OAM多路复用通信系统以及模式间干扰补偿方法

OAM多路复用通信系统以及模式间干扰补偿方法

　　技术领域

　　本发明涉及使用电磁波的轨道角动量(Orbital Angular Momentum：OAM)对无线信号进行空分复用传输的OAM多路复用通信系统以及模式间干扰补偿方法。

　　背景技术

　　作为面向无线通信的提高传输容量的技术，存在使用OAM对无线信号进行空分复用传输的技术。具有OAM模式的电波的特征在于，等相位面沿着以波束的传播轴为中心的旋转方向以螺旋状分布，将等相位面所形成的螺旋的周期为2π×a的模式称为OAM模式a。由于不同的OAM模式之间在旋转方向上具有正交性，因此能够对多个OAM模式的信号进行空分复用传输。例如，OAM模式1的信号和OAM模式2的信号在空间上相互正交，因此，即使从发送天线同时发送这些模式的信号，也能够通过接收侧的OAM模式分离处理电路来分离OAM模式1的信号和OAM模式2的信号。在非专利文献1中，作为对OAM模式的信号进行复用传输的方法，报告了使用等间隔圆形阵列天线(Uniform Circular Array：UCA)和巴特勒矩阵电路(Butler matrix circuit)的方法，该等间隔圆形阵列天线是等间隔地圆形配置了多个天线元件的天线。

　　在先技术文献

　　非专利文献

　　非专利文献1：E.Sasaki，M.Hirabe，T.Maru，N.Zein，“面向未来的5G超大容量无线电的实用OAM和极化复用传输(Pragmatic OAM with polarization multiplexingtransmission for future 5Gultra-highcapacityradio)”，inproc.of EuMA2016，2016年10月。

　　发明内容

　　发明所要解决的课题

　　在非专利文献1的构成中，只有在发送UCA和接收UCA被配置在正面对置的位置上且没有反射波的视线(line-of-sight)环境中，能够分离各OAM模式的信号。但是，在实际运用上，还需要考虑发送UCA和接收UCA被固定设置在从正面对置配置偏离的位置上的情况、以及周边环境引起的反射波等的影响。由于这样的影响，当发送UCA与接收UCA之间的信道矩阵偏离理想的正面相对配置时，在接收侧的OAM模式分离处理电路的输出级中会残留OAM模式之间的干扰分量。

　　例如，在接收侧尝试了OAM模式1的信号的分离时，在发送UCA和接收UCA为理想的正面对置配置的情况下，仅取出OAM模式1的信号分量。另一方面，在发送UCA和接收UCA被固定设置在从理想的正面对置配置偏离的位置的情况下，或者信道矩阵由于反射波、传播路径、RF电路的影响等而偏离理想的状态时，即使尝试OAM模式1的信号的分离，在电路输出级中，在OAM模式1的信号分量上重叠来自相邻的OAM模式2或OAM模式0等其他模式的干扰分量，从而通信质量也会劣化。

　　本发明的目的在于，提供一种能够以低运算量补偿由于发送UCA与接收UCA之间的光轴的偏移、倾斜、反射波等而产生的模式间干扰的OAM多路复用通信系统以及模式间干扰补偿方法。

　　用于解决课题的手段

　　第一发明涉及一种OAM多路复用通信系统，发送站具有：发送天线，使用将直径不同的多个UCA配置成同心圆状的M-UCA；以及OAM模式生成单元，从发送天线的各UCA同时生成一个以上的OAM模式，接收站具有：与M-UCA相同结构的接收天线；OAM模式分离单元，将由接收天线的各UCA接收到的信号按OAM模式进行分离；以及信道估计/干扰补偿处理单元，针对从由接收天线的各UCA接收到的信号分离出的每个OAM模式估计信道矩阵，该OAM多路复用通信系统使用根据该信道矩阵计算出的权重来补偿OAM模式间的干扰，使用一个以上的OAM模式，并且按OAM模式对一个以上的序列的信号进行复用传输，信道估计/干扰补偿处理单元构成为，按OAM模式，从由OAM模式分离单元分离出的各OAM模式的信号中选择本模式及其相邻模式的信号，并乘以使用本模式和该相邻模式的信道矩阵计算出的近似权重来补偿模式间干扰。

　　在第一发明的OAM多路复用通信系统中，信道估计/干扰补偿处理单元被构成为：在使用了近似权重的均衡处理的性能满足预定的基准的范围内确定相邻模式的范围，近似权重基于从发送站发送的已知信号序列而计算出。

　　在第一发明的OAM多路复用通信系统中，信道估计/干扰补偿处理单元被构成为：使用将信号矩阵近似为带状矩阵而得的近似信道矩阵，并基于包含该近似信道矩阵的矩阵的科列斯基分解(Cholesky Decomposition)来补偿模式间干扰。

　　第二发明提供一种OAM多路复用通信系统的模式间干扰补偿方法，在OAM多路复用通信系统中，发送站具有：发送天线，使用将直径不同的多个UCA配置成同心圆状的M-UCA；以及OAM模式生成单元，从发送天线的各UCA同时生成一个以上的OAM模式，接收站具有：与M-UCA相同结构的接收天线；OAM模式分离单元，将由接收天线的各UCA接收到的信号按OAM模式进行分离；以及信道估计/干扰补偿处理单元，针对从由接收天线的各UCA接收到的信号分离出的每个OAM模式估计信道矩阵，使用根据该信道矩阵计算出的权重来补偿OAM模式间的干扰，该OAM多路复用通信系统使用一个以上的OAM模式，并且按OAM模式对一个以上的序列的信号进行复用传输，在模式间干扰补偿方法中，信道估计/干扰补偿处理单元按OAM模式，从由OAM模式分离单元分离出的各OAM模式的信号中选择本模式及其相邻模式的信号，并乘以使用本模式和该相邻模式的信道矩阵计算出的近似权重来补偿模式间干扰。

　　在第二发明的模式间干扰补偿方法中，信道估计/干扰补偿处理单元在使用了近似权重的均衡处理的性能满足预定的基准的范围内确定相邻模式的范围，近似权重基于从发送站发送的已知信号序列而计算出。

　　在第二发明的模式间干扰补偿方法中，信道估计/干扰补偿处理单元使用将信号矩阵近似为带状矩阵而得的近似信道矩阵，并基于包含该近似信道矩阵的矩阵的科列斯基分解(Cholesky Decomposition)来补偿模式间干扰。

　　发明效果

　　本发明针对由于发送UCA与接收UCA之间的光轴的偏移、倾斜、反射波等而产生的模式间干扰，按照每个OAM模式限定相邻模式的干扰范围来进行均衡处理，由此能够以低运算量补偿模式间干扰。

　　附图说明

　　图1是示出本发明的OAM多路复用通信系统的构成示例的图；

　　图2是示出本发明的OAM多路复用通信系统的M-UCA的构成示例的图；

　　图3是示出信道估计/干扰补偿处理部23的构成示例的图；

　　图4是示出信道矩阵的例子的图；

　　图5是示出信道估计/干扰补偿处理部23的处理示例的图；

　　图6是示出与所考虑的相邻模式对应的性能特性的图；

　　图7是示出近似信道矩阵的例子的图。

　　具体实施方式

　　图1示出本发明的OAM多路复用通信系统的构成示例。

　　在图1中，发送站10具有：作为发送天线的多个发送UCA 11-1～11-NTX；以及OAM模式生成处理部12-1～12-NTX，分别输入以OAM模式1～L发送的多个序列的调制信号，分别进行相位调整以使其作为OAM模式1～L的信号而被发送，并输出到各发送UCA的天线元件。

　　接收站20具有：作为接收天线的多个接收UCA 21-1～21-NRX；OAM模式分离处理部22-1～22-NRX，从各接收UCA的接收信号中分离OAM模式1～L的信号；以及信道估计/干扰补偿处理部23，输入按OAM模式1～L汇集的信号r1～rL，并输出进行了信道估计和干扰补偿的信号r1～rL。

　　在这里，L是所使用的OAM模式的数量，1～L表示OAM模式的编号。在L＝5的情况下，例如OAM模式-2、-1、0、1、2的信号被进行多路复用传输，以下，将其中一个设为OAM模式k。

　　如图2所示，发送UCA 11-1～11-NTX和接收UCA 21-1～21-NRX是将多个UCA配置为同心圆状的多圆形阵列天线(Multi-UCA)。在此，示出配置了半径彼此不同的4个UCA的结构。即，NTX＝NRX＝4，从内侧的UCA起依次设为第一UCA、第二UCA、第三UCA、第四UCA。此外，虽然示出了各UCA具有图中●所示的16个天线元件的例子，但各UCA的天线元件数不一定需要设为相同数量。

　　图3示出信道估计/干扰补偿处理部23的构成示例。在此，设为L＝5，用OAM模式1～5表示。

　　在图3中，信道估计/干扰补偿处理部23输入在OAM模式分离处理部22-1～22-NRX中分别分离为OAM模式1～5、并按OAM模式1～5汇集的信号r1～r5。即，OAM模式k的信号rk成为由接收UCA 21-1～21-NRX接收到的OAM模式k的信号的集合。OAM模式1的信号r1～OAM模式5的信号r5被输入到信道估计/权重计算部31，并且为了分别进行干扰补偿，经由相邻模式选择部32-1～32-5而输入到权重乘法处理部33-1～33-5。

　　信道估计/权重计算部31在对OAM模式1～5的信号进行多路复用传输时，针对经由发送站10的OAM模式生成处理部12、传播信道、接收站20的OAM模式分离处理部22而合成的OAM模式间的信道矩阵H进行估计，进而计算用于进行各OAM模式的信号的干扰补偿的权重Uk，k-p～Uk，k+p。关于表示针对本模式的相邻模式的范围的p在后面叙述。

　　图4示出发送OAM模式与接收OAM模式之间的信道矩阵H。在此，示出OAM模式-2、-1、0、1、2的例子。在发送UCA与接收UCA为正面对置配置那样的理想状况下，按OAM模式正交，因此仅存在对角块分量Hk，k，其他变为0。但是，在产生由于位置偏移、模拟电路的不完整性等而引起的模式间干扰的状况下，在OAM模式k的信号的均衡处理时，使用还考虑了p个相邻模式即非对角块分量的信道矩阵Hk，k-p～Hk，k+p、以及使用其逆矩阵计算出的权重Uk，k-p～Uk，k+p。作为权重的计算方法，可以使用迫零(Zero-Forcing，ZF)法、均方误差(Minimum mean-square-error，MMSE)法。

　　图5示出信道估计/干扰补偿处理部23的处理示例。

　　图5的(1)示出如下处理示例：

　　针对在OAM模式分离处理部22-1～22-NRX中分别分离为OAM模式1～5的信号、并输入到信道估计/干扰补偿处理部23的OAM模式k的信号rk，乘以与本OAM模式和其他OAM模式的干扰对应的权重U1，k～U5，k，进而作为补偿了模式间干扰的OAM模式k的信号rk

　　rk＝ΣUk，m rm(m＝1～5)

　　来输出。即，如下所述。

　　r1＝U1，1r1+U1，2r2+U1，3r3+U1，4r4+U1，5r5

　　r2＝U2，1r1+U2，2r2+U2，3r3+U2，4r4+U2，5r5

　　r3＝U3，1r1+U3，2r2+U3，3r3+U3，4r4+U3，4r4

　　r4＝U4，1r1+U4，2r2+U4，3r3+U4，4r4+U4，5r5

　　r5＝U5，1r1+U5，2r2+U5，3r3+U5，4r4+U5，5r5

　　在该情况下，以OAM模式复用数的2次幂的级别进行运算处理，计算量根据复用数而指数地增加，因此能够仅应用于电路规模没有制约的情况。

　　在这里，在模式间干扰中，来自相邻模式的干扰是支配性的，因此可以进行如下近似处理：对于图4中用粗线框表示的本模式的信道矩阵，仅考虑用虚线表示的相邻的带状的信道矩阵，使用该带状的信道矩阵和使用其逆矩阵计算出的带状的近似权重来补偿干扰。

　　图5的(2)示出如下处理示例：

　　针对输入到信道估计/干扰补偿处理部23的OAM模式k的信号rk，乘以与来自本模式和仅相邻p的OAM模式的干扰对应的权重Uk-p，k～Uk+p，k，进而作为补偿了模式间干扰的OAM模式k的信号rk

　　rk＝ΣUk，m rm(m＝k-p～k+p)

　　而输出。在这里，将所考虑的相邻模式的数量p设为p＝1。

　　图3所示的相邻模式选择单元32-k从OAM模式1～5的信号r1～r5中选择OAM模式k-1～k+1的信号rk-1～rk+1。权重乘法处理部33-k对信号rk-1～rk+1分别乘以权重Uk、k-1～Uk、k+1，作为补偿了模式间干扰的OAM模式k的信号rk来输出。

　　rk＝Uk，k-1rk-1+Uk，krk+Uk，k+1rk+1

　　即，在k＝1～5时，如下所示。

　　r1＝U1，1r1+U1，2r2

　　r2＝U2，1r1+U2，2r2+U2，3r3

　　r3＝U3，2r2+U3，3r3+U3，4r4

　　r4＝U4，3r3+U4，4r4+U4，5r5

　　r5＝U5，4r4+U5，5r5

　　通过该权重的近似均衡处理，能够如图5的(2)所示那样减少运算处理。

　　图6示出与所考虑的相邻模式对应的性能特性。

　　在图6中，横轴是天线的倾斜角，纵轴表示将不近似的MMSE均衡时的容量设为100％的通信路径容量比。

　　本模拟基于以下的条件进行。

　　频率：28.5GHz

　　UCA的数量NTX、NRX：4(各环16个元件)

　　复用模式：按每个UCA复用-2～+2，合计20个模式

　　传输距离：5m

　　均衡权重：MMSE

　　在该例子中，如果将容量劣化容许至20％，则在仅以本模式均衡的p＝0的情况下能够补偿至0.1度，仅以相邻模式均衡的p＝1的情况下能够补偿至0.45度、在以两个相邻模式均衡的p＝2的情况下能够补偿至1度为止的偏差。此外，对于复用模式数5，在以三个相邻模式均衡的p＝3的情况下，得到接近图5的(1)所示的全MIMO均衡处理的性能。

　　此外，关于所考虑的相邻模式p的确定方法，用如下方式进行。

　　首先，作为p＝0，对从发送站发送的已知信号序列、例如信道估计用的前导码，乘以仅本模式的近似权重。基于该权重相乘结果与已知信号序列的信号点之间的欧几里得距离、EVM、SINR、未对均衡器进行近似的情况下的均衡器输出与近似均衡器输出之差的绝对值等来计算成本。如果这里计算出的成本超过管理者等预先设定的阈值，则确定为针对参数p的权重。如果成本不超过阈值，则将p增加+1，确定包含本模式以及相邻模式的近似权重，判定同样计算出的成本是否超过阈值。然后，在均衡处理的性能超过某恒定的基准时，将紧接之前的p的值确定为均衡器的近似用的参数，进行权重近似。然后，对接收信号乘以所确定的权重，补偿模式间干扰。

　　此外，p的值也可以是系统管理者根据天线的位置校正器的精度预先设定的固定值。例如，在校正器的精度为±0.4度、系统容量存在20％的余量的情况下，能够容许容量劣化20％，因此始终设定为p＝1。

　　(其他方法)

　　在本方法中，将干扰分量近似为带状矩阵，使用权重进行均衡。在本方法中，能够与在全部信号序列中进行均衡处理的全MIMO相比以低的运算量实施均衡处理，如以下所示，不需要进行权重计算所需的逆矩阵的导出所涉及的运算。因此，即使在由于风等的振动而天线摆动、信道变动的情况下也不需要为了计算权重而每次计算逆矩阵。

　　如参照图3至图5说明的方法中的信道矩阵的特征那样，在天线不是理想的对置配置的情况下，信道矩阵成为带状，来自相邻模式的干扰强。以下所示的方法实施如下处理：代替对权重进行近似而将信道矩阵近似为带状，对近似的信道矩阵乘以权重。

　　首先，导入带宽p，例如在p＝1的情况下，如图7所示，将信道近似为带状。如果将近似后的信道矩阵设为H，则针对发送信号S，接收信号R的近似表现为如下：

　　R～HS

　　通过使用信噪比SNR、单位矩阵I，接收信号R的近似MMSE权重的相乘结果如下。

　　R’＝(HHH+SNR·I)-1HHR

　　根据本方法，能够在不计算逆矩阵(HHH+SNR·I)-1的情况下实施上述计算。

　　首先，进行以下的计算。

　　H*＝(HHH+SNR·I)

　　进行H*的科列斯基分解。

　　H*＝QQH

　　H*是带状矩阵，因此Q也是将带宽设为与H*相同的带状矩阵，并且是下三角矩阵。接着，实施以下的计算。

　　z＝HHR

　　该运算仅对带状矩阵部分实施运算处理即可。接着，针对f求解以下方程式。

　　Qf＝z

　　此时，由于Q是下三角矩阵且带状矩阵，因此不用导入Q的逆矩阵而逐次地求解。求解该方程式的算法也可以使用任意的算法。

　　接着，针对R’，求解以下方程式。

　　QHR’＝f

　　此时，QH是上三角矩阵且带状矩阵，因此不用导入Q的逆矩阵而逐次地求解。求解该方程式的算法可以使用任意的算法。

　　另外，通过科列斯基分解得到的计算结果Q也能够应用于随后的信号序列的均衡中。即，在干扰消除处理中只执行一次H*的计算以及科列斯基分解，随后到达的数据部的运算仅实施z、f的处理即可。

　　此外，本方法全部在接收侧实施了干扰补偿处理，但即使是在发送侧实施同样的处理的装置，也能够得到同样的干扰补偿效果。

　　符号说明

　　10：发送站；

　　11：发送UCA；

　　12：OAM模式生成处理部；

　　20：接收站；

　　21：接收UCA；

　　22：OAM模式分离处理部；

　　23：信道估计/干扰补偿处理部；

　　31：信道估计/权重计算部；

　　32：相邻模式选择部；

　　33：权重乘法处理部。