CN114124286B - 利用p-b相位实现无线通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用Pancharatnam–Berry(P‑B)相位实现无线通信的方法。该方法利用携带P‑B相位的电磁波作为信息载波，借助一维对称的收发天线作为电磁波的激励装置，实现信息的无线通信；同时通过对多信道收发装置的角度、位置进行控制，分配多信道电磁载波，实现P‑B通信所独有的多信道复用传输。相比于传统通信方法，该方法不仅考虑了电磁载波的幅度特性，还实现了幅度/相位的综合利用，增加了电磁波的可区分特征；相比于传统的复用技术，该方法提供了一种全新的复用理念和技术，可以实现同时、同频、同极化情况下的多信道复用传输。本发明所采用的电磁波收发设备，可有效激励携带P‑B相位的电磁波，鉴于简化系统的考虑，采用一维对称结构，降低了设计复杂度和加工成本，提高系统稳定性。

Description

利用P-B相位实现无线通信的方法

技术领域

本发明涉及多路复用通信(H04J)、传输(H04B)、无线通信网络(H04W)、天线(H05B6/72)领域，具体是利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法。

背景技术

P-B相位是电磁、量子等领域的重要理论，它表征了大于一维空间的方向特性，是空间的基本属性。无线通信技术是现下人类文明的基础，它利用加载有信号的电磁载波传输信息，并通过终端设备过滤出相应信号，从而完成信息传输。传统通信技术中仅考虑电磁载波的幅度特性分析，这局限了通信技术的整体发展，使得通信基础架构单一。

随着通信技术的发展，无线通信的复用技术已经成为该领域的热点内容，如时分复用、频分复用、码分复用以及近来兴起的轨道角动量复用技术。在如今大规模通信的需求背景下，复用技术的重要性日益凸显，相应的问题也日益严峻，例如频谱使用紧张、复用系统复杂等。轨道角动量复用技术虽然在理论层面为解决该类问题提供了新思路，但实现上存在很多制约，如收发装置口径大，解复用难度大、通信距离受限等。这些都成为如今信息领域的瓶颈，亟待新型复用技术的发展。

发明内容

本发明针对现有通信技术的瓶颈问题，提供了一种利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法。P-B无线通信在通信载波的设计中兼顾幅度相位特性，从而增加载波特征维度；P-B多信道复用利用P-B通信的特点，实现了新型的信息复用模式，为信息复用技术提供新方法，在通信信道拓展、高速大规模通信领域具有广泛的应用前景。

利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，包括P-B无线通信方法和P-B多信道复用方法两项内容，其中P-B无线通信方法为利用具有P-B相位的电磁波作为载波的通信方法，P-B多信道复用方法为利用具有P-B相位的电磁波作为载波进行多信道同时、同频通信的复用通信方法。P-B无线通信方法为本发明的基础和背景技术，P-B多信道复用方法是利用P-B通信的特点发展的新型复用技术，是该通信模式的延拓。

进一步改进，具有P-B相位的电磁波载波在空间上存在两个电磁分量，两个电磁分量具有P-B相位差。载波携带信息由发射端发射，由接收端接收，并在接收端完成对载波所载信息提取，实现P-B通信。载波的发射兼顾电磁波的幅度与相位特性，载波的接收则根据发射电磁波的幅度与相位分布，获得具有P-B相位的接收电磁波分量，通过相应相位补偿，使合成的电磁波同相增强，进而完成对载波所载信息的提取。

进一步改进，载波具有P-B相位特征是指电磁波具有反向相位，即载波两分量间存在π相位差，如此在载波的两个分量中，若将其中一个分量的相位定义为0，则另一分量的相位即为π。

进一步改进，载波的两个电磁分量，其幅度之和应大于其幅度之差，幅度和差之比应根据接收装置的接收灵敏度设计，该和差之比是P-B无线通信的重要指标，该比值越大则表示通信效果越好。

进一步改进，在P-B无线通信中，载波的接收应对发射端来波中具有P-B相位差的两个电磁分量分别接收，并在后端加设相位补偿装置，最后将两路电磁波进行合成：当经过补偿后的两路电磁波具有相同相位时，合成电磁波为两路电磁波幅度之和，为能量叠加的接收状态；当具有π相位差时，合成电磁波则为两路电磁波幅度之差，为能量相消的非接收状态。因此，载波两分量和差之比越大，则接收状态与非接收状态的接收幅度差越大，两种状态的区分度越高。

所述P-B多信道复用方法以P-B通信方法为基础和背景技术，其包括以下步骤：

1)在发射端设计具有多路P-B通信信道的发射系统，即每路信道的载波在空间上都存在两种分量，且两个分量具有P-B相位差，每路信道的发射装置相同用以激励相同的P-B信道，如此可简化激励系统，但也可根据实际应用环境及接收端情况选择不同的发射装置；

2)调整每路信道发射装置的位置和角度，确保在接收区域处不同信道的P-B相位特征不重叠，以达到对不同信道的位置区分，这可作为区分信道的主要特征；

3)在接收端构造多天线接收合成的接收系统，天线个数应大于信道数量，接收系统中的天线位置应根据接收区域内各信道的P-B相位分布选取，天线的安装位置应确保其可以接收每路信道中具有P-B相位的两个分量；

4)对各路天线接收的电磁波进行相位补偿及电磁合成，其遵循合成电磁波仅对特定一路信道为幅度相加的接收状态，而对其它路信道都为幅度相减的非接收状态，从而达到对该信道电磁波的独立提取，实现多路P-B通信系统的复用接收。

进一步改进，具有P-B特征的电磁载波由一维对称结构进行激励，馈电位置位于结构中间，从而激励两个反向的辐射电流，如是可简化激励装置，也可根据辐射与接收装置的协同关系，即相对位置和幅度特性等参数，采用非对称的结构进行激励，但辐射相位应保持P-B特性。激励装置不限于一维对称结构，其它激励方法还包括利用移相网络、各向异性材料、超表面/超材料等手段实现P-B相位电磁波辐射。

进一步改进，P-B通信的接收由多天线接收组件实现多路电磁信号的接收，每路天线组件后端配置电磁开关、移相器，多路电磁信号最终经过合成器进行合成，即电磁波的接收路径为：接收天线—电磁开关—移相器—合成器；各路天线可独立工作，也可将多路接收天线集成于一个天线中，该天线的不同区域可接收具有P-B相位的多路电磁波，而后通过自身结构设计完成接收电磁波的移相及合成，进而模拟多天线系统的工作状态，完成对P-B电磁波的接收及解复用。

本发明有益效果在于：

1、P-B无线通信改进了原有无线通信的基本模式，实现综合幅度和相位的通信；

2、P-B无线通信可以实现幅度、相位综合的能量和/差功能；

3、P-B无线通信可以消除信道间干扰；

4、P-B复用方法作为新型的复用通信技术，可以拓宽通信信道容量；

5、P-B复用方法具有系统简单，可同时兼容频分、时分、码分等现有复用技术的功能；

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是P-B通信系统工作示意图。

图2是P-B多信道复用通信系统工作示意图。

图3是P-B通信多信道复用技术中涉及的一维对称激励及接收装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明所涉及P-B通信方法的具体实施示意图如图1所示，装置1为P-B通信的发射装置，其为电磁波激励天线，由1_1和1_2两个部分组成，两个部分具有反向的结构特点，使得所激励的电磁波2具有P-B的相位特征。所激励的电磁波2中，电磁波在空间上分解为两个分量，其中上半部分电磁波2_1与下半部分电磁波2_2之间存在P-B相位，即若设2_1的相位为0，则2_2的相位为π。对于P-B通信中所发射电磁波2的幅度，应满足其幅度之差小于其幅度之和，幅度和差之比应根据接收装置的接收灵敏度设计，一般应大于2。这是为了使接收端可以甄别P-B通信的和/差工作模式，此两者之比越大，则接收端区分并分离两种工作状态的性能越好。至此则完成了P-B通信中电磁波及其信号的发射。

当2到达P-B通信的接收装置3时，则进行P-B电磁波的接收工作。接收装置由两路电磁接收分路组成，上分路由接收天线3_1和移相器3_2组成，同样，下分路由接收天线3_3和移相器3_4组成。接收天线的功能为接收特定区域的电磁波，其安装位置应确保上分路接收2_1，下分路接收2_2。移相器用于为所在分路中接收到的电磁波提供特定的相位补偿。最终两路电磁波进行合成，并在接收终端3_5中被接收，进入下一步的信息提取系统，由于本发明只对通信模型展开研究，后续过程不予分析。

在实施例所示的特定环境中，上分路与下分路接收电磁波之间存在既有的相位差π，因此若上下路之间的相位补偿同相，则接收终端3_5接收的两路电磁波具有π的相位差，故其总能量为两路电磁波之差，为反相相消的非接收状态；若上下路之间的相位补偿具有π的相位差，则接收终端3_5接收的两路电磁波为同相，故其总能量为两路电磁波之和，为同相叠加的接收状态。在本实施例中，利用两路接收的合成方法进行电磁波的接收，在其它应用中，也可以根据实际应用场景，在满足同相叠加和反相相消原则的前提下，采用更多路接收。此类设计完全基于本发明提出的方法，故亦应属于本发明的保护范围。在本实施例中，P-B通信应用于无线通信中，在其它应用中，也可以利用相位关系将之推广到有线通信中，其具体方法为，将无线发射装置替换为有线装置，相应的传输和接收都基于电磁信号的有线传播，在接收中遵循同相叠加和反相相消原则。此类设计是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。

本发明所涉及P-B多信道复用方法的具体实施示意图如图2所示，其含有多个通信信道，此处以三信道的实施例展开说明，双信道或者更多信道的复用方法与三信道工作方法一致，可推广得出。装置4为复用通信系统的发射系统，其含有多个P-B通信发射装置，分别为4_1、4_2和4_3，每个发射装置有着与图1中P-B通信系统发射装置相同的性能，此不赘述。调整三个装置的位置和辐射方向，确保三个装置的P-B相位特性在接收端不重叠。在此实施例中，4_1的辐射方向朝上旋转角度α，4_2的辐射方向不变，而4_3的辐射方向朝下旋转角度α，α的值应根据辐射天线的幅度分布、接收系统的接收天线位置及接收灵敏度适当原则选取，α越小越可缩减接收系统口径。发射装置的位置根据接收系统的天线位置、发射装置的辐射方式和几何结构确定，既要确保发射装置顺利安装，又要使得接收端具有可分离的相位分布，即每信道的相位分布不重叠。如是，辐射系统将激励出电磁波5，其中电磁波5_1和5_2由辐射装置4_1激励，电磁波5_3和5_4由辐射装置4_2激励，电磁波5_5和5_6由辐射装置4_3激励，同时电磁波5_1和5_2之间存在π相位差，电磁波5_3和5_4之间存在π相位差，电磁波5_5和5_6之间存在π相位差。在本实施例中，P-B复用通信的发射系统采用多个天线的形式，在其它应用中，也可以利用天线阵列理论或多模式天线理论设计共口径天线形式，其具体方法为对阵列中不同阵元同时馈入P-B电磁波所需的激励电流和波束扫描电流，如是同样可以实现电磁波5的激励。此类设计完全基于本发明所提出的方法，利用天线基本常识很容易得出，故亦应属于本专利的保护范围。

P-B多信道复用通信的接收系统6由多路接收组成，接收路的数量应大于等于信道数量，每路接收包含接收天线、电磁开关、移相器三个模块，接收天线的功能为接收特定区域的电磁波，电磁开关的功能是选择是否将该路接收到的电磁信号接入到接收终端6_13，移相器用于为所在分路中接收到的电磁波提供特定的相位补偿。以最上一路为例，接收天线6_1接收该位置的电磁信号，而后连接到电磁开关6_2上，若需要接入该路则接通该开关，若不需要则关闭该开关，通过移相器6_3进行相应的相位补偿后与其它路电磁信号合成进入接收终端6_13。其它路的工作方法与此路相同。接收天线的安装位置应处于每路信道中具有P-B相位分量的两侧区域。

在三信道的实施例中，可利用三路接收或者多路接收实现P-B多信道通信的解复用接收。在三路接收中，以上层三路为例：若只接入第一路和第二路，并且其相位差为π时，接收端对5_1和5_2的电磁波为同相叠加，对5_3和5_4的电磁波为反相相消，对5_5和5_6的电磁波为反相相消，故只接收发射装置4_1的电磁信号；若只接入第二路和第三路，并且其相位差为π时，接收端对5_1和5_2的电磁波为反相相消，对5_3和5_4的电磁波为同相叠加，对5_5和5_6的电磁波为反相相消，故只接收发射装置4_2的电磁信号；若只接入第一路和第三路，并且其相位差为0时，接收端对5_1和5_2的电磁波为反相相消，对5_3和5_4的电磁波为反相相消，对5_5和5_6的电磁波为同相叠加，故只接收发射装置4_3的电磁信号。如此则实现了三路接收的P-B多信道通信的解复用。当然，在图示所示的四路接收中任选三路均可实现P-B多信道通信的解复用设计，其原理相同，此不赘述。

在四路接收中，其优势在于接入的两路接收电磁波的相位补偿可固定为π，这样就可以省去移相装置，其具体方法为：若只接入第一路和第二路，并且其相位差为π时，接收端对5_1和5_2的电磁波为同相叠加，对5_3和5_4的电磁波为反相相消，对5_5和5_6的电磁波为反相相消，故只接收发射装置4_1的电磁信号；若只接入第二路和第三路，并且其相位差为π时，接收端对5_1和5_2的电磁波为反相相消，对5_3和5_4的电磁波为同相叠加，对5_5和5_6的电磁波为反相相消，故只接收发射装置4_2的电磁信号；若只接入第三路和第四路，并且其相位差为π时，接收端对5_1和5_2的电磁波为反相相消，对5_3和5_4的电磁波为反相相消，对5_5和5_6的电磁波为同相叠加，故只接收发射装置4_3的电磁信号。如此则实现了四路接收的P-B多信道通信的解复用。由于四路接收的解复用各路相位差均为π，即P-B相位，则可以通过发射装置的一维对称结构进行每两路的接收。以上复用通信的P-B相位置于一个平面内，相应的收发系统也在此平面内旋转及放置，实际应用中，可在满足解复用的同相叠加和反相相消的原则下，进行系统的三维旋转和放置。

在P-B通信及其多信道复用方法中涉及的一维对称结构激励P-B相位电磁波的装置，其示意图见图3。激励装置为天线，电磁能量以电流或者集总电磁波的形式由馈电点7将电磁能量馈入到天线中，天线为一维对称结构，其含有对称的两个部分8和9，如是电磁能量会形成两个反向极化的电磁波，并进一步形成空间辐射的电磁波2。由于激励电磁能量的方向极化，辐射的电磁波会在空间上存在具有两个反向极化的电磁分量2_1和2_2，而反向的极化意味着两者具有P-B相位，即具有π的相位差。这一结构的设计目的是简化P-B相位电磁波的激励装置，在其它应用中，利用反向天线阵列等形式也可实现P-B相位电磁波的激励，具体为利用反相馈电的阵元进行辐射即可。此类设计是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。在本发明中，采用对称的结构进行P-B相位电磁波的激励，在其它应用中，也可根据实际激励和安装需求，配合接收系统的情况进行非对称的P-B相位电磁波的激励，这是在本发明提出的方法基础上的工程改良，可根据本发明的基本原理简单推广得出，故亦应属于本发明的保护范围。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用P-B相位实现无线通信的方法，其特征在于：利用具有P-B相位的电磁波作为载波进行无线通信，具有P-B相位的电磁波是指电磁波在空间上存在两个电磁分量，两个电磁分量间具有P-B相位差；此电磁载波携带信息由发射端发射，其发射需兼顾发射电磁波两电磁分量的幅度与相位特性；携带信息的电磁载波经过无线传播后由接收端接收，其接收需根据待接收电磁载波两电磁分量的空间分布完成对两个电磁分量的共同接收，随后通过对接收的两电磁分量进行相应相位补偿后合成，使合成的电磁波同相增强，完成对接收电磁波及所载信息的提取。

2.根据权利要求1所述的利用P-B相位实现无线通信的方法，其特征在于：所述电磁分量间具有P-B相位差，是指电磁波具有反向相位，即电磁载波两分量间存在π相位差。

3.根据权利要求1所述的利用P-B相位实现无线通信的方法，其特征在于：所述电磁波在空间上存在两个电磁分量，两个电磁分量应满足其幅度之和大于其幅度之差，和差之比应根据接收装置灵敏度确定。

4.根据权利要求1所述的利用P-B相位实现无线通信的方法，其特征在于：所述携带信息的电磁载波，其接收应对发射端来波中具有P-B相位差的两个电磁分量分别接收，并在后端加设相位补偿装置，最后将两路电磁波进行合成：当经过补偿后的两路电磁波具有相同相位时，合成电磁波为两路电磁波幅度之和，为能量叠加的接收状态；当具有π相位差时，合成电磁波则为两路电磁波幅度之差，为能量相消的非接收状态。

5.根据权利要求1所述的利用P-B相位实现无线通信的方法，其特征在于：所述具有P-B相位的电磁波由一维对称结构进行激励，馈电位置位于结构中间，从而激励两个反向的辐射电流，实现P-B相位载波的发射；其它激励方法还包括利用移相网络、各向异性材料、各向异性超表面或者各向异性超材料实现P-B相位电磁波辐射。

6.一种利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，其特征在于：利用具有P-B相位的电磁波作为载波进行多信道同时同频复用通信，每路信道均为P-B无线通信模式，各信道载波均携带信息由多个发射端分别发射，经过无线传播后由接收端接收，并在接收端完成对各信道载波及所载信息的分离提取；

所述P-B多信道复用通信方法包括以下步骤：

1)在发射端设计具有多路P-B通信信道的发射系统，即每路信道的载波都存在两种分量，且两个分量具有P-B相位差；

2)调整每路信道发射装置的位置或角度，确保在接收区域处不同信道的P-B相位特征不重叠，如此不同信道在空间上可区分；

3)在接收端构造多天线接收合成的接收系统，天线个数应大于信道数量，接收系统中的天线位置应根据接收区域内各信道的P-B相位分布选取，天线的安装位置应确保其可以接收每路信道中具有P-B相位的两个分量；

4)对各路天线接收的电磁波进行相位补偿及电磁合成，其遵循合成电磁波仅对特定一路信道为幅度相加的接收状态，而对其它路信道都为幅度相减的非接收状态，从而达到对该信道电磁波的提取，实现多路P-B通信信道的复用接收。

7.根据权利要求6所述的利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，其特征在于：所述两个分量具有P-B相位差，是指各信道电磁载波具有反向相位，即各信道电磁载波两分量间存在π相位差。

8.根据权利要求6所述的利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，其特征在于：所述每路信道的载波都存在两种分量，两个电磁分量应满足其幅度之和大于其幅度之差，和差之比应根据接收系统中各信道接收装置的位置及接收灵敏度确定。

9.根据权利要求6所述的利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，其特征在于：所述每路信道发射装置为一维对称的电磁激励结构，馈电位置位于结构中间，从而激励两个反向的辐射电流，实现各路P-B相位载波的发射；其它激励方法还包括利用移相网络、各向异性材料、各向异性超表面或者各向异性超材料实现P-B相位载波辐射。

10.根据权利要求6所述的利用P-B相位实现多信道无线复用通信的方法，其特征在于：所述接收端由多天线接收组件实现多路电磁信号的接收，每路天线组件后端配置电磁开关和移相器，多路电磁信号最终经过合成器进行合成；各路天线可独立工作，也可作为单元集成于一个天线整体。