一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法技术

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；本发明专利技术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。

A Modulation Method for Improving Spectrum Efficiency of Satellite Communication

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高卫星通信频谱效率的调制方法
本专利技术涉及无线通信领域，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。
技术介绍
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(OrbitalAngularMomentum，OAM)就是电磁波角动量的一部分，它来源于电磁波的螺旋相位波前，表达式为e-ilφl，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。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-BellLaboratoriesLayeredSpace-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。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。
技术实现思路
专利技术目的：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，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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：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；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。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。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。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。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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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

【技术特征摘要】
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：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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文峰，吕芝兰，赵康僆，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32