[发明专利]基于智能反射面的广义电磁波轨道角动量传输系统

说明书

本发明涉及一种基于智能反射面的广义电磁波轨道角动量传输系统。系统中下行链路包括信号发射基站、第一智能反射面阵列、终端用户。信号发射基站产生空间相位梯度的广义OAM波束，波束赋形到智能反射面反射；智能反射面把各广义OAM波束汇聚到终端用户所在位置；终端用户将汇聚的广义OAM波束累加解调处理恢复数据。系统中上行链路包括信号发射用户、第二智能反射面阵列、信号接收基站。信号发射用户估计下行到达波束的DOA，并按原路径上传用户信息到智能发射面；智能反射面把用户信息按原路径反射到信号接收基站；信号接收基站对用户信息进行解调或转发处理。本发明给出从超大规模MIMO方式切换到广义OAM准则和判据，既保证用户传输容量又保证用户功耗最低。

技术领域

本发明轨道角动量电磁波通信技术领域，特别涉及一种基于智能反射面的广义电磁波轨道角动量传输系统。

背景技术

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是第六代移动通信的候选热点技术之一。智能反射面是一种由大量低成本的被动无源反射元件组成的平面，放置于基站与用户之间。由于每个元件都能够独立地对入射信号进行相位或/和幅度的改变，因此可以利用智能反射面，使得用户更好地接收基站发送的信号。超大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和IRS结合可提高通信频谱和功率利用率。将IRS抽象为一组被动反射元件，每个元件都可以独立地在入射电磁波上引入相移，以实现不同的通信方式。通过用低成本无源反射元件集成平面重构无线传播环境，IRS可以显著提高MIMO传输系统的性能。具体来说，IRS的不同元件可以通过控制振幅和相位来可靠地反射入射电磁波。从而协同实现精细的三维反射波束形成。典型的IRS架构由三层和一个智能控制器组成。在外层，有大量的金属片印在介电基板上，直接与入射信号相互作用。在这一层的后面，使用铜板来避免信号能量的泄漏。最后，内层是一个控制电路板，它负责调节每个元件的反射振幅/相移，由一个连接到IRS的智能控制器。在实际中，可以用FPGA进行数字控制。通过控制(Positive-Intrinsic-Negative，PIN)二极管的开闭，可以决定反射单元对入射信号的相位调整值。而通过改变电阻的大小，可以控制反射的幅度在[0～1]之间的某个值。2018年11月，日本移动运营商NTT DoCoMo和智能雷达创业公司MetaWave演示了智能反射面单元结构技术在28GHz带宽的通信系统的应用。智能反射面可以提升超大规模MIMO的传输性能，然而引入智能反射面势必会在MIMO的接收端带来高的计算复杂度。这是视距传输中的一个具有挑战性的问题。估计IRS和(User Equipment,UE)终端用户之间的CSI(Channel State Information，信道状态信息)需要大量的计算复杂度。直接引入IRS，在用户设备上具有瞬时信道状态信息，这在上行链路传输中是一个挑战性的问题，估计IRS和UE之间的CSI是一个挑战。

具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的电磁波又称“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是普通的电磁波。电磁波的相位分布沿着传播方向呈螺旋上升的形态。不同本征值l的电磁涡旋波是相互正交的，可以在同一带宽内并行传输不同本征值的OAM涡旋波，提供了无线传输的新维度。涡旋电磁波的另一个重要特点是波束整体呈发散形态，波束中心存在凹陷，中心能量为零，整个波束呈现中空的倒锥形。由于轨道角动量具有诸多OAM模态，而具有不同OAM模态的波束彼此正交，这种基于OAM的复用可以通过发送多个同轴数据流在不依赖于诸如时间和频率的传统资源的情况下潜在地增加无线通信链路的系统容量和频谱效率。在未来的6G链路中引入OAM传输技术，不仅可以获得频谱效率和链路传输速率的提高，而且可以获得较低的复杂度和成本，以及较低的功耗。