一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)，該方法包括：S1，接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號后，對所述訓(xùn)練信號的模式進行識別；S2，如果與設(shè)定的模式一致，則向所述發(fā)送端發(fā)送確認對準信號；S3，若果與設(shè)定的模式不一致，則對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后，向發(fā)送端發(fā)送確認對準信號。本發(fā)明的軌道角動量無線通信的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)，使用訓(xùn)練信號重傳確認的流程和自動調(diào)節(jié)軸對準的方法，解決了軌道角動量無線通信中軸失準對探測的影響，保證了端到端通信的可靠性。
【專利說明】一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，尤其是涉及一種軌道角動量無線通信的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著手機終端的普及，現(xiàn)有的密集編碼和信道共享技術(shù)已經(jīng)不能有效避免可用無線電波頻段的擁塞，這給用戶的使用造成了很大不便。因此，發(fā)展新的技術(shù)來有效利用頻譜，調(diào)高信息傳輸速率顯得至關(guān)重要。
[0003]一種辦法是利用電磁場軌道角動量一這一迄今為止還未用于無線通信的本質(zhì)物理屬性。電磁場不僅具有能量還具有角動量，按照量子力學(xué)的觀點，角動量可以分解為兩部分:自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)。其中，自旋角動量與電磁波的極化有關(guān)，因此表征了光子的螺旋性，軌道角動量與電磁波在垂直傳播軸方向上的螺旋相位剖面有關(guān)。軌道角動量是一個基本的物理量，具有無窮多個本征狀態(tài)，它提供了不同于自旋角動量的另一個自由度。由于軌道角動量狀態(tài)彼此正交，因而在不增加頻譜寬度的前提下，軌道角動量狀態(tài)可以作為正交的通信信道，使無窮多路傳統(tǒng)的通信協(xié)議捻合到一起。理論上，可以將10 (或100或1000…)路WiFi或者LTE信號在單束波上傳輸，從而將系統(tǒng)吞吐量增加10 (或100或1000)倍。這為頻譜資源嚴重緊缺的無線通信提供了一個充滿希望的解決方案。因而，軌道角動量可以作為不同于時域、空域、頻域、碼域的又一個有用的自由度，從而極大提升通信系統(tǒng)的容量。
[0004]實現(xiàn)軌道角動量通信的前提是接收端能精確地識別軌道角動量的任一模式。目前探測軌道角動量的方法可以分為兩類，一類是相位梯度法，這種方法利用共平面的兩天線所測電磁場的相位差來估計軌道角動量的模式值。另一類是通過測量電磁場的完整信息得到關(guān)于不同軌道角動量模式的功率譜。但是，不同于傳統(tǒng)的移動通信，軌道角動量模式的探測都要求探測裝置與發(fā)射裝置軸精確對準，否則，微小的偏離會給測量帶來誤差甚至錯誤，這會嚴重影響軌道角動量無線通信系統(tǒng)的性能。因此，軸對準問題在軌道角動量通信中具有決定性的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種適用于軌道角動量無線通信的軸對準自適應(yīng)控制方法及其系統(tǒng)，使用訓(xùn)練信號重傳確認的流程和自動調(diào)節(jié)軸對準的方法，解決了軌道角動量無線通信中軸失準對探測的影響，保證了端到端通信的可靠性。
[0006]根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供了一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，所述方法包括:S1，接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號后，對所述訓(xùn)練信號的模式進行識別；S2，如果與設(shè)定的模式一致，則向所述發(fā)送端發(fā)送確認對準信號；S3，若果與設(shè)定的模式不一致，則對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后，向發(fā)送端發(fā)送確認對準信號。
[0007]其中，所述發(fā)送端在發(fā)送訓(xùn)練信號時，監(jiān)聽在設(shè)定的時間內(nèi)是否收到所述發(fā)送端發(fā)送的確認對準信號，若沒有收到，則重新發(fā)送上述訓(xùn)練信號，當收到所述確認對準信號后，所述發(fā)送端停止發(fā)送上述訓(xùn)練信號，并行發(fā)送端發(fā)送與所述確認對準信號相同的確認信號。
[0008]其中，所述發(fā)送端在監(jiān)聽在設(shè)定的時間內(nèi)是否收到確認對準信號時，以設(shè)定的時間間隔周期性地發(fā)送訓(xùn)練信號，直到收到所述確認對準信號。
[0009]其中，所述對接收端進行軸對準調(diào)節(jié)包括:將軌道角動量功率譜的方差作為衡量所述接收端偏離程度的指標，通過特定的算法尋找方差的最小方向，從而確定軸對準的調(diào)節(jié)方向。
[0010]其中，所述對接收端進行軸對準調(diào)節(jié)包括分別在對軸的橫向偏移(X，y)和對軸的傾斜(Y，Η)方向上進行調(diào)節(jié)。
[0011]其中，對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)的具體步驟包括:S61，對所述接收端進行粗調(diào)，估算所述接收端的對準位置，并確定調(diào)節(jié)方向；S62，在調(diào)節(jié)方向上任意選取兩個位置Li和Rj,并且Li和Rj分布在所述對準位置的兩側(cè)，其中，i和j均為正整數(shù)，且i = j ;S63，選取Li與&的中點位置m，以及&與m的中點位置M，分別測量并計算所述m位置的軌道角動量功率譜的方差V(m)和M位置的軌道角動量功率譜的方差V(M) ；S64,如果V(m) >V(M)，則將Li+1選取為m的位置，并判定是否滿足Li+1+epS〈Rp若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相應(yīng)的Li+1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié)；如果V(m) <￥(10，將1^+1選取為M的位置，并判定是否滿足Li+印KIV1，若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相 應(yīng)的Rp1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié)，其中，eps為根據(jù)所述接收端所在的環(huán)境和對調(diào)節(jié)精度要求而設(shè)置的參數(shù)值。
[0012]其中，所述訓(xùn)練信號為預(yù)設(shè)模式的軌道角動量電磁波。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端，其中，所述發(fā)送端包括第一信號發(fā)送單元，用于發(fā)送上述訓(xùn)練信號和確認信號；計時單元，用于判斷是否繼續(xù)發(fā)送所述訓(xùn)練信號，以及第一信號接收單元，用于接收所述接收端發(fā)送的所述確認對準信號；所述接收端包括第二信號接收單元，用于接收所述發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號和確認信號；模式識別單元，用于判斷所述訓(xùn)練信號的模式是否與預(yù)設(shè)的模式一致，并判斷是否對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)單元，用于對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，以及第二信號發(fā)送單元，用于發(fā)送所述確認對準信號。
[0014]本發(fā)明所述的一種軌道角動量無線通信的軸對準調(diào)節(jié)方法及其系統(tǒng)，使用訓(xùn)練信號重傳確認的流程和自動調(diào)節(jié)軸對準的方法，解決了軌道角動量無線通信中軸失準對探測的影響，保證了端到端通信的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中:
[0016]圖1示出了本發(fā)明的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法的流程圖；
[0017]圖2示出了使用本發(fā)明的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法進行軸對準調(diào)節(jié)的實施例的流程圖；
[0018]圖3示出了本發(fā)明的實施例的對X軸方向進行調(diào)節(jié)的示意圖；[0019]圖4示出了本發(fā)明的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。
[0021]圖1示出了本發(fā)明的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法的流程圖。
[0022]參照圖1，本發(fā)明的實施例的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，包括步驟:
[0023]SI，接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號后，對所述訓(xùn)練信號的模式進行識別；
[0024]S2，如果與設(shè)定的模式一致，則向所述發(fā)送端發(fā)送確認對準信號；
[0025]S3，若果與設(shè)定的模式不一致，則對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后，向發(fā)送端發(fā)送確認對準信號。
[0026]對接收端進行軸對準調(diào)節(jié)具體包括:將軌道角動量功率譜的方差作為衡量偏離程度的指標，通過特定的算法尋找方差的最小方向，從而確定軸對準的方向。
[0027]在本實施例中，發(fā)送端在發(fā)送訓(xùn)練信號時，監(jiān)聽在設(shè)定的時間內(nèi)是否收到所述發(fā)送端發(fā)送的確認對準信號； [0028]若沒有收到，則重新發(fā)送上述訓(xùn)練信號，并以設(shè)定的時間間隔周期性地發(fā)送訓(xùn)練信號，直到收到所述確認對準信號；
[0029]當收到所述確認對準信號后，所述發(fā)送端停止發(fā)送上述訓(xùn)練信號，并行發(fā)送端發(fā)送與所述確認對準信號相同的確認信號。
[0030]本實施例中，發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號為預(yù)先設(shè)定的信號，如可以為預(yù)設(shè)模式的軌道角動量電磁波。
[0031]在本實施例中，發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號的為軌道角動量模式值為O的單一模式電磁波，在接收端和發(fā)送端未對準的情況下，接收端測量到的電磁波是不同軌道角動量模式的疊加，此時接收端會得到不同軌道角動量模式的歸一化的功率譜，并依此計算識別結(jié)果，如果該結(jié)果與事先設(shè)定的模式不一致，則說明發(fā)送端和接收端未對準，則接收端進行軸對準調(diào)節(jié)。
[0032]本實施例中，軸未對準的情況可以分為兩類，一類橫向偏移(x，y)，另一類是對軸的傾斜(Y，n)o當設(shè)x，y，Y, η中任意三個為固定值，改變余下的變量時，可以得到與之相應(yīng)的不同的功率譜進而得到不同功率譜的方差V。圖3示出了 y，y，η —定，不同X的V-x曲線。參照圖3，可以看到曲線呈類拋物線型，并且在X = O即X方向上對準的情況下，方差最小；而增大X方向的軸偏離距離，方差V隨之單調(diào)增大。類似的，僅改變y或Y或H，仍可以得到相同的結(jié)論。這說明，方差V可以作為衡量軸偏離程度的指標:方差V隨著軸偏離程度增大而單調(diào)遞增，當軸對準時，方差V達到最小值。
[0033]基于此，可以采用四重調(diào)節(jié)的機制，即在x，y，Y, η的方向上分別進行調(diào)節(jié)，找到各自方向上方差最小的點，也就找到了軸對準的方向。
[0034]圖2示出了使用本發(fā)明的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法進行軸對準調(diào)節(jié)的實施例的流程圖。圖3示出了本發(fā)明的實施例的對X軸方向進行調(diào)節(jié)的示意圖。
[0035]本實施例以χ軸方向的調(diào)節(jié)為例，參考圖2和圖3，對接收端的軸對準的調(diào)節(jié)的具體步驟為:
[0036]S61，對接收端進行粗調(diào)，估算接收端的對準位置0，并確定調(diào)節(jié)方向，即X軸方向；
[0037]S62，在χ軸上任意選取兩個位置Li和Rj,并且Li和Rj分布在所述對準位置的兩偵牝其中，i和j均為正整數(shù)，且i = j ；
[0038]S63，在χ軸上選取Li與Rj的中點位置m，以及Rj與m的中點位置M，分別測量并計算所述m位置的軌道角動量功率譜的方差V(m)和M位置的軌道角動量功率譜的方差V(M)；
[0039]S64，如果V(m) >V(M)，則將Li+1選取為m的位置，并判定是否滿足Li+1+印s〈R」，若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相應(yīng)的Li+1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié);
[0040]如果V(m) ^ V(M),將Rj+1選取為M的位置，并判定是否滿足Li+eps^+l，若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相應(yīng)的1+1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié)，
[0041]其中，eps為根據(jù)所述接收端所在的環(huán)境和對調(diào)節(jié)精度要求而設(shè)置的參數(shù)值。
[0042]在本發(fā)明的實施例中，對于接收端其他方向上的調(diào)節(jié)，可以使用上述相同的方法，在此不再贅述。
[0043]在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述方法中的發(fā)送端100和接收端200，其中，
[0044]發(fā)送端100包括第一信號發(fā)送單元110，用于發(fā)送上述訓(xùn)練信號和確認信號；
[0045]計時單元120，用于判斷是否繼續(xù)發(fā)送所述訓(xùn)練信號，以及
[0046]第一信號接收單元130，用于接收接收端200發(fā)送的確認對準信號。
[0047]接收端200包括第二信號接收單元210，用于接收發(fā)送端100發(fā)送的訓(xùn)練信號和確認信號；
[0048]模式識別單元220，用于判斷訓(xùn)練信號的模式是否與預(yù)設(shè)的模式一致，并判斷是否對接收端200進行軸對準調(diào)節(jié)；
[0049]調(diào)節(jié)單元230，用于對接收端200進行軸對準調(diào)節(jié)，以及
[0050]第二信號發(fā)送單元240，用于向發(fā)送端100發(fā)送確認對準信號。
[0051]表1示出了使用軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法進行軸對準調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果。
[0052]如表1所示，L和R分別為在進行軸對準調(diào)節(jié)時選取的初始的兩個位置，其偏移距離設(shè)置為(R-L)的值。在表1中可以計算出，在精度要求的范圍內(nèi)，偏離距離增加10倍的情況下，需要增加的調(diào)節(jié)的次數(shù)不超過5次，如當偏離距離從0.1增加到I時，其調(diào)節(jié)次數(shù)增加了 5次。
[0053]在本發(fā)明的實施例中，在計算發(fā)送端和接收端的偏移距離時，其偏移距離已經(jīng)被電磁波的腰束寬帶(毫米量級)歸一化，因此使用本發(fā)明的實施的方法進行軸對準調(diào)節(jié)可以獲得較高的精度。
[0054]表1使用軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法的仿真結(jié)果
[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，包括: SI，接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號后，對所述訓(xùn)練信號的模式進行識別； S2，如果與設(shè)定的模式一致，則向所述發(fā)送端發(fā)送確認對準信號； S3，若果與設(shè)定的模式不一致，則對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后，向發(fā)送端發(fā)送確認對準信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于， 所述發(fā)送端在發(fā)送訓(xùn)練信號時，監(jiān)聽在設(shè)定的時間內(nèi)是否收到所述發(fā)送端發(fā)送的確認對準信號，若沒有收到，則重新發(fā)送上述訓(xùn)練信號，當收到所述確認對準信號后，所述發(fā)送端停止發(fā)送上述訓(xùn)練信號，并行發(fā)送端發(fā)送與所述確認對準信號相同的確認信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述發(fā)送端在監(jiān)聽在設(shè)定的時間內(nèi)是否收到確認對準信號時，以設(shè)定的時間間隔周期性地發(fā)送訓(xùn)練信號，直到收到所述確認對準信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述對接收端進行軸對準調(diào)節(jié)包括:將軌道角動量功率譜的方差作為衡量所述接收端偏離程度的指標，通過特定的算法尋找方差的最小方向，從而確定軸對準的調(diào)節(jié)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述對接收端進行軸對準調(diào)節(jié)包括分別在對軸的橫向偏移和對軸的傾斜方向上進行調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)的具體步驟包括: S61，對所述接收端進行粗調(diào)，估算所述接收端的對準位置，并確定調(diào)節(jié)方向； S62，在調(diào)節(jié)方向上任意選取兩個位置Li和Rj,并且Li和Rj分布在所述對準位置的兩偵牝其中，i和j均為正整數(shù)，且i = j ； S63，選取Li與&的中點位置m，以及&與m的中點位置M，分別測量并計算所述m位置的軌道角動量功率譜的方差V(m)和M位置的軌道角動量功率譜的方差V(M)； S64，如果V(m) >V(M)，則將Li+1選取為m的位置，并判定是否滿足Li+1+印S〈R」，若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相應(yīng)的Li+1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié); 如果V(m) ( V(M)，將Rj+1選取為M的位置，并判定是否滿足Li+印s〈Rj+1，若不滿足，則重復(fù)步驟S63，若滿足，則將所述接收端的位置調(diào)節(jié)到相應(yīng)的I^1的位置，并結(jié)束調(diào)節(jié)， 其中，eps為根據(jù)所述接收端所在的環(huán)境和對調(diào)節(jié)精度要求而設(shè)置的參數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述訓(xùn)練信號為預(yù)設(shè)模式的軌道角動量電磁波。
8.—種軌道角動量無線通信系統(tǒng)的軸對準調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端，其中， 所述發(fā)送端包括第一信號發(fā)送單元，用于發(fā)送上述訓(xùn)練信號和確認信號； 計時單元，用于判斷是否繼續(xù)發(fā)送所述訓(xùn)練信號，以及 第一信號接收單元，用于接收所述接收端發(fā)送的所述確認對準信號；所述接收端包括第二信號接收單元，用于接收所述發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練信號和確認信號; 模式識別單元，用于判斷所述訓(xùn)練信號的模式是否與預(yù)設(shè)的模式一致，并判斷是否對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)； 調(diào)節(jié)單元，用于對所述接收端進行軸對準調(diào)節(jié)，以及 第二信號發(fā)送 單元，用于發(fā)送所述確認對準信號。
【文檔編號】H04B17/00GK103986531SQ201410175771
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】田輝, 張平, 周葉青, 劉自強 申請人:北京郵電大學(xué)