一种同时同频全双工通信中信息的收发方法

摘要

本发明公开一种同时同频全双工通信中信息的收发方法，对产生n(n>1)种OAM模式的涡旋电磁波结构，利用OAM模式彼此正交的特性，将n种OAM模式的任意k(0

权利要求

1.一种同时同频全双工通信中信息的收发方法，利用涡旋电磁波不同轨道角动量模式即OAM模式彼此正交的特性，对于一个产生n种工作频率相同、OAM模式不同的涡旋电磁波结构，将其中任意k种OAM模式用于信息的发送，剩余n-k种OAM模式用于信息的接收，即可实现同一频率同时发送和接收多路彼此独立且互不干扰的信号。

2.根据权利要求1所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，所述产生n种不同OAM模式的涡旋电磁波结构可通过以下设计方法实现：步骤A-1.针对需要生成OAM模式为l的涡旋电磁波，构建一个阵元总数为m的平面阵列天线，其中阵元数m应满足|l|

步骤A-2.所有阵元的激励相位以阵元编号为序呈等差数列排布，所述等差数列以1号阵元的激励相位α1为首项、相位递进公差为2πl/m或者-2πl/m；

步骤A-3.对所有阵元施加等幅、相位满足步骤A-2所述设定的激励，即可产生OAM模式为l的涡旋电磁波；

步骤A-4.按照步骤A-1至A-3所述方法，构建所述n种工作频率相同、OAM模式不同的涡旋电磁波所对应的n个平面阵列天线，将所述n个平面阵列天线排布于同一阵面上，即构成所述涡旋电磁波结构。

3.根据权利要求2所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，其特征在于，所述封闭曲线为圆形、椭圆形或多边形。

4.根据权利要求3所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，其特征在于，所述阵元为微带贴片天线、单极子天线或偶极子天线。

5.根据权利要求2、3或4所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，其特征在于，单个平面阵列天线中的阵元最大间距dmax满足dmax≤λ，其中λ为所述阵列天线工作频率对应的波导波长。

6.根据权利要求2所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，其特征在于，所述n个平面阵列天线依次排布于n个同心圆的圆周上形成多层圆阵，每一层圆对应于产生一种OAM模式的平面阵列天线。

7.根据权利要求6所述的同时同频全双工通信中信息的收发方法，其特征在于，通过调节每层圆阵1号阵元的激励相位α1，可调节该层圆阵的辐射主波束方向。

说明书

一种同时同频全双工通信中信息的收发方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种同时同频全双工通信中信息的收发方法。

背景技术

[0002] 随着移动通信技术的高速发展，无线通信速率也随之得到提升，而如何提高频谱利用率成为人们关注的焦点。为充分利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，同时同频全双工(Co-time Co-frequency Full Duplex,CCFD)技术应运而生。传统的双工模式主要为频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)和时分双工(Time Division Duplexing,TDD)，用以避免发射时的大信号对接收到的小信号在频域和时域上的干扰。为减小传统双工模式中频率或时隙资源的开销，在新兴的CCFD通信中，发射机和接收机占用相同的频谱资源并同时工作，使得通信双方在上下行通信链路利用相同的载波频率同时进行多路无线信号的发射和接收，从而将频谱利用率成倍增加，显著提高系统的通信速率。

[0003] 然而，CCFD通信技术仍然面临极大挑战。对任何通信系统而言，发射信号强度都远大于接收信号强度。若收发信号工作在相同的载波频率且同时进行收发，将导致接收信号完全湮没于发射信号所引起的干扰中，从而使接收机无法从接收信号中识别出需要的信息。因此，CCFD通信系统的关键在于自干扰的有效消除。

[0004] 迄今，经过人们的深入研究，已取得了相应成果。斯坦福大学Choi等人运用天线对消和巴伦抵消实现了同时同频信号的收发和噪声信号的消除，文献[Choi J I,Jain M,Srinivasan K,et al.Achieving single channel,full duplex wireless communication[C]//Proceedings of the 16th annual international conference on mobile computing and networking.ACM,2010:1-12.]和[Jain M,Choi J I,Kim T,et al.Practical,real-time,full duplex wireless[C]//Proceedings of the 17th annual international conference on mobile computing and networking.ACM,2011:301-312.]等进行了报道；莱斯大学Sabharwal等人公布研究成果[Duarte M,Sabharwal A.Full-duplex wireless communications using off-the-shelf radios:Feasibility and first results[C]//IEEE Conference record of the 44th asilomar conference on signals,systems and computers(ASILOMAR),2010:1558-1562.]和[Sahai A,Patel G,Sabharwal A.Pushing the limits of full-duplex:Design and real-time implementation[J].arXiv preprint arXiv:1107.0607,2011.]，通过在接收天线处构造额外射频链路以及改变收发天线相对位置来抵消干扰信号，从而提高收发间的隔离度；此外，纽约大学Knox等人在文献[Knox M E.Single antenna full duplex communications using a common carrier[C]//IEEE 13th annual wireless and microwave technology conference(WAMICON),2012:1-6.]中提出一种单天线收发方案，通过定向耦合器消除环形器泄漏和天线反射的影响，从而实现较好的收发隔离。但是，上述所有实施方案都较复杂，需要通过额外措施来解决系统的自干扰问题。

[0005] 由于无线传输的媒介是电磁波，如果找到可利用的电磁波新物理机理并用于CCFD，则可给CCFD通信系统甚至整个无线通信带来变革。由麦克斯韦经典电磁理论可知电磁辐射可以同时载有能量和动量，动量包括线性动量和角动量。角动量分为自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。作为电磁波的一个基本物理属性，OAM的本征态具有形如 的相位因子，l即为OAM的模式，又称为拓扑荷(Topological Charge，TC)，代表OAM的空间分布。普通的电磁波OAM模式为0，等相位面为平面；如果波束被扭曲，电磁波的OAM模式不为0，将导致波前以螺旋状态旋转于波的传播方向，且波前中心的场强为零，这种具有螺旋状相位波前的特殊电磁波就是涡漩电磁波。

[0006] 涡旋电磁波作为一种新机制，拥有高效频谱利用率和抗干扰等引人注目的特性。目前已有研究人员将涡旋电磁波的OAM视为一个新自由度并作为数据信息载体，开展了利用涡旋电磁波进行无线通信的基础理论和关键技术研究。Tamburini等人2012年发表研究成果[Tamburini F,Mari E,Sponselli A,et al.Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:first experimental test.New Journal of Physics,2012,14(3):033001]，通过实验验证了涡旋电磁波应用于无线通信的可行性。

[0007] 对于任意频率的涡旋电磁波，OAM理论上可取无穷多模式，再通过对涡旋电磁波的不同OAM模式进行相同格式编码，可实现同一频带同时传输多路彼此独立且互不干扰的信号。进一步，将其中某些OAM模式的涡旋电磁波用于信息的发送而剩余模式用于信息的接收并用于CCFD通信系统中，由于OAM模式的彼此正交性，可有效解决CCFD系统自干扰问题，从而实现高速率大容量的高性能无线通信。因而，基于涡旋电磁波的CCFD通信具有在同一频率同时进行收发信息且携带无限多信息量的潜力，能大幅提升无线频谱的利用率和通信速率，具有极大的发展前景。

[0008] 基于涡旋电磁波的CCFD通信，首先需要产生这种具有螺旋相位波前的电磁波，由于这种电磁波具有中空特性，表现为锥度波束，这种波束在传播过程中是发散的，呈锥度扩散状。这种发散状的辐射特性，将直接影响信息的传输距离，从而对发射机功率提出了更高要求，而更高的发射功率也给接收带来更大干扰，这给CCFD通信系统的收发设计带来极大挑战。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种同时同频全双工通信中信息的收发方法，解决CCFD通信系统自干扰问题。本发明无需额外的干扰消除技术即可实现CCFD通信，能有效解决现有无线通信频谱资源匮乏和通信速率有限的问题。

[0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0011] 一种同时同频全双工通信中信息的收发方法，利用涡旋电磁波不同OAM模式彼此正交的特性，对于一个产生n(n>1)种工作频率相同、OAM模式不同的涡旋电磁波结构，将其中任意k(0

[0012] 进一步的，所述产生n种不同OAM模式的涡旋电磁波结构可通过以下设计方法实现：

[0013] 步骤A-1.针对需要生成OAM模式为l的涡旋电磁波，构建一个阵元总数为m的平面阵列天线，其中阵元数m应满足|l|

[0014] 步骤A-2.所有阵元的激励相位以阵元编号为序呈等差数列排布，所述等差数列以1号阵元的激励相位α1为首项、相位递进公差为2πl/m或者-2πl/m；

[0015] 步骤A-3.对所有阵元施加等幅、相位满足步骤A-2所述设定的激励，即可产生OAM模式为l的涡旋电磁波；

[0016] 步骤A-4.按照步骤A-1至A-3所述方法，构建所述n种工作频率相同、OAM模式不同的涡旋电磁波所对应的n个平面阵列天线，将所述n个平面阵列天线排布于同一阵面上，即构成所述涡旋电磁波结构。

[0017] 单个平面阵列天线的阵元可以排列在三角形或同心圆周或椭圆周上，阵面形状即所述封闭曲线可以是三角形、矩形、圆形、椭圆形或其他多边形；所述阵列天线的阵元形式不限，可以是微带贴片天线，例如矩形或者圆形微带贴片天线，也可以是单极子天线或偶极子天线等。

[0018] 进一步的，通过对单个平面阵列天线中的阵元最大间距dmax进行限制，即满足dmax≤λ，其中λ为所述阵列天线工作频率对应的波导波长，可避免该平面阵列天线出现过高栅瓣。

[0019] 通过调整单个平面阵列天线的阵元总数m或改变该阵列阵元的排布方式可增强该平面阵列天线产生的涡旋电磁波的涡旋效果。

[0020] 进一步的，为减小所述涡旋电磁波结构的尺寸，可将所述n个平面阵列天线依次排布于n个同心圆的圆周上形成多层圆阵，每一层圆对应于产生一种OAM模式的平面阵列天线，如图1所示；多层圆阵的半径Rn(n＝1,2,3,…)依次增大，即Rn>Rn-1>…R2>R1>0；对于所述多层圆阵的第n层，阵元总数为Nn，按照步骤A-1至A-4所述方法，通过调节阵元总数Nn与阵元之间激励的相位差2πln/Nn来产生模式为ln的涡旋电磁波，形成OAM模式为ln的涡旋电磁波。

[0021] 在上述基础上，进一步通过控制每层1号阵元的激励相位α1，可使圆阵辐射的主波束位于指定方向，且定向性高，从而有效克服主波束呈锥度状发散的辐射特性，实现远距离传输。而OAM模式之间相互正交，抗干扰性强，多个模式可以独立携带多个信息，当这些模式用于无线通信的收发工作时，可进行高性能的同时同频全双工通信。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 基于涡旋电磁波不同OAM模式之间彼此正交的特性，提出同时同频全双工通信新的实现方法。其中用于产生n种OAM模式的涡旋电磁波结构为多层圆形天线阵，通过控制各层阵元的激励相位差来产生不同OAM模式的涡旋电磁波。此外，通过控制各层第一阵元的初始激励相位解决辐射发散问题，从而实现远距离传输。本发明无需额外措施即可有效消除系统的自干扰，实现高性能的同时同频全双工通信，有效解决无线通信频谱资源匮乏以及通信速率有限的问题。

附图说明

[0024] 图1为一种用于在同一频率下产生n种OAM模式的涡旋电磁波结构图。

[0025] 图2为本发明实施例提供的双层圆形天线阵示意图。

[0026] 图3为本发明实施例提供的阵单元模型。

[0027] 图4为本发明实施例中阵单元的反射系数曲线。

[0028] 图5为本发明实施例中阵单元电场的相位分布图。

[0029] 图6为本发明实施例中阵单元的远场方向图。

[0030] 图7为本发明实施例提供的双层圆形天线阵模型。

[0031] 图8为本发明实施例双层圆形天线阵仅内层工作时的电场相位分布图。

[0032] 图9为本发明实施例双层圆形天线阵仅内层工作时的远场方向图。

[0033] 图10为本发明实施例双层圆形天线阵仅外层工作时的电场相位分布图。

[0034] 图11为本发明实施例双层圆形天线阵仅外层工作时的远场方向图。

[0035] 图12为本发明实施例双层圆形天线阵内外层同时工作时的电场相位分布图。

[0036] 图13为本发明实施例双层圆形天线阵内外层同时工作时的远场方向图。

具体实施方式

[0037] 下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述。

[0038] 1、涡旋电磁波的产生

[0039] 对一个阵元总数为N的阵列天线(非线阵)，对各个阵元施加等幅、相邻阵元相位差一定的激励，就能产生不同OAM模式的涡旋电磁波。设第一个阵元的激励相位为α1，通过控制其它阵元的激励相位，使其相位依次递增或递减(也可以是相位依次沿顺时针或逆时针方向变化)2πl/N，l为拓扑荷，即第k(k＝1,2,…,n)个阵元的激励相位αk为α1±2πlk/N，则阵元总数为N的阵列天线就可以产生OAM模式为l或-l的涡旋电磁波，其中阵元总数N与所实现的拓扑荷l满足关系|l|

[0040] 图1为本发明实施例基于上述理论所提供的在同一频率下产生n种OAM模式的涡旋电磁波结构图，由多个阵元均匀排列在同心圆环的圆周上，形成多层圆阵。通过调节每层阵元总数与阵元的激励相位，产生一个OAM模式，这样，通过多层圆阵就可以在同一频率同时产生多个具有不同OAM模式的涡旋电磁波。

[0041] 图2为本发明实施例的示意图，以两层即n＝2为例说明，内外两层阵元总数N1和N2分别为6和8，阵元均匀排列在同心环上，构成双层圆阵，用以产生同一频率下OMA模式为1和2的涡旋电磁波。实施例选择剖面低、体积小、易于制造的矩形微带贴片天线，如图3所示。工作频率f为2.5GHz，包括矩形贴片2、介质板3和地板4三部分，其中，厚度为h的介质板3为矩形基板，其正面为金属矩形贴片2，背面为与介质板同等大小的金属地板4，介质板3的正面位于xoy平面，中心为坐标原点。所述介质板3的宽度和长度分别为W1和L1，矩形贴片2的宽度和长度分别为W和L，馈点1位于x轴上，偏离中心L0，采用同轴馈电方式，同轴线的外导体与金属地面4相接，内导体直接与矩形贴片2相接。

[0042] 所述介质板3采用FR4介质基板，相对介电常数εr为4.4，厚度h为1.6mm，W1和L1沿辐射元各边向外延伸半个波长，矩形贴片2的尺寸及馈点1的位置由以下公式进行估算：

[0043]

[0044] 式中，

[0045]

[0046]

[0047]

[0048] 根据上述公式计算出相关尺寸，使用50Ω的同轴线馈电，通过CST软件对参数进行优化，最终确定W和L分别为36.5mm和26.85mm，L0为4.4mm，阵单元的反射系数S11如图4所示，可看出谐振频率为2.5GHz，且在此频点回波损耗为26dB左右，图5为阵单元电场的相位分布图，阵单元远场方向图如图6所示。

[0049] 确定单个阵元的参数后，将其沿z轴旋转均匀排列在xoy面的同心环上，构成双层圆阵，其模型如图7所示。考虑到天线尺寸及阵元间距对栅瓣的影响，取内外层半径R1和R2分别为0.5λ和0.8λ(λ为谐振频率对应的自由空间波长)，即60mm和96mm，介质板沿辐射元各边向外延伸半个波长。内外层阵元总数N1和N2分别为6和8，通过控制每层各个阵元的激励相位来产生同一频率下OAM模式l1和l2分别为1和2的涡旋电磁波。

[0050] 设内外层第一个阵元的激励相位分别为α1和α2，通过控制内层相位依次增加2πl1/N1＝60°，外层相位依次增加2πl2/N2＝90°即产生OAM模式为1和2的涡旋电磁波。进一步，通过改变初始相位α1和α2来控制最大辐射方向，使主瓣沿某一方向最强，同时副瓣较小，定向性较高。综合考虑，本实施例选择α1和α2分别为0°和-15°。图8为实施例仅内层工作时的电场相位分布图，可见电场相位沿圆周一圈变化2π，对应于产生了OAM模式为1的涡旋电磁波，其相应的远场方向图如图9所示；图10为实施例仅外层工作时的电场相位分布图，同理可知电场相位沿圆周一圈变化4π，对应于产生了OAM模式为2的涡旋电磁波，相应的远场方向图如图11所示；图12为实施例内外层同时工作时的电场相位分布图，对应于OAM模式为1和2的涡旋电磁波，图13为相应的远场方向图，在θ＝32°， 方向具有最大辐射强度。

[0051] 2、基于涡旋电磁波的CCFD通信实现方法

[0052] 对上述在同一频率下产生两种OAM模式的涡旋电磁波结构，其OAM模式为1和2，主波束位于某一指定方向，定向性高，可实现远距离传输。在CCFD系统中，可将OAM模式1(或模式2)用于信息的发送，而OAM模式2(或模式1)用于信息的接收，且工作在同一频率上，由于OAM模式之间彼此正交，信息在传送过程中相互独立互不干扰，实现信息的同时同频发送和接收。所以，基于涡旋电磁波的CCFD通信，无需额外的自干扰消除措施，就能实现同一频带同时发送和接收多路彼此独立且互不干扰的信号，实现高速率大容量远距离的信息传送。

[0053] 上述结构仅为本发明的一个实施例，本发明提出的基于涡旋电磁波的同时同频全双工通信方法，利用涡旋电磁波OAM模式彼此正交的特性，对任何在同一频率下实现多种OAM模式的涡旋电磁波结构，选择其中某些OAM模式用于信息的发送，剩余模式用于信息的接收，均能同时实现多路信息的独立收发，无需额外自干扰消除措施即能实现同时同频全双工通信中的信息收发。