[发明专利]一种基于OAM的模分多址接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波系统中的多址接入方法，特别涉及一种基于OAM的模分多址接入 (MDMA)方法。

背景技术

随着移动数据业务需求的爆炸式增长，频谱资源以及频谱利用率正面临着巨大的挑战。 传统3GHz以下频谱资源的利用已趋近饱和，频谱利用率也已逼近香农容量极限，这已成为 网络容量提升的瓶颈。未来各种业务，例如超高清(4K，8K)视频业务的应用，将进一步增 加无线通信对频谱资源的需求，使得适合于无线通信服务的低频段频谱资源日渐稀缺；同时 随着物联网技术的发展，小区内或者室内连接设备数量将呈现指数式增长，使得连接设备数 量有限的传统无线通信技术已经无法满足人们的需求。这些问题成为制约移动通信发展的重 要因素。因此，如何实现高速率、大连接的多址接入技术已经成为一个亟待解决的问题。

采用高频段通信可以突破低频段可用频谱资源匮乏的瓶颈，满足未来移动数据业务的需 求。毫米波无线通信技术拥有带宽极宽、易小型化的优势，此外60GHz的毫米波还具有无需 授权使用的优势。因此，毫米波无线通信技术有望成为5G通信的关键技术之一，特别适合 多终端、大容量通信。

目前，现有的无线通信系统已经充分使用频率、时间、码型和空间等自由度资源作为多址 接入的方式，连接设备数量有限，不能满足万物互联的需求。同时无线通信系统容量以及频 谱效率也已经接近香农极限。为了进一步提升系统容量、频谱效率以及连接设备数量，满足 未来高速率、多终端的移动数据传输业务的需求，需要探索新的通信技术。轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)(附图1)作为描述电磁波螺旋相位结构的物理量，是传统自由度 之外的另一个自由度。1992年，Allen等人首次实验证实电磁波除了拥有线动量和自旋角动 量(Spin angular momentum，SAM)外，还具有的轨道角动量，其中l表示OAM模态。理 论上l可以取值从负无穷大到正无穷大，可以构成无穷维的希尔伯特空间(高维性)；同时具 有不同模式的OAM波束是相互正交的(正交性)。因此，利用OAM模态服务不同的终端， 理论上可同时实现无穷多个终端的互联互通。

目前，OAM模态已经在光通信中被深入研究，利用OAM模态复用技术可以实现超过 160Tbit/s的通信速率和25.6bit/(s.Hz)的频带利用率。此外，无线电频段也被实验验证可以实 现OAM模态复用传输。毫米波由于其频率相比于无线电较高，具有类光性，因此光通信中 OAM模态复用技术可以应用到毫米波通信中并且更易小型化。同时由于毫米波的频率相比于 光波较低，所以毫米波不会受到散射、大气湍流等光波在传输中容易受到的影响因素的干扰。 因此OAM模态在毫米波频段具有干扰小、容量大和易集成等的优势，具有良好的应用前景。 国内外多个研究小组已经利用OAM模态在毫米波频段进行通信研究，实验实现了32Gbit/s 的总传输速率和16bit/(s.HZ)的频谱利用率。同时通过理论分析表明OAM模态在毫米波频段 适合于大容量的通信。因此，OAM模态在毫米波频段适合于多终端海量数据的传输。综上所 述，本发明可以很好地解决上述的问题。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种在毫米波系统中OAM的模分多 址接入方法，该方法应用于多种室内毫米波系统通信场景时可以提高频谱利用率、增加设备 连接数量，从而大幅度提升毫米波系统容量，满足未来海量数据的传输要求。该方法解决了 在移动数据业务爆炸式增长的情况下，移动数据传输存在的频谱资源短缺、频谱利用率低、 连接设备有限的问题。该方案包括将M(M≥1)路基带信号调制到相控阵列天线产生的携 带本征值为l_i的OAM模态的毫米波载波上，OAM模态由拉盖尔-高斯波束表示， 总的发送信号表达为信号传输过程中会受到空气的衰减、障碍物的 遮挡和反射的干扰等影响，同时存在加性噪声的干扰，因此接收端接收到的总信号为 然后k(M≥K≥1)个终端接收到信号后，使用接收天线阵列，把自己 所需要的第i路基带信号从中分解出来，得到第i路基带接收信号s_i'(t)；最后将s_i'(t) 采样量化处理后，得到量化基带接收信号y_i(k)＝s_i'(t＝kT)，T为码元间隔。该方法利用OAM 波束的正交性以及其模态l的希尔伯特空间特性，提出以OAM模态作为新自由度的模分多址 接入方案，该方法能够提高频谱利用率、增加设备连接数量，从而大幅度提升毫米波系统容 量，满足未来海量数据的传输要求，应用前景巨大。