[发明专利]基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法

说明书

本发明公开一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，结合涡旋电磁波无线通信技术，解决多线圈近场互感通信多线圈串扰问题，突破传统NFC容量瓶颈。技术方案包括：建立坐标系、确定线圈编号和坐标；计算收发线圈互感矩阵和发射线圈互感矩阵；计算OAM‑NFC信道矩阵；确定发射端线圈激励；对OAM‑NFC信号进行接收和分离；对分离信号判决，实现了近距离涡旋互感通信。本发明基于OAM‑NFC信道建模，在不额外用更多带宽等正交资源的情况下，相较于MIMO‑NFC系统，解决发射线圈间互感串扰问题，大大提升NFC系统容量。应用于需要高速率数据传输的近场流媒体传输及高分辨率指纹传输识别等近距离无线通信。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及电磁波近场无线通信，具体是一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，主要用于近距离无线通信。

背景技术

由射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术演变而来的近场无线通信(Near Field Communication,NFC)技术以其低功耗和简单性著称。NFC物理传输基于线圈之间的互感效应，传输距离短(4cm)，因此经常被用于无接触支付、门禁等涉及安全的领域，也被用于建立其他较复杂链接的前期连接建立数据交换场景。然而较低的传输速率限制了NFC应用于未来一些需要高数据传输速率场景，比如高分辨率的指纹传输，或者平板间的NFC流媒体传输等。因此需探索相关技术，提高NFC的系统容量。针对上述NFC传输速率瓶颈问题，将多输入多输出(Multi-Input-Multi-Output,MIMO)技术引入NFC领域的MIMO-NFC方案是一种可行的提升系统容量的方案。

文献1，R.B.Gottula,“Channel characterisation and link budget of MIMOconfiguration in near field magnetic communication,”Int.J.Electron.Telecommun.,vol.59,no.3,pp.255–262,Aug.2013中提出了MIMO-NFC方案，并分析了接收功率和线圈正对偏转角之间的关系。该方案的缺点是多组发射线圈之间的互感效应会对彼此造成干扰，从而导致多组传输线路之间的串扰，最终降低系统的容量。

文献2，H.Kim,J.Park,K.Oh,J.P.Choi,J.E.Jang,and J.Choi,“Near-fieldmagnetic induction MIMO communication using heterogeneous multipole loopantenna array for higher data rate transmission,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.64,no.5,pp.1952–1962,May.2016中针对MIMO-NFC发射线圈之间的干扰问题，提出了一种基于具有特殊空间排布和相对电流大小的发射多线圈的MIMO-NFC系统，此方案成功化解了MIMO-NFC多发射线圈互相干扰问题。该方案的缺点是发射线圈排布相对固定，且发射线圈中电流关系固定，因此既不能采用其他多天线排列方式作为收发线圈阵列，也不能像微波领域的MIMO技术一样对发射信号进行相应的预编码，极大限制了MIMO-NFC的适用范围。

基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋电磁波无线通信技术最早被用于光通信领域，相关研究验证将其应用范围拓展到了较低频段的无线电频段(Radio Frequency,RF)通信，并可实现不追加额外功率和频带的情况下提升系统容量。基于涡旋电磁波的RF无线通信采用的天线有多种，包括螺旋相位板(Spiral Phase Plate,SPP)、均匀圆形阵列(Uniform Circular Array,UCA)和超材料表面天线等。目前尚无涡旋电磁波无线通信技术应用于NFC通信的文献，关于基于涡旋电磁波技术的RF无线通信，已有相关文献验证其可行性和容量提升作用：