CN111698183B - 多模涡旋波正交化自适应传输方法及装置 - Google Patents

多模涡旋波正交化自适应传输方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多模涡旋波正交化自适应传输方法，包括：建立双向的轨道角动量复用通信链路；在发射装置上获取信道矩阵和通信需求；根据所述信道矩阵来获取预均衡矩阵；分析优化目标，构造满足优化目标的等效循环矩阵；根据预均衡矩阵和等效循环矩阵构造正交化矩阵；利用正交化矩阵对轨道角动量复用数据进行加权，以实现轨道角动量信号预处理。本发明还提供了多模涡旋波正交化自适应传输装置。本发明的多模涡旋波正交化自适应传输方法在发射装置上获取链路的信道矩阵和通信需求，并根据信道矩阵和通信需求自适应地构造满足优化目标的正交化矩阵，在提高OAM模态正交性的同时能够实时满足不同的通信需求。

Description

多模涡旋波正交化自适应传输方法及装置
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及多模涡旋波正交化自适应传输方法及装置，适用于微波与毫米波频段上的轨道角动量复用通信***。
背景技术
根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)两部分。其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有
Figure BDA0002558720910000011
两个正交状态；OAM与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播，如图1所示。涡旋电磁波中每个光子携带
Figure BDA0002558720910000012
的轨道角动量，拓扑荷l取值为任意整数，不同拓扑荷的OAM模态彼此正交。因此，拥有无穷多个正交模态的涡旋电磁波，理论上可以承载无穷多路信息同时同频的复用传输，从而提供了一种独立于时间、频率与极化之外的信息复用新自由度，有望成倍提升无线通信***的网络容量、频谱效率、抗干扰与抗截获能力。
自从1992年Allen等[1][2]首次试验证实了具有
Figure BDA0002558720910000013
相位因子的拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-Gaussian)涡旋光束可以携带轨道角动量，针对OAM的研究已深入至射电天文、原子操纵、关联成像、量子通信、光学与光子学等[3-5]诸多领域。近年来，研究[6][7]发现涡旋电磁波的无穷多个OAM正交模态，与光子能量、频率和极化属性一样，是信息复用的独立自由度。深入挖掘OAM这一尚未充分利用的电磁波参数维度，将会大幅提高无线通信频谱效率，满足未来2-3个数量级的容量增长需求[8]。
保密通信技术是各种军事通信应用场景的关键技术之一。传统的保密通信方法一般是在收发端设计相应的加密、解密算法，即通过应用层的软件算法实现保密功能。此外，也有无线通信物理层安全方面的研究，即从物理电磁辐射层面来保障通信安全，电磁波主瓣的定向性和旁瓣的抑制对于物理层安全保障尤为重要[9][10]，加人工噪声是提高无线通信物理层安全的常用方法[11]。而OAM通信因其各种模态的正交性，天然具有保密功能，非常适合于在无线通信物理层提高通信安全。如发射端利用平面波发送干扰信息，而利用OAM各个模态发送机密信息，这样机密信息就被隐藏在干扰信息之下，目标接收机可以通过已知的OAM模态进行机密信息的解调，而窃听方因无法知道OAM模态而无法破解机密信息[12]。OAM相对于传统无线通信技术多了一个自由度，即“OAM模态”，在此基础上，可以进行“OAM跳模态传输”。
轨道角动量复用通信理论上超高的频谱效率，使其成为解决未来通信网络频谱资源稀缺与千倍容量增长需求间矛盾的最有潜力的关键技术之一；同时，轨道角动量模态间的正交性，允许通信信号和干扰噪声在不同的OAM本征模态之间随机传输，对增强军事通信的抗干扰与抗截获能力以及提高制电磁权非常有利。目前该技术已成功应用于自由空间光通信、光纤通信、可见光通信、毫米波与太赫兹通信等诸多前沿领域。
然而，在无线通信***最常使用的微波射频频段，该课题尚处于理论探索与概念验证阶段，主要技术瓶颈之一即：复杂传输环境中模态正交性恶化问题。具体而言：微波通信的传输环境相对复杂，无线信道质量不稳定；涡旋电磁波的传输不仅受到传输介质的影响(如大气湍流)，还会有电波绕射、遮蔽与多径等小尺度衰落的干扰。由于应用场景的不同，轨道角动量(OAM)涡旋电磁波通信***可能会工作在有电波散射、反射等非理想因素干扰的环境下，这类非理想干扰因素使得波前的螺旋相位更易出现畸变，导致OAM模态正交性下降，传输性能降低，频谱效率难以大幅提升；同时，各个模态之间形成的串扰，将严重影响军事场景中的通信干扰一体化传输，造成信息隐藏与抗截获能力的大幅下降。
涡旋电磁波在实际传输过程中出现的各种空间相位畸变，是导致OAM模态正交性恶化乃至频谱效率下降的主要因素。尽管在模态正交性增强与波前相位纠正方面已经存在一些现有技术，但是当前“模态正交性增强与波前相位纠正”的现有技术与研究成果主要集中在自由空间光通信领域。例如，2009年Glenn A Tyler等人发表的文献[13]从理论与实验两方面阐明OAM光束在大气中传输会受到湍流的影响而发生波前相位失真。2000年，R.Frehlich等人发表的文献[14]以光束传输方向上的一系列随机相位屏模拟大气湍流引入的模态间干扰。2012年，O.Edfors等人发表的文献[15]在OAM无线信道模型中设置了一个随机变量描述各种小尺度衰落，可用来分析模态正交性恶化问题的产生机制。Y.Ren等人在2012年发表的文献[16]将LDPC码用于OAM复用通信***，显著减低了模态间串扰。S.Zhao等人在2012年发表的文献[17]指出OAM复用通信中的多个模态会因为相位畸变而发生能量转移与模态耦合现象，提出了基于波前传感器的相位失常纠正算法。
综上所述，在自由空间光通信领域中，自适应光学和纠错编码相结合的方法能有效抑制大气湍流导致的OAM模态间干扰；然而，通常需要在接收端增加尺寸较大的额外器件(如：Shack-H波前传感器)以实现相位纠正。该自适应光学和纠错编码相结合的方法依赖特定器件，仅适用于光通信场景，不适用于微波频段的无线电通信。
为了对抗微波频段更加恶劣复杂的电波传输环境，有必要应用阵列信号处理与MIMO信道容量理论，研究并设计“数字化”的波前相位优化与模态正交性增强算法。
参见申请号为CN201610505796.5的专利文件“一种涡旋电磁波产生装置及方法”[18]与申请号为CN201610504946.0的专利文件“一种多模态轨道角动量复用通信***及方法”[19]，其公开了：微波频段上涡旋电磁波(即：射频涡旋)的多模态复用通信，可以通过数字域上的信号处理与收发两端的圆环阵列天线加以实现。该方法克服了当前OAM通信严重依赖“专用硬件”(如：多模集成天线、准光学器件)的缺陷，使一系列OAM技术难题可以通过数字信号处理与矩阵分析的方式加以解决，即将成为微波频段OAM通信的主流方案。然而，上述两种现有技术只是提出了数字域OAM通信架构，并未针对信道畸变提出相应的畸变优化方案。
根据2012年O.Edfors等人发表的文献[15]，收发“射频涡旋”的一对圆环阵列天线之间的无线信道，如图2所示，可以按如下方法建模(此为本领域公知)：不失一般性，假设发射圆环阵列天线与接收圆环阵列天线上的阵元(即：天线单元)个数均为N；发射天线阵元序号用i表示，圆环半径为RTX；接收天线阵元序号用j表示，圆环半径为RRX；发射阵列天线与接收阵列天线共轴放置，阵面平行，圆心之间距离为D。发射阵列天线的阵元i与接收阵列天线的阵元j之间的信道传输函数hij可表示为：
Figure BDA0002558720910000041
其中，dij为发射阵列天线的阵元i与接收阵列天线的阵元j之间的距离；λ为涡旋电磁波的波长；βij为发射阵列天线的阵元i与接收阵列天线的阵元j之间的小尺度衰落因子，与传输环境、天线特性以及多径反射等因素密切相关，是破坏OAM模态正交性的关键因素；hPL(dij)是仅与传输距离相关的大尺寸衰落因子。
以此为基础，收发圆环阵列天线之间的无线信道则可以建模为一个N行N列的复矩阵，记作信道矩阵HOAM：
Figure BDA0002558720910000042
其中：符号
Figure BDA0002558720910000043
表示矩阵的Hadamard乘积；HPL是大尺度衰落信道矩阵，其为循环矩阵，其循环特性是OAM各模态之间具有正交性的根源，β是小尺度衰落矩阵。
使用均匀圆环阵(UCA)来产生OAM涡旋电磁波进行通信时，一般收发双方的UCA天线阵元数是相同的，因此认为信道矩阵HOAM是一个方阵。当多模涡旋波通信***工作于存在电波反射、散射等非理想因素干扰的环境下，收发信道会发生畸变，假设畸变后的信道矩阵为HOAM，由上述O.Edfors等人发表的文献中的分析可知
Figure BDA0002558720910000044
在UCA天线阵传输场景下，大尺度衰落信道矩阵HPL是循环矩阵且满秩，与随机的小尺度衰落矩阵β做Hadamard乘积之后其相关性进一步减小，因此最终得到的信道矩阵HOAM一般认为是满秩的，即HOAM可逆。传统MIMO迫零均衡的通用方法是求伪逆(HHH)-1HH，这种方法目的是为了统一处理信道矩阵为方阵和非方阵两种情况，在形式上进行统一化处理表述方便，但是却增加了计算复杂度。基于上述的分析，本专利的OAM通信场景下，通信信道矩阵为方阵且可逆，因此本专利里用到的信道预均衡是直接求逆：H-1，复杂度大大降低。
参见文献，由于OAM相位旋转和数据多路复用整体效果可以用离散傅里叶变换(DFT)来表达[20]，因此OAM复用通信可以通过下面的OAM复用通信公式来表述：
y＝FHHOAMFx
其中，NT是发送天线数量，NR是接收天线数量，假设NT＝NR＝N；x是NT*1的发送数据矢量；y是NR*1的接收数据矢量；F是NR*NT是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；HOAM是NR*NT的信道矩阵；HOAM是畸变后的信道矩阵，是小尺度衰落矩阵β和大尺度衰落矩阵HPL的Hadamard积。
此外，根据本领域的公知，畸变后的信道矩阵为HOAM可以进行奇异值分解(SVD)：
HOAM＝U∑OAMVH，
其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵。
参考文献
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[18]周斌,俞凯,卜智勇,一种涡旋电磁波产生装置及方法，2016.6.30，中国，201610505796.5
[19]周斌,俞凯,卜智勇,一种多模态轨道角动量复用通信***及方法，2016.6.30，中国，201610504946.0
[20]W.Cheng,H.Jing,W.Zhang,Z.Li and H.Zhang,"Achieving Practical OAMBased Wireless Communications with Misaligned Transceiver,"ICC 2019-2019IEEEInternational Conference on Communications(ICC),Shanghai,China,2019,pp.1-6.
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于非理想环境的多模涡旋波正交化自适应传输方法及装置，以解决OAM模态正交性下降问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种多模涡旋波正交化自适应传输方法，包括：
S0：在多模态轨道角动量复用通信***的发射装置和接收装置之间建立双向的轨道角动量复用通信链路；
S1：在发射装置上获取信道矩阵HOAM和通信需求R；
S2：对所述信道矩阵HOAM求逆来获取预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000071
S3：分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR；
S4：根据预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000072
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC；
S5：利用正交化矩阵HPC对轨道角动量复用数据s进行加权，以实现轨道角动量信号预处理。
在所述步骤S1中，所述发射装置从反向的通信链路中获取信道矩阵HOAM和通信需求R。
在所述步骤S3中，所述优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种。
若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL；
若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝FΣOAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；
若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，并获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1…vm；
S32’：根据公式
Figure BDA0002558720910000081
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；
S33’：利用公式HS＝FΣSFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
所述步骤S0还包括：依次采用所述发射装置的M个比特级处理模块、M个星座映射模块、M个轨道角动量调制模块和一个数字域轨道角动量多模态复用模块对M路信息比特流x进行处理，输出N路并行的轨道角动量复用数据s；且还包括步骤S6：依次采用所述发射装置的2N个DAC模块、N个上变频模块和一个圆环阵列发射天线对预处理后的轨道角动量复用数据进行处理和发射，随后采用所述接收装置对其进行接收；M为轨道角动量模态复用数，N为圆环阵列发射天线的阵元个数，M、N均为正整数。
另一方面，本发明提供了一种多模涡旋波正交化自适应传输装置，包括一包括发射装置和接收装置的多模态轨道角动量复用通信***，以及嵌入于所述发射装置的数字域轨道角动量多模态复用模块和DAC模块之间的一自适应涡旋增强装置，所述自适应涡旋增强装置包括一个正交化矩阵计算模块和一个轨道角动量信号预处理模块；发射装置和接收装置设置为建立双向的轨道角动量复用通信链路；正交化矩阵计算模块设置为获取信道矩阵HOAM和优化目标R，根据所述信道矩阵HOAM来获取预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000091
分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR，并根据预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000092
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC；轨道角动量信号预处理模块是一个矩阵向量乘法器，其设置为将正交化矩阵HPC和数字域轨道角动量多模态复用模块输出的轨道角动量复用数据s向量相乘，并向DAC模块输出乘积，以实现轨道角动量信号预处理。
所述发射装置从反向的通信链路中获取信道矩阵HOAM和通信需求R。
在所述步骤S3中，所述优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种。
若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL；
若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝FΣOAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；
若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，并获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1…vm；
S32’：根据公式
Figure BDA0002558720910000093
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；
S33’：利用公式HS＝FΣSFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
所述发射装置包括依次连接的M个比特级处理模块、M个星座映射模块、M个第一符号级处理模块、M个轨道角动量调制模块、M个第二符号级处理模块和一个数字域轨道角动量多模态复用模块，以及依次连接的2N个DAC模块、N个上变频模块、N个射频处理模块和一个圆环阵列发射天线；M为轨道角动量模态复用数，N为圆环阵列发射天线的阵元个数，M、N均为正整数。
本发明的多模涡旋波正交化自适应传输方法在发射装置上获取链路的信道矩阵和通信需求，并根据信道矩阵和通信需求自适应地构造满足优化目标的正交化矩阵，在提高OAM模态正交性的同时能够实时满足三种不同的通信需求，实现了对与信道畸变的畸变优化，可应用于微波频段或毫米波频段的多模态OAM复用无线通信***中。其中，信道矩阵和通信需求根据反向链路的反馈信息来获取，因此可以更好地应对不同的多模态轨道角动量复用通信***的信道畸变。此外，本发明的多模涡旋波正交化自适应传输装置嵌入于所述发射装置的数字域轨道角动量多模态复用模块和DAC模块之间，可以通过数字域的信号处理，实现了对射频涡旋电磁波的波前相位优化，可显著提高OAM各个模态之间的正交性，同时满足***额外的通信需求，解决了当前微波与毫米波频段轨道角动量复用通信在复杂传输环境中模态正交性恶化问题，以及传统的波前优化方法严重依赖于专用天线与准光学器件的问题，能够极大的提升OAM模态复用数目以及通信频谱效率。
附图说明
图1是现有的涡旋电磁波与轨道角动量复用的原理示意图。
图2是现有的圆环阵列天线之间的信道建模图。
图3是本发明的多模涡旋波正交化自适应传输方法的流程图。
图4是本发明的多模涡旋波正交化自适应传输装置的发射部分的结构示意图。
图5是OAM跳模态通信的示意图。
图6是正交化矩阵计算模块的原理图。
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。
本发明的多模涡旋波正交化自适应传输方法基于以下原理：
假设通信需求为R，构造出的正交化矩阵为HPC。根据上文的背景技术部分的公式，本发明的目的是通过正交化矩阵HPC将可能经过畸变的信道矩阵HOAM重构成一个等效的循环矩阵，以保证轨道角动量(OAM)各模态之间具有正交性。
以下叙述为针对三种不同通信需求R的正交化矩阵HPC的构造方法的理论依据。
1)若通信需求R表示：增加数据复用路数；
则构造出的正交化矩阵为
Figure BDA0002558720910000111
即将循环信道矩阵构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL(由于OAM收发天线位置一般都是固定的，这里假设HPL已知)。
当采用上述的正交化矩阵的构造方法后，将正交化矩阵HPC代入背景技术部分的OAM复用通信公式，可以得到：
Figure BDA0002558720910000112
从公式可以看出，OAM通信信道等效重构成了原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL。由于无畸变大尺度衰落矩阵HPL代表了OAM收发端未经过畸变的原始循环信道，理想的OAM复用通信即建立在此信道上，这样的理想循环信道最有利于复用通信。因此这种正交化矩阵构造方式可以增加数据复用路数。
2)若通信需求R表示：逼近信道容量；
则构造出的正交化矩阵为
Figure BDA0002558720910000113
其中Hc＝FHΣOAMF，F为DFT矩阵，∑OAM为奇异值，即HC是以原始HOAM的奇异值构造的循环矩阵。当给定畸变信道和信噪比后，信道容量就确定了，因此需要一种信道编码方式能够逼近信道容量。
当采用上述正交化矩阵构造方法后，将正交化矩阵代入OAM复用通信公式，可以得到：
Figure BDA0002558720910000114
从公式可以看出，OAM通信信道等效重构成了以原始HOAM的奇异值构造的循环矩阵。由于HC是以原始畸变奇异值ΣOAM构造的，可以保证分解出来的并行子信道信噪比不发生变化，根据注水原理可知这种构造方式可以最大程度地逼近物理畸变信道的信道容量。
3)若通信需求R表示：提升信息安全。
则构造出的正交化矩阵为
Figure BDA0002558720910000121
其中HS＝F∑SFH，∑S是将HOAM的奇异值矩阵∑OAM的对角元素平均化所设计的对角阵。
传统的通信***只有时间和频率两个自由度，而OAM通信在此基础上增加了第三个自由度“OAM模态”。OAM各个模态相互正交，非常适用于保密通信。传统的无线通信保密方法一般是在协议栈的高层设计相关的高复杂度加密算法对数据信息进行加密，防止被窃听者破解数据信息。而物理层保密通信方法则是在物理信号上对潜在的窃听者进行“屏蔽”，让窃听者在物理上无法接收到有效保密数据信号。
因此，如图5所示，基于OAM各个模态的正交性，设计一种OAM跳模态传输方法，该OAM跳模态传输方法是一种高效的物理层保密通信方法。通信双方预先约定好保密数据传输时所用的“OAM跳模态图样”，这样目标接收者就可以按“OAM跳模态图样”对数据进行接收信号进行解调。由于OAM各个模态相互正交，潜在的窃听者无法得知“OAM模态图样”，因此在物理上无法对有效保密数据信号进行解调。针对于这样的OAM保密通信策略，在设计“OAM跳模态图样”保证窃听者无法接收到有效保密信号的基础上，需要进一步保证发射端和目标接收者通信QoS。有效的解决方案是尽量使得各个模态的子信道增益相同，这样当数据在“跳模态”传输时，由于各个模态子信道增益相同，信号不会发生剧烈变化，有利于发射端和目标接收端的信号传输。基于上述OAM保密通信方案分析和前面的OAM信道分解，可知，只要令∑S的奇异值相同，这样构造出来的并行OAM子信道的信道增益就相同，有利于保证发射端和目标接收者的QoS。为了使得所构造的等效循环信道不会进一步影响发射功率，作为优选，可以采取如下构造等效循环信道的方案使得OAM并行子信道增益平均化。
假设HOAM的奇异值矩阵∑OAM的对角元素分别为v1…vn，令∑S的对角元素为都为p，满足
Figure BDA0002558720910000122
解出p，构造循环矩阵Hs＝F∑SFH，当采用上述正交化矩阵构造方法后,将正交化矩阵代入OAM复用通信公式得到：
Figure BDA0002558720910000131
即将OAM信道化成了等增益的子信道，每个子信道对应于OAM的一个模态，发射方可以和目标接收者可以根据预先设置好的“OAM跳模态图样”进行稳定通信，而窃听者因无法得知“OAM跳模态图样”而无法解调出有效信号。
如图3所示，根据以上原理，本发明的多模涡旋波正交化自适应传输方法适用于非理想环境下，其主要包括：
步骤S0：如图4所示，在多模态轨道角动量复用通信***的发射装置和接收装置之间建立双向的轨道角动量(OAM)复用通信链路；
如图4所示，所述多模态轨道角动量复用通信***是申请公布号为CN106130655A的专利文件所公开的多模态轨道角动量复用通信***，其包括发射装置100和接收装置(图未示)。
所述步骤S0还包括：依次采用发射装置的M个比特级处理模块101、M个星座映射模块102、M个第一符号级处理模块103、M个OAM调制模块104、M个第二符号级处理模块105和一个数字域轨道角动量多模态复用模块106对M路信息比特流x进行处理，输出N路并行的OAM复用数据S(即OAM信号预处理模块2的输入数据)；
此外，在其他实施例中，可以省略第一符号级处理模块103和/或第二符号级处理模块105以及它们对信号的处理。
步骤S1：在发射装置上获取信道矩阵HOAM和通信需求R；
其中接收装置到发射装置的反向的通信链路中的数据帧会携带信道矩阵HOAM和通信需求R，发射装置从反向的通信链路中获取信道矩阵HOAM和通信需求R。该信道矩阵HOAM和通信需求R作为后续步骤中的正交化矩阵计算模块的输入。
信道矩阵HOAM的获取方式是现有技术，针对不同的通信***有不同的获取方法。比如在时分复用通信***里面，可以根据信道的互易性得到信道估计矩阵
Figure BDA0002558720910000141
作为信道矩阵HOAM。在本发明的多模态轨道角动量复用通信***中，具体采用由反向传输信道来得到信道估计矩阵
Figure BDA0002558720910000142
并作为信道矩阵HOAM(本发明假设信道估计值完全准确，以下都用信道矩阵HOAM来替换信道估计矩阵
Figure BDA0002558720910000143
)。
步骤S2：对所述信道矩阵HOAM求逆来获取预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000144
其中，在得到信道矩阵HOAM的基础上，为了抵抗信道畸变，直接对所述信道矩阵HOAM求逆，来得到预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000145
预均衡矩阵的作用是先预均衡掉信道畸变。
步骤S3：分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR；
其中，所述优化目标R采用发射装置的正交化矩阵计算模块1来分析。优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种。
其中，若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL。
OAM一般通信场景为收发机位置固定，因此收发端均已知原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL。HPL是原始的无畸变大尺度衰落矩阵(即OAM收发端未经过畸变的原始循环信道矩阵)，理想的OAM复用通信即建立在此信道上，这样的理想循环信道最有利于复用通信。因此，当优化目标R的类型为增加数据复用路数时，等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL。
对于畸变信道HOAM，给定信噪比，其信道容量就确定了，无论用什么方法构造正交化矩阵都无法改变信道容量，因此需要构造一种等效循环矩阵以能够逼近信道容量。从SVD信道容量分析入手，发现可以用所述信道矩阵HOAM的奇异值对角阵∑OAM结合DFT矩阵构造循环矩阵，这样得到的等效循环信道不会改变各个并行子信道的信噪比，而从能逼近信道容量。
据此，若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
步骤S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝FΣOAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
再请参见图5，根据上文提升信息***分的理论分析，在采用“跳OAM模态”作为提升无线通信安全的物理层方案时，需要尽量保证发射机和目标接收者的QoS。本发明给出的方法是保证发射机和目标接收者的信道分解出来的子信道拥有相同的容量，每个子信道对应于一路OAM模态数据传输，这样就保证了收发双方在“跳OAM模态”时信道的稳定性，保证了通信QoS。保证OAM子信道的等增益特性可以通过设计等效循环信道矩阵的奇异值实现，令奇异值都相等，即以相同的对角元素构造对角阵，再以此对角阵构造循环矩阵即可。
因此，为了使得所构造的等效循环信道不会进一步影响发射功率，作为优选，若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1…vm，对角元素v1…vm分别对应于轨道角动量(OAM)模态0…m，m+1为轨道角动量模态复用数；
由前述分析可知v1…vm对应于SVD分解出来的并行子信道的信道系数。
步骤S32’：根据公式
Figure BDA0002558720910000151
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；由此，使得信道增益平均化。
步骤S33’：利用公式HS＝FΣSFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
步骤S4：根据预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000152
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC；
其中，正交化矩阵为
Figure BDA0002558720910000161
正交化矩阵HPC通过发射端的一个正交化矩阵计算模块来构造，即所述步骤S2-步骤S4采用一个正交化矩阵计算模块来进行。
步骤S5：利用正交化矩阵HPC对OAM复用数据S进行加权(即将正交化矩阵HPC和数字域轨道角动量多模态复用模块106输出的OAM复用数据s向量相乘)，以实现OAM信号预处理。
所述步骤S5采用一个OAM信号预处理模块来进行。
此外，还可以包括步骤S6：依次采用所述多模态轨道角动量复用***的发射装置的2N个DAC模块107、N个上变频模块108、N个射频处理模块109和一个圆环阵列发射天线110对预处理后的OAM复用数据进行处理和发射，随后采用所述多模态轨道角动量复用***的接收装置对其进行接收，以实现多模涡旋波正交化自适应传输。
此外，在其他实施例中，可以省略N个射频处理模块109以及其对信号的处理。
由此，整体的OAM收发公式可以表示为：
Figure BDA0002558720910000162
即最终将信道矩阵重构成了新的等效循环信道矩阵，此信道矩阵在保证接收装置UCA各个模态正交性的基础上，同时自适应的满足三种不同的通信需求。
如图4所示为根据本发明的一个实施例的多模涡旋波正交化自适应传输装置的发射部分。本发明的多模涡旋波正交化自适应传输装置包括一多模态轨道角动量复用通信***，所述多模态轨道角动量复用通信***是申请公布号为CN106130655A的专利文件所公开的多模态轨道角动量复用通信***，其包括发射装置100和接收装置(未示出)。发射装置100和接收装置设置为建立双向的轨道角动量复用通信链路。发射装置100包括依次连接的M个比特级处理模块101、M个星座映射模块102、M个第一符号级处理模块103、M个OAM调制模块104、M个第二符号级处理模块105和一个数字域轨道角动量多模态复用模块106，以及依次连接的2N个DAC模块107、N个上变频模块108、N个射频处理模块109和一个圆环阵列发射天线110。M为OAM模态复用数，N为圆环阵列发射天线的阵元个数，M、N均为正整数。在其他实施例中，第一符号级处理模块103、第二符号级处理模块105和射频处理模块109中的至少一个可以省略。
所述接收装置包括依次连接的一个圆环阵列接收天线、N个第二射频处理模块、N个下变频模块、2N个ADC模块、一个数字域轨道角动量解调及解复用模块、第三符号级处理模块、M个检测译码模块。第二射频处理模块和/或第三符号级处理模块可以省略。
本发明的多模涡旋波正交化自适应传输装置还包括嵌入于所述多模态轨道角动量复用通信***的发射装置100的数字域轨道角动量多模态复用模块106和DAC模块107之间的自适应涡旋增强装置200，所述自适应涡旋增强装置200包括一个正交化矩阵计算模块1和一个OAM信号预处理模块2。
如图6所示，正交化矩阵计算模块1设置为获取信道矩阵HOAM和优化目标R，根据所述信道矩阵HOAM来获取预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000171
分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR，并根据预均衡矩阵
Figure BDA0002558720910000172
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC。
其中，所述优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种。
若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL。
若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
步骤S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝FΣOAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1…vm，对角元素v1…vm分别对应于轨道角动量(OAM)模态0…m，m+1为轨道角动量(OAM)模态复用数；
步骤S32’：根据公式
Figure BDA0002558720910000181
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；
步骤S33’：利用公式HS＝F∑SFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
其中，正交化矩阵为
Figure BDA0002558720910000182
OAM信号预处理模块2是一个矩阵向量乘法器，其设置为将正交化矩阵HPC和数字域轨道角动量多模态复用模块输出的OAM复用数据s向量相乘，并向DAC模块107输出乘积，以实现OAM信号预处理。
实施结果
下面以广泛使用的正交频分复用(OFDM)通信发射机与接收机为例，具体说明本发明的多模涡旋波正交化自适应传输装置的发射部分。
在本实施例中，在发射部分中，比特级处理模块101是信道编码模块，第一符号级处理模块103是OFDM调制模块，第二符号级处理模块105是脉冲成形模块，上变频模块108是IQ正交调制模块，射频处理模块109是滤波及功放模块，相位同步模块111通过多个射频通道公用同一个本振信号来进行同步，OAM模态复用数M＝8，圆环阵列发射天线的阵元个数N＝8，模态定义模块输出的OAM模态l1…l8分别对应OAM模态0…7(大于3的模态和OAM负模态是等价的)。OAM信号预处理模块2的输入数据可以表示为s＝FGx，F是形式为8*8的DFT矩阵，G是形式为8*8的修正单位矩阵，x是信息比特流(即形式为8*1的输入数据向量)，其中对应8个模态的位置为8路数据，得到的s为8路OAM复用数据，且形式为8*1的向量。正交化矩阵计算模块1所采用的信道矩阵为HOAM，根据优化目标构造等效循环矩阵HCIR。正交化矩阵计算模块输出为：
Figure BDA0002558720910000191
在此基础上，OAM信号预处理模块2的输出结果为：
Figure BDA0002558720910000192
以下给出等效循环矩阵HCIR的计算实例，表格内是具体参数。
表1等效循环矩阵HCIR的计算参数
波长λ 0.03m
<![CDATA[收发UCA半径R<sub>TX</sub>R<sub>RX</sub>]]> 0.3m
收发UCA圆心距离D 6m
由以上参数根据以下公式：
Figure BDA0002558720910000193
可计算出原始大尺度衰落矩阵(也是增加复用路数循环矩阵)为：
Figure BDA0002558720910000194
Figure BDA0002558720910000195
经过非理想环境后畸变的信道为(此处以均匀分布的幅度和相位加权模拟畸变)
Figure BDA0002558720910000196
Figure BDA0002558720910000201
对HOAM做SVD分解，得到奇异值向量为
V＝[3.65 3.51 2.27 2.20 2.10 2.0 2.0 1.9]。
然后以HOAM的奇异值对角阵结合FFT矩阵构造的逼近信道容量循环矩阵为：
Figure BDA0002558720910000202
Figure BDA0002558720910000203
按本发明的方法对HOAM的奇异值平均化，即将m＝8，上述奇异值向量V的元素作为vi代入公式
Figure BDA0002558720910000204
可得p＝2.5。以p为对角阵元素并结合FFT矩阵构造的提升信息安全循环矩阵为：
Figure BDA0002558720910000205
Figure BDA0002558720910000211
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。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 (6)

1.一种多模涡旋波正交化自适应传输方法，其特征在于，包括：
步骤S0：在多模态轨道角动量复用通信***的发射装置和接收装置之间建立双向的轨道角动量复用通信链路；
步骤S1：在发射装置上获取信道矩阵HOAM和通信需求T；
步骤S2：对所述信道矩阵HOAM求逆来获取预均衡矩阵
Figure FDA0004083023520000013
步骤S3：分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR；
在所述步骤S3中，所述优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种；
若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL；
若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
步骤S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝F∑OAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；
若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，并获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1...vm；
步骤S32’：根据公式
Figure FDA0004083023520000011
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；
步骤S33’：利用公式HS＝F∑SFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；
步骤S4：根据预均衡矩阵
Figure FDA0004083023520000012
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC；
步骤S5：利用正交化矩阵HPC对轨道角动量复用数据s进行加权，以实现轨道角动量信号预处理。
2.根据权利要求1所述的多模涡旋波正交化自适应传输方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述发射装置从反向的通信链路中获取信道矩阵HOAM和通信需求T。
3.根据权利要求1所述的多模涡旋波正交化自适应传输方法，其特征在于，所述步骤S0还包括：依次采用所述发射装置的M个比特级处理模块(101)、M个星座映射模块(102)、M个轨道角动量调制模块(104)和一个数字域轨道角动量多模态复用模块(106)对M路信息比特流x进行处理，输出N路并行的轨道角动量复用数据s；
且还包括步骤S6：依次采用所述发射装置的2N个DAC模块(107)、N个上变频模块(108)和一个圆环阵列发射天线(110)对预处理后的轨道角动量复用数据进行处理和发射，随后采用所述接收装置对其进行接收；
M为轨道角动量模态复用数，N为圆环阵列发射天线的阵元个数，M、N均为正整数。
4.一种多模涡旋波正交化自适应传输装置，其特征在于，包括一包括发射装置(100)和接收装置的多模态轨道角动量复用通信***，以及嵌入于所述发射装置(100)的数字域轨道角动量多模态复用模块(106)和DAC模块(107)之间的一自适应涡旋增强装置(200)，所述自适应涡旋增强装置(200)包括一个正交化矩阵计算模块(1)和一个轨道角动量信号预处理模块(2)；
发射装置(100)和接收装置设置为建立双向的轨道角动量复用通信链路；
正交化矩阵计算模块(1)设置为获取信道矩阵HOAM和优化目标R，根据所述信道矩阵HOAM来获取预均衡矩阵
Figure FDA0004083023520000021
分析优化目标R，构造满足优化目标R的等效循环矩阵HCIR，并根据预均衡矩阵
Figure FDA0004083023520000022
和等效循环矩阵HCIR构造正交化矩阵HPC；
轨道角动量信号预处理模块(2)是一个矩阵向量乘法器，其设置为将正交化矩阵HPC和数字域轨道角动量多模态复用模块输出的轨道角动量复用数据s向量相乘，并向DAC模块(107)输出乘积，以实现轨道角动量信号预处理；
所述优化目标R包括增加数据复用路数、逼近信道容量、和提升信息安全中的一种；
若优化目标R表示增加数据复用路数，则等效循环矩阵HCIR直接构造为原始的无畸变大尺度衰落矩阵HPL；
若优化目标R表示逼近信道容量，等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，其中，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵；
步骤S32：利用奇异值对角阵∑OAM和公式HC＝F∑OAMFH构造循环矩阵HC，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HC，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置；
若R表示提升信息安全，则等效循环矩阵HCIR的构造方法包括：
步骤S31’：对所述信道矩阵HOAM做SVD分解，分解为HOAM＝U∑OAMVH，U和VH是分解出来的左右酉矩阵，∑OAM为奇异值对角阵，并获取所述信道矩阵HOAM的奇异值矩阵∑OAM的所有对角元素v1...vm；
步骤S32’：根据公式
Figure FDA0004083023520000031
解出等增益信道系数p，令对应于m个子信道的m个对角元素都为p，构造出对角阵∑S；
步骤S33’：利用公式HS＝F∑SFH构造循环矩阵HS，则等效循环矩阵HCIR为构造的循环矩阵HS，F是DFT矩阵，上标H表示共轭转置。
5.根据权利要求4所述的多模涡旋波正交化自适应传输装置，其特征在于，所述发射装置从反向的通信链路中获取信道矩阵HOAM和通信需求R。
6.根据权利要求4所述的多模涡旋波正交化自适应传输装置，其特征在于，所述发射装置(100)包括依次连接的M个比特级处理模块(101)、M个星座映射模块(102)、M个第一符号级处理模块(103)、M个轨道角动量调制模块(104)、M个第二符号级处理模块(105)和一个数字域轨道角动量多模态复用模块(106)，以及依次连接的2N个DAC模块(107)、N个上变频模块(108)、N个射频处理模块(109)和一个圆环阵列发射天线(110)；M为轨道角动量模态复用数，N为圆环阵列发射天线的阵元个数，M、N均为正整数。
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