一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法技术

本发明专利技术涉及一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，属于阵列天线与无线通信领域。基于矩形阵列的稀疏优化方法包括稀疏线性阵列遗传算法和粒子群算法，先采用稀疏线性阵列遗传算法对阵列阵元进行稀疏优化，在阵列总元素减少约25％的情况下，将旁瓣电平降低约70％，使功率向主瓣方向收敛并且稀疏前后的信道容量非常逼近。本发明专利技术能够有效地处理振幅相同且各向同性天线的大型矩形阵列稀疏优化问题，本发明专利技术创新性地将神经网络网络算法SLGA和PSO联合应用于阵列天线与无线通信领域，有助于抑制旁瓣电平将轨道角动量应用在现有的大规模MIMO系统中，提升系统整体性能和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法
本专利技术属于阵列天线与无线通信领域，涉及一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法。
技术介绍
根据电磁轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)物理属性可知，不同拓扑电荷的OAM彼此正交，应用于通信领域时，可以实现多个数据流的同时传输，在提升频谱利用率和系统容量上存在巨大的潜力，受到了研究者广泛的关注。目前，在低频通信领域，主要采用螺旋相位板和均匀圆形阵列(UniformCircularArray,UCA)作为OAM波的产生方式。UCA是利用移相器或可调时延来控制天线阵元间的相位延迟产生OAM波。然而，现有的多输入多输出技术MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)主要由矩形天线阵列组成，这不便于与基于UCA的OAM波产生方式相结合。此外，OAM波在空间传输存在着发散的问题，不同的天线结构生成的OAM波在发散程度上存在较大的差异，因此对于天线结构的优化也是至关重要的。采用稀疏优化方法对天线阵列进行优化，其算法实现包括蚁群优化(AntColonyOptimization,ACO)、遗传算法(GeneticAlgorithms,GA)、粒子群优化(ParticleSwarmOptimization,PSO)等。不仅可以减少天线数量从而降低信号处理复杂度，而且能实现辐射图旁瓣电平(SideLobeLevel，SLL)降低的效果。基于涡旋电磁波的无线通信是目前的研究热点。2007年，B.Thide等人首次将OAM应用到频率较低的无线电领域，提出了利用涡旋电磁波用于扩大无线通信容量的设想，但是涡旋电磁波的发散性随着模值的增加而增大，降低了系统的传输速率。为了解决发散性问题，S.Gao等人提出了采用透镜汇聚OAM波束的方案，该方案用UCA产生不同模态的OAM波束并通过透镜达到汇聚波束的效果，减少了信号间的干扰。该方案将波束汇聚后，达到了增加系统容量的效果，代价是系统的构造成本上升了。W.Cheng等人设计抛物面天线来汇聚由UCA生成的涡旋电磁波，并获得联合OAM和大规模MIMO通信的倍增频谱效率增益。该方案使用抛物面天线来实现涡旋电磁波汇聚，进而实现更好的频谱效率，但是收发电路设计的复杂度提高了。目前，电磁涡旋无线通信技术研究已经比较深入，现有的多输入多输出技术MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)主要由矩形天线阵列组成，这不便于与基于UCA的OAM波产生方式相结合。因此联合稀疏优化算法对矩形天线阵列稀疏和激励优化，评估对旁瓣电平降低程度影响是本专利技术的重点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法包括稀疏线性阵列遗传算法(SLGA)和粒子群算法(PSO)，所述采用稀疏线性阵列遗传算法(SLGA)是对矩形天线阵列阵元进行稀疏优化，所述PSO在SLGA优化稀疏矩形天线阵列后继续激励幅度。优选的，涡旋电磁波多输入多输出矩形阵列由Nt＝m×n个发射天线组成，在接收端采用Nr个接收天线组成的UCA。其中，天线阵列单元间距天线间距大于半波长λ。基于矩形天线阵列的电磁涡旋波多输入多输出稀疏优化方法，包括上述的发送矩形天线阵列和接收天线，忽略天线单元之间的耦合影响，根据电磁波在视距(LineofSight,LOS)场景中的传播特性，计算出LOSOAM-MIMO场景中输入输出的关系可表示为：y＝HMtX+w其中，表示接收阵列接收到的信号矢量，发送端传输Nt个OAM模态的馈电矩阵H表示LOS-MIMO无线通信系统中发射阵列和接收阵列的所有天线间的信道响应，表示发射端发射天线发送的信号矢量，w表示Nr×1独立同分布的零均值加性高斯白噪声矢量，且有方差矩阵优选的，LOS场景中MIMO系统第Fuv个发射天线到第m个接收天线的传输信道增益，可以表示为：其中，β0是一个用于描述衰减和相位旋转的常数，λ表示波长，k＝2π/λ是波数，表示发射端第Fuv个发射天线与接收端第m个接收天线间的距离。优先的，收发阵列的中心在同一水平线上，有：D表示收发阵列中心间的水平距离，表示发射阵列的中心与第Fuv个发射天线间的距离，Rr表示接收阵列的半径，接收端第m个接收天线的方位角表示为因此，LOS-MIMO信道矩阵可以表示为：基于接收端，采用的是发送方法的逆过程接收OAM信号，输出矢量表示为：r＝Wry＝WrHMtx+Wrω其中，Wr＝[W0,...,Wl,...,WV-1]表示接收端解调V个OAM模态的解调矩阵，ω＝Wrw依旧是独立同分布的高斯白噪声。因此，OAM-MIMO系统的收发天线阵列间的信道响应为：HOAM＝MrHMt优选的，采用稀疏线性阵列遗传算法(SLGA)是对矩形天线阵列阵元进行稀疏优化，确定优化阵元位置，构成新的信道矩阵HOF，可以表示为：其中，表示经过稀疏优化后的LOS-MIMO的信道矩阵，表示经过稀疏处理后的多模态模态的馈电矢量。由此稀疏阵列下的OAM-MIMO系统的信道响应可以表示为：优先的，采用PSO对稀疏阵激励幅度进行优化。本专利技术的有益效果在于：本专利技术创新性地将神经网络网络算法SLGA和PSO联合应用于阵列天线与无线通信领域，通过联合使用该两种算法，能够大幅度地抑制旁瓣电平将轨道角动量应用在现有的大规模MIMO系统中，相对传统的天线选择，在阵列总元素减少约25％的情况下，将旁瓣电平降低约70％，使功率向主瓣方向收敛并且稀疏前后的信道容量非常逼近，进一步采用PSO优化稀疏阵列的激励幅度，相较与SLGA阵列优化结果，使得波束的旁瓣电平再次降低1dB，提升系统整体性能和效率。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术的电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法示意图；图2为本专利技术的矩形天线阵列几何结构示意图；图3为本专利技术的视距电磁涡旋波多输入多输出系统模型示意图；图4为本专利技术的稀疏线性阵列遗传算法(SLGA)的流程框图；图5为本专利技术的粒子群算法(PSO)的流程框图；图6为本专利技术的采用SLGA对阵列阵元稀疏优化后，矩形天线阵列稀疏前后的空间位置排布和稀疏前后辐射方向图；图6(a)、图6(b)分别是稀疏前、稀疏后阵列的空间位置排布，图6(c)是对应稀疏前后阵列的辐射方向图；图7为本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述方法为采用稀疏线性阵列遗传算法SLGA对矩形天线阵列阵元进行稀疏优化，采用粒子群算法PSO优化稀疏矩形天线阵列的激励幅度。/n

【技术特征摘要】
1.一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述方法为采用稀疏线性阵列遗传算法SLGA对矩形天线阵列阵元进行稀疏优化，采用粒子群算法PSO优化稀疏矩形天线阵列的激励幅度。


2.根据权利要求1所述的一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述矩形天线阵列位于xoy平面上，共有m×n个天线阵元，n和m分别表示均匀分布在x轴和y轴的阵元数，阵元之间的距离为0.5倍波长，天线阵元为全向天线。


3.根据权利要求1所述的一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述采用稀疏线性阵列遗传算法SLGA对矩形天线阵列阵元进行稀疏优化包括以下步骤：
步骤一：初始化种群规模NP、交叉概率Pc、变异概率Pm以及迭代次数G参数；
步骤二：随机产生Z＝[Z1...Zi...ZNP]H总种群集合，设计适应度函数，每个个体对应一个待求解问题的潜在解，进化迭代数g＝1；
步骤三：计算每个个体的适应度，判断最优适应度值是否达到目标函数，若达到，将最优适应度的个体作为最优解输出，算法结束，否则进行下一步；
步骤四：根据个体的适应度，采用轮盘赌法选择部分适应度较高的个体进进行后面的遗传操作；
步骤五：对选中的成对个体，以概率Pc进行数值交换，产生新的个体；
步骤六：对选中的个体，以概率Pm重新设置为新的潜在解，产生新的个体；最后经过遗传操作后的群体作为新一代种群，g＝g+1，并转到步骤三。


4.根据权利要求3所述的一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述稀疏线性阵列遗传算法SLGA用来优化阵列元素之间的位置，经过SLGA稀疏后的矩形阵列输出表示为：



其中Uik表示第(xi,yk)个阵元的幅值，n和m分别表示均匀分布在x轴和y轴的阵元数，表示第(xi,yk)个阵元的方位角，θ表示发射端俯仰角，表示发射端方位角，Sik表示天线激活与关闭状态即天线在开和关之间进行切换，表示为：



要求关于原点对称的稀疏平面阵列的孔径不变，阵列的稀疏率定义为：
ρ＝q/m/n
其中，q是激活的天线数量。


5.根据权利要求4所述的一种电磁涡旋波多输入多输出矩形阵列的稀疏优化方法，其特征在于：所述稀疏平面阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洋，施盼盼，修艳磊，廖希，林峰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50