OAM复用通信系统的天线位置偏移校正方法以及装置
技术领域
本发明涉及使用电磁波的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)对无线信号进行空间复用传输的OAM复用通信系统的天线位置偏移校正方法以及装置。
背景技术
近年来，为了提高两点间通信、即P2P(Point to Point，点对点)通信中的传输容量，已经报道了在视距无线传输环境中复用信号的空间复用传输技术。例如，在OAM复用通信系统中，利用具有不同OAM模式的波束的空间相位分布相互正交的性质，通过在接收站分离由不同信号序列调制的各OAM模式的信号，能够在视距无线传输环境中对信号进行空间复用传输。
在作为具体的报道例之一的非专利文献1中，通过利用相位板将从多个喇叭天线辐射的波束分别转换并同轴合成为不同的OAM模式来进行传输，从而成功地对信号进行同轴复用传输。非专利文献2中也有通过使用圆形阵列天线(UCA：Uniform Circular Array)生成多个OAM模式来对信号进行空间复用传输的报道。
现有技术文献
非专利文件
非专利文件1：J.Wang et al.,“Terabit free-space data transmissionemploying orbital angular momentum multiplexing,”Nature Photonics,Vol.6,pp.488-496,July 2012；
非专利文件2：Z.Li,Y.Ohashi,K.Kasai,“A dual-channel wirelesscommunication system by multiplexing twisted radio wave,”Proceedings of 44thEuropean Microwave Conference,pp.235-238,Oct.2014。
发明内容
发明要解决的问题
用于收发具有OAM模式的波束的天线必须被布置成彼此对置。若产生相对于表示该对置状态的规定的相对位置关系的位置偏移，则OAM模式间的正交性破坏，产生模式间干扰。但是，难以通过目视调整来去除该微小的位置偏移，需要高精度地估计位置偏移量并进行校正的方法以及装置。
本发明的目的在于提供以下OAM复用通信系统的天线位置偏移校正方法以及装置：对于配置在视距无线传输环境中的收发天线，能够估计相对于规定的相对位置关系的位置偏移量并进行校正。
用于解决问题的手段
第一发明涉及一种OAM复用通信系统的天线位置偏移校正方法，所述OAM复用通信系统在发送天线与接收天线之间使用不同的空间复用模式进行空间复用传输，所述发送天线与接收天线是在视距无线传输环境中对置地配置的发送站和接收站所具有的，其特征在于，所述天线位置偏移校正方法包括：位置偏移量估计步骤，通过对评价函数进行评价来估计位置偏移量，所述评价函数定义为：对于发送天线与接收天线之间的所希望的相对位置关系，使得将位置偏移量作为参数的收发天线之间的理论信道响应与使用从发送站发送的已知信号而在接收站中估计出的实测信道响应相一致，所述位置偏移量表示在发送天线和接收天线各自中预先确定的基准轴从规定位置偏移的量；以及位置偏移校正步骤，根据估计出的位置偏移量，校正发送天线和接收天线各自的位置偏移。
在第一发明的天线位置偏移校正方法中，发送天线和接收天线具有单一的均匀圆形阵列天线(UCA)或配置成同心圆状的多个UCA，位置偏移量估计步骤包括以下步骤：针对各个传播信道在发送站和接收站中进行相当于与UCA的天线元件数相同大小的离散傅里叶变换和逆变换的处理，所述各个传播信道在发送天线与接收天线的UCA之间形成，通过对评价函数进行评价来估计位置偏移量，所述评价函数是使用包含离散傅立叶变换和逆变换的处理的信道响应来定义的。
在第一发明的天线位置偏移校正方法中，评价函数可以是理论信道响应和实测信道响应对应的一个以上要素的差分的绝对值。另外，评价函数也可以是理论信道响应和实测信道响应对应的一个以上要素的大小的差分的绝对值。另外，也可以使用不同的频率或偏振波、或者它们两者来估计位置偏移量。
第二发明涉及一种OAM复用通信系统，所述OAM复用通信系统在发送天线与接收天线之间使用不同的空间复用模式进行空间复用传输，所述发送天线与接收天线是视距无线传输环境中对置地配置的发送站和接收站所具有的，其特征在于，包括：位置偏移量估计单元，通过对评价函数进行评价来估计位置偏移量，所述评价函数定义为：对于发送天线与接收天线之间的所希望的相对位置关系，使得将位置偏移量作为参数的收发天线之间的理论信道响应与使用从发送站发送的已知信号而在接收站中估计出的实测信道响应相一致，所述位置偏移量表示在发送天线和接收天线各自中预先确定的基准轴从规定位置偏移的量；以及位置偏移校正单元，根据估计出的位置偏移量，校正发送天线和接收天线各自的位置偏移。
在第二发明的天线位置偏移校正装置中，发送天线和接收天线具有单一的均匀圆形阵列天线(UCA)或配置成同心圆状的多个UCA，位置偏移量估计单元包括：针对各个传播信道在发送站和接收站中进行相当于与UCA的天线元件数相同大小的离散傅里叶变换和逆变换的处理的单元，所述各个传播信道在发送天线与接收天线的UCA之间形成，通过评价使用包括离散傅立叶变换和逆变换的处理的信道响应来定义的评价函数来估计位置偏移量。
本发明通过使以相对于规定的相对位置关系的位置偏移量为参数的理论传播信道信息与测量出的传播信道信息的差分最小化，能够估计并校正位置偏移量。
由此，能够高精度地估计、校正位置偏移量，因此能够降低模式间干扰，能够期待系统吞吐量和频率利用率的提高。
附图说明
图1是表示本发明的OAM复用通信系统的M-UCA的结构例的图；
图2是表示本发明的OAM复用通信系统的结构例的图；
图3是表示收发天线的位置偏移的定义的图；
图4是表示收发天线的位置偏移的定义的图；
图5是表示本发明中位置偏移估计处理过程的示例的流程图。
具体实施方式
(实施例1)
图1表示本发明的OAM复用通信系统的M-UCA的结构例。
在图1中，M-UCA是将多个UCA配置成同心圆状的结构。在此，表示配置半径相互不同的4个UCA的结构，从内侧的UCA开始依次为第一UCA、第二UCA、第三UCA、第四UCA。各UCA示出了具有图中用●表示的16个天线元件的例子，但各UCA的天线元件数不需要一定是相同数量。构成M-UCA的天线元件可以是喇叭天线或贴片天线等其他任何形式的天线元件。
图2表示本发明的OAM复用通信系统的结构例。
在图2中，发送站10具有多个MTX的第一发送UCA 15-1～第MTX发送UCA 15-MTX，将各自的发送天线元件数设为NTX(1)～NTX(MTX)。信号处理部11输入发送信号序列，生成以OAM模式#1～#L分别发送的M1～ML个信号。发送权重乘法运算处理部12对由信号处理部11生成的各信号乘以发送权重，生成从各UCA以OAM模式#1～#L发送的信号。第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX分别输入以OAM模式#1～#L发送的信号，进行相位调整并输入到各UCA的天线元件，使得从各UCA分别发送OAM模式#1～#L的信号。
接收站20具有多个MRX的第一接收UCA 21-1～第MRX接收UCA21-MRX，将各自的接收天线元件数设为NRX(1)～NRX(MRX)。第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX从由第一接收UCA 21-1～第MRX接收UCA 21-MRX分别接收的信号中分离OAM模式#1～#L的信号。接收权重乘法运算处理部23输入按每个UCA分离出的OAM模式#1～#L的信号，并按每个OAM模式进行汇总，分别乘以接收权重，作为M1～ML个信号输出。信号处理部25对在各UCA以及各OAM模式下接收的信号进行解调并输出接收信号序列。
进一步，接收站20具有信道估计/接收权重计算处理部26，该信道估计/接收权重计算处理部26根据第一OAM模式分离处理部22-1～第MRXOAM模式分离处理部22-MRX的输出信号，进行信道信息的估计和接收权重的计算。信道估计/接收权重计算处理部26将计算出的接收权重设定在接收权重乘法运算处理部23中，并且将实测的信道信息输出到位置偏移量估计处理部27。位置偏移量估计处理部27根据实测的信道信息估计位置偏移量并通知给位置偏移校正处理部28，并且经由反馈部29通知给发送站10的位置偏移校正处理部16。另外，由信道估计/接收权重计算处理部26估计出的信道信息和发送权重经由反馈部29设定在发送站10的发送权重乘法运算处理部12中。
接收站20的位置偏移校正处理部28和发送站10的位置偏移校正处理部16具有自动或手动的位置偏移校正机构，基于分别通知的位置偏移量来校正位置偏移。
发送权重乘法运算处理部12、接收权重乘法运算处理部23、第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX、第一OAM模式分离处理部22-1～第MTXOAM模式分离处理部22-MTX可以是数字信号处理和模拟信号处理的任一个，根据各处理的方法在适当的位置配置DA转换器或AD转换器。另外，发送站10的第一OAM模式生成处理部14-1～第MTXOAM模式生成处理部14-MTX以及接收站20的第一OAM模式分离处理部22-1～第MTXOAM模式分离处理部22-MTX相对于分别对应的UCA的天线元件在相同的旋转方向上依次连接。
(数学式的定义)
首先，关于位置偏移量，能够通过依赖于天线固定夹具的形状等来取坐标轴而分别定义，在本实施例中，用以下的参数定义位置偏移量。
如图3和图4所示，当原始的M-UCA理想地配置在xy平面上、具有OAM的波束的传播轴配置为z轴时，实际的M-UCA的位置偏移量能够由y轴对称的旋转角θ、x轴对称的旋转角φ和收发天线间的相对的z轴对称的旋转角ψ来定义。另外，使其旋转的顺序如所描述那样。另外，关于收发天线间距离d，在未知的情况下也同时进行估计。
如果将完全对置状态下的接收天线元件a的坐标设为Vrx,a，将发送天线元件b的坐标设为Vtx,b，则包含上述位置偏移的接收天线元件的坐标V’rx,a以及发送天线元件的坐标V’tx,b可以如下表示。
数学式1
这里，
此时，产生了图3那样的位置偏移的情况下的收发天线元件间的传播信道的值能够如下那样计算。
数学式2
这里，λ是电磁波波长。da,b是接收天线元件a和发送天线元件b之间的距离，表示如下。
数学式3
da，b＝norm(V′rx，a-V′tx，b) …(3)
基于这些，收发天线间的传播信道矩阵H可以表示如下。
数学式4
另外，部分信道矩阵hm,n是NRX(m)×NTX(n)的矩阵，是第m接收UCA 21-m和第n发送UCA 15-n之间的传播信道。这里，m＝1、2、……、MRX，n＝1、2、……、MTX。
由于通过将发送天线和接收天线的正面对置地配置而产生以传播轴为中心的旋转对称性，所以在这些天线之间产生的信道矩阵成为循环矩阵。因此，根据循环矩阵的性质，各UCA间的传播信道hm,n可以使用离散傅里叶转换(DFT：Discrete Fourier Transform)矩阵DN∈CN*N如下进行奇异值分解。
数学式5
这里，
此外，在式(5)以及式(6)中使用的x以及y分别表示矩阵Σ以及矩阵D的行以及列的索引。矩阵、向量的索引以后进行同样的描述。另外，l(x)是与DFT矩阵的x行的固有向量对应的圆周方向的维度的固有模式的值，表示OAM模式。
此时，根据式(5)，各UCA间的传播信道所具有的奇异值的数量如下：
min[NRX(m)，NTX(n)]个。
因此，第m接收UCA 21-m和第n发送UCA 15-n之间的传播信道如数学式7那样正交化，能够确保min[NRX(m)，NTX(n)]个独立的传输路径。
数学式6
该式(7)表示OAM模式生成/分离处理，是相当于离散傅立叶变换和逆变换的处理。
接着，如果L＝min(NRX，NTX)，则如式(8)那样形成包含OAM模式生成/分离处理的信道响应Λ。
数学式7
这里，H1(x)、l(y)是OAM模式l(x)和l(y)之间的信道，如式(9)所示。
数学式8
图5表示本发明中的位置偏移估计处理过程的示例。
在图5中，首先，在信道估计处理部中，估计与式(8)的信道响应Λ对应的实测信道响应Λmeas(S1)。实测信道响应Λmeas相当于除了实际传播信道之外，还包括OAM模式生成处理部14以及OAM模式分离处理部22的、从发送权重乘法运算处理部13的输出端口到接收权重乘法运算处理部23的输入端口间的信道响应。
接着，在位置偏移量估计处理部27中，将位置偏移量的估计值初始化为0等值(S2)，然后，使用初始化后的位置偏移量的估计值，根据上述式计算理论信道矩阵Λ(S3)。
进一步，计算得到的理论信道矩阵Λ和实测信道响应Λmeas的大小的差分，并计算使其大小最小化的位置偏移量的估计值(S4、S5)。即，评价以下评价函数。
数学式9
min(||ΛH×Λ-ΛmeasH×Λmeas||)…(10)
这里，理论信道矩阵Λ和包含该理论信道矩阵Λ的评价函数是“以位置偏移量估计值为变量的函数”。因此，使用梯度法、牛顿法、遗传算法、其他多种最佳算法，通过更新作为重复变量的值的位置偏离量估计值来减小评价函数的值，将评价函数的值低于规定阈值时的位置偏离量估计值判定为位置偏离量。
具体而言，在如下设定位置偏移量估计值的初始值的情况下，ΛH×Λ的值唯一地确定。另外，ΛmeasH×Λmeas的值通过测量得到。
最后，在位置偏移校正处理部中，基于估计出的位置偏移量调整天线的夹具等，校正收发站的位置偏移(S6)。
进而，也可以通过反复进行这些处理，直到规定次数或位置偏移量估计值的大小成为期望的阈值以下，由此来提高位置偏移校正精度(S7)。
这里，对于通常视距无线传输环境中的天线元件间的传播信道，各要素的大小难以产生那么大的差，在上述情况下，通过进行式(3)所示的OAM模式生成/分离处理，信道响应的值产生偏差，在最小化的函数的计算中，即使不使用全部要素而仅使用得到足够高能量的要素，也能够高精度地估计位置偏移量。在这种情况下，不需要针对所有可用的OAM模式估计信道，而也可以仅需要与用于估计实际位置偏移量的传播信道矩阵的要素相对应的OAM模式。
另外，在包含通信所需的处理、能够降低运算量的线性变换处理、或者在原本实测的信道响应中进行某种线性变换处理等的情况下等，在计算中使用的理论信道响应Λ中也可以使用考虑了那样的处理的影响的处理。
在本实施例中，进行使用了特定频率下的传播信道的评价函数的评价，但例如在如正交频分复用方式(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)那样能够获取多个频率下的信道信息的情况下，也可以将评价函数中的信道矩阵扩展为可用于估计的频率信道数来进行计算。
(实施例2)
在实施例1中，通过评价使用了理论和实测传播信道的强度的评价函数来估计了位置偏移量，但除此之外，也能够将理论和实测传播信道的复振幅的差分的绝对值的最小化作为评价函数来估计位置偏移量。
即，通过评价以下函数来估计位置偏移量。
min(||(Λ-Λmeas)H×(Λ-Λmeas)||) …(11)
(实施例3)
在实施例1和实施例2中，通过分别使理论和实测传播信道的强度或复振幅的差分最小化来估计位置偏移量，但各自都有优点和缺点。
首先，在使用复振幅的方法中，在坐标轴的小的偏差下，相位就发生大的变动。这在使用毫米波等高频率时变得显著。这会产生根据相位的周期性特征在评价函数中存在多个局部最小值的状况，因此如果不选择原本接近真解的初始值，则导出错误的解的可能性高。
另一方面，在使用强度的方法中，由位置偏移引起的变动缓慢，有时会受到噪声等的影响而在估计值中包含较大的误差。
根据以上所述，为了弥补两者的缺点、有效利用优点，首先在使用基于强度的实施例1的评价函数导出位置偏移的概算值、特别是导出天线间距离后，通过使用将它们作为初始值而使用了复振幅的实施例2的评价函数，能够不陷入错误的局部最优解而高精度地估计位置偏移量。
(实施例4)
实施例1～实施例3的方法不限于使用圆形阵列天线的OAM复用传输技术，在任意的阵列天线中也能够通过设定坐标轴来定义并估计位置偏移量。
特别是，在不包含权重乘法运算或其他变换处理的情况下，计算天线元件间的纯理想传播信道矩阵H，使用理想传播信道矩阵H和实测信道矩阵Hmeas，例如如以下的式(12)那样对评价函数进行评价，由此能够估计位置偏移量。
数学式11
min(||HH×H-HmeasH×Hmeas||) …(12)
这是与实施例1同等的评价函数，当然此时也可以使用与实施例2同等的评价函数。另外，在收发站中包含某种线性变换处理的情况下，与实施例1同样地考虑其影响来进行计算即可。
(实施例5)
在实施例5中，在收发天线能够独立地发送接收不同偏振波这一点上，与实施例1～实施例4不同。
在这种情况下，接收天线元件a和发送天线元件b之间的传播信道如下表示为使用正交的2偏振波的部分信道矩阵。
数学式12
这里，
根据上述，在计算理论信道响应Λ时，通过如上述那样扩展数学式来计算，也能够应对使用能够独立地收发不同偏振波的天线元件的情况。
10 发送站
11 信号处理部
12、13 发送权重乘法运算处理部
14 OAM模式生成处理部
15 发送UCA
16 位置偏移校正处理部
20 接收站
21 接收UCA
22 OAM模式分离处理部
23 接收权重乘法运算处理部
25 信号处理部
26 信道估计/接收权重计算处理部
27 位置偏移量估计处理部
28 位置偏移校正处理部
29 反馈部
