[发明专利]涡旋电磁波的到达角估计方法

说明书

本发明公开了一种涡旋电磁波到达角估计方法，主要解决现有技术无法直接估计多载波‑多模态OAM通信系统发送端到达角的问题。其实现方案是：利用两个具有相同参数的均匀圆形天线阵构成通信系统的收发端，发送端利用多个载波及多个模态发送已知的信息信号；在收发端分别建立直角坐标系，确定收发端坐标系间的角度关系，得到接收信号在发送端坐标系下的信号形式并构成接收信号矩阵；基于2‑D ESPRIT算法及二分法利用接收信号矩阵估计发送端的方位角及俯仰角，即得到发送端所发送涡旋电磁波的到达角。本发明能精确估计出多载波‑多模态OAM通信系统发送端的到达角，可用于涡旋电磁波无线通信。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种到达角估计方法，可用于涡旋电磁波无线通信。

背景技术

现阶段，通信技术的发展导致了无线频谱资源需求的急速上升，然而，传统对频谱资源的控制导致了频谱利用率的不足，频谱资源匮乏的问题越来越严重。电磁波属性中的振幅、频率、相位和偏振态等维度均已用于信号表征来提升传输容量。在现有基础上无法继续采用增加电磁波表征维度的方式来扩充信道容量，只能通过频谱压缩、提高调制速率或者调制阶数等方法来进一步提高频谱效率。轨道角动量OAM作为一个新的传输维度，能够在同一频带同时传输多路信息，可以有效地解决频谱资源短缺的问题，目前已引起了广泛关注。

实现OAM通信的关键技术之一就是如何获取涡旋电磁波的到达角。近年来，人们对涡旋电磁波的方位角估算方法进行了大量的研究。一些用来估计OAM波束方位角的方法已经提出，比如傅里叶变换算法、逆投影算法、MUSIC算法及ESPRIT算法。然而，傅里叶变换算法及逆投影算法需要利用大量OAM模态才能较为准确的估计涡旋电磁波的方位角。使用MUSIC算法及ESPRIT算法可利用相对少的OAM模态实现涡旋电磁波方位角的超分辨估计，但上述方法均无法估计涡旋电磁波的俯仰角，无法实现涡旋电磁波到达角的估计，使得涡旋电磁波在无线通信的实际应用受到局限，影响OAM通信系统的通信质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种涡旋电磁波的到达角估计方法，改善OAM通信系统的通信质量。

本发明的技术方案是：利用2-D ESPRIT算法及二分法来估计涡旋电磁波到达角的方法，以进行OAM通信系统收发天线阵列的对准，提高通信系统容量，其实现步骤包括如下：

(1)利用两个具有相同参数的均匀圆阵构成轨道角动量通信系统的发送端与接收端，将发送端在远场空间中任意一点所产生的电场强度表示为发送端在训练阶段发送已知的信息信号；

(2)在发送端与接收端分别建立坐标系，将接收端圆心在发送端坐标中的坐标表示为(r，α，π-θ)，其中r为发送端圆心与接收端圆心间的距离，α为发送端坐标系与接收端坐标系X轴间的夹角，θ为发送端的俯仰角，将接收端接收到的信号在发送端坐标系中表示为其中k_p为波数，l_q为所用模态；

(3)利用构成接收信号矩阵

(4)提取接收信号矩阵中各元素的辐角，构成辐角矩阵X，将辐角矩阵X的各列向量依次排列成向量X₁，将辐角矩阵X的各行向量依次排列成向量X₂，基于2-D ESPRIT算法利用这两个向量X₁及X₂信号子空间的旋转不变性，分别估计发送端圆心与接收端圆心间的距离r及发送端坐标系与接收端坐标系X轴间的夹角α；

(5)提取接收信号的幅值

其中，是与发送端方位角及俯仰角θ估算过程无关的常数项，k_p＝2πf_p/c为波数，f_p为所用频率，c为光速，a为收发端圆阵半径；