CN110266354A - 轨道角动量无线通信***的信号接收方法 - Google Patents

轨道角动量无线通信***的信号接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，解决了现有技术无法直接对收发端未对准情况下的OAM通信***进行信号接收的问题。实现方案是：构建OAM通信***模型；确定接收端圆心的坐标；构建OAM通信***等效信道矩阵；构建OAM通信***波束调相矩阵并在接收端进行波束调相；对OAM通信***进行接收信号检测，获得多模态OAM接收信号。本发明首次给出了OAM通信***发送端方位角及俯仰角共存时的波束调相方法，并提出了基于幅度检测的OAM通信***接收信号检测方法。本发明能够消除收发端未对准情况下OAM信道的模间干扰，实现OAM通信***信号信息的准确接收，可用于轨道角动量无线通信。

Description

轨道角动量无线通信***的信号接收方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种信号接收方法，具体是一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，可用于轨道角动量无线通信。
背景技术
现阶段，通信技术的发展导致了无线频谱资源需求的急速上升，然而，传统对频谱资源的控制导致了频谱利用率的不足，频谱资源匮乏的问题越来越严重。电磁波属性中的振幅、频率、相位和偏振态等维度均已用于信号表征来提升传输容量。在现有基础上无法继续采用增加电磁波表征维度的方式来扩充信道容量，只能通过频谱压缩、提高调制速率或者调制阶数等方法来进一步提高频谱效率。轨道角动量OAM作为一个新的传输维度，能够在同一频带同时传输多路信息，可以有效地解决频谱资源短缺的问题，目前已引起了广泛关注。
构建OAM通信***的关键技术之一就是如何实现OAM信号的准确接收。OAM通信***准确接收信号的前提是发送波束与接收波束间的完美对准，这使得OAM通信***接收端的波束调相成为近年来新兴的研究方向。人们对OAM通信***接收端波束调相方法已进行了初步的研究，已有研究对发送端与接收端存在单一俯仰角时的通信***进行了波束调相，然而，发送端与接收端的相对位置由发送端相对于接收端的方位角及俯仰角共同决定，现有的研究成果仅利用发送端相对于接收端的俯仰角进行波束调相，仅能用于某种特殊情况下的OAM通信***，并不适用于一般情况下的OAM通信***，具有局限性。此外，OAM通信***必须利用适用于轨道角动量通信场景下的信号检测方案实现接收端的信号接收，然而，关于OAM通信***接收信号检测方法目前仍未见报道，或者说处于空白阶段，以上波束调相方法不具有通用性及无检测方案使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用受到局限。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有普遍适用性的轨道角动量无线通信***的信号接收方法。
本发明是一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)构建OAM通信***模型：利用两个半径分别为Rt和Rr的均匀圆阵作为OAM通信***的发送端与接收端，在发送端以发送端圆心为原点、发送阵列所在平面为X′OY′平面建立发送端第一坐标系Z′-X′OY′；在接收端以接收端圆心为原点、接收阵列所在平面为平面建立接收端坐标系将发送端圆心在坐标系中的坐标表示为其中r为发送端圆心与接收端圆心间的距离，为发送端的方位角，α为发送端的俯仰角；发送端发送信息信号向量s(l)
s(l)＝[s(l1),s(l2),…,s(lv),…,s(lV)]T,
其中，s(lv)为利用不同模态发送的信息信号；
(2)确定接收端圆心的坐标：在发送端以发送端圆心为原点、平行于接收阵列的平面为XOY建立发送端第二坐标系Z-XOY，根据发送端与接收端坐标系间的角度关系，将接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY坐标系中的坐标表示为(r,θ,α)，其中θ为X轴与X’轴间的夹角，即接收端圆心在坐标系Z-XOY中的方位角；
(3)构建OAM通信***等效信道矩阵：利用接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY中的坐标(r,θ,α)，构建OAM通信***等效信道矩阵HOAM＝[hOAM(u,v)]V×V，其中，(u,v)表示该元素位于等效信道矩阵HOAM的第u行、第v列，下标V×V表示等效信道矩阵HOAM为V行V列的方阵；
(4)构建OAM通信***波束调相矩阵：构建波束调相矩阵B，以消除等效信道矩阵HOAM中各元素hOAM(u,v)与接收端方位角θ及俯仰角α相关的项；
(5)对OAM通信***进行波束调相：在OAM通信***的接收端利用波束调相矩阵B进行波束调相，得到波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM；
(6)对OAM通信***进行接收信号检测：对波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM中的各元素进行泰勒展开，得到波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff，利用矩阵估计值Heff在接收端进行幅度检测，获得多模态OAM接收信号
本发明通过在接收端进行波束调相矩阵设计，实现了收发端波束的正对准，同时，本发明利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff在接收端进行信号检测，首次实现了OAM通信***的信号接收，为OAM通信***的实际应用奠定基础。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.实现一般性OAM通信***的波束调相：本发明给出了与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵的表达式，成功实现了OAM通信***波束调相后等效信道矩阵的对角化，提供了OAM通信***中当发送端方位角与俯仰角为任意值时的波束调相的方法，与现有技术相比，本发明突破了现有技术仅能在发送端仅存在单一俯仰角时才能进行波束调相的局限性，能够在发送端相对于接收端存在方位角及俯仰角时进行波束调相，因此，本发明为一般情况下OAM通信***的波束调相提供了依据。
2.降低通信***复杂度：相比于传统的MIMO通信***，由于本发明所给出的信号接收方案无需进行信道估计而可以直接进行信号检测，因此，与传统MIMO***相比，应用本方案进行信号接收的OAM通信***的复杂度将大大降低，为OAM通信***的实际应用奠定了基础。
3.首次提出基于幅度检测的OAM通信***接收信号检测方法：本发明提出一种在OAM通信***接收端利用等效信道的估计值进行幅度检测的方法，与传统的迫零检测、最小均方差检测等信号检测方法相比，本发明所提出的幅度检测方法计算量更小、实现更加简单，同时，本发明首次给出了OAM通信***的信号检测方法，弥补了OAM通信***在信号接收与检测领域的空白，使得OAM通信***的实际应用成为可能。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明使用的OAM通信***模型示意图；
图3是本发明中发送端与接收端坐标系间的角度转化关系；
图4是在不同信噪比条件下利用本发明所提出的方法进行波束调相后***的容量。
图5是在不同信噪比条件下利用本发明所提出的方法进行信号接收的误码率。
具体实施方式
以下参照附图对本发明实施例和效果详细描述。
实施例1
由于平面电磁波属性中的振幅、频率、相位和偏振态等维度均已用于信号表征，因此，依靠现有信号调制方式提高通信***容量并不现实。OAM作为一个新的传输维度，可以有效地解决频谱资源短缺的问题，已成为未来通信***的技术热点。构建OAM通信***的要点之一就是实现OAM通信***收发端间的对准。现有的OAM通信***收发端对准技术仅能实现发送端与接收端仅存在俯仰角时的波束调相，并不适用于一般情况下的OAM通信***，具有局限性。此外，适用于轨道角动量通信场景下的信号检测方案也是OAM通信***的另一关键技术，然而，关于OAM通信***接收信号检测方法的研究仍处于空白阶段，使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用受到局限。为此，本发明展开了研究与探索，提出一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，参见图1，包括有如下步骤：
(1)构建OAM通信***模型：利用半径为Rt的均匀圆阵作为OAM通信***的发送端，利用半径为Rr的均匀圆阵作为OAM通信***的发送端，发送端与接收端的均匀圆阵均含有N个阵元。在发送端以发送端圆心为原点、发送阵列所在平面为X′OY′平面建立发送端第一坐标系Z′-X′OY′。在接收端以接收端圆心为原点、接收阵列所在平面为平面建立接收端坐标系将发送端圆心在坐标系中的坐标表示为其中r为发送端圆心与接收端圆心间的距离，为发送端的方位角，α为发送端的俯仰角。发送端发送信息信号向量s(l)
s(l)＝[s(l1),s(l2),…,s(lv),…,s(lV)]T,
其中，s(lv)为利用不同模态发送的信息信号。
(2)确定接收端圆心的坐标：在发送端以发送端圆心为原点、平行于接收阵列的平面为XOY建立发送端第二坐标系Z-XOY，根据发送端与接收端坐标系间的角度关系，将接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY坐标系中的坐标表示为(r,θ,α)，其中θ为X轴与X’轴间的夹角，即接收端圆心在坐标系Z-XOY中的方位角，俯仰角α与发送端圆心在坐标系中的俯仰角相同，也就是收发端圆心在两处坐标系中的俯仰角相同。相比于现有OAM通信技术，本发明在收发端建立三个坐标系，利用发送端第一坐标系与发送端第二坐标系间的夹角，给出了接收端圆心在发送端第二坐标系中的坐标，这使得发送端与接收端的相对位置完全确定，换句话说本发明首次利用发送端的方位角及俯仰角确定了接收端相对于发送端的位置。
(3)构建OAM通信***等效信道矩阵：利用接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY中的坐标(r,θ,α)，构建OAM通信***等效信道矩阵HOAM＝[hOAM(u,v)]V×V，其中，(u,v)表示该元素位于等效信道矩阵HOAM的第u行、第v列，下标V×V表示等效信道矩阵HOAM为V行V列的方阵。
(4)构建OAM通信***波束调相矩阵：观察OAM通信***等效信道矩阵HOAM的形式，发现等效信道矩阵HOAM中各元素hOAM(u,v)与接收端方位角θ及俯仰角α相关的项导致了HOAM不是一个对角阵，构建波束调相矩阵B，以消除等效信道矩阵HOAM中各元素hOAM(u,v)与接收端方位角θ及俯仰角α相关的项。相比于现有OAM通信***仅能利用发送端的俯仰角进行波束调相，本发明利用发送端的方位角及俯仰角确定了OAM通信***波束调相矩阵，能够实现发送端与接收端同时存在方位角及俯仰角时的波束调相，适用于更为一般的场景。
(5)对OAM通信***进行波束调相：在OAM通信***的接收端利用波束调相矩阵B进行波束调相，得到波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM。相比于现有OAM波束调相技术，本发明利用与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵在接收端进行波束调相，突破了现有技术仅能在发送端与接收端间存在俯仰角时进行波束调相的限制，实现了一般场景下OAM通信***等效信道矩阵的对角化。
(6)对OAM通信***进行接收信号检测：对波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM中的各元素进行泰勒展开，得到波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff，利用矩阵估计值Heff在接收端进行幅度检测，获得多模态OAM接收信号至此，完成轨道角动量无线通信***的信号接收。本发明给出了OAM通信***的接收信号检测方法，利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估值对接收信号进行幅度检测，弥补了OAM通信***接收信号检测方法领域的空白，此外，与迫零检测、最小均方差检测等传统检测算法相比，本发明所给出的幅度检测计算复杂度更低，这使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用成为可能。
本发明给出了轨道角动量无线通信***的信号接收方法的整体技术方案。
本发明的技术方案的思路是：利用均匀圆形天线阵列UCA构建OAM通信***，通过观察OAM通信***等效信道矩阵的形式构建波束调相矩阵，在接收端进行波束调相，以实现OAM通信***收发波束阵列的对准，随后，利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估值对接收信号进行幅度检测，以实现信号的准确接收。
本发明通过观察OAM通信***等效信道矩阵的形式，给出了与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵的表达式，提出了当发送端与接收端存在方位角及俯仰角时的波束调相方法，突破了现有技术仅能在发送端存在单一俯仰角时才能进行波束调相的局限性。此外，本发明给出了OAM通信***的接收信号检测方法，利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估值对接收信号进行幅度检测，实现了OAM通信***接收端的接收信号检测，同时，与传统迫零检测、最小均方差检测等检测算法相比，本发明所提出的幅度检测方法计算量更小、复杂度更低，使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用成为可能。
实施例2
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1，其中步骤(3)中所述的构建OAM通信***等效信道矩阵HOAM中的各元素hOAM(u,v)，通过如下公式计算：
其中,i为虚数单位,为常系数,β为信道衰落系数，N为收发端阵元数，Rr为接收端圆阵半径，Rt为发送端圆阵半径，k为发送信号所用子载波，q＝n-m，m为接收端圆阵的阵元序号，n为发送端圆阵的阵元序号，t＝lu-lv表示信号发送与信号接收所用模态的差值，lv为信号发送所用的模态，lu为信号接收所用的模态，(r,θ,α)为接收端圆心在Z-XOY坐标系中的坐标。
本发明给出了OAM通信***等效信道矩阵的定量表示，将传统通信***中的平面波信道转化为携带有轨道角动量的OAM信道，扩展了发送信号的调制方式，使收发端能够在同一频带同时传输多路信息，可以有效地解决频谱资源短缺的问题。
实施例3
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-2，其中步骤(4)中构建OAM通信***波束调相矩阵B，通过如下公式计算：
其中，b为OAM通信***波束调相矩阵的行向量， I为OAM通信***波束调相矩阵的N维全一列向量。
本发明通过OAM通信***等效信道矩阵的形式，给出了与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵，为发送波束与接收波束的正对准奠定了基础，也就是说利用本发明所提出的波束调相矩阵进行波束调相能够实现等效信道矩阵的对角化。本发明所提出的波束调相方法突破了现有技术仅能在发送端存在单一俯仰角时才能进行波束调相的局限性，实现了发送端与接收端间存在方位角及俯仰角情况下的波束调相，为一般性OAM通信***的信号接收奠定了基础。
实施例4
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-3，其中步骤(5)中所述的波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM是一个对角阵，其各对角线元素h′OAM(v,v)表示如下：
本发明通过在OAM通信***接收端利用波束调相矩阵进行波束调相，消除了等效信道矩阵中与发送端方位角及俯仰角有关的项，得到了波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵，实现了OAM通信***等效信道矩阵的对角化，也就是说发送波束与接收波束利用本发明所提方法进行波束经波束调相后实现了正对准，为后续OAM通信***接收端的信号检测奠定了基础。
实施例5
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-4，其中步骤(6)中所述的波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff为对角阵，其各对角线元素heff(v,v)表示如下：
其中，S为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的系数，τ为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的调节参数，τ＝min{|lv|,N-|lv|}。
本发明给出了OAM通信***的接收信号检测方法中等效信道矩阵估计值的定量计算，利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估值对接收信号进行幅度检测，弥补了OAM通信***接收信号检测方法领域的空白，此外，与迫零检测、最小均方差检测等传统检测算法相比，本发明所给出的幅度检测计算更加简单、复杂度更低，这使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用成为可能。
下面给出一个更加详细完整的例子，对本发明进一步说明：
实施例6
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-5，参照图1，本实施例的实现步骤如下：
步骤1，构建OAM通信***模型。
本实例中OAM通信***使用基于UCA的V维模态多路复用通信***。参照图2，由于结构简单且易于复用多种模态的涡旋电磁波，本发明中的OAM通信***采用阵元为N、半径分别为Rt和Rr的均匀圆形天线阵列UCA作为***的发送端与接收端，根据实际常用OAM通信***模型，收发天线阵元的个数N可取4，8，16等。发送端发送信息信号向量s(l)＝[s(l1),s(l2),…,s(lv),…,s(lV)]T，其中，s(lv)为利用不同模态发送的信息信号向量，且模态lv与收发端阵元数N间需满足关系：根据实际常用OAM通信***模型，收发信号所用模态lv可取0,±1,±2,±3等；在实际通信中，接收端与发送端的正对准很难实现，为便于分析，本发明考虑了发送端相对于接收端存在方位角及俯仰角的非平行错位情况为常规情况，因此，本发明沿用了OAM通信非平行错误模型。
步骤2，确定OAM通信***发送端圆心坐标。
参照图3，以发送端圆心为原点O，发送端UCA所在平面为X′OY′平面建立发送端第一坐标系Z′-X′OY′，以发送端圆心为原点O，与接收端UCA平行的平面为XOY平面建立发送端第二坐标系Z-XOY，以接收端圆心为原点接收端UCA所在平面为平面建立接收端坐标系发送端圆心在接收端坐标系中的坐标为其中r为发送端圆心与接收端圆心间的距离，为发送端的方位角，α为发送端的俯仰角，根据实际常用OAM通信***模型，r通常在视距范围内，与α的取值范围通常在[0°,10°]，由图2可知，∠BOC＝α，根据三余弦定理可知，X轴和X′轴间的夹角可表示为：
因此，接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY坐标系下的坐标为(r,θ,α)，即接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY中的方位角为θ，接收端圆心的俯仰角α与发送端圆心在接收端坐标系坐标系中的俯仰角相同，也就是收发端圆心在两处坐标系中的俯仰角相同。本发明在发送端与接收端共建立三个坐标系，其中两个位于发送端，另一个位于接收端。利用发送端第一坐标系与发送端第二坐标系间的夹角，基于三余弦定理确定了接收端圆心在发送端第二坐标系中的坐标，这使得收发端间的相对位置完全确定，换句话说本发明首次利用发送端的方位角及俯仰角准确描述了接收端相对于发送端的位置。
步骤3，构建OAM通信***等效信道矩阵。
将OAM通信***等效信道矩阵表示为：
HOAM＝FHFH, <1>
其中，F为OAM通信***的傅里叶矩阵，F＝[fH(l1),fH(l2),…,fH(lv),…,fH(lV)]H，lv为信号发送所用模态，H＝[hm,n]N×N为自由空间中射频信道衰落矩阵，H中的各元素hm,n表示为：
其中，i为虚数单位，β为自由空间射频信道衰落系数，k＝2πf/c为波数，f为所用频率，c为真空中的光速，dm,n为发送端UCA第n(1≤n≤N)个阵元与接收端UCA第m(1≤n≤N)个阵元间的距离，其表达式为：
本发明利用OAM通信***傅里叶矩阵构建了OAM通信***等效信道矩阵，将传统通信***中的平面波信道转化为携带有轨道角动量的OAM信道，扩展了发送信号的调制方式，使OAM通信***能够在同一频带同时发送多路信息。
步骤4，根据OAM通信***等效信道矩阵构建波束调相矩阵。
将公式<1>中等效信道矩阵HOAM中的各元素hOAM(u,v)表示为：
其中,为等效信道矩阵HOAM中的常系数,q＝n-m表示收发端阵元序号的差值,t＝lu-lv表示信号发送与信号接收所用模态的差值，lv为信号发送所用的模态，lu为信号接收所用的模态。
将公式<2>中最后一个求和项定义为:
显然，当α＝0,θ＝0,t＝0时，ζ(0,0,0)＝1，当α＝0,θ＝0,t≠0时，ζ(0,0,t)＝0，当α≠0或θ≠0时，ζ(α,θ,t)≠0。基于上述讨论，为确保等效信道矩阵HOAM中的非对角线元素恒为零，将波束调相矩阵设计为：
其中，b为OAM通信***波束调相矩阵的行向量， I为OAM通信***波束调相矩阵的N维全一列向量。观察公式<2>中OAM通信***等效信道矩阵的形式，本发明确定了导致等效信道矩阵为非对角阵的项，并以此为基础给出了与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵，为发送波束与接收波束的正对准奠定了基础，也就是说利用本发明所提出的波束调相矩阵进行波束调相能够实现等效信道矩阵的对角化。
步骤5，在接收端进行波束调相。
利用公式<3>在接收端进行波束调相，将OAM通信***波束调相后的等效信道矩阵表示为：
H′OAM＝(B⊙F)HFU；
其中，H′OAM为一个V×V的对角阵，各对角线元素h′OAM(v,v)表示为：
本发明通过在OAM通信***接收端利用波束调相矩阵进行波束调相，成功消除了等效信道矩阵中导致矩阵非对角化的项，得到了波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵，实现了OAM通信***发送波束与接收波束的正对准，解决了非对准情况下OAM通信***无法正常通信的问题，大大提高了非对准情况下OAM通信***的***可达速率与***容量，为OAM通信***的实际应用奠定了良好的基础。
步骤6，确定波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值。
根据泰勒展开式将公式<4>泰克展开，其表示为：
忽略公式<5>中的高阶无穷小项，将其近似表示为：
其中，S为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的系数，根据实际常用OAM通信***模型，S通常接近于0，τ为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的调节参数，τ＝min{|lv|,N-|lv|}，在实际OAM通信***中，τ的取值由发送信号所用模态lv及收发端阵元数N决定，利用公式<6>得到波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff。本发明利用泰勒展开，给出了OAM通信***的等效信道矩阵估计值的定量计算，为之后OAM通信***接收端的接收信号检测奠定了基础。
步骤7，对接收信号进行幅度检测。
当接收端完成波束调相后，接收端所需进行幅度检测的信号向量表示为:
y(l)＝(B⊙F)HFU·s(l)+n(l), <7>
其中，y(l)＝[y(l1),y(l2),…,y(lv),…,y(lV)]T为接收端所需进行幅度检测的不同模态的信号，n(l)为各模态下的附加噪声向量。
利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff直接对公式<7>进行幅度检测：
得到的即为接收信号的估计值。至此，可实现OAM通信***信号的准确接收。在实际OAM通信***中，接收信号的准确性与OAM通信***通信时所用的模态lv、***信噪比等因素相关，由于当涡旋电磁波的模态较高时，波在自由空间传播中的扩散较为严重，因此，为降低OAM通信***的误码率，OAM通信***通常采用0,±1,±2模态进行通信。本发明利用波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估值对接收信号进行幅度检测，在接收端成功地得到了发送信号的估计值，实现了OAM通信***发送信号的准确接收，弥补了OAM通信***接收信号检测方法领域的空白，此外，与迫零检测、最小均方差检测等传统检测算法相比，本发明所给出的幅度检测计算更加简单、复杂度更低，这使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用成为可能。
本发明给出了与发送端方位角及俯仰角相关的波束调相矩阵的表达式，成功实现了OAM通信***波束调相后等效信道矩阵的对角化，提供了OAM通信***中当发送端方位角与俯仰角为任意值时的波束调相的方法，与现有技术相比，本发明突破了现有技术仅能在发送端仅存在单一俯仰角时才能进行波束调相的局限性，能够在发送端相对于接收端存在方位角及俯仰角时进行波束调相，为一般情况下OAM通信***的波束调相提供了依据。此外，本发明提出一种在OAM通信***接收端利用等效信道的估计值进行幅度检测的方法，与传统的迫零检测、最小均方差检测等信号检测方法相比，本发明所提出的幅度检测方法计算量更小、实现更加简单，弥补了OAM通信***在信号接收与检测领域的空白，使得OAM通信***的实际应用成为可能。
下面通过仿真及其数据对本发明的技术效果进一步说明：
实施例7
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-6。
仿真条件：
取收发端UCA阵元个数N为9，发送信号所用子载波f＝9.024GHz，对应k＝189，信号发送与接收所用模态均为l＝-2,-1,…,0,…,2，发送端的方位角为7度，发送端的俯仰角α为7度。
仿真内容：
仿真1，在信噪比为[0dB,30dB]的条件下，利用本发明所提方案在接收端进行波束调相，OAM通信***的可达速率结果如图4所示，图4是在不同信噪比条件下利用本发明所提出的方法进行波束调相后***的容量。
图4中，横坐标为OAM通信***的接收端信噪比，纵坐标为OAM通信***的可达速率，位于下部的方框线为通信模态为5时非对准情况下OAM通信***未进行波束调相时的可达速率，位于下部的加号线为通信模态为4时非对准情况下OAM通信***未进行波束调相时的可达速率，位于上部的圆圈线为通信模态为5时正对准情况下OAM通信***的可达速率，位于上部的三角线为通信模态为4时正对准情况下OAM通信***的可达速率，位于上部的叉号线为通信模态为5时非对准情况下OAM通信***利用所提方法进行波束调相后的可达速率，位于上部的星号线为通信模态为4时非对准情况下OAM通信***利用所提方法进行波束调相后的可达速率。相比于图4下部的方框线与加号线，叉号线与星号线的可达速率明显上升且与圆圈线与三角线非常接近，这说明利用本发明所提方法对OAM通信***进行波束调相后，OAM通信***的可达速率在不同信噪比条件下均有明显提升，且已接近收发端正对准情况下的OAM通信***可达速率，证明了本发明所提波束调相方法的有效性。利用本发明进行波束调相能够很好的解决OAM通信***收发端波束对准的问题。
实施例8
轨道角动量无线通信***的信号接收方法同实施例1-6，仿真条件同实施例7。
仿真2，在信噪比为[0dB,30dB]的条件下，利用所提方案在接收端进行信号检测，OAM通信***接收信号的误码率如图5所示，图5是在不同信噪比条件下利用本发明所提出的方法进行信号接收的误码率。
图5中，横坐标为OAM通信***的接收端信噪比，纵坐标为OAM通信***的误码率，星号线为正对准情况下OAM通信***利用5个模态进行通信时的误码率，加号线为正对准情况下OAM通信***利用4个模态进行通信时的误码率，方框线为非正对准情况下利用5个模态进行通信的OAM通信***利用本发明所提方法进行波束调相及接收信号检测后接收端的误码率，圆圈线为非正对准情况下利用4个模态进行通信的OAM通信***利用本发明所提方法进行波束调相及接收信号检测后接收端的误码率。由图5可见，星号线与方框线几乎重合，加号线与圆圈线在低信噪比情况下差距非常小，在高信噪比条件下也趋近重合，这说明利用本发明所提波束调相方法对OAM通信***进行波束调相后，***的误码率与收发端正对准情况下OAM通信***的误码率非常接近，证明了本发明所提波束调相方法的有效性。同时，星号线、方框线、加号线、圆圈线在0dB时均小于0.1且随着横坐标的增加而不断降低，这说明OAM通信***的误码率在低信噪比条件下保持在一个较低数值，且误码率随信噪比的增加而不断下降，当信噪比为30dB时，OAM通信***的误码率已达到10-2，可见，利用本发明所提方法进行接收信号检测能够在接收端准确还原发送信号，实现了OAM通信***的准确通信。
综上，本发明公开的一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，解决了现有技术无法直接对收发端未对准情况下的OAM通信***进行信号接收的问题。实现方案是：构建OAM通信***模型；确定接收端圆心的坐标；构建OAM通信***等效信道矩阵；构建OAM通信***波束调相矩阵并在接收端进行波束调相；对OAM通信***进行接收信号检测，获得多模态OAM接收信号。本发明首次给出了OAM通信***发送端方位角及俯仰角共存时的波束调相方法，并首次提出了基于幅度检测的OAM通信***接收信号检测方法。本发明能够消除收发端未对准情况下OAM信道的模间干扰，实现OAM通信***信号信息的准确接收，可用于轨道角动量无线通信。

Claims (5)

1.一种轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)构建OAM通信***模型：利用两个半径分别为Rt和Rr的均匀圆阵作为OAM通信***的发送端与接收端，在发送端以发送端圆心为原点、发送阵列所在平面为X′OY′平面建立发送端第一坐标系Z′-X′OY′；在接收端以接收端圆心为原点、接收阵列所在平面为平面建立接收端坐标系将发送端圆心在接收端坐标系中的坐标表示为其中r为发送端圆心与接收端圆心间的距离，为发送端的方位角，α为发送端的俯仰角；发送端发送信息信号向量s(l)
s(l)＝[s(l1)，s(l2)，…，s(lv)，…，s(lV)]T，
其中，s(lv)为利用不同模态发送的信息信号；
(2)确定接收端圆心的坐标：在发送端以发送端圆心为原点、平行于接收阵列的平面为XOY建立发送端第二坐标系Z-XOY，根据发送端与接收端坐标系间的角度关系，将接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY坐标系中的坐标表示为(r，θ，α)，其中θ为X轴与X′轴间的夹角，即接收端圆心在坐标系Z-XOY中的方位角；
(3)构建OAM通信***等效信道矩阵：利用接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY中的坐标(r，θ，α)，构建OAM通信***等效信道矩阵HOAM＝[hOAM(u，v)]V×V，其中，(u，v)表示该元素位于等效信道矩阵HOAM的第u行、第v列，下标V×V表示等效信道矩阵HOAM为V行V列的方阵；
(4)构建OAM通信***波束调相矩阵：构建波束调相矩阵B，以消除等效信道矩阵HOAM中各元素hOAM(u，v)与接收端方位角θ及俯仰角α相关的项；
(5)对OAM通信***进行波束调相：在OAM通信***的接收端利用波束调相矩阵B进行波束调相，得到波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM；
(6)对OAM通信***进行接收信号检测：对波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM中的各元素进行泰勒展开，得到波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff，利用矩阵估计值Heff在接收端进行幅度检测，获得多模态OAM接收信号
2.根据权利要求1所述的轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其中步骤(3)中所述的构建OAM通信***等效信道矩阵HOAM中的各元素hOAM(u，v)，通过如下公式计算：
其中，i为虚数单位，为常系数，β为信道衰落系数，N为收发端阵元数，Rr和Rt分别为收发端圆阵半径，k为发送信号所用子载波，q＝n-m，m，n分别为收发端圆阵的阵元序号，t＝lu-lv表示信号发送与信号接收所用模态的差值，lv为信号发送所用的模态，lu为信号接收所用的模态，(r，θ，α)为接收端圆心在发送端第二坐标系Z-XOY中的坐标。
3.根据权利要求1所述的轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其中步骤(4)中所述的构建OAM通信***波束调相矩阵B，通过如下公式计算：
其中，b为OAM通信***波束调相矩阵的行向量， I为OAM通信***波束调相矩阵的N维全一列向量。
4.根据权利要求1所述的轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其中步骤(5)中所述的波束调相后OAM通信***的等效信道矩阵H′OAM是一个对角阵，其各对角线元素h′OAM(v，v)表示如下：
5.根据权利要求1所述的轨道角动量无线通信***的信号接收方法，其中步骤(6)中所述的波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff为对角阵，其各对角线元素heff(v，v)表示如下：
其中，S为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的系数，τ为波束调相后OAM通信***等效信道矩阵的估计值Heff的调节参数，τ＝min{|lv|，N-|lv|}。
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