CN114615671B - 一种基于方形面阵的分布式oam大容量上行传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，包括：在指定的数据采集区域内，将传感器节点部署为方形面阵结构，每个传感器节点均对应方形面阵中的一个阵元；从方形面阵中选取若干阵元，形成多圈具有不同半径的四点UCA，并对多圈四点UCA进行分组；被选取的阵元定时广播采集到的数据，同一组四点UCA中的每个阵元接收并存储该组中所有阵元采集到的数据，以使不同组的四点UCA存储不同的数据，同一组的四点UCA存储相同的数据；空中无人机基站飞行至指定的数据采集区域的正上方，并广播信令消息通知传感器节点传输数据，被选取的阵元将数据信号发送至空中无人机基站。

Description

一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地涉及一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，适用于物联网节点与基站间的无线通信场景。
背景技术
近年来，随着集成电路、无线通信等技术的进步，物联网技术飞速发展，已经应用于经济生活中的各行各业：在物流方面，由于物联网、大数据和人工智能的支撑，物流的各个环节可以被全面感知；在城市交通方面，与物联网的结合使得城市环境、交通安全得到保障；在能源环保方面，与物联网的结合包括水能、电能、燃气以及路灯、井盖、垃圾桶这类环保装置，可以提升能源利用率；在医疗方面，物联网技术可以实现病人身体状态的实时检测；在农业方面，农业种植利用传感器、摄像头、卫星来促进农作物和机械装备的数字化发展。此外，物联网技术在建筑、安防、智能家居等行业都有着广泛的应用。
上述物联网技术的应用无一例外都依赖于各类传感器去采集数据。根据具体应用场景的需求，传感器可能需要实时或者非实时地将采集到的数据上传至基站，最终接入智能管理系统，以提升各行各业的运营效率。在一些非实时的应用场景中，如智慧电力系统、农业环境(如土壤、水质)系统等，传感器节点只需要将采集到的数据定期地上传至基站。这类应用场景可能存在于难以部署有线基站的环境下，如山区、高原等等，因此一般采用无人机空中基站定时巡检，采集传感器数据。这类传感器节点与空中基站通信的示意图如图1所示。从图中可以看到，传感器节点均匀分布在一个指定的平面矩形区域(试验区)内，以使传感器节点形成方形面阵结构，从而保证数据采集的均匀性。由于大量传感器节点在一段时间内采集到的数据量非常大，因此需要高增益、大容量的上行传输方法将海量数据在短时间内上传至空中基站，以提高空中基站的巡检效率。
针对于上述通信场景，当前的物联网上行技术方案偏向于低带宽应用，如LoRa、NBIOT等，无法适用于海量数据的上行传输。为了解决无线通信上行容量限制问题，华为联合中国电信提出了5G超级上行技术：在数据上行阶段，将TDD和FDD结合以提升上行数据率。虽然超级上行技术可以使得上行速率峰值达到343Mbps，但这种技术需要终端具备强大的数据处理和无线通信能力，即各个终端需要复杂的硬件配置，系统开销大，不适用于物联网中大量传感器节点的数据传输。
近年来，轨道角动量(OAM)因其独立于时间和频率的模态自由度而受到广泛研究。OAM理论上无穷多的模态自由度可以无限提升频谱效率，是大容量无线通信的一种很有前景的传输方案。2007年，B.Thide等人首次提出UCA(均匀圆环天线阵)可以在微波频段生成OAM。但现有技术中基于UCA的OAM研究都假设是集中式的收发机，即UCA处于一个终端节点上。集中式的收发机结构复杂，对终端节点数据处理和通信能力要求也相对较高。并且，集中式的收发机无法制作大口径的UCA，而基于UCA的OAM通信信道容量会受UCA的尺寸和通信距离的影响：当通信距离远大于UCA的半径时，由于OAM波束的发散问题，导致接收UCA无法分辨出多个OAM模态。
因此，针对物联网传感器节点海量数据的上传问题，需要一种简单高效的技术方案。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，能够将物联网中大量传感器采集到的海量数据高效上传至基站，并且过程简单，系统开销小。
本发明提供的一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，包括：
步骤S1，在指定的数据采集区域内，将传感器节点部署为方形面阵结构，每个传感器节点均对应方形面阵中的一个阵元；
步骤S2，从方形面阵中选取若干阵元，形成多圈具有不同半径的四点UCA，并对所述多圈具有不同半径的四点UCA进行分组；
步骤S3，被选取的阵元定时广播采集到的数据，同一组四点UCA中的每个阵元接收并存储该组中所有阵元采集到的数据，以使不同组的四点UCA存储不同的数据，同一组的四点UCA存储相同的数据；
步骤S4，空中无人机基站飞行至指定的数据采集区域的正上方，并广播信令消息通知传感器节点传输数据，被选取的阵元将数据信号发送至空中无人机基站。
进一步地，所述步骤S2中形成多圈具有不同半径的四点UCA的方法包括：
步骤S211，以方形面阵的中心点作为极点，以极点右侧的阵元所在射线为极轴或以平行于极点右侧的阵元所在射线的射线为极轴，对方形面阵建立极坐标系，方形面阵中的阵元坐标表示为(rn，Φn)，rn表示编号为n的阵元的极径，Φn表示编号为n的阵元的极角，n表示传感器节点对应的阵元的编号，n＝1，2，...N×N，N×N表示方形面阵具有N行和N列；
步骤S212，按照以下规则对方形面阵中的阵元进行选取，获取多圈具有不同半径的四点UCA：
式中，C表示四点UCA半径的集合，根据阵元之间的最小间距g计算；∪表示并集。
进一步地，所述步骤S2中对所述多圈具有不同半径的四点UCA进行分组的方法包括：
步骤S221，统计多圈四点UCA的圈数M，将M圈四点UCA按半径从小到大的顺序分为K组，组编号为k，k＝0，1，...，K-1，且每组具有P圈四点UCA；
步骤S222，判断是否满足M＝K×P，若是，则分组完成；若否，则在第K-1组分M-(K-1)×P圈四点UCA。
进一步地，所述四点UCA的组数K∈(1，M)且每组四点UCA的圈数P∈(1，M)。
进一步地，所述步骤S4中被选取的阵元发送至空中无人机基站的数据信号xn表示为：
式中，l＝-1，0，1，2，l表示四点UCA所支持的OAM模态；E表示发射机的总功率；M表示四点UCA的总圈数；Φn表示方形面阵中编号为n的阵元的极角；sk，l表示分配给第k组UCA发送的数据，k＝0，1，...，K-1。
本发明在方形面阵分布的传感器节点区域选取分组多圈理想UCA，利用分组多圈UCA进行多模复用、提升OAM波束增益，并采用基于UCA的OAM通信方法将数据上传至基站，过程简单，通信容量大，可以提升数据上传速率以及基站的数据采集效率，解决了物联网节点大容量上行传输问题。
附图说明
图1是物联网传感器节点与空中基站通信的示意图。
图2是按照本发明的一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法的流程图。
图3是5×5方形面阵的结构示意图。
图4是5×5方形面阵中选取出的多圈四点UCA的示意图。
图5是对5×5方形面阵中选取出的多圈四点UCA进行分组的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
由于物联网传感器分布式的特点，可以构造出一个分布式的大口径发射UCA，即传感器节点作为UCA的一个阵元，组成UCA的传感器节点协同以OAM通信方法向基站发送数据。这种情况下，由于分布式UCA的半径较大，能够减少OAM波束的发散问题。同时，由于节点数目众多，可以在节点上选取多个UCA，从而极大提高空中基站接收位置处的OAM波束增益，提升通信容量。
基于上述思路，本发明提出的一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1，在指定的数据采集区域内，将传感器节点部署为方形面阵结构，每个传感器节点均对应方形面阵中的一个阵元。每个传感器节点均有对应的编号n(n＝1，2，...N×N，N×N表示方形面阵具有N行和N列)，编号存储于传感器的存储器内。
步骤S2，从方形面阵中选取若干阵元，形成多圈具有不同半径的四点UCA，并对这些具有不同半径的多圈四点UCA进行分组。
其中，形成多圈具有不同半径的四点UCA的方法包括以下步骤：
步骤S211，以方形面阵的中心点作为极点，以极点右侧的阵元所在射线为极轴或以平行于极点右侧的阵元所在射线的射线为极轴，对方形面阵建立极坐标系，方形面阵中的阵元坐标表示为(rn，Φn)，rn表示编号为n的阵元的极径，Φn表示编号为n的阵元的极角。
步骤S212，按照以下规则对方形面阵中的阵元进行选取，获取多圈具有不同半径的四点UCA：
式中，C表示四点UCA半径的集合，根据阵元之间的最小间距g计算；∪表示并集。
对于N×N的方形面阵，当N为奇数或偶数时，形成多圈具有不同半径的四点UCA的方法类似。下面以5×5的方形面阵为例，具体说明形成多圈具有不同半径的四点UCA的方法及原理。
如图3所示，对于5×5的方形面阵，从上至下为1至5行，从左至右为1至5列。则以第3行、第3列的阵元为极点，以极点右侧的第三行阵元所在射线为极轴，建立极坐标系。
从图3中可以看出，以极点为对称中心的四个点作为一个正方形的四个顶点，可以作出6个正方形，如图中虚线所示。每个正方形的四个顶点处于一个特定半径的圆周上，因此每个正方形的四个顶点即构成一个四点UCA。此外，半径为的圆周上存在两个正方形的8个顶点，由于圆周上相邻点的距离不相等，即8个顶点形成的圆环阵不均匀，因而需要删除其中一个正方形对应的四个顶点。
对于任意一个备选四点UCA，其第一个阵元的极角必然在0到之间。此外，由于四点UCA相邻点的极角都固定相差/>因此，第二个阵元的极角范围为/>第三个阵元的极角范围为/>第四个阵元的极角范围为/>因此，形成四点UCA的四个阵元的极角满足：
同时，再结合形成一圈四点UCA的四个阵元的极径相等，每圈四点UCA的半径不相等，因而可得出步骤S212中的选取规则。以此规则选取的多圈四点UCA如图4所示(此处略去了极坐标系)，可以看出，对于半径为的圆，此时仅有4个点在圆周上，避免了非均匀圆环阵的问题。
由于四点UCA所支持的OAM模态为l＝0，±1，2，只有4个模态可以复用。因而为了在提高OAM波束增益和提升多模复用容量之间取得折中，本发明对多圈四点UCA进行分组，分组方法包括以下步骤：
步骤S221，统计多圈四点UCA的圈数M，将M圈四点UCA按半径从小到大的顺序分为K组，组编号为k，k＝0，1，...，K-1，且每组具有P圈四点UCA。
步骤S222，判断是否满足M＝K×P，若是，则分组完成；若否，则在第K-1组分M-(K-1)×P圈四点UCA，其他组中的四点UCA圈数仍为P。若M圈四点UCA按半径从小到大编号为m＝0，1，...，M-1，则除了第K-1组外，第k组中的四点UCA按半径由小到大的编号为m＝k×P，k×P+1，...，(k+1)×P-1。
也就是说，将四点UCA按半径从小到大平均分组，当半径最大的外圈圆环个数不够一组时，则剩余的外圈圆环单独为一组。这样分组的目的是尽量保证每一组UCA的半径相近，使得同一组UCA的增益落在相同的接收UCA上，且每组圈数相同也能尽量保证每一组的数据信道增益相同。
若通信目标是追求最大复用数据路数，则设置K＝M，P＝1，即所有UCA均用于进行数据复用，每一圈均发送不同的四路数据；这种方式发送的数据路数最大，但每一路数据信道增益较小，误码率相对较高，需要较强的纠错机制。若通信目标是追求最大信道增益，则设置K＝1，P＝M，即所有UCA均发送相同的四路数据，这种方式使得不同UCA的相同数据叠加，能最大化地提高每一路的信道增益，但此时数据复用路数最小，只有四路数据复用。因而本发明的K和P取值在1到M之间，即K∈(1，M)且P∈(1，M)。
尽管每一组UCA都只能发射l＝0，±1，2四个模态的信号，但由于组间UCA间距很大，每一组UCA生成的OAM模态的最大增益的角度不同。在接收平面上，每一圈的最大增益位置可以落在不同半径的圆上。由于贝塞尔函数快衰减的特点，在某一圈最大增益点上，其他圈的增益一般较小，因此对目标圈造成的干扰也较小。在此基础上结合多输入多输出(MIMO)信道均衡，可以在多圈之间消除相同模态的干扰。根据具体的通信容量和增益需求，可以动态地设置组数K和每组UCA圈数P，以在复用和波束增益之间获得权衡。
对于5×5的方形面阵，采用上述方法分组得到的结果如图5所示。在5×5的方形面阵中，选取出5圈四点UCA，将这5圈UCA分为3组，每组2圈(第3组(k＝2)仅有1圈UCA)。每个UCA包含4个阵元，可发送4路独立的数据。每一组的两圈UCA可发送相同的4路数据，以提供波束增益；不同组的UCA可发送不同的4路数据，以提供数据的多路复用。
在进行如上分组后，每一组的UCA可采用-1到2四个模态发送相同的数据，从而利用一组内的多圈UCA提升OAM波束增益；不同组的UCA由于半径差异较大，波束发散角度差异较大，因此可以在空间上复用-1到2四个模态发送不同的数据，从而形成多路复用增益。
采用OAM多模复用进行大容量上行传输的目的是将大量传感器节点采集到的所有数据短时高效上传至基站，而OAM传输要求每个节点拥有所有其他需要传输数据节点的数据，因此需要进行数据共享。
因而步骤S3，被选取的阵元定时广播采集到的数据，同一组四点UCA中的每个阵元接收并存储该组中所有阵元采集到的数据。如此，不同组的四点UCA存储不同的数据，而同一组的四点UCA存储相同的数据。此时只需要将同一组四点UCA中的数据按照相同的分帧方法分成4路数据即可，4路数据分别对应-1、0、1和2四个模态。
步骤S4，空中无人机基站飞行至指定的数据采集区域的正上方，并广播信令消息通知传感器节点传输数据，被选取的所有阵元将数据信号发送至空中无人机基站。
假设分配给第k组UCA发送的数据为sk，l(k＝0，1，...，K-1，l＝-1，0，1，2)，发射机的总功率为E，将总功率均匀地分配给被选中的UCA，当第n个阵元属于第k组UCA时，其发射的数据信号为：
由上式可知分组多圈UCA的OAM馈电方法对于任意一个被选中的阵元是一样的，信号幅度为功率的平均值开方，相位为模态乘以阵元的极角。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (3)

1.一种基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在指定的数据采集区域内，将传感器节点部署为方形面阵结构，每个传感器节点均对应方形面阵中的一个阵元；
步骤S2，从方形面阵中选取若干阵元，形成多圈具有不同半径的四点UCA，并对所述多圈具有不同半径的四点UCA进行分组；其中，
所述形成多圈具有不同半径的四点UCA的方法包括：
步骤S211，以方形面阵的中心点作为极点，以极点右侧的阵元所在射线为极轴或以平行于极点右侧的阵元所在射线的射线为极轴，对方形面阵建立极坐标系，方形面阵中的阵元坐标表示为(rn,Φn)，rn表示编号为n的阵元的极径，Φn表示编号为n的阵元的极角，n表示传感器节点对应的阵元的编号，n＝1,2,…N×N，N×N表示方形面阵具有N行和N列；
步骤S212，按照以下规则对方形面阵中的阵元进行选取，获取多圈具有不同半径的四点UCA：
式中，C表示四点UCA半径的集合，根据阵元之间的最小间距g计算；∪表示并集；
对所述多圈具有不同半径的四点UCA进行分组的方法包括：
步骤S221，统计多圈四点UCA的圈数M，将M圈四点UCA按半径从小到大的顺序分为K组，组编号为k，k＝0,1,…,K-1，且每组具有P圈四点UCA；
步骤S222，判断是否满足M＝K×P，若是，则分组完成；若否，则在第K-1组分M-(K-1)×P圈四点UCA；
步骤S3，被选取的阵元定时广播采集到的数据，同一组四点UCA中的每个阵元接收并存储该组中所有阵元采集到的数据，以使不同组的四点UCA存储不同的数据，同一组的四点UCA存储相同的数据；
步骤S4，空中无人机基站飞行至指定的数据采集区域的正上方，并广播信令消息通知传感器节点传输数据，被选取的阵元将数据信号发送至空中无人机基站。
2.根据权利要求1所述的基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，其特征在于，所述四点UCA的组数K∈(1,M)且每组四点UCA的圈数P∈(1,M)。
3.根据权利要求1所述的基于方形面阵的分布式OAM大容量上行传输方法，其特征在于，所述步骤S4中被选取的阵元发送至空中无人机基站的数据信号xn表示为：
式中，l＝-1,0,1,2，l表示四点UCA所支持的OAM模态；E表示发射机的总功率；M表示四点UCA的总圈数；Φn表示方形面阵中编号为n的阵元的极角；sk,l表示分配给第k组UCA发送的数据，k＝0,1,…,K-1。
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Distorted Channel Correction for UCA Based OAM Communication;Wei Yu;《2020 IEEE 6th International Conference on Computer and Communications (ICCC)》;全文 *
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