面向同心圆（或同轴圆台）涡旋电磁波MIMO系统天线阵元布局及涡旋波分离方法与装置与流程

技术特征：

1.面向同心圆(或同轴圆台)涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构，其特征在于，涡旋电磁波MIMO系统收、发天线布局结构具有同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线嵌套结构，它是由不同阵元数量的均匀圆阵列天线按照同心圆(或同轴圆台)嵌套而成，该天线相同圆周上的阵元间隔d满足(λ₀为MIMO信号载频波长)，而相邻圆周上的阵元间隔D满足

2.面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统的涡旋信号分离方法，其特征在于，理想视距场景下，通信双方使用相同参数的同心圆(或同轴圆台)天线收、发多模态涡旋电磁波MIMO信号，不失一般性，设通信双方使用的同心圆(或同轴圆台)天线有N层，天线阵元采集空间传播的涡旋电磁波MIMO信号并按照阵元所在的均匀圆阵列分组，首先取各组0号阵元响应进行信道估计，其次按照估计所得信道，对各层阵元响应解MIMO并对解MIMO结果在该层可用模态范围内进行多模态分离，以获取发端对应层天线发送的多模态涡旋电磁波携带的独立调制信息，遍历处理接收天线的所有层，即可获本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信号携带的所有信息；同时本发明公开了基于同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线的涡旋波MIMO信号分离方法与实现装置。

所述电磁涡旋波MIMO信号多模态分离方法包括如下步骤：

(a)以本发明所述天线的几何中心(或几何轴)建立参考系，记为XOY，同心圆(或同轴圆台)均匀圆阵列天线共有N层(各层分别对应一个均匀圆阵列天线)，不失一般性，将本发明所述天线的由内层到外层均匀圆阵列天线依次记为UCA_i(i＝0，1，…，N-1)，其阵元数依次记为M_i，则由UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号记为s_i(t)，可按式(1)进行，

式(1)中为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i(l_i＝0，1，…M_i-1)模态涡旋电磁波携带的振幅信息，为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波携带的相位信息，θ为UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的l_i模态涡旋电磁波绕其传播轴的方位角；

(b)通信双方采用本发明所述天线，且工作在多模态涡旋电磁波MIMO体制下，且收发天线对齐，发端UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模态涡旋电磁波信号s_i(t)经信道后传递到接 收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})，不失一般性设UCA_i到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})信道仅为一条传播路径，根据本发明所述天线阵元布局特点，信号从UCA_i(i∈{0，1，…，N-1})到UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})的不同阵元传播信道近似一致，记为h_k，i(r)(r为信号传播路径距)，有，

接收端UCA_k(k∈{0，1，…，N-1})接收的空间传播的涡旋电磁波MIMO信号为y_k(r，t)，可按式(3)进行，

式(3)中为列矢量，为列矢量，，n(t)为高斯噪声；

(c)接收端UCA_k的不同阵元响应为取UCA_k(k＝0，1，…，N-1)的0号阵元响应构成并按式(4)计算其相关矩阵，有，

式(4)中，[·]^H为复共轭转置运算；

(d)利用式(4)中估计本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信道函数(MIMO信道估计方法参见“李化，MIMO信道模型及信道估计技术研究[D]，太原理工大学，2011(3)”，以引用的方式公开在此)，估计出的信道函数为有，

(e)由式(5)估计所得的对式(3)解MIMO处理，具体解MIMO处理步骤如下：

(1)k＝0；

(2)接收天线UCA_k有M_k个阵元，其m(m＝0，1，…，M_k-1)号阵元接收的空间多模态涡旋电磁波MIMO信号为用矩阵形式表达有，

式(6)中是按照UCA_k的阵元空间布局方位角的信号，对式(6)两边同左乘以的广义逆，有，

(3)对接收UCA_k而言，是UCA_k物理阵元对应的解MIMO多模态涡旋电磁波信号，从式(7)等号左边的矩阵的k行，有，

式(8)中为行矢量；

(4)k＝k+1；

(5)k＝N？，否，转步骤(2)，是，结束；

(f)对步骤(e)计算所得的进行空间正交变换(见本发明人(组)申请的国家发明专利“基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置”(申请号：201610077471.1)，以引用的方式将其公开在此)，有

式(9)中l_k＝0，1，…M_k-1，k＝0，1，…，N-1，即为UCA_k的模态l_k涡旋电磁波携带的独立调制信息。

3.根据权利要求2所述的用于面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统涡旋信号接收分离装置，其特征在于：接收端从本发明所述天线的不同半径均匀圆阵列天线上取0号阵元的响应构成接收信号矢量，并以此为基础进行信道估计，再根据估计所得信道函数，接收端逐层对阵元的接收信号解MIMO处理，并取出该层阵元对应的非MIMO涡旋信号，并对其在可用模态范围内进行空间正交变换模态分离，可获得发端对应层天线发送的多模态涡旋电磁波信号携带的独立调制信息，接收端遍历处理接收天线的所有层，即可获得本发明所述多模态涡旋电磁波MIMO信号携带的所有信息。

4.根据权利要求3所述，用于面向同心圆(或同轴圆台)电磁涡旋波MIMO系统涡旋信号接收分离系统，还包括：同心圆(或同轴圆台)结构天线1，信道参数估计器2，解MIMO器3，模态分离器4，控制器5；同心圆(或同轴圆台)结构天线1的输出端连接解MIMO器3的信号输入端，MIMO器3的输出端连接模态分离器4；模态分离器4的输出端为调制信息，同心圆(或同轴圆台)结构天线1不同半径均匀圆阵列天线的0号阵元的输出端连接信道参数估计器2的输入端，信道参数估计器2的输出端连接解MIMO器3的信道参数输入端，并且系统中的信道参数估计器2、解MIMO器3与模态分离器4在控制器5的协同下工作。