM态的所述接收波束也可以称为不同模态的OAM接收波束。另外，(任一)接收波束的OAM态的绝对值小于接收天线数目的一半，可以进一步保证接收UCA能够接收特定OAM态的波束，实现自干扰消除。
示例性的，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000151
其中q表示第q个接收波束，
Figure BDA0002378684380000152
表示第q个接收波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数。也就是说一般接收波束的OAM态在LRX集合中选取。Q还可以理解为Q个接收射频链路，即接收天线阵列所在的接收射频链路有Q个，或者Q也可以理解为Q个接收波束输出端口，所述Q个接收波束输出端口位于馈电网络上，所述馈电网络可以通过Q个接收波束输出端口，合成接收UCA的Q个信号。
可选的，所述接收UCA可以包括一个环形阵列，即所述接收UCA位于一个环形阵列上，或者所述接收UCA也可以包括同心同轴的多个环形阵列，即所述接收UCA可以位于不同的环形阵列上。
所述发射UCA和所述接收UCA同心同轴，在球坐标系中
Figure BDA0002378684380000153
可以是完全对齐的，也可以是错开一定的角度
Figure BDA0002378684380000154
这样，携带不同OAM态的电磁波在空间中同轴传输时相互正交，当接收UCA和发射UCA同心同轴时，可以通过选取接收波束和发射波束的OAM态实现自干扰消除。具体而言，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
所述P个发射波束输入端口和所述Q个接收波束输出端口之间的传输矩阵满足以下公式：HRX,TX＝ΦTXHcΦRX T，HRX,TX为所述P个发射波束输入端口和所述Q个接收波束输出端口之间的传输矩阵，ΦTX为所述发射馈电网络的传输矩阵，ΦRX为所述接收馈电网络的传输矩阵，Hc为所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵。
所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000161
βTX(n),RX(m)为第n个发射天线到第m个接收天线的耦合系数。当所述发射UCA的发射天线数目M等于所述接收UCA的接收天线数目N时，所述耦合矩阵Hc满足旋转对称性，即对任意1≤k<N，有βTX(n),RX(m)＝βTX((n+k)modN),RX((m+k)modM)。所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000162
在S602之前，所述全双工通信装置还可以调整所述接收天线阵列中每个接收天线的相位。其中所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态LRX和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。示例性的，所述M个接收天线中第m个接收天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000163
其中
Figure BDA0002378684380000164
表示第q个接收波束输出端口被激励时，第m个接收天线的相位。
可选的，所述全双工通信装置还可以通过移相器调整所述接收波束的初相，所述馈电网络位于所述移相器和所述接收天线阵列之间。
S603：通过馈电网络给所述发射天线阵列馈电和合成所述接收天线阵列的信号。
所述全双工通信装置还可以通过所述馈电网络合成所述接收天线阵列的信号，具体的，所述馈电网络将所述天线接收阵列的阵元收到的射频信号合成为表征不同OAM态的波束的射频信号。
所述全双工通信装置可以对所述接收天线阵列接收的OAM态的接收波束进行处理，实现所述全双工通信装置与其他设备的通信。具体实现过程可以参见下述全双工通信装置的实施例。
综上，在本申请实施例中，为了消除自干扰，天线阵列为UCA，所述UCA用于发射OAM态的发射波束和接收OAM态接收波束，天线阵列需要满足的预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等；所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数。
通过本申请实施例提供的方法，收发天线阵列的天线数目相等，所述全双工通信装置通过发射UCA发射不同OAM态的发射波束，通过接收UCA接收不同OAM态的接收波束，且发射波束的OAM态不等于接收波束的OAM态的相反数，利用OAM态的正交性，从而实现自干扰消除，另外，本申请通过同时产生OAM态连续的多个发射波束，还可以实现波束赋形，解决OAM波束中心有能量空洞的问题。
基于上述对全双工通信方法的原理的描述，下面对本申请实施例提供的一种可能的全双工通信装置进行详细的描述。如图8所示，所述全双工通信装置包括移相器801，馈电网络802和天线阵列803，所述馈电网络802位于所述移相器801和所述天线阵列803之间，所述天线阵列803包括发射天线阵列和接收天线阵列。为了实现自干扰消除，所述天线阵列为UCA，所述UCA用于发射不同OAM态的发射波束和接收不同OAM态的接收波束；
所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等；所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数。
示例性的，所述全双工通信装置中包括P个发射射频链路和Q个接收射频链路。每个射频链路上都包括一个独立的移相器，如所述P个发射射频链路中包括P个移相器801，所述Q个接收射频链路中包括Q个移相器801。
所述移相器801用于调整发射波束和/或接收波束的初相
Figure BDA0002378684380000171
可以控制波束的能量集中到特定的
Figure BDA0002378684380000172
方向，如终端设备所在的区域，进一步实现波束赋形。示例性的，所述移相器801用于调整发射波束的OAM态的初相和/或调整接收波束的OAM态的初相。可选的，所述发射波束的OAM态和所述接收波束的OAM态的初相相同，即所述移相器801用于调整所有OAM态共同的初相。可选的，对于发射射频链路，所述移相器位于放大器(如PA)和发射馈电网络之间，或者所述放大器位于所述移相器和所述发射馈电网络之间。对于接收射频链路，所述移相器位于放大器(如LNA)和接收馈电网络之间，或者所述放大器位于所述移相器和所述接收馈电网络之间。
所述馈电网络802可以包括发射馈电网络和接收馈电网络。所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以共用一个馈电网络，或者所述发射馈电网络和所述接收馈电网络可以使用独立的馈电网络。所述发射馈电网络用于对所述发射UCA进行馈电，激励所述发射UCA产生和发射不同OAM态的所述发射波束。所述接收馈电网络用于对所述接收UCA收到的信号进行合成，控制所述接收UCA接收特定OAM态的所述接收波束。
一种可能的实现方式中，若所述发射馈电网络和所述接收馈电网络共用同一馈电网络，所述全双工通信装置还可以包括：一个或多个功分器，所述功分器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。所述功分器用于将一路输入信号分为多路输出信号，更易于起到消除自干扰的作用。可选的，所述功分器包括等分功分器和/或不等分功分器。所述等分功分器用于将一路输入信号分为多路功率相等的输出信号。所述不等分功分器用于将一路输入信号按照比例进行功率分配，如所述不等分功分器将一路输入信号按照比例进行功率分配，分为第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号的功率不相等，这样，还有助于提高输入信号能量的利用率。可以理解的是，在实际通信系统中，所述功分器所实现的功能也可以通过定向耦合器或巴伦等功分模块来实现。
示例性的，所述发射馈电网络包括P个发射波束输入端口和N个发射天线输出端口，所述发射馈电网络也称为P*N发射馈电网络。所述接收馈电网络包括Q个接收波束输出端口和M个接收天线输入端口，所述接收馈电网络也称为Q*M接收馈电网络。
发射馈电网络和接收馈电网络的具体实现形式包括但不限于以下一种或多种：Butler矩阵、或Rotman透镜等。例如通过Butler矩阵实现P*N发射馈电网络的示意图如图9所示。
所述发射天线阵列为发射UCA，所述发射UCA用于产生和发射不同OAM态的发射波束。所述接收天线阵列为接收UCA，所述接收UCA用于接收不同OAM态的接收波束。示例性的，所述发射UCA包括N个发射天线，即包括N个发射天线阵元。所述接收UCA包括M个接收天线，即包括M个接收天线阵元。
示例性的，所述每个发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000181
其中p表示第p个发射波束，
Figure BDA0002378684380000182
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数。也就是说一般发射波束的OAM态在LTX集合中选取。P还可以理解为P个发射射频链路，即发射天线阵列所在的发射射频链路有P个，或者P也可以理解为P个发射波束输入端口，所述P个发射波束输入端口位于馈电网络上，所述馈电网络可以通过P个发射波束输入端口，激励发射UCA产生和发射P个发射波束。
示例性的，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000183
其中q表示第q个接收波束输出端口，
Figure BDA0002378684380000184
表示第q个接收波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数。也就是说一般接收波束的OAM态在LRX集合中选取。Q还可以理解为Q个接收射频链路，即接收天线阵列所在的接收射频链路有Q个，或者Q也可以理解为Q个接收波束输出端口，所述Q个接收波束输出端口位于馈电网络上，所述馈电网络可以通过Q个接收波束输出端口，合成接收UCA的Q个信号。
所述发射馈电网络和所述发射天线阵列位于所述发射射频链路中，所述接收馈电网络和所述接收天线阵列位于所述接收射频链路中。
所述预设条件还可以包括：所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半，可以进一步保证发射UCA能够产生OAM态的波束，实现自干扰消除。
可选的，所述发射UCA与所述接收UCA的半径可以相同，或者所述发射UCA与所述接收UCA的半径可以不同。若所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，或者所述发射天线阵列与所述接收天线阵列为独立的天线阵列。若所述发射UCA与所述接收UCA的半径不同，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列为独立的天线阵列。
一种可能的实现方式中，若所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，所述装置还包括：一个或多个环形器，所述环形器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。所述环形器是一种单向导通的3端口器件，所述环形器用于天线的收发复用。可选的，若所述环形器为多个，每个环形器的特性参数相同，和/或每个环形器的物理结果及尺寸相同。并且通过一定的天线设计，提高收发天线的隔离度，结合本申请实施例提供的全双工通信方法，可以取得更好的自干扰消除效果。
发射天线和接收天线的天线类型包括但不限于以下一种或多种：贴片天线、单极子天线、偶极子天线或三极子天线等。
所述UCA为圆形，所述UCA中每个天线阵元之间的间距相等。具体的，所述发射UCA中每个天线阵元之间的间距相等，所述接收UCA中每个天线阵元之间的间距相等。
所述发射天线阵列的阵元相对于所述发射天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述发射天线阵列的阵元的数目和所述发射天线阵列的阵元的编号确定，所述发射天线阵列的阵元相对于所述发射天线阵列中的第一个阵元的旋转角度可以用于标识所述阵元的周向位置分布，所述发射天线阵列的阵元的编号可以用于标识所述阵元为相对于所述第一个阵元的第几个阵元。示例性的，所述发射天线阵列的阵元相对于所述发射天线阵列的第一个阵元的旋转角度满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000191
ΔφTX为任意值，表示第一个阵元相对于周向上
Figure BDA0002378684380000192
位置的偏移，
Figure BDA0002378684380000193
表示所述发射天线阵列的阵元之间的间隔，[0，1，L N-1]表示所述发射天线阵列中阵元的编号的集合，第一个阵元的编号为0，第二个阵元的编号为1，第N个阵元的编号为N-1，N为所述发射天线阵列的发射天线数目，N为正整数。可选的，所述发射天线阵列的第一个阵元可以为预设的第一个阵元，或者可以为随机选取的第一个阵元等。
所述接收天线阵列的阵元相对于所述接收天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述接收天线阵列的阵元的数目和所述接收天线阵列的阵元的编号确定，所述接收天线阵列的阵元相对于所述接收天线阵列中的第一个阵元的旋转角度可以用于标识所述阵元的周向位置分布，所述接收天线阵列的阵元的编号可以用于标识所述阵元为相对于所述第一个阵元的第几个阵元。示例性的，
Figure BDA0002378684380000194
ΔφRX为任意值，表示第一个阵元相对于周向上
Figure BDA0002378684380000195
位置的偏移，
Figure BDA0002378684380000196
表示所述接收天线阵列的阵元之间的间隔，[0,1,L M-1]表示所述接收天线阵列中阵元的编号的集合，第一个阵元的编号为0，第二个阵元的编号为1，第M个阵元的编号为M-1，M为所述接收天线阵列的接收天线数目，M为正整数。可选的，所述接收天线阵列的第一个阵元可以为预设的第一个阵元，或者可以为随机选取的第一个阵元等。
可选的，如图10(a)和10(b)所示，接收第n个发射天线到第m个接收天线的耦合系数为βTX(n),RX(m)。所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000197
可选的，所述N个发射天线分别与所述发射馈电网络的N个天线端口连接。所述发射馈电网络可以调整所述发射UCA的所述N个发射天线中每个发射天线的相位。所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态LTX和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。示例性的，所述N个发射天线中第n个发射天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000201
其中
Figure BDA0002378684380000202
表示第p个发射波束输入端口被激励时，第n个发射天线的相位。
其中，图10(a)中发射UCA(TX)和接收UCA(RX)的半径相同，图10(b)中发射UCA(TX)和接收UCA(RX)的半径不同。
可选的，所述M个接收天线分别与所述接收馈电网络的M个天线端口连接。所述接收馈电网络可以调整所述接收UCA的所述M个接收天线中每个接收天线的相位。所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态LRX和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。示例性的，所述M个接收天线中第m个接收天线的相位满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000203
其中
Figure BDA0002378684380000204
表示第q个接收波束输出端口被激励时，第m个接收天线的相位。
所述发射馈电网络根据每个发射波束的OAM态对应的每个发射天线的相位确定。示例性的，所述P*N发射馈电网络满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000205
其中ΦTX为所述发射馈电网络的传输矩阵，LTX为与P个发射波束输入端口对应的P个发射波束的OAM态，
Figure BDA0002378684380000206
为发射UCA的阵元的周向位置，ΔφTX为任意值，N为所述发射天线数目，N为正整数。
所述接收馈电网络根据每个接收波束的OAM态对应的每个接收天线的相位确定。示例性的，所述Q*M接收馈电网络满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000207
其中ΦRX为所述接收馈电网络的传输矩阵，LRX为与Q个接收波束输出端口对应的Q个待接收波束的OAM态，
Figure BDA0002378684380000208
为接收UCA的阵元的周向位置，ΔφRX为任意值，M为所述接收天线数目，M为正整数。
所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0，可以实现自干扰消除。所述发射波束输入端口和所述接收波束输出端口之间的传输矩阵HRX,TX＝ΦTXHcΦRX T＝LTXφTXHcφRX TLRX T。以所述全双工通信装置中的天线阵列满足预设条件为例，进行理论推导，所述预设条件包括N＝M(即所述发射天线数目与所述接收天线数目相等)
Figure BDA0002378684380000211
(即所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数)，
Figure BDA0002378684380000212
(即所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半)，
Figure BDA0002378684380000213
(即所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半)。理论推导的结果如下所示：
当N＝M时，所述发射UCA和所述接收UCA之间的耦合矩阵Hc满足旋转对称性，即对任意1≤k<N，有βTX(n),RX(m)＝βTX((n+k)modN),RX((m+k)modM)。所述发射UCA和所述接收阵列之间的耦合矩阵Hc满足以下公式：
Figure BDA0002378684380000214
即所述耦合矩阵可以表示为循环矩阵的形式。
那么，第p个发射波束端口到第q个接收波束端口的传输系数HRX,TX(q,p)如下：
Figure BDA0002378684380000221
可见，在满足所述预设条件时，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵HRX,TX的所有元素均为0，从而实现自干扰消除。在不满足所述预设条件时，所述发射波束输入端口和所述接收波束输出端口之间的传输矩阵HRX,TX有元素为非0值，无法实现自干扰消除。
另外可选的，所述全双工通信装置还可以解决能量空洞的问题，所述全双工通信装置通过改变波束的初相和模态组合可以实现三维波束赋形和波束扫描，进而解决能量空洞的问题。所述发射UCA，用于同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。示例性的，所述发射UCA可以调整所述多个发射波束的主瓣方向相对于第一位置的旋转角度实现，第一位置为移相器的值为0时，预设的波束主瓣的参考位置。这样，同时激励OAM态连续的多个发射波束，随着不同模态的OAM波束数量的增加，发射波束的能量分布由单模激励时的各相均匀分布变为汇聚到一个特定的方向，从而可以避免波束中心方向上的能量空洞。
其中，所述移相器的值
Figure BDA0002378684380000222
根据波束的初相
Figure BDA0002378684380000223
和OAM模态l确定。示例性的，移相器的值满足
Figure BDA0002378684380000224
以下条件：
Figure BDA0002378684380000225
在波束赋形的过程中，若同时产生P个发射波束的OAM态，所述P个发射波束的OAM态的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。示例性的，所述P个发射波束的OAM态的远场电场满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000226
其中
Figure BDA0002378684380000227
为所述P个发射波束在空间中叠加形成的波束的远场电场，μ0为真空磁导率，ω为角频率，k为波数，je为电偶极子的电流密度，d为电偶极子的长度，a为所述发射UCA的半径，Jl为l阶的贝塞尔函数，
Figure BDA0002378684380000231
为LTX中的元素，
Figure BDA0002378684380000232
为发射波束及接收波束的OAM态的初相，k满足k＝ω/c，c为真空中光速。即所述P个发送波束的OAM态的远场电场可以通过多个单模OAM波束的叠加形式来表示。示例性的，单模OAM波束的远场电场在球坐标系满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000233
可选的，所述发射馈电网络还可以调整发射波束主瓣的θml度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000234
度数，可以实现θ方向的波束扫描和/或
Figure BDA0002378684380000235
方向的波束扫描。所述发射馈电网络可以通过使用不同模态的OAM波束实现发射波束主瓣的θ度数的调整。所述移相器可以通过改变发射波束的初相
Figure BDA0002378684380000236
实现发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000237
度数的调整。
可选的，所述发射馈电网络还可以调整发射波束的主瓣个数。所述发射馈电网络可以通过调整LTX中OAM态的间隔实现发射波束的主瓣个数的调整。一般的，LTX中OAM态的间隔等于发射波束的主瓣个数的调整。
基于上述全双工通信装置架构，以下提供几种可能的实施例，以实现自干扰消除的效果，并解决波束中心的能量空洞的问题。
实施例一，如图11所示，发射馈电网络和接收馈电网络使用独立的馈电网络，发射UCA和接收UCA的半径一致，但所述发射UCA和所述接收UCA使用独立的天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1，选定发射波束的OAM态组合
Figure BDA0002378684380000238
和接收波束的OAM态组合
Figure BDA0002378684380000239
发射波束的OAM态不等于接收波束的OAM态的相反数，即任意p∈[1,P]，q∈[1,Q]，满足
Figure BDA00023786843800002310
步骤2，根据LTX设计对应的P入N出发射馈电网络，根据LRX设计对应的Q入M出接收馈电网络，N＝M。对于发射射频链路，当第p个发射波束输入端口被激励时，第n个发射天线的相位满足
Figure BDA00023786843800002311
对于接收射频链路，当第q个接收波束输出端口被激励时，第m个接收天线的相位满足
Figure BDA00023786843800002312
步骤3，发射UCA和接收UCA置于同一圆周上，发射UCA中阵元的周向分布满足
Figure BDA00023786843800002313
接收UCA中阵元的周向分布满足
Figure BDA00023786843800002314
ΔφTX和ΔφRX的取值不做限定。
步骤4，发射馈电网络的N个天线端口依次和发射UCA的N个发射天线连接；接收馈电网络的M个天线端口依次和接收UCA的M个接收天线连接。
步骤5，根据所需要的波形，选择激励全部或部分OAM态的发射波束，及选择接收全部或部分OAM态的接收波束，通过移相器进行波束扫描。当波束主瓣的周向角为
Figure BDA0002378684380000241
时，第p个发射波束端口对应的移相器的值满足
Figure BDA0002378684380000242
第q个接收波束端口对应的移相器的值满足
Figure BDA0002378684380000243
实施例二，如图12所示，发射馈电网络和接收馈电网络使用独立的馈电网络，发射UCA和接收UCA的半径不一致，所述发射UCA和所述接收UCA使用独立的天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1和2参见实施例一中的步骤1和2所示。
步骤3，所述发射UCA和所述接收UCA分别置于两个半径为rTX和rRX的同心圆上，rTX和rRX的取值不做限定，但rTX≠rRX，发射UCA中阵元的周向分布满足
Figure BDA0002378684380000244
接收UCA中阵元的周向分布满足
Figure BDA0002378684380000245
ΔφTX和ΔφRX的取值不做限定。
步骤4，发射馈电网络的N个天线端口依次和发射UCA的N个发射天线连接；接收馈电网络的M个天线端口依次和接收UCA的M个接收天线连接。
步骤5参见实施例一中的步骤5所示。
实施例三，如图13所示，发射馈电网络和接收馈电网络使用独立的馈电网络，发射UCA和接收UCA的半径一致，所述发射UCA和所述接收UCA共用天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1和步骤2参见实施例一中的步骤1和2所示。
步骤3，天线阵列置于同一圆周上，UCA上的周向位置部分满足
Figure BDA0002378684380000246
Δφ的取值不做限定。
步骤4，所述发射馈电网络的第n个天线端口与第n个环形器的端口1相连，所述接收馈电网络的第n个天线端口与第n个环形器的端口2相连，第n个环形器的端口3与UCA的第n个天线相连。
步骤5参见实施例一中的步骤5所示。
实施例四，如图14所示，发射馈电网络和接收馈电网络共用同一馈电网络，发射UCA和接收UCA的半径一致，所述发射UCA和接收UCA使用独立的天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1参见实施例一中的步骤1所示。
步骤2，根据LTX和LRX设计对应的P+Q个输入端口和N个输出端口的馈电网络。对于发射射频链路，当第p个输入端口被激励时，第n个发射天线的相位
Figure BDA0002378684380000251
对于接收射频链路，当第q个接收波束输出端口被激励时，第n个接收天线的相位满足
Figure BDA0002378684380000252
步骤3参见实施例一中的步骤3所示。
步骤4，馈电网络的第n个天线端口与第n个功分器的端口1相连，第n个功分器的端口2和端口3分别和UCA上的第n个发射天线和第n个接收天线相连。
步骤5参见实施例一中的步骤5所示。
实施例五，如图15所示，发射馈电网络和接收馈电网络设备共用同一馈电网络，发射UCA和接收UCA的半径不一致，所述发射UCA和接收UCA使用独立的天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1参见实施例一中的步骤1所示。
步骤2参见实施例四中的步骤2所示。
步骤3参见实施例二中的步骤3所示。
步骤4参加实施例四中的步骤4所示。
步骤5参见实施例一中的步骤5所示。
实施例六，如图16所示，发射馈电网络和接收馈电网络共用同一馈电网络，发射UCA接收UCA的半径，所述发射UCA和所述接收UCA共用天线阵列。所述全双工通信装置执行下述方法流程：
步骤1参见实施例一中的步骤1所示。
步骤2参见实施例四中的步骤2所示。
步骤3参见实施例三中的步骤3所示。
步骤4，馈电网络的N个天线端口依次和UCA的N个天线连接。
步骤5参见实施例一中的步骤5所示。
实际应用中，发射射频链路和接收射频链路还可以经过其它一些物理器件或功能模块。为了使得方案更加便于理解，本申请实施例以全双工装置为网络设备或应用于网络设备为例，提供一种更加全面的装置结构介绍。
增加的物理器件或功能模块可以在上述图8-图16中的任一全双工通信装置架构的基础上增加，以下以图8所示的装置架构为基础为例，对更加全面的装置结构进行详细介绍。
如图17所示，所述全双工通信装置还可以包括以下几种物理器件或功能模块，或者说所述全双工通信装置还可以连接以下几种物理器件或功能模块。基带模块(Base-BandUnit，BBU)，数字消除模块，数字模拟转换模块(Digital-to-Analog Converter，DAC)，模拟数字转换模块(Analog-to-Digital Converter，ADC)，本振(Local Oscillator，LO)，或混频器；其中，所述基带模块与所述数字消除模块连接，所述DAC和所述ADC位于所述基带模块和所述混频器之间，所述LO与所述混频连接。
所述全双工通信装置还可以包括：PA，和/或LNA；所述PA和/或所述LNA位于所述混频器和所述移相器之间；或者所述PA和/或所述LNA位于所述移相器和所述馈电网络之间。图17中所示的所述PA和/或所述LNA位于所述混频器和所述移相器之间。下面对图19所示的全双工通信装置的结构和工作流程进行简单描述。
所述全双工通信装置包括基带模块，数字消除模块，DAC，ADC，LO，混频器，PA，LNA，移相器，发射(Transmitter，Tx)馈电网络，接收(Reciver，Rx)馈电网络以及天线阵列。
发射射频链路中，所述基带模块的输出端与所述数字消除模块相连，所述基带模块的输出端通过所述DAC与所述混频器相连，所述本振的输出端与所述混频器相连，所述混频器与所述PA相连，所述PA的输出端与所述移相器相连，所述移相器的输出端与所述发射馈电网络的波束端口相连，所述发射馈电网络的天线端口与所述天线阵列中的发射天线相连。接收射频链路中，所述天线阵列中的接收天线与所述接收馈电网络的天线端口相连，所述接收馈电网络的波束端口与所述移相器相连，所述移相器与所述LNA相连，所述LNA的输出端与所述混频器相连，所述本振的输出端与所述混频器相连，所述混频器通过模ADC与所述基带模块的输入相连，所述数字消除模块的输出与所述基带模块的输入端相连。
所述基带模块用于基带发射和处理接收到的数字信号。所述ADC用于将模拟信号转换为数字信号。所述DAC用于将数字信号转换为模拟信号。所述数字消除模块用于数字域自干扰消除算法的运算。所述本振用于产生固定频率的信号。所述混频器用于将发射的基带信号上变频为射频信号，以及将接收到射频信号下变频为基带信号。所述PA用于增大发射射频信号的功率。所述LNA用于放大接收到的射频信号。所述移相器用于改变射频信号的相位。所述发射馈电网络用于产生特定幅度和相位的发射射频信号。所述接收馈电网络用于叠加不同天线端口上接收到的接收射频信号。所述发射天线用于将射频信号辐射到自由空间。所述接收天线用于探测自由空间内的射频信号。
示例性的，在全双工通信过程中，所述基带模块输出的发射数字信号经过所述DAC变为基带发射模拟信号。所述基带发射模拟信号经过所述混频器上变频后变为发射射频信号。所述发射射频信号通过PA后信号幅度增强。增强后的发射射频信号经过所述移相器和所述发射馈电网络后在不同的天线端口产生幅度相同但具有特定相位分布的射频信号。具有不同相位的射频信号经过不同的发射天线辐射到自由空间并在自由空间内叠加，产生特定模态的OAM波束。多个发射射频链路同时发射信号时多个模态的OAM波束同时在自由空间内传输，将能量汇聚到远场终端设备所在的区域。接收天线会同时收到所述全双工通信装置本身的发射信号和远场终端设备发射的信号。不同的接收天线接收到所述全双工通信装置本身的发射信号由于具有特定的相位分布，经过所述接收馈电网络叠加后信号总和为零，不会从波束端口输出，实现自干扰消除。而终端设备发射的是普通波束，所述接收天线接收到的射频信号经过所述接收馈电网络叠加后从各波束端口输出。所述接收馈电网络的波束端口输出的射频信号经过所述移相器改变相位、所述LNA增强信号幅度和所述混频器下变频后变为基带接收模拟信号。所述基带接收模拟信号经过ADC后变为基带接收数字信号。所述基带发射数字信号通过数字消除模块评估残余干扰，并和所述基带接收数字信号叠加进一步降低自干扰。经过数字域自干扰消除的基带接收数字信号输入到所述基带模块进行基带处理。
可见，所述全双工通信装置在实现自干扰消除的过程中，与模拟消除自干扰和数字消除自干扰的算法不冲突，所述模拟消除模块和数字消除模块可以集成到所述全双工通信装置中进一步消除自干扰信号。
本申请实施例在实现多天线自干扰消除时可以和现有的MIMO技术相结合，在不增加系统复杂度的情况下消除自干扰信号，增大收发波束端口间的隔离度，实现全双工通信。
本申请实施例在波束赋形过程中可以避免阵列天线波束中心方向存在的能量空洞的问题，通过将波束能量集中到特定的方向，实现三维波束赋形和波束扫描。
另外，本申请实施例不仅可以用于无线通信的各种频段(如Sub-6G，高频，THz等)下的全双工通信，也可以应用在光纤通信，可见光通信等下的全双工通信。
需要说明的是，图17所示的全双工通信装置与图8所示的全双工通信装置只是在示意形式上不同，两者的本质或者设计思路是一样的。因此，图11～图16对全双工通信装置的实现方式的设计可以应用到图17所示的全双工通信装置。
可以理解的是，在不产生冲突的情况下，本申请中涉及的各实施例之间可以结合使用，也可以单独使用。
基于上述对全双工通信方法的原理的描述，下面对本申请实施例提供的另一种可能的全双工通信装置进行详细的描述。如图18所示，提供了一种全双工通信装置1800。所述全双工通信装置1800能够执行图10方法中的各个步骤，为了避免重复，此处不再详述。全双工通信装置1800包括：收发模块1810，可选的，还包括处理模块1820，存储模块1830；处理模块1820可以分别与存储模块1830和收发模块1810相连，所述存储模块1830也可以与收发模块1810相连：
所述存储模块1830，用于存储计算机程序；
示例的，所述处理模块1820，用于通过发射天线阵列发射不同OAM态的发射波束，所述发射天线阵列为UCA；通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束，所述接收天线阵列为UCA，天线阵列包括所述发射天线阵列和所述接收天线阵列，其中，所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等，所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数；通过馈电网络给所述发射天线阵列馈电和将所述接收天线阵列收到的信号合成。
在一个实现方式中，所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半。
在一个实现方式中，每个所述发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000271
其中p表示第p个发射波束，
Figure BDA0002378684380000272
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数。
在一个实现方式中，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure BDA0002378684380000273
其中q表示第q个接收波束，
Figure BDA0002378684380000274
表示第q个接收波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，还用于调整所述发射天线阵列中每个发射天线的相位，其中所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，还用于调整所述接收天线阵列中每个接收天线的相位，其中所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。
在一个实现方式中，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，具体用于通过发射天线阵列同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，还用于通过移相器调整所述发射波束和/或所述接收波束的初相，所述馈电网络位于所述移相器和所述发射天线阵列之间，且所述馈电网络位于所述移相器和所述接收天线阵列之间。
在一个实现方式中，若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，还用于通过所述馈电网络调整发射波束主瓣的θ度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure BDA0002378684380000281
度数。
在一个实现方式中，所述处理模块1820，还用于通过所述馈电网络调整发射波束的主瓣个数。
图19是本申请实施例的全双工通信装置1900的示意性框图。应理解，所述全双工通信装置1900能够执行图8的方法中的各个步骤，为了避免重复，此处不再详述。全双工通信装置1900包括：处理器1901和存储器1903，所述处理器1901和所述存储器1903之间电偶合；
所述存储器1903，用于存储计算机程序指令；
所述处理器1901，用于执行所述存储器中的部分或者全部计算机程序指令，当所述部分或者全部计算机程序指令被执行时，所述装置实现上述所示的实施例中的方法。
可选的，还包括：收发器1902，用于和其他设备进行通信；例如通过发射天线阵列产生OAM态的发射波束等。
应理解，图19所示的全双工通信装置1900可以是芯片或电路。例如可设置在网络设备内的芯片或电路。上述收发器1902也可以是通信接口。收发器包括接收器和发送器。进一步地，该全双工通信装置1900还可以包括总线系统。
其中，处理器1901、存储器1903、收发器1902通过总线系统相连，处理器1901用于执行该存储器1903存储的指令，以控制收发器接收信号和发送信号，完成本申请全双工通信方法中的步骤。所述存储器1903可以集成在所述处理器1901中，也可以与所述处理器1901分开设置。
作为一种实现方式，收发器1902的功能可以考虑通过收发电路或者收发专用芯片实现。处理器1901可以考虑通过专用处理芯片、处理电路、处理器或者通用芯片实现。
处理器可以是中央处理器(central processing unit，CPU)，网络处理器(network processor，NP)或者CPU和NP的组合。
处理器还可以进一步包括硬件芯片或其他通用处理器。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)，通用阵列逻辑(generic array logic，GAL)及其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等或其任意组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
还应理解，本申请实施例中提及的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DR RAM)。应注意，本申请描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
本申请实施例提供了一种计算机存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序包括用于执行上述全双工通信方法。
本申请实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述提供的全双工通信方法。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，在本申请装置实施例中的各单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
可以理解的是，本申请的实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。
本申请的实施例中的方法可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，CD-ROM，DVD；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘(solid state disk，SSD)，随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)和寄存器等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包括有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (32)

1.一种全双工通信方法，其特征在于，所述方法包括：
通过发射天线阵列发射不同轨道角动量OAM态的发射波束，所述发射天线阵列为均匀环形阵列UCA；
通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束，所述接收天线阵列为UCA，天线阵列包括所述发射天线阵列和所述接收天线阵列，其中，
所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等，所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数；
通过馈电网络给所述发射天线阵列馈电和合成所述接收天线阵列的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件还包括：所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；
所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个所述发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure FDA0002378684370000011
其中p表示第p个发射波束，
Figure FDA0002378684370000012
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure FDA0002378684370000013
其中q表示第q个接收波束，
Figure FDA0002378684370000014
表示第q个接收波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述通过发射天线阵列发射不同OAM态的发射波束之前，还包括：
调整所述发射天线阵列中每个发射天线的相位，其中所述发射天线阵列中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述通过接收天线阵列接收不同OAM态的接收波束之前，还包括：
调整所述接收天线阵列中每个接收天线的相位，其中所述接收天线阵列中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过发射天线阵列同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过移相器调整所述发射波束和/或所述接收波束的初相，所述馈电网络位于所述移相器和所述发射天线阵列之间，且所述馈电网络位于所述移相器和所述接收天线阵列之间。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。
11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述馈电网络调整发射波束主瓣的θ度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure FDA0002378684370000021
度数。
12.如权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述馈电网络调整发射波束的主瓣个数。
13.一种全双工通信装置，其特征在于，包括移相器，馈电网络和天线阵列，所述馈电网络位于所述移相器和所述天线阵列之间，所述天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列；
所述天线阵列为均匀环形阵列UCA，所述UCA用于发射不同轨道角动量OAM态的发射波束和接收不同OAM态的接收波束；
所述天线阵列满足预设条件，所述预设条件包括：所述发射天线阵列的发射天线数目与所述接收天线阵列的接收天线数目相等；所述发射波束的OAM态不等于所述接收波束的OAM态的相反数。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述预设条件还包括：
所述发射波束的OAM态的绝对值小于所述发射天线数目的一半；
所述接收波束的OAM态的绝对值小于所述接收天线数目的一半。
15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于，发射UCA和接收UCA同心同轴放置，所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同或不同。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，若所述发射UCA的半径与所述接收UCA的半径相同，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，或者所述发射天线阵列与所述接收天线阵列为独立的天线阵列。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列共用天线阵列，所述装置还包括：环形器，所述环形器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。
18.如权利要求13-17任一项所述的装置，其特征在于，所述馈电网络包括发射馈电网络和接收馈电网络，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络共用同一馈电网络，或者所述发射馈电网络和所述接收馈电网络使用独立的馈电网络。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络共用同一馈电网络，所述装置还包括：功分器，所述功分器位于所述馈电网络和所述天线阵列之间。
20.如权利要求13-19任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括以下一项或多项：基带模块，数字消除模块，数字模拟转换模块DAC，模拟数字转换模块ADC，本振LO，和混频器；
其中，所述基带模块与所述数字消除模块连接，所述DAC和所述ADC位于所述基带模块和所述混频器之间，所述LO与所述混频连接。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：功率放大器PA，和/或低噪声放大器LNA；
所述PA和/或所述LNA位于所述混频器和所述移相器之间；或者
所述PA和/或所述LNA位于所述移相器和所述馈电网络之间。
22.如权利要求13-21任一项所述的装置，其特征在于，所述发射天线阵列的阵元相对于发射天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述发射天线阵列的阵元数目和所述发射天线阵列的阵元的编号确定；
和/或
所述接收天线阵列的阵元相对于接收天线阵列的第一个阵元的旋转角度根据所述接收天线阵列的阵元数目和所述接收天线阵列的阵元的编号确定。
23.如权利要求18-22任一项所述的装置，其特征在于，所述发射馈电网络根据待发射波束的OAM态和发射天线阵列的阵元数目确定；和/或
所述接收馈电网络根据待接收波束的OAM态和接收天线阵列的阵元数目确定。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述每个发射波束的OAM态满足以下条件：
Figure FDA0002378684370000031
其中p表示第p个发射波束，
Figure FDA0002378684370000032
表示第p个发射波束的OAM态，P表示发射波束的数量，p为小于或等于P的正整数，P为正整数；和/或
所述每个发射天线中第n个发射天线的相位根据所述发射波束的OAM态LTX和所述发射天线阵列的发射天线数目N确定，n为小于或等于N的正整数，N为正整数。
25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述每个接收波束的OAM态满足以下条件：
Figure FDA0002378684370000033
其中q表示第q个接收波束，
Figure FDA0002378684370000034
表示第q个发射波束的OAM态，Q表示接收波束的数量，q为小于或等于Q的正整数，Q为正整数；和/或
所述每个接收天线中第m个接收天线的相位根据所述接收波束的OAM态LRX和所述接收天线阵列的接收天线数目M确定，m为小于或等于M的正整数，M为正整数。
26.如权利要求13-25任一项所述的装置，其特征在于，所述馈电网络的发射波束输入端口和所述馈电网络的接收波束输出端口之间的传输矩阵的所有元素均为0。
27.如权利要求13-26任一项所述的装置，其特征在于，所述发射UCA，具体用于同时产生OAM态连续的多个发射波束，其中所述多个发射波束在空间中叠加形成的波束的波束宽度与被激励的发射波束的数目成反比。
28.如权利要求13-27任一项所述的装置，其特征在于，所述移相器用于调整发射波束和/或接收波束的初相。
29.如权利要求13-28任一项所述的装置，其特征在于，若同时产生P个OAM态的发射波束，所述P个OAM态的发射波束的远场电场根据所述发射UCA的半径，发射波束的OAM态，及发射波束和接收波束的OAM态的初相确定。
30.如权利要求18-29任一项所述的装置，其特征在于，所述发射馈电网络，具体用于调整发射波束主瓣的θ度数，和/或调整发射波束主瓣的
Figure FDA0002378684370000035
度数。
31.如权利要求18-30任一项所述的装置，其特征在于，所述发射馈电网络，具体用于调整发射波束的主瓣个数。
32.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，如权利要求1-12任一项所述的方法被执行。
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