[发明专利]用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法

说明书

本发明涉及一种用于OAM‑MIMO动态信道的功率分配方法，属于无线通信技术领域。在动态的OAM‑MIMO场景下，信道的状态会随着接收机的移动而改变，由于系统中存在反馈时延和估计误差，因此很难准确地得到信道状态信息，进而会使得系统的容量性能变得不太理想。本发明与传统的延续前次功率算法和平均功率分配算法相比，能在系统总功率资源有限的情况下，有效地提升OAM‑MIMO系统的容量性能。最后的仿真实验结果也表明，在工作频率为10GHz，波长为3cm，阵元数为8，发射和接收UCA半径为9cm以及信道状态信息未知的情况下，本发明所提出的功率预分配算法要明显优于传统的平均功率分配算法和延续前次功率算法。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法。

背景技术

随着无线用户的不断增长，满足无线网络中持续的容量增长需求变得越来越有挑战性。为了能够在有限的资源下满足持续增长的需求，必须依靠新的技术来提升系统容量及频谱利用率。

根据麦克斯韦理论，电磁辐射同时携带有能量和动量，而动量又可以分解为线性动量(Linear Momentum，LM)与角动量(Angular Momentum，AM)，其中角动量包含自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分。自旋角动量与电磁波的极化方式有关，取值为普朗克常量，分别对应左右圆极化。而轨道角动量与电磁场的涡旋相位结构有关，取值为，其中称作拓扑电荷和模态值，理论上可以取任何一个值，取整数表示本征态，取分数表示多个本征态的叠加，不同的本征态之间是相互正交的。携带轨道角动量的电磁波不同于平面电磁波的地方是多了相位旋转因子，具体表现是相位波前具有围绕波束轴的空间螺旋相位结构，因而也常被称作涡旋波。由于不同本征态的涡旋波之间具备物理正交特性，可以将多路信号调制到不同本征态涡旋波上独立传输，从而在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下极大地增加无线通信系统的信道容量，为研究无线通信频谱资源紧缺的问题提供了一个新的解决方案。

在OAM-MIMO通信系统中，不同模态的涡旋电磁波相当于独立的信道，通过对不同模态的涡旋电磁波分配功率值，可使得系统容量最大化，这在功率资源有限的情况下提升OAM-MIMO通信系统的性能是很有必要的。

在以往的OAM-MIMO通信系统中，研究的功率分配方案都是基于静态的场景，接收机和发射机都是静止不动的。然而在实际的应用中，接收机往往会处于移动的状态，这使得系统的信道状态会随着接收机的移动而改变。由于在动态场景中会存在反馈时延和估计误差，通常系统很难准确地得到信道状态信息。在信道状态信息未知的情况下，利用传统的平均功率分配方法或者延续前次功率分配方法会造成功率资源的浪费。因此，如何在动态信道下有效地分配功率资源，在一定程度上决定了OAM-MIMO通信系统的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于OAM-MIMO动态信道的功率分配方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

在一个动态场景的OAM-MIMO多模态复用通信系统中，发射机放置于房间顶部，接收机在地面移动，发射和接收天线都是由N天线单元组成的均匀圆形阵列。其中D为发射天线阵列到地面的距离，d_n,m是发射天线m到接收天线n的距离，x为发射阵列到地面投影的圆心到接收阵列圆心距离在x轴的投影，y则为在y轴的投影。因此发射天线m到接收天线n的距离d_n,m可以表示为：

其中，R_t和R_r分别为发射阵列和接收阵列的半径，和θ_n＝2πn/N+θ₀则分别为发射阵列和接收阵列天线单元的方位角，和θ₀分别是两阵列天线单元的初始相位。