一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法

摘要

一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，使用一根发射天线多根接收天线的通信系统，发射端配备一根行波环状共振腔天线，这类天线产生不同模式的OAM波；将待发送信息中的一部分映射为一种轨道角动量信号的模式即某种模式的OAM波，待发送信息中的另一部分经过P点星座图调制为传统的数字调制符号，每个传输时间使用特定模式的轨道角动量信号传输数字调制符号，该调制过程或方法包括轨道角动量模式调制映射、轨道角动量模式检测和数字调制解调三个过程；本发明在卫星通信传输中添加了轨道角动量这个新维度，提高了频谱效率，且由于不同模式的轨道角动量信号之间的正交性，没有信道间干扰的影响，可增强信息传输的安全性。

权利要求

1.一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，其特征是，使用一根发射天线多根接收天线的通信系统，发射端配备一根行波环状共振腔天线，这类天线产生不同模式的OAM波；将待发送信息中的一部分映射为一种轨道角动量信号的模式的OAM波，待发送信息中的另一部分经过P点星座图调制为传统的数字调制符号，每个传输时间使用特定模式的轨道角动量信号传输数字调制符号，该调制方法包括轨道角动量模式调制映射、轨道角动量模式检测和数字调制解调三个过程：将待发送的一组随机信息比特序列q的前l个信息比特映射为所选的轨道角动量模式，其中l＝log2L，L为行波环状共振腔天线产生的轨道角动量模式数量；将剩余的m个信息比特映射到P点调制星座图，其中m＝log2M，M为P点调制星座图的大小；

实现对轨道角动量信号模式的检测，由于在每个传输时刻只有一种模式的轨道角动量信号传输信息，在接收端使用接收天线阵列，而接收天线阵列分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环状接收区域上，假设在每个接收区域中，两根接收天线处于对应模式的OAM波的同一切面，并且两者相对于OAM波传播轴的夹角为β，且 Lmax为最大的OAM模式数量；那么在每个传输时刻只有在对应模式的接收区域内的两根接收天线才能接收到传输信号，因此在每个传输时刻，设传输信息的轨道角动量信号模式为l，对应圆环状接收区域内接收端收到的检测数据y可表示为式中，y＝[y1,y2]，y1和y2分别为对应传输信号模式l的接收区域内两根接收天线 和的接收信号，ρ表示轨道角动量调制系统的总发射功率，xp为经由P点星座图调制的符号，ω为接收端的加性高斯白噪声，hl表示模式为l的轨道角动量传输信号时的信道响应，由于有两个接收天线，所以hl能写作hl＝[hl,1,hl,2]，检测通过相位梯度法，利用接收天线的相位差计算出传输的轨道角动量信号模式，计算公式可表示为其中φ1和φ2为接收天线 和 分别接收到的轨道角动量相位，β为两根天线相对于轨道角动量信号传播轴的夹角；

基于轨道角动量模式检测结果，利用最大似然检测法实现数字符号的解映射，其计算公式可表示为

其中χ为所有P点星座图调制符号的集合，y1为对应轨道角动量信号模式为 时的接收区域内接收天线 的接收信号， 为接收天线 所对应的信号模式为 时的信道响应，根据轨道角动量信道的特征表示为其中Δ是一个常数，表示传播过程中信号强度与相位变化的系数，d1为接收天线 距发射天线的距离，λ是波长，k是波数，且 对应接收天线 传播过程中相位的变化， 为接收天线 的接收信号的螺旋状轨道角动量相位。

2.根据权利要求1所述的用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，其特征是， 和接收的信号只有OAM相位不同，因此在最大似然检测法实现解映射的公式中只需选择一根天线用来估计数字调制符号。

3.根据权利要求1所述的用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，其特征是，发射天线使用行波环状共振腔天线，此类天线产生不同模式的轨道角动量信号，利用其正交性承载部分的待发送信息。

4.根据权利要求1所述的用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，其特征是，在接收端使用接收天线阵列，由于不同模式的轨道角动量信号在接收强度的空间分布上呈现为多种不同半径的同心圆环；因此将接收天线分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环状接收区域上，在每一个对应轨道角动量模式的圆环状接收区域中，使用两根普通的接收天线，通过接收天线间OAM的相位差值，来判断传输信号的OAM波的模式。

说明书

一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，利用轨道角动量为卫星通信场景下的无线通信提供新的自由度。

背景技术

[0002] 由于无线通信技术的迅速发展，日益增长的无线通信需求和有限的频谱资源的矛盾日益突出。如何在频谱资源有限的条件下提高频谱效率成为无线通信研究的热点。根据经典电磁理论，电磁波除了拥有平行于传播方向的线性动量外，还拥有垂直于传播方向的角动量。轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)就是电磁波角动量的一部分，它来-ilφ源于电磁波的螺旋相位波前，表达式为e l，其中φ为方位角，l是OAM模式，可取任意整数。不同模式的OAM波间相互正交，在空间分布上呈现为多种不同半径的同心圆环，因此可以将传输信息加载于不同的OAM波上，利用OAM波的正交性实现复用或调制，提高通信容量。
目前OAM技术已经应用于光通信和无线通信领域。

[0003] 在无线通信领域中，使用圆形阵列天线、螺旋相位板等都可以产生OAM电磁波，现有的关于OAM波的研究都着重于利用其正交性构建类似于V-BLAST(Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time)系统这种典型的空间复用系统来实现信道复用，然而已经有研究证明，利用OAM波实现信道上空间复用的无线通信系统并不能取得比传统的空间复用多输入多输出无线通信系统更高的信道容量，前者仍然是后者的子集。由此可见，在空间复用方面，使用OAM信号并没有带来明显的收益。在多输入多输出的无线通信系统中，除了利用空间复用技术实现系统的多路输入信号并行传输以外，利用多根发射天线的空间分布承载部分发送信息的空间调制技术也是一个新的研究方向。

[0004] 在空间调制技术中，每个传输过程只使用一根天线传输数字调制符号，输入信号在不同的传输时间交错传输以避免空间复用系统中信号间干扰和天线同步的问题，同时相比于空间复用系统也降低了接收端的复杂度。可是这同时意味着，发射端需要提供尽量多的发射天线，以尽量提高传输的频谱效率，这也使得发射端需要较大的天线空间，以满足天线间至少半波长的安全距离。可是对于特殊的卫星通信场景，由于星上的物理空间资源十分局限，无法提供两根及以上天线的合理排布，此时若采用传统空间调制，增益会大大降低，因此有必要研究如何在此种环境中利用新的物理量为卫星通信提供除却空间的调制自由度，以提高卫星通信的频谱效率，而不同轨道角动量模式间的正交性恰好可以满足这一要求。

发明内容

[0005] 发明目的：由于在卫星通信场景中，若在卫星上布置多根天线，天线间需要至少半波长安全距离的物理特性会与星上较小的物理空间和天线硬件尺寸产生矛盾，且由于星地间传播距离过长，多天线带来的分集增益会因衰落信道的影响而大大减小，因此基于此场景下只使用一根发射天线多根接收天线的通信系统；为了克服卫星通信中不能利用传统空间调制技术提供额外增益的不足，本发明提出一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，利用多种模式的轨道角动量信号间的正交性提高卫星通信的频谱效率。

[0006] 本发明的技术方案是：一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，使用一根发射天线多根接收天线的通信系统，发射端配备一根行波环状共振腔天线，这类天线产生不同模式的OAM波；将待发送信息中的一部分映射为一种轨道角动量信号的模式即某种模式的OAM波，待发送信息中的另一部分经过P点星座图调制为传统的数字调制符号，每个传输时间使用特定模式的轨道角动量信号传输数字调制符号，该调制过程或方法包括轨道角动量模式调制映射、轨道角动量模式检测和数字调制解调三个过程：

[0007] 将待发送的一组随机信息比特序列q的前l个信息比特映射为所选的轨道角动量模式，其中l＝log2L，L为行波环状共振腔天线产生的轨道角动量模式数量；将剩余的m个信息比特映射到P点调制星座图中，其中m＝log2M，M为P点调制星座图的大小；

[0008] 实现对轨道角动量信号模式的检测，由于在每个传输时刻只有一种模式的轨道角动量信号传输信息，在接收端使用接收天线阵列，而接收天线阵列分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环状接收区域上，假设在每个接收区域中，两根接收天线处于对应模式的OAM波的同一切面，并且两者相对于OAM波传播轴的夹角为β，且 (Lmax为最大的OAM模式数量)；那么在每个传输时刻只有在对应模式的接收区域内的两根接收天线才能接收到传输信号，因此在每个传输时刻，设传输信息的轨道角动量信号模式为l，对应圆环状接收区域内接收端收到的检测数据y可表示为

[0009]

[0010] 式中，y＝[y1，y2]，y1和y2分别为对应传输信号模式l的接收区域内两根接收天线和 的接收信号，ρ表示轨道角动量调制系统的总发射功率，xp为经由P点星座图调制的符号，ω为接收端的加性高斯白噪声，hl表示模式为l的轨道角动量传输信号时的信道响应，由于有两个接收天线，所以hl可写作hl＝[hl，1，hl，2]。检测通过相位梯度法，利用接收天线的相位差计算出传输的轨道角动量信号模式，计算公式可表示为

[0011]

[0012] 其中φ1和φ2为接收天线 和 分别接收到的轨道角动量相位，β为两根天线相对于轨道角动量信号传播轴的夹角；

[0013] 基于轨道角动量模式检测结果，利用最大似然检测法实现数字符号的解映射，其计算公式可表示为

[0014]

[0015] 其中χ为所有P点星座图调制符号的集合，y1为对应轨道角动量信号模式为 时的接收区域内接收天线 的接收信号， 为接收天线 所对应的信号模式为 时的信道响应，根据轨道角动量信道的特征表示为

[0016]

[0017] 其中Δ是一个常数，表示传播过程中信号强度与相位变化的系数，d1为接收天线距发射天线的距离，λ是波长，k是波数，且 对应接收天线 传播过程中相位的变化， 为接收天线 的接收信号的螺旋状轨道角动量相位。

[0018] 和 接收的信号只有OAM相位不同，因此在最大似然检测法实现解映射的公式中只需选择一根天线用来估计数字调制符号。

[0019] 发射天线使用行波环状共振腔天线，此类天线产生不同模式的轨道角动量信号，利用其正交性承载部分的待发送信息。

[0020] 在接收端使用接收天线阵列，由于不同模式的轨道角动量信号在接收强度的空间分布上呈现为多种不同半径的同心圆环；因此将接收天线分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环状接收区域上，在每一个对应轨道角动量模式的圆环状接收区域中，使用两根普通的接收天线，通过接收天线间OAM的相位差值，来判断传输信号的OAM波的模式。

[0021] 将接收天线分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环状接收区域上，这样由于在每个传输时刻只有一种模式的轨道角动量信号传输信息，只有在相应接收区域内的接收天线才能接收到传输信号，这种信号的分区域对应模式接收不仅增强了信息接收的可靠性，也在可一定程度上保证信息传输的安全性；在每一个对应模式的轨道角动量信号圆环状接收区域中，由于使用两根接收天线的相位差即可保证轨道角动量模式的正确检测，因此可以将系统的接收天线数量设定为2L，其中L为发射天线产生的轨道角动量模式的数量。

[0022] 本发明提出用于提高卫星通信频谱效率的调制方法，在卫星通信场景中，若在卫星上布置多根天线，天线间需要至少半波长安全距离的物理特性会与星上较小的物理空间产生矛盾，且由于星地间传播距离过长，多天线带来的分集增益会因信道衰落的影响而大大减小。针对此场景，本发明基于发射端配备一根行波环状共振腔天线和接收端使用接收天线阵列的无线通信系统，提出一种利用轨道角动量提高频谱效率的调制方法。

[0023] 有益效果：本发明在卫星通信传输中添加了轨道角动量这个新维度，提高了频谱效率，且由于不同模式的轨道角动量信号之间的正交性，没有信道间干扰的影响，同时由于将接收端天线分别布置在不同模式下轨道角动量信号的接收区域中，可增强信息传输的安全性。与现有技术相比，本发明采用OAM这个物理量为无法利用多根天线的空间分布承载传输信息的卫星通信提供了新的自由度，利用不同模式的OAM信号间的正交性承载部分的传输信息，提高了频谱效率，且由于这种正交性以及任一传输时刻只使用一种模式的OAM波传输信号的调制特点，不会带来信道间干扰的影响，同时接收端天线的分区域对应模式接收的设计不仅增强了信息接收的可靠性，也可在一定程度上保证信息传输的安全性。

附图说明

[0024] 图1是本调制方法的系统框图。

[0025] 图2是本调制方法以星地通信为例的系统场景图。

[0026] 图3是本调制方法的三个过程。

[0027] 图4是本调制方法映射准则示例。

具体实施方式

[0028] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

[0029] 本发明提出的提高频谱效率的调制方法基于卫星通信场景，此场景中，若在卫星上布置多根天线，天线间需要至少半波长安全距离的物理特性会与星上较小的物理空间和天线硬件尺寸产生矛盾，且由于星地间传播距离过长，多天线带来的分集增益会因信道衰落的影响而大大减小，因此本发明针对此场景，基于发射端使用一根行波环状共振腔天线和接收端使用接收天线阵列的无线通信系统，利用轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)作为卫星通信传输的额外自由度，使用多种模式的轨道角动量信号承载部分的传输信息进行信息的调制。系统框图如图1所示。

[0030] 图1中通信系统的描述如下：发射端采用一根行波环状共振腔天线以产生L种模式的OAM信号；接收端使用接收天线阵列，由于不同模式的轨道角动量信号在接收强度的空间分布上呈现为多种不同半径的同心圆环，因此将接收天线分别布置于不同模式下轨道角动量信号的对应圆环上，在每一个对应轨道角动量模式的圆环状接收区域中，使用两根普通的接收天线，通过接收天线间OAM的相位差值，来判断传输信号的OAM波的模式。以星地间通信为例，假设发射端可产生4种不同模式的OAM波，系统场景图如图2所示。调制原理为将待发送信息分为两部分，一部分映射为一种模式的OAM波，另一部分经过P点星座图调制为传统的数字调制符号。在每一个传输时刻，通过映射的OAM波传输数字调制结果，从而提高系统的频谱效率。本调制方法包括如图3所示的三个过程并按所述顺序执行：

[0031] a.OAM模式调制映射过程：每个传输时间内，将待发送信息的一部分映射为一种模式的OAM信号，另一部分调制为数字调制符号，通过选定模式的OAM信号传输数字调制符号；

[0032] b.OAM模式检测过程：通过对应模式的轨道角动量信号的接收区域内接收天线间接收信号的相位差，利用相位梯度法，计算所传输信号的OAM模式；

[0033] c.数字调制解调过程：根据之前所检测出的OAM模式结果，利用最大似然检测法，实现对数字调制符号的解映射。

[0034] 结合如图1所示的系统框图，对本发明作具体分析和描述。本调制方法包括以下三个过程：

[0035] 1)OAM模式调制映射过程：一组待发送的随机比特序列信息q＝[q1，q2，q3，…，qn]进入到OAM调制映射模块，前l个(l＝log2L)bit映射为所选OAM模式，剩下的m个(m＝n-l＝log2M)bit映射为P点调制星座图，假设使用M-QAM调制，调制符号为xp。总传输的信息量由发射端可产生的OAM模式的数量和调制星座图的符号数决定。

[0036] 例如，传输3bit信息，选择可产生4种OAM模式的发射天线，即L＝4，l＝2，采用BPSK调制，即M＝2，m＝1，每次传输中前两个比特映射为OAM模式，通过所选择的OAM信号传输BPSK符号，图4给出了此种调制的映射准则。经过OAM模式调制映射后，待发送信息将传入传输信道。

[0037] 2)OAM模式检测过程：在接收端接收到传输信号后，先要实现对OAM模式的检测。由于可选的OAM模式数量为L，且接收端天线布置于不同模式下轨道角动量信号的对应接收圆环区域中，那么在每个传输时刻只有对应模式的接收区域内的天线才会接收到传输信息，其中每个接收区域内又有两根接收天线，因此在每个传输时刻，假设传输信息的轨道角动量信号模式为l，其对应接收区域内两根接收天线为 和 和 处于对应模式的OAM波的同一切面，并且两者相对于OAM波传播轴的夹角为β，且 (Lmax为最大的OAM模式数量)，那么在每个传输时刻，传输信道理论上可以考虑拓展为一个L×2的信道。

[0038] 设定发送信息表示为x＝[x1，x2，x3，…，xL]T，由于每个传输时间只有一种模式的OAM信号传输，那么在x的L个元素中，只有一个元素为xp，其余元素为0。发送符号经过L×2的信道传输，其接受符号为y，是2×1的矢量，表示为

[0039]

[0040] 其中ρ为发射信号的总发射功率，ω为接收端的加性高斯白噪声，H是2×L的信道矩阵，每个元素对应于第l个模式的OAM波与对应接收天线的传输函数，表示为[0041] H＝[h1，h2，h3，…，hL]  (2)

[0042] 其中hl＝[hl，1，hl，2]，分别表示两根接收天线的信道响应。所以每个传输时刻，式(1)又可写为

[0043]

[0044] 其中hl表示模式为l的OAM信号对应的信道矩阵。可以看出增加OAM这个自由度后，系统的信息传输速率为n＝log2L+log2M，其频谱效率根据OAM模式的数量呈对数增长。通过相位梯度法，根据对应模式的两根接收天线间的相位差计算出传输的OAM波的模式：

[0045]

[0046] 其中φ1和φ2为天线 和 分别接收到的OAM相位。

[0047] 3)数字调制解调过程：在接收端实现对OAM模式的检测后，根据上述的OAM模式检测结果，利用最大似然检测法实现数字符号的解映射，计算公式可表示为

[0048]

[0049] 其中χ为所有P点星座图调制符号的集合，y1为接收天线 的接收信号， 为接收天线 所对应的OAM波模式为 时的信道响应。信道响应的公式可以根据OAM信道的特征建模：由于接收信号强度分布于环状区域内，其衰减对应于自由空间的弗林斯方程，衰减强度是传播距离的-2次幂，因此两根接收天线的信道建模公式分别为

[0050]

[0051]

[0052] 其中Δ是一个常数，表示传播过程中信号强度与相位变化的系数，d1和d2分别表示对应模式的接收天线距发射天线的距离，λ是波长，k是波数，且 和 分别是对应于 和 传播过程中相位的变化， 和 分别是对应于 和 信号的
螺旋状OAM相位。由于 和 接收的信号只有OAM相位不同，因此在最大似然检测法实现解映射的公式中只需选择对应模式的接收区域内的一根天线用来估计数字调制符号。通过合并OAM模式检测的结果与数字调制解调的结果，可以得到完整的发送信号的检测结果。

[0053] 本调制方法应用于卫星通信系统的信道容量分析：

[0054] 假设发射天线通过模式为l的OAM波传输经过P点星座图调制的符号xp，根据上文所述，对应模式的接收区域中接收端第一个天线 接收到的信号为

[0055]

[0056] 其中ρ为总发射功率，ω是均值为0方差为 的加性高斯白噪声。因此，在已知调制符号xp和OAM模式l的前提下，y1的条件概率密度函数可表示为

[0057]

[0058] 假设在OAM调制中，传输信息服从独立同分布的均匀分布，那么每个OAM模式被选择的概率为 每个星座图符号被选择的概率为 (M为总符号数)，根据式(9)，接收天线接收到信号的概率密度函数为

[0059]

[0060] 根据OAM调制的特征，输入信息比特分别被映射为OAM模式和数字调制符号，因此对于高斯信道而言，输入流是离散输入符号，而接收端在噪声影响下又接收到了连续输出信号，即这种信息输入输出的方式与离散输入连续输出信道的特征比较相符，所以基于此类信道的信道容量公式可以将OAM调制的信道容量表示为

[0061]

[0062] 其中 式(11)中的最大值在输入信息服从均匀分布时达到，根据前文所述，OAM调制中传输信息服从独立同分布的均匀分布，因此将式(9)和(10)代入式(11)即可得到信道容量结果。