CN111133698A - Oam多路复用通信***和oam多路复用通信方法 - Google Patents

Oam多路复用通信***和oam多路复用通信方法 Download PDF

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Abstract

一种OAM多路复用通信***，使用OAM模式作为旋转方向的维度中的基础，对多个信号序列进行多路复用传输，发送站包含发送天线和进行多路复用传输的单元，所述发送天线使用M‑UCA，M‑UCA是将UCA等间距地配置成同心圆状而得的多个UCA，UCA是将多个天线元件等间隔地配置成圆形而得；进行多路复用传输的单元在以多个UCA的中心为原点的极坐标系中的、旋转方向和直径方向的各维度上分别执行基础变换，并且按照各维度的由不同基础的组合形成的复合模式，对多个信号序列进行多路复用传输。接收站包括接收天线和进行分离的单元，接收天线使用了M‑UCA，M‑UCA包含将UCA配置成同心圆状的多个UCA，进行分离的单元接收从发送站被多路复用传输来的信号，从该接收信号在旋转方向和直径方向的各维度上分别进行基础变换，并对进行了多路复用传输的多个信号序列进行分离。

Description

OAM多路复用通信***和OAM多路复用通信方法
技术领域
本发明涉及一种使用电磁波的轨道角动量(OAM：Orbital Angular Momentum)对无线信号进行空间多路复用传输的OAM多路复用通信***和OAM多路复用通信方法。
背景技术
近年来，为了提高传输容量，已经报告了使用OAM的无线信号的空间多路复用传输技术。具有OAM的电磁波的等相位面以传播轴为中心沿着传播方向呈螺旋状分布。由于具有不同的OAM模式并且在相同方向上传播的电磁波在旋转方向上空间相位分布正交，因此通过在接收站对由不同信号序列调制而得的各OAM模式信号进行分离，能够对信号进行多路复用传输。
迄今为止，通过利用相位板将从多个喇叭天线辐射的射束转换并同轴多路复用到彼各自不同的OAM模式来进行发送，成功地同轴多路复用信号(非专利文献1)。另外，还报告有：通过使用将多个天线元件以等间距配置成圆形的等间距圆形阵列天线(UCA：均匀圆形阵列)，生成并合成多个OAM模式并进行发送，由此进行不同信号序列的空间多路复用传输(非专利文献2)。这里，OAM模式n的信号是将UCA的各个天线元件的相位设定为旋转n圈(n×360度)而产生的。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：J.Wang等人，“Terabit free-space data transmissionemploying orbital angular momentum multiplexing”，Nature Photonics(自然光子学)，第6期，第488-496页，2012年7月。
非专利文件2：Z.Li,Y.Ohashi,K.Kasai,“A dual-channel wirelesscommunication system by multiplexing twisted radio wave”，Proceedings of 44thEuropean Microwave Conference(第44届欧洲微波会议论文集)，第235-238页，2014年10月。
发明内容
发明所要解决的问题
但是，使用UCA生成的OAM仅使用极坐标系中旋转方向(周向)的维度的正交性，难以在射束传输中最大限度地灵活利用平面(二维)空间资源。另一方面，当使用由大量二维布置的天线元件构成的阵列天线来执行基于MIMO信号处理的空间多路复用传输时，尽管得到了较高的资源利用率，但是用于确保独立传输路径的信号处理和权重乘法需要大量计算。
通常的使用了阵列天线的MIMO发送中的接收符号向量y能够使用传播信道矩阵H和发送符号向量s如式(1)那样表示。此外，为了简便起见，省略了噪声项。
[数式1]
y＝Hs
Figure BDA0002423808590000021
这里，NTX和NRX分别是发送天线元件的数量和接收天线元件数量。此时，H能够通过执行奇异值分离而如式(2)那样分离。
[数式2]
H＝U∑VH
Figure BDA0002423808590000022
这里，Σ(x，y)表示矩阵Σ的x行y列分量。另外，如果q＝min(NRX，NTX)，则U和V分别为NRX×NRX和NTX×NTX的矩阵，Σ是NRX×NTX的矩阵。
由上可知，通过对接收侧乘以UH、对发送侧乘以V权重，形成正交的MIMO信道，如式(3)所示。
[数式3]
r＝UHHVs＝∑s…(3)
但是，实现这些所需的诸如混频器、DA转换器和AD转换器等的设备的数量与天线元件的数量成比例地增加，并且信道估计等的数字信号处理所需的运算量根据天线元件的数量指数地增加。另外，必须对每个子载波执行那些数字信号处理，并且当使用获得的CSI信息进行数字通信时，需要进行基于特征值的数量和阶数等的庞大的计算，在实现超高速无线传输的基础上，必须减少这些设备的数量和运算量。
本发明的目的在于，提供以下OAM多路复用通信***和OAM多路复用通信方法，能够使用将多个UCA配置成同心圆状而得到的M(Multi)-UCA，除了以在极坐标系中的旋转方向的维度上具有正交性的OAM模式之外，还针对每个OAM模式在直径方向的维度上生成一个以上的OAM模式，并且与以往相比能够以较少的设备数量和运算量来生成大量的复合模式。
解决问题的手段
本发明的第一方式是一种OAM多路复用通信***，使用轨道角动量(以下称为OAM)模式作为旋转方向的维度中的基础，对多个信号序列进行多路复用传输，发送站包含发送天线和进行多路复用传输的单元，所述发送天线使用M-UCA，所述M-UCA包含将UCA等间距地配置成同心圆状而得的多个UCA，所述UCA是将多个天线元件等间隔地配置成圆形而得；所述进行多路复用传输的单元在以多个UCA的中心为原点的极坐标系中的、旋转方向和直径方向的各维度上分别执行基础变换，并且按照各维度的由不同基础的组合形成的复合模式，对多个信号序列进行多路复用传输。接收站包括接收天线和进行分离的单元，所述接收天线使用了M-UCA，所述M-UCA包含将UCA配置成同心圆状的多个UCA；所述进行分离的单元接收从发送站被多路复用传输来的信号，并对进行了多路复用传输的多个信号序列进行分离。
也可以是，接收站包括以下单元：使用从发送站发送的已知的参考信号，估计发送天线与接收天线之间的信道信息，并从该信道信息转换为用于在旋转方向和直径方向的维度上进行基础变换的发送权重和接收权重，发送站包括：权重乘法运算单元，用于将多个信号序列与从接收站反馈的所述发送权重相乘，以进行直径方向的维度的基础变换；以及OAM模式生成单元，分别生成从多个UCA发送的OAM模式的信号，接收站包括：OAM模式分离单元，从多个UCA的接收信号分别分离OAM模式的信号；以及权重乘法运算单元，将OAM模式信号与接收权重相乘，进行直径方向的维度的基础变换。
也可以是，发送站是以下构成：具有根据发送天线与接收天线的天线间的距离来预先确定要相乘的发送权重的函数或表，对于按照每个要使用的OAM模式进行多路复用的一个以上的信号序列，乘以不同的发送权重，并按照每个UCA进行基础变换，接收站是以下构成：按照每个UCA进行基础变换，将按照每个OAM模式而不同的一个以上的信号序列乘以与在发送站中使用的发送权重相对应的接收权重，并使用规定的均衡算法对被多路复用传输的所述多个信号序列进行分离。
也可以是，发送站是以下构成：根据天线之间的距离从正交分布函数确定发送权重，接收站是以下构成：根据天线之间的距离从在发送站中使用的正交分布函数来确定接收权重。
也可以是，发送站和所述接收站包括以下单元：基于能够使用的复合模式的接收信号的质量，来确定发送权重以及接收权重与正交基础的组合，并确定复合模式的发送功率和调制方式。
本发明第二方式是一种OAM多路复用通信方法，使用轨道角动量模式作为旋转方向的维度中的基础，对多个信号序列进行多路复用传输，发送站使用M-UCA，所述M-UCA包含将UCA等间距地配置成同心圆状而得的多个UCA，所述UCA是将多个天线元件等间隔地配置成圆形而得，在以多个UCA的中心为原点的极坐标系中的、旋转方向和直径方向的各维度上分别执行基础变换，并且按照各维度的由不同基础的组合形成的复合模式，对多个信号序列进行多路复用传输。接收站使用了M-UCA，接收从发送站被多路复用传输来的信号，并对进行了多路复用传输的多个信号序列进行分离，所述M-UCA包含将UCA配置成同心圆状的多个UCA。
也可以是，接收站使用从发送站发送的已知的参考信号，估计发送天线与接收天线之间的信道信息，并从根据该信道信息转换为用于在旋转方向和直径方向的维度上进行基础变换的发送权重和接收权重，发送站将多个信号序列与从接收站反馈的所述发送权重相乘，以进行直径方向的维度的基础变换，分别生成从多个UCA发送的OAM模式的信号，接收站从多个UCA的接收信号分别分离OAM模式的信号，将OAM模式信号与接收权重相乘，进行直径方向的维度的基础变换。
也可以是，发送站具有根据发送天线与接收天线的天线间的距离来预先确定要相乘的发送权重的函数或表，对于按照每个要使用的OAM模式进行多路复用的一个以上的信号序列，乘以不同的发送权重，并按照每个UCA进行基础变换，接收站按照每个UCA进行基础变换，将按照每个OAM模式而不同的一个以上的信号序列乘以与在发送站中使用的发送权重相对应的接收权重，并使用规定的均衡算法对被多路复用传输的所述多个信号序列进行分离。
也可以是，发送站根据天线之间的距离从正交分布函数确定发送权重，接收站根据天线之间的距离从在发送站中使用的正交分布函数来确定接收权重。
也可以是，发送站和接收站基于能够使用的复合模式的接收信号的质量，来确定发送权重以及接收权重与正交基础的组合，并确定复合模式的发送功率和调制方式。
发明效果
本发明使用M-UCA在极坐标系中的旋转方向的维度中通过利用了傅立叶级数的基础变换来生成OAM模式，然后在直径方向的维度上分别计算出与旋转方向的各基础向量相对应的多个复合模式，由此使用由旋转方向和直径方向上不同基础的组合表示的独立传输路径对信号进行多路复用传输，由此，与以往相比，能够以低运算量进行信号的多路复用传输。
附图说明
图1是示出本发明的OAM多路复用通信***的M-UCA的结构示例的图；
图2是示出本发明的OAM多路复用通信***的实施例1的结构的图；
图3是示出实施例1中的OAM多路复用通信方法的处理步骤的一例的图；
图4是示出本发明的OAM多路复用通信***的实施例2的结构的图；
图5是示出本发明的OAM多路复用通信***的实施例5的结构的图；
图6是示出实施例5中的OAM多路复用通信方法的处理步骤的一例的图；
图7是示出本发明的OAM多路复用通信***的实施例6的结构的图；
图8是示出8×8巴特勒矩阵的一个示例的图；
图9是示出4×8巴特勒矩阵的一个示例的图。
具体实施方式
图1示出了本发明的OAM多路复用通信***的M-UCA的结构例。
在图1中，M-UCA是将多个UCA同心圆状地配置的结构。这里，示出了配置有半径彼此不同的四个UCA的结构，从内侧的UCA开始，依次为第一UCA、第二UCA、第三UCA和第四UCA。尽管示例中每个UCA都包含16个元件的天线元件(图中用●表示)，但是各UCA的天线元件的数量不必一定相同。构成M-UCA的天线元件可以是任何其他形式，例如喇叭天线或接线天线等。
本发明的特点在于，基于M-UCA的天线结构以及与其相伴的运算处理方法，尤其是，在M-UCA的直径方向和旋转方向的各维度上进行基础变换，例如使用傅立叶级数作为旋转方向上的正交基。
(实施例1)
图2示出了本发明的OAM多路复用通信***的实施例1的结构。
在图2中，发送站10包括：为多个的MTX个的第一UCA 15-1～第MTXUCA 15-MTX，并将各自的发送天线元件的数量设为NTX(1)～NTX(MTX)。信号处理部11被输入发送信号序列，并生成要以OAM模式#1～#L发送的M1～ML个信号。发送权重乘法运算处理部12将由信号处理部11生成的各个信号乘以发送权重，生成从各UCA以OAM模式#1～#L发送的信号。第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX分别输入要以OAM模式#1～#L发送的信号，进行相位调整以从各UCA分别作为OAM模式#1～#L的信号来发送，并输入至各UCA的天线元件。
接收站20包括为多个的MRX个的第一UCA 21-1～第MRXUCA 21-MRX，并将各个接收天线元件的数量设为NRX(1)～NRX(MRX)。第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX从分别由第一UCA 21-1～第MRXUCA 21-MRX接收的信号中分离出OAM模式#1～#L的信号。接收权重乘法运算处理部23输入按照每个UCA分离出的OAM模式#1～#L的信号，分别乘以接收权重，分离出由各UCA接收到的相同OAM模式的信号，并作为M1～ML个信号输出。信号处理部25对在各UCA和以各OAM模式接收到的信号进行解调，并输出接收信号序列。
此外，接收站20具有信道估计/奇异值分离处理部26，用于根据第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX的输出信号来估计各个信号序列的信道信息。信道估计/奇异值分离处理部26在接收权重乘法运算处理部23中设定估计出的信道信息，并且经由信道信息反馈部27在发送站10的发送权重乘法运算处理部12中设定估计出的信道信息，并且，还对信号处理部11设置按照每种OAM模式的多路复用数M1～ML。
发送权重乘法运算处理部12、接收权重乘法运算处理部23、第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX、第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX可以是数字信号处理和模拟信号处理的某一个，并且根据各处理方法DA转换器或AD转换器配置在适当的位置。此外，发送站10的第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX、以及接收站20的第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX，在相同的旋转方向上顺序连接到分别对应的UCA的天线元件上。
图3是第一实施例中的OAM多路复用通信方法的处理步骤的示例。
在图3中，发送站10发送已知的参考信号，接收站20根据该参考信号进行信道估计处理，通过奇异值分解处理获得必要的信道信息，并将其反馈给发送站。发送站10使用反馈的信道信息来确定多路复用数/传输模式，执行发送权重乘法运算处理，生成OAM模式的信号并执行OAM多路复用传输。接收站20进行针对每个UCA接收到的OAM模式的信号的分离处理，进一步执行接收权重乘法运算处理，进行由多个UCA接收到的相同OAM模式间的分离，并作为接收信号输出。另外，也可以是从接收站20向发送站10发送已知信号、在发送站10中进行信道估计的构成。无论是哪种情况，只要是从信道信息分别得到在发送站10和接收站20中要相乘的权重的构成即可。
以下，对本发明的工作原理进行说明。
发送天线由为多个的MTX个的第一UCA 15-1～第MTXUCA 15-MTX构成，将各个发送天线元件的数量设为NTX(1)～NTX(MTX)，接收天线由为多个的MRX个的第一UCA 21-1～第MRXUCA21-MRX构成，将各个接收天线元件的数量设为NRX(1)～NRX(MRX)，则传播信道矩阵H可由下式(4)表示。
[数式4]
Figure BDA0002423808590000081
此外，部分信道矩阵hm,n(m＝1、2、……、MRX，n＝1、2、……、MTX)是NRX(m)×NTX(n)的矩阵，是第m接收UCA 21-m和第n发送UCA 15-n之间的传播信道。
由于将发送天线和接收天线的正面对置地配置来生成以传播轴为中心的旋转对称性，所以在这些天线之间生成的信道矩阵成为循环矩阵。因此根据循环矩阵的性质，各UCA间的传播通道hm,n能够使用离散傅里叶变换(DFT：Discrete Fourier Transform)矩阵DN∈CN*N，如下述那样进行奇异值分解。
[数式5]
Figure BDA0002423808590000091
Figure BDA0002423808590000092
这里，
Figure BDA0002423808590000093
Figure BDA0002423808590000094
另外，在式(5)和(6)中使用的x和y分别表示矩阵∑和矩阵D的行和列的索引。矩阵或向量的索引之后进行同样的描述。另外，l(x)是与DFT矩阵的x行的本征向量对应的旋转方向上的维度的模式值，表示OAM模式。
此时，根据式(5)，各UCA间的传播信道所具有的奇异值的数量为min[NRX(m)，NTX(n)]个。因而，第m接收UCA 21-m和第n发送UCA 15-n之间的传播信道如式(7)所示正交，能够确保min[NRX(m)，NTX(n)]个独立的传输路径。
[数式6]
Figure BDA0002423808590000095
该式(7)表示OAM模式生成/分离处理，是与离散傅里叶变换和逆变换相当的处理。
接下来，假设L＝min(NRX，NTX)，则如式(8)那样形成包含OAM模式生成/分离处理的信道响应Λ。
[数式7]
Figure BDA0002423808590000101
在此，Hl(x),l(y)是OAM模式l(x)和l(y)之间的信道，用式(9)表示。
[数式8]
Figure BDA0002423808590000102
Figure BDA0002423808590000103
针对如此得到的信道响应Λ，如式(10)那样进行奇异值分解，如式(11)所示在发送站中将对应的左奇异向量设为发送权重，在接收站中将对应的右奇异向量设为发送权重，进行权重乘法运算处理，如果P＝min(MRX，MTX)，则能够针对L个OAM模式的每一个分别确保P个独立的传输路径。
[数式9]
Λ＝U∑′VH
Figure BDA0002423808590000104
∑′＝UHΛV …(11)
这里，假设实际使用的OAM模式的数量是Luse(≤L)，则式(9)的元素Hl(x),l(y)限于实际使用的OAM模式的组合。因此，只要在发送站进行基于NTX个L点离散傅里叶变换、在接收站进行基于NRX个L点离散傅里叶变换等的OAM模式生成/分离处理以及(Luse×MRX)×(Luse×MTX)矩阵的奇异值分解处理即可，除了Luse×MRX＝ΣnMRX(m)并且Luse×MTX＝ΣmMTX(n)的情况以外，与以往的MIMO相比可以减少运算量。
此外，当通过巴特勒矩阵等的模拟电路执行OAM模式生成/分离处理时，与需要与天线数量成比例的数目的混频器、DA转换器和AD转换器等设备的以往MIMO不同，通过限制所使用的OAM模式的数量，能够容易地减少混频器、DA转换器和AD转换器等设备的数量。
从上述所有信道获得的独立的复合模式数最多为L×P个。
此外，从这些复合模式中，根据在预先假定的设置环境中所获得的特征值的大小、所需的并行传输数等，可以任意地确定要使用的复合模式。
当要发送的数据到达发送站时，执行图3所示的OAM多路复用通信方法中的处理步骤。此外，在传播信道是同等期间，不执行基于奇异值分解处理的权重计算，对于要相乘的权重可以使用过去的值。
下面，示出具体示例。
收发天线设为具有表1所示参数的M-UCA，并且将收发天线彼此对置地配置，使得传播轴垂直于天线表面且穿过所有UCA的中心。这里，为了简便，表1的参数是收发天线共用的。
[表1]
天线的UCA数(M<sub>TX</sub>，M<sub>RX</sub>) 4
UCA的天线元件数量(N<sub>TX</sub>，N<sub>RX</sub>) 16，16，16，16
UCA的直径[m] 0.1，0.2，0.3，0.4
对应频率[GHz] 28
收发天线间距[m] 10
另外，在本实施例中使用的OAM模式被设为-2、-1、0、1和2这五个模式。在该方法中，首先，作为前期准备，为了确定在收发站的权重乘法运算处理中相乘的权重向量，针对通过将M-UCA对置配置而形成的信道(式(4))，在收发站中执行式(5)所示的OAM模式生成/分离处理，由此获得式(8)所示的等效信道矩阵Λ(20×20)。
接着，如式(10)所示，通过对其进行奇异值分解而得到左右奇异矩阵(20×20矩阵)后，将右奇异矩阵反馈给发送站。
接着，发送信号序列被划分为进行多路复用的复合模式的数量(S/P变换)，并分别进行调制。进而，针对调制后的信号，基于图3所示的处理步骤进行在上述的预处理中获得的右奇异矩阵的权重乘法运算、以及OAM模式生成处理，在通过DAC转换成模拟信号之后，向各天线元件供电。
在接收站中，针对由各天线元件接收到的信号通过ADC转换为数字信号，之后根据图3所示的处理步骤执行OAM模式分离处理以及在上述预处理中获得的左奇异矩阵的权重乘法运算。进而，在对获得的信号进行解调之后，在发送侧将针对各复合模式划分的信号进行组合(P/S转换)，获得接收信号序列。
此外，在本实施例中，例如，当使用如OFDM方式的多载波传输方式时，可以按照每个子载波根据本实施例进行信道估计和奇异值分解等，根据要使用的传输方式对时间或频率方向的维度进行扩展来执行处理。
此外，当存在收发天线位置从正面对置状态的偏差、或者由于其他***的信号和多路径等而导致的干扰时，针对均衡权重，代替左奇异矩阵，优选使用MMSE(minimum meansquare error，最小均方误差)算法或ZF(zero forcing，迫零)算法等的均衡算法获得的权重来执行适当的均衡处理。
(实施例2)
图4示出了本发明的OAM多路复用通信***的实施例2的结构。
在图4中，发送站10包括：为多个的MTX个的第一UCA 15-1～第MTXUCA 15-MTX，并将各发送天线元件的数量设为NTX(1)～NTX(MTX)。信号处理部11被输入发送信号序列，并生成要以OAM模式#1～#L分别发送的M1～ML个信号，输入至第一发送权重乘法运算处理部12-1～第L发送权重乘法运算处理部12-L。第一发送权重乘法运算处理部12-1将要以OAM模式#1发送的信号乘以发送权重，并且生成要从各UCA以OAM模式#1发送的信号，分别输入到第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX。同样，第L发送权重乘法运算处理部12-L将要以OAM模式#L发送的信号乘以发送权重，并且生成要从各UCA以OAM模式#L发送的信号，分别输入到第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX。第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX分别输入要以OAM模式#1～#L发送的信号，并且进行调整相位以从各UCA分别作为OAM模式#1～#L的信号来发送，并输入至各UCA的天线元件。
接收站20包括为多个的MRX个的第一UCA 21-1～第MRXUCA 21-MRX，并将各个接收天线元件的数量设置为NRX(1)～NRX(MRX)。第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX分别从以各UCA接收的信号中分离出OAM模式#1～#L的信号，并按照每个OAM模式输入至第一接收权重乘法运算处理部24-1～第L接收权重乘法运算处理部24-ML。第一接收权重乘法运算处理部24-1输入由各UCA接收到的OAM模式#1的信号，乘以接收权重后分离，并作为M1个信号输出。同样，第L接收权重乘法运算处理部24-ML输入由各UCA接收到的OAM模式#L的信号，乘以接收权重后分离，并作为ML个信号输出。信号处理部25对各UCA和由各OAM模式接收到的信号进行解调，并输出接收信号序列。
并且，接收站20具有信道估计/奇异值分解处理部26，用于从第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX的输出信号来估计各个信号序列的信道信息。信道估计/奇异值分解处理部26将估计出的信道信息设定在第一接收权重乘法运算处理部24-1～第L接收权重乘法运算处理部24-ML中，并且经由信道信息反馈部27将估计出的信道信息设定在发送站10的第一发送权重乘法运算处理部13-1～第L发送权重乘法运算处理部13-ML中，并且，还针对信号处理部11设置每个OAM模式的多路复用数M1～ML。
实施例2的特点在于，针对每个OAM模式并行地执行发送权重乘法运算处理和接收权重乘法运算处理。
由于在OAM模式生成处理部和OAM模式分离处理部生成/分离分别不同OAM模式的信号，因此在构成式(8)所示的包含OAM模式生成/分离处理的等效信道Λ的OAM模式之间的信道Hl(x),l(y)中，能够将不同的OAM模式间(x≠y)的信道近似为0矩阵，获得式(12)所示的块对角矩阵。
[数式10]
Figure BDA0002423808590000141
在此，如果将相同的OAM模式(x＝y)间的信道重新定义为Hl(k)＝Hl(k),l(k)(k＝1、2、……、L)，则针对L个独立信道响应H1(k)如式(13)所示进行奇异值分解，如式(14)所示在发送站和接收站中进行将分别对应的左奇异向量和右奇异向量设为权重的权重乘法运算处理，由此如果P＝min(MRX，MTX)，则针对L个OAM模式的每一个能够分别确保P个独立的传输路径。
[数式11]
Hl(k)＝Ul(k)∑′l(k)Vl(k) H
Figure BDA0002423808590000142
∑′l＝UH lHlVl …(14)
在此，当假设实际使用的OAM模式的数量是Luse(≤L)，只要执行在发送站进行基于NTX个L点离散傅里叶变换、在接收站进行基于NRX个L点离散傅里叶变换等的OAM模式生成/分离处理以及Luse次的(MRX×MTX)矩阵的奇异值分解处理即可，与以往的MIMO及实施例1相比，能够大幅度地减少运算量。
并且，当通过巴特勒矩阵等的模拟电路执行OAM模式生成/分离处理时，与需要与天线数量成比例的数目的混频器、DA转换器和AD转换器等设备的以往MIMO不同，通过限制所使用的OAM模式的数量，能够容易地减少混频器、DA转换器和AD转换器等设备的数量。
从上述所有信道获得的独立复合模式数最多为L×P个。
此外，从这些复合模式中，根据在预先假定的设置环境中所获得的特征值的大小、所需的并行传输数等，可以任意地确定要使用的复合模式。
当要发送的数据到达发送站时，执行图3所示的OAM多路复用通信方法中的处理步骤。此外，在传播信道是同等的期间，不执行基于奇异值分解处理的权重计算，对于要相乘的权重可以使用过去的值。
与实施例1一样，收发天线设为具有表1所示参数的M-UCA，并且将收发天线彼此对置地配置，使得传播轴垂直于天线表面并穿过所有的UCA的中心。这里，为了简便，表1的参数是收发天线共有的。
另外，在本实施例中使用的OAM模式是-8、-7、……、6、7这16种模式。在该方法中，首先，作为前期准备，为了确定在收发站的权重乘法运算处理中相乘的权重向量，针对通过将M-UCA对置配置而形成的信道(式(4))，在收发站中执行式(5)所示的OAM模式生成/分离处理，由此获得式(9)所示的OAM模式间的信道中的、相同OAM模式l之间的信道矩阵Hl(4×4)。
接下来，对其如式(13)所示执行奇异值分解来获得左右奇异矩阵(16个4×4矩阵)之后，将右奇异矩阵反馈给发送器。表2中示出了当以表1的参数设置天线时、与旋转方向和直径方向的维度的组合相对应的特征值。
[表2]
Figure BDA0002423808590000161
接着，将发送信号序列划分为进行多路复用的复合模式的数量(S/P变换)，并分别进行调制。进而，针对调制后的信号，基于图3所示的处理步骤进行在上述的预处理中获得的右奇异矩阵的权重乘法运算以及OAM模式生成处理，在通过DAC转换成模拟信号之后，对各天线元件供电。
在接收站，针对各天线元件接收到的信号，通过ADC转换为数字信号，之后根据图3所示的处理步骤执行OAM模式分离处理以及在上述预处理中获得的左奇异矩阵的权重乘法运算。并且，在对获得的信号进行解调之后，将在发送侧针对各复合模式分割而成的信号进行组合(P/S转换)，获得接收信号序列。
此外，在本实施例中，例如，当使用如OFDM(正交频分多路复用技术，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)这样的多载波传输方式时，可以按照每个子载波根据本实施例进行信道估计和奇异值分解等，根据要使用的传输方式对时间或频率方向的维度进行扩展来执行处理。
此外，当存在收发天线位置从正面对置状态的偏差、或者由于其他***的信号和多路径等而导致的干扰时，针对均衡处理，代替左奇异矩阵，优选使用MMSE(minimum meansquare error，最小均方误差)算法或ZF(zero forcing，迫零)算法等的均衡算法获得的权重来执行适当的均衡处理。
(实施例3)
在实施例3中，当对发送信号序列进行S/P转换并调制时，使用复合模式的特征值，使用注水定理等执行要使用的复合模式、分配给它们的功率控制，并且执行自适应调制、信道编码。
表3示出了使用注水定理执行复合模式选择和功率分配时的功率。此外，将旋转方向和直径方向的维度模式的组合为[0，0]时的功率标准化为1。表3中示出，当使用表1中的参数来设置收发天线并应用注水定理时，使用图中粗框中的复合模式。
[表3]
Figure BDA0002423808590000171
通过表2和表3，获得要分配给所使用的每种复合模式的接收功率，因此，根据考虑到在收发站重叠的噪声的、每种模式的接收SNR自适应地选择调制方式、编码方式，由此，与实施例1相比，能够确保较高的传输容量。
(实施例4)
在实施例4中，预先准备与天线之间的距离相对应的利用复合模式、在收发站进行相乘的权重、功率分配表或函数等。
当唯一地确定了天线结构时，天线之间的信道以及这些的特征值根据天线之间的距离唯一地确定。即，在实施例4中，在不需要信道信息的估计以及反馈的情况下，获取天线之间的距离的信息，由此能够基于预先创建的所述表或函数等来确定使用复合模式和功率分配。
(实施例5)
图5示出了本发明的OAM多路复用通信***的实施例5的结构。
在图5中，代替图2所示的实施例1的接收站20的信道估计/奇异值分解处理部26以及反馈部27，而在实施例5中具有权重计算处理部28。权重计算处理部28根据第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX的输出信号执行信道估计和权重计算，并将它们设置在接收权重乘法运算处理部23中。
图6是实施例5中的OAM多路复用通信方法的处理步骤的一个例子。
在图6中，发送站10使用规定的信道信息来确定多路复用数/传输模式进行权重乘法运算处理，并生成OAM模式信号而进行OAM多路复用传输。接收站20对接收到的OAM模式信号进行分离处理，执行信道估计和权重计算，并执行权重乘法运算处理，将其作为接收信号输出。
实施例5的工作原理与实施例1的工作原理基本相同，除了对由式(8)获得的信道响应Λ乘以由预定的发送权重向量形成的发送权重矩阵v，获得如下式(15)那样的信号。
[数式12]
y＝ΛVs…(15)
这里，s是信号向量。最后，针对所获得的接收信号向量y，通过预定的接收权重矩阵U、或者使用MMSE(minimum mean square error，最小均方误差)算法或ZF(zeroforcing，迫零)算法等的均衡算法获得的接收权重矩阵U执行均衡处理，由此，当设为P＝min(MRX，MTX)时，能够针对L个OAM模式的每一个分别确保P个独立的传输路径，得到式(16)所示的信号。
[数式13]
r＝UHy＝UHΛVs…(16)
当为MMSE算法时(σ是噪声方差)：
U＝(ΛVVHΛH+σ2I)-1ΛV
当为ZF算法时：
U＝(ΛVVHΛH)-1ΛV
这里，假设实际使用的OAM模式的数量是Luse(≤L)，则式(9)的元素Hl(x),l(y)限于实际使用的OAM模式的组合。因此，只要执行在发送站进行基于NTX个L点离散傅里叶变换、在接收站进行基于NRX个L点离散傅里叶变换等的OAM模式生成/分离处理以及在预先未被确定收发权重的情况下进行(Luse×MRX)×(Luse×MTX)矩阵的均衡处理即可，与以往的MIMO相比能够减少运算量。
并且，当通过巴特勒矩阵等的模拟电路执行OAM模式生成/分离处理时，与需要与天线数量成比例的数目的混频器、DA转换器和AD转换器等设备的以往MIMO不同，通过限制所使用的OAM模式的数量，能够容易地减少混频器、DA转换器和AD转换器等设备的数量。
从上述所有信道获得的独立复合模式数最多为L×P个。
此外，从这些复合模式中，根据在预先假定的设置环境中所获得的特征值的大小、所需的并行传输数等，可以任意地确定要使用的复合模式。
当要发送的数据到达发送站时，执行图6所示的OAM多路复用通信方法中的处理步骤。此外，在传播信道是同等期间，不执行基于权重计算，对于要相乘的权重可以使用过去的值。
下面，示出具体示例。
收发天线设为具有表1所示参数的M-UCA，并且将收发天线彼此对置地配置，使得传播轴垂直于天线表面且穿过所有UCA的中心。
此外，在本实施例中使用的OAM模式是-2、-1、0、1和2这五个模式。作为在本方法中使用的发送权重矩阵，使用式(17)所示的单位矩阵。
[数式14]
Figure BDA0002423808590000201
这相当于向与四个OAM模式生成处理部使用的OAM模式相对应的端口分别独立地输入4×5个信号。
另外，这等同于省略了图5所示的发送权重乘法运算处理部12的结构，并且可以设为从自信号处理部11直接向OAM模式生成处理部输入信号的结构。
首先，在发送站中，发送信号序列被分割为进行多路复用的复合模式的数量(S/P变换)，并分别进行调制。此外，在各个信号之前，附加由收发站预先共享的不同的已知信号序列。并且，针对调制后的信号，进行式(12)所示的权重乘法运算以及OAM模式生成处理，在通过DA转换器转换成模拟信号之后，对各天线元件供电。
在接收站，针对由各天线元件接收到的信号，由AD转换器转换为数字信号，然后进行OAM模式分离处理，并对接收到信号y乘以通过MMSE算法计算出的接收权重矩阵U。并且在对获得的信号进行解调后，在发送侧将针对各复合模式分割而成的信号进行组合(P/S转换)，获得接收信号序列。
(实施例6)
图7示出了本发明的OAM多路复用通信***的实施例6的结构。
在图7中，代替图4所示的实施例2的接收站20的信道估计/奇异值分解处理部26以及反馈部27，而在实施例6中具有权重计算处理部28。权重计算处理部28根据第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX的输出信号执行信道估计和权重计算，并将它们设置在接收权重乘法运算处理部23中。
由于在OAM模式生成处理部和OAM模式分离处理部中分别生成/分离不同的OAM模式的信号，因此在构成式(8)所示的包括OAM模式生成/分离处理的等效信道Λ的OAM模式之间的信道Hl(x),l(y)中，能够将不同的OAM模式间(x≠y)的信道近似为0矩阵，获得式(18)所示的块对角矩阵。
[数式15]
Figure BDA0002423808590000211
在此，如果将相同OAM模式(x＝y)间的信道重新定义为Hl(k)＝Hl(k),l(k)(k＝1、2、……、L)，则针对L个独立信道响应H1(k)，对P(P＝min(MRX,MTX))个信号乘以预先由发送权重向量形成的发送权重矩阵Vl，由此针对OAM模式1的每一个获得如下式(19)那样的信号。
[数式16]
yl＝HlVlsl…(19)
这里，Sl是信号向量。最后，对于所获得的接收信号向量yl，与实施例1同样，通过预定的接收权重矩阵U、或者使用MMSE(minimum mean square error，最小均方误差)算法或ZF(zero forcing，迫零)算法等的均衡算法而获得的接收权重矩阵U执行均衡处理，获得P个独立的传输路径，并且获得如式(20)的信号。
[数式17]
rl＝Ulyl＝Ul HHlVlsl…(20)
这里，假设实际使用的OAM模式的数量是Luse(≤L)，则式(9)的要素Hl(x),l(y)限于实际使用的OAM模式的组合。因此，只要执行在发送站进行基于NTX个L点离散傅里叶变换、在接收站进行基于NRX个L点离散傅里叶变换等的OAM模式生成/分离处理、以及在预先没有确定收发权重时进行Luse次的NTX×NRX矩阵的均衡处理即可，与以往的MIMO、实施例1相比，可以大幅减少运算量。
并且，当通过巴特勒矩阵等的模拟电路执行OAM模式生成/分离处理时，与需要与天线数量成比例的数目的混频器、DA转换器和AD转换器等设备的以往MIMO不同，通过限制所使用的OAM模式的数量，能够容易地减少混频器、DA转换器、AD转换器等设备的数量。
从上述所有信道获得的独立复合模式数最多为L×P个。
此外，从这些复合模式中，根据在预先假定的设置环境中所获得的特征值的大小、所需的并行传输数等，可以任意地确定要使用的复合模式。
当要发送的数据到达发送站时，执行图6所示的OAM多路复用通信方法中的处理步骤。此外，在传播信道是同等的期间，不执行权重计算，对于要相乘的权重可以使用过去的值。
与实施例5同样地，收发天线设为具有表1所示参数的M-UCA，并且将收发天线彼此对置地配置，使得传播轴垂直于天线表面并穿过所有UCA的中心。这里，为了简便，表1的参数是收发天线共有的。
此外，在本实施例中使用的OAM模式被设为-2、-1、0、1和2这五个模式。作为在本方法中使用的传输权重矩阵，使用式(21)所示的单位矩阵。
[数式18]
Figure BDA0002423808590000221
这相当于向与各UCA对应的四个OAM模式生成处理部使用的OAM模式所对应的端口分别独立地输入四个信号。
另外，这等效于省略了图7所示的第一发送权重乘法运算处理部13-1～第L发送权重乘法运算处理部13-L的结构，也可以构成为从信号处理部11向第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX直接输入信号。
首先，在发送站中，发送信号序列被分割为进行多路复用的复合模式的数量(S/P变换)，并分别进行调制。此外，在各个信号的前面，附加由收发站预先共享的不同的已知信号序列。并且，针对调制后的信号，进行式(21)所示的权重乘法运算以及OAM模式生成处理，在通过DAC转换成模拟信号之后，对各天线元件供电。
在接收站，针对由各天线元件接收到的信号，由ADC转换为数字信号，然后进行OAM模式分离处理，并对相同的OAM模式的每一个接收到信号yl乘以通过MMSE算法计算出的接收权重矩阵U。并且，对获得的信号进行解调后，在发送侧将针对各复合模式分割而成的信号进行组合(P/S转换)，获得接收信号序列。
(实施例7)
实施例7基于收发天线之间的距离和高斯函数来确定正交的发送权重向量和接收权重向量。
首先，发送站使用激光测距仪或其他距离估计方法获得有关收发天线之间距离的信息。如果将收发天线之间的距离设为z，则由发送权重向量和接收权重向量形成的权重矩阵V1和U1可以用式(22)表示。
[数式19]
Figure BDA0002423808590000231
Figure BDA0002423808590000232
这里为，
Figure BDA0002423808590000241
Figure BDA0002423808590000242
Figure BDA0002423808590000243
Figure BDA0002423808590000244
是拉盖尔多项式(p是0以上的整数，l是整数)
此外，ω0是高斯射束的射束权重直径，Z0是表示高斯射束的射束权重位置的偏移的值，可以根据天线的设置环境而设为任意值。
另外，还可以构成为：通过准备预先计算出了与采用离散值的距离相对应的权重矩阵的表而省去运算处理，从表中选出与实际距离最接近的权重矩阵并使用。
(实施例8)
在实施例8中，当对发送信号序列进行S/P转换而调制时，使用复合模式的特征值，使用注水定理等执行要使用的复合模式以及分配给它们的功率控制，并且执行自适应调制和信道编码。
当如实施例7中那样使用规定的函数或表时，能够预先计算出与天线之间的距离相对应的每种模式的特征值来事先做好准备。此时，例如，通过使用注水定理等，获得按照所使用的每种复合模式分配的接收功率，根据考虑到在收发站上重叠的噪声的、每种模式的接收SNR自适应地选择调制方式和编码方式，由此，与实施例5～7相比，能够确保更高的传输容量。
(实施例9)
实施例9执行数字信号处理和基于模拟电路的信号处理的功能分配。
在实施例9中，在OAM模式生成/分离处理中，使用巴特勒矩阵、Rotman透镜和与其类似的模拟电路。此外，在实施例9中，将收发天线的各UCA具有的天线元件各设置八个。
图8示出了发送站的8×8巴特勒矩阵的一个例子。
在图8中，8×8巴特勒矩阵包括90度混频器和分别由数值表示的移相器。如此，通过由模拟电路执行数字信号处理的一部分，可以进一步减小数字信号处理负荷。
并且，在某些情况下，例如在高阶OAM模式是无法获得足够的特征值的安装环境的情况等，存在无法用尽所有OAM模式或不需要使用所有OAM模式的情况。例如，即使在表3的情况下，也不会使用OAM模式8。
在这种情况下，通过从一开始就端接与在收发站的模拟电路中未使用的OAM模式相对应的输入端口，能够减少AD转换器和DA转换器的数量。
此外，如图9所示，通过使用终端装置等来端接未使用的端口，也能够根据可用的OAM模式的最大数量来减小模拟电路规模。
(实施例10)
在实施例10中，作为发送天线和接收天线的设置方法，具有抛物面天线的反射器或透镜。这里，通过进行配置，使通过各UCA的中心的传播轴与抛物面天线的抛物面的对称轴一致，可以得到高的接收信号增益。除此之外，例如，还可以使用设置成获得同样射束的偏置抛物线天线。
符号说明
10 发送站；
11 信号处理部；
12、13 传输权重乘法运算处理部；
14 OAM模式生成处理部；
15 发送UCA；
20 接收站；
21 接收UCA；
22 OAM模式分离处理部；
23、24 接收权重乘法运算处理部；
25 信号处理部；
26 信道估计/奇异值分离处理部；
27 反馈部；
28 权重计算处理部。

Claims (10)

1.一种OAM多路复用通信***，其特征在于，
使用轨道角动量(以下称为OAM)模式作为旋转方向的维度中的基础，对多个信号序列进行多路复用传输，
所述OAM多路复用通信***包括：
发送站，该发送站包含发送天线和进行多路复用传输的单元，所述发送天线使用M-UCA，所述M-UCA包含将等间距圆形阵列天线(以下称为UCA)等间距地配置成同心圆状的多个UCA，所述UCA是将多个天线元件等间隔地配置成圆形而得；所述进行多路复用传输的单元在以所述多个UCA的中心为原点的极坐标系中的、所述旋转方向和直径方向的各维度上分别执行基础变换，并且按照各维度的由不同基础的组合形成的复合模式，对所述多个信号序列进行多路复用传输；以及
接收站，该接收站包括接收天线和进行分离的单元，所述接收天线使用了M-UCA，所述M-UCA包含将所述UCA配置成同心圆状的多个UCA；所述进行分离的单元接收从所述发送站被多路复用传输来的信号，并对所述进行了多路复用传输的所述多个信号序列进行分离。
2.根据权利要求1所述的OAM多路复用通信***，其特征在于，
所述接收站包括以下单元：使用从所述发送站发送的已知的参考信号，估计所述发送天线与所述接收天线之间的信道信息，并从该信道信息转换为用于在所述旋转方向和所述直径方向的维度上进行基础变换的发送权重和接收权重，
所述发送站包括：权重乘法运算单元，用于将所述多个信号序列与从所述接收站反馈的所述发送权重相乘，以进行所述直径方向的维度的基础变换；以及OAM模式生成单元，分别生成从所述多个UCA发送的所述OAM模式的信号，
所述接收站包括：OAM模式分离单元，从所述多个UCA的接收信号分别分离所述OAM模式的信号；以及权重乘法运算单元，将所述OAM模式信号与所述接收权重相乘，进行所述直径方向的维度的基础变换。
3.根据权利要求1所述的OAM多路复用通信***，其特征在于，
所述发送站是以下构成：具有根据所述发送天线与所述接收天线的天线间的距离来预先确定要相乘的发送权重的函数或表，对于按照每个要使用的所述OAM模式进行多路复用的一个以上的信号序列，乘以不同的发送权重，并按照每个所述UCA进行基础变换，
所述接收站是以下构成：按照每个所述UCA进行基础变换，将按照每个OAM模式而不同的一个以上的信号序列乘以与在所述发送站中使用的发送权重相对应的接收权重，并使用规定的均衡算法对所述被多路复用传输的所述多个信号序列进行分离。
4.根据权利要求3所述的OAM多路复用通信***，其特征在于，
所述发送站是以下构成：根据所述天线之间的距离从正交分布函数确定所述发送权重，
所述接收站是以下构成：根据所述天线之间的距离从在所述发送站中使用的正交分布函数来确定所述接收权重。
5.根据权利要求2或3所述的OAM多路复用通信***，其特征在于，
所述发送站和所述接收站包括以下单元：基于能够使用的所述复合模式的接收信号的质量，来确定所述发送权重以及所述接收权重与正交基础的组合，并确定所述复合模式的发送功率和调制方式。
6.一种OAM多路复用通信方法，其特征在于，
使用轨道角动量(以下称为OAM)模式作为旋转方向的维度中的基础，对多个信号序列进行多路复用传输，
发送站的发送天线使用M-UCA，所述M-UCA包含将等间距圆形阵列天线(以下称为UCA)等间距地配置成同心圆状的多个UCA，所述UCA是将多个天线元件等间隔地配置成圆形而得，在以所述多个UCA的中心为原点的极坐标系中的、所述旋转方向和直径方向的各维度上分别执行基础变换，并且按照各维度的由不同基础的组合形成的复合模式，对所述多个信号序列进行多路复用传输；以及
接收站的接受天线使用了M-UCA，接收从所述发送站被多路复用传输来的信号，并对所述进行了多路复用传输的所述多个信号序列进行分离，所述M-UCA包含将所述UCA配置成同心圆状的多个UCA。
7.根据权利要求6所述的OAM多路复用通信方法，其中，
所述接收站使用从所述发送站发送的已知的参考信号，估计所述发送天线与所述接收天线之间的信道信息，并从该信道信息转换为用于在所述旋转方向和所述直径方向的维度上进行基础变换的发送权重和接收权重，
所述发送站将所述多个信号序列与从所述接收站反馈的所述发送权重相乘，以进行所述直径方向的维度的基础变换，并分别生成从所述多个UCA发送的所述OAM模式的信号，
所述接收站从所述多个UCA的接收信号分别分离所述OAM模式的信号，将所述OAM模式信号与所述接收权重相乘，进行所述直径方向的维度的基础变换。
8.根据权利要求6所述的OAM多路复用通信方法，其中，
所述发送站具有根据所述发送天线与所述接收天线的天线间的距离来预先确定要相乘的发送权重的函数或表，对于按照每个要使用的所述OAM模式进行多路复用的一个以上的信号序列，乘以不同的发送权重，并按照每个所述UCA进行基础变换，
所述接收站按照每个所述UCA进行基础变换，将按照每个OAM模式而不同的一个以上的信号序列乘以与在所述发送站中使用的发送权重相对应的接收权重，并使用规定的均衡算法对所述被多路复用传输的所述多个信号序列进行分离。
9.根据权利要求6所述的OAM多路复用通信方法，其中，
所述发送站根据所述天线之间的距离从正交分布函数确定所述发送权重，
所述接收站根据所述天线之间的距离从在所述发送站中使用的正交分布函数来确定所述接收权重。
10.根据权利要求7或8所述的OAM多路复用通信方法，其中，
所述发送站和所述接收站基于能够使用的所述复合模式的接收信号的质量，来确定所述发送权重以及所述接收权重与正交基础的组合，并确定所述复合模式的发送功率和调制方式。
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