室內(nèi)高速通信與抗干擾接入方法

雷遠(yuǎn)揚

（中煤科工集團重慶煤科院有限公司，重慶 400050）

0 引 言

長期以來，信息傳輸技術(shù)實現(xiàn)了長足發(fā)展。自2G至4G，傳輸速度成倍增長，WiFi技術(shù)被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域，為數(shù)據(jù)傳輸提供了必要幫助。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)以傳統(tǒng)的電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等信息承載體為基礎(chǔ)，使得普通的物理對象互聯(lián)互通，為智能家居操作奠定了堅實基礎(chǔ)。但WiFi很難滿足物聯(lián)網(wǎng)背景下的大數(shù)據(jù)、大速率以及多個設(shè)備接入的需求，進而引發(fā)了諸多問題。由此可見，深入研究并分析室內(nèi)高速通信與抗干擾接入方法十分有必要。

1 室內(nèi)通信技術(shù)發(fā)展背景

新時期背景下，現(xiàn)代信息傳輸技術(shù)取得了理想發(fā)展成就。特別是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能夠使得獨立尋址的物理對象互聯(lián)互通，主要特征體現(xiàn)為自治終端互聯(lián)化、普通對象設(shè)備化以及普適服務(wù)智能化。以園博園ZigBee路燈為例，其切實彰顯出物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價值[1]，但目前階段，WiFi很難在大數(shù)據(jù)、大速率以及多個設(shè)備接入中滿足具體需求，導(dǎo)致系列問題逐漸凸顯出來。深入研究全新室內(nèi)通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)，歐洲與日本等均將研究的重點集中于室內(nèi)可見光通信。特別是英國牛津大學(xué)研究工作人員，展開了對均衡技術(shù)與MIMO技術(shù)的相關(guān)研究，并將其應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)，在多路并行的基礎(chǔ)上，凸顯出高速可見光通信系統(tǒng)的價值與作用。在日本，研究工作人員優(yōu)先提出設(shè)想，并進一步探索多種具體應(yīng)用形式，使得可見光通信應(yīng)用領(lǐng)域及研究的內(nèi)容更加豐富。

通過運用可見光傳輸技術(shù)，能夠更好地滿足多個設(shè)備、大數(shù)據(jù)以及大速率的接入需求，同樣適用于物聯(lián)網(wǎng)條件下的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，并給予了必要的技術(shù)支持。與此同時，可見光傳輸技術(shù)的制造成本不高，明顯減少了物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建費用支出，但需要注意的是，該技術(shù)本身的不足也十分突出，不同信號間會相互干擾。在這種情況下，需要借助渦旋波傳輸技術(shù)，才能實現(xiàn)信息在室內(nèi)的高速傳輸[2]。渦旋電子波自帶角動量與軌道角動量，其相位平面并非平面，是圍繞傳播方向進行旋轉(zhuǎn)。通過合理運用此特性，研發(fā)室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)室內(nèi)高速通信條件下抗干擾接入的目的。

2 系統(tǒng)架構(gòu)研究

室內(nèi)高速通信與抗干擾接入方式的具體應(yīng)用如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)具體應(yīng)用圖示

在室內(nèi)智能家居中，通過運用渦旋波，可使得智能設(shè)備在互不干擾的情況下迅速接入互聯(lián)網(wǎng)。此通信系統(tǒng)可應(yīng)用在購物中心、大型飯店以及室內(nèi)比賽場館等人群相對密集的場所中，與快速通信和多址接入需求吻合，使得在場所有人均能夠通過個人智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)且傳輸速率穩(wěn)定快速，信息之間不會互相干擾。

可通過物理架構(gòu)和邏輯架構(gòu)探討系統(tǒng)的基本架構(gòu)。此系統(tǒng)物理架構(gòu)的主要組成包括傳輸通道、發(fā)射端以及接收端。發(fā)射端由若干用戶組合形成，用戶不僅可以是具備上網(wǎng)通信的人，也可以是接入互聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備，通過微帶天線形式，確保通信設(shè)備可以形成渦旋電磁波。但由于模式數(shù)量諸多且設(shè)備不同，因此實際發(fā)射的渦旋波同樣存在一定差異。

此系統(tǒng)接收端是同心圓環(huán)天線陣，射頻鏈路數(shù)量諸多，所以能夠接收多種模式渦旋電磁波。在放置方面，此系統(tǒng)的布置也更加靈活，可將系統(tǒng)接收端的設(shè)備合理布置在室內(nèi)墻面、室內(nèi)體育場館頂棚、餐廳吊燈以及購物中心廣告牌。需要注意的是，一定要在用戶的視距之內(nèi)加以布置，盡可能確保接收端與不同用戶間不存在物體遮蔽，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量得到必要保障。此外，要想使用戶接入公平，還可布設(shè)若干等效接入點，保證系統(tǒng)能夠無縫覆蓋。

對于傳輸通道而言，此系統(tǒng)的要求相對特殊。系統(tǒng)選擇渦旋波要求信道是LOS信道，也就是說，渦旋波傳輸?shù)穆窂揭欢ㄒ獰o反射且無遮擋。受渦旋波波束空間結(jié)構(gòu)的特殊性影響，使其具備正交復(fù)用特性，可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量和速率處于最佳狀態(tài)。如果渦旋波的傳輸路徑有遮擋亦或是有反射，必然會破壞其物理形態(tài)，直接降低傳輸速率，且傳輸內(nèi)容也有缺失的可能。

系統(tǒng)接收端較之于傳統(tǒng)的接收端存在一定的區(qū)別。此接收端要正確區(qū)分各模式的渦旋電磁波，既可準(zhǔn)確區(qū)分各用戶間的各模式渦旋波，又可以區(qū)分相同用戶發(fā)射端的不同渦旋波信號。借助渦旋波可實現(xiàn)若干用戶多址接入且互相沒有干擾，同時能夠傳輸大容量的大數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上開展解調(diào)工作，去掉調(diào)制后模擬信號的載波，解調(diào)形成數(shù)字碼片，最終恢復(fù)為數(shù)字信號。要重組解調(diào)處理后所得的組合并進行解碼處理，獲取用戶信息，恢復(fù)其所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

此系統(tǒng)的傳輸幀結(jié)構(gòu)主要包括復(fù)用數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻信號以及校驗位置。其中，導(dǎo)頻信號分布在傳輸幀的最前端，能夠?qū)崿F(xiàn)接收端對信道的估計，是閾值信道類型，可在短時間完成數(shù)據(jù)解調(diào)。完成導(dǎo)頻信號后可進行數(shù)據(jù)復(fù)用，一般由用戶傳輸數(shù)據(jù)形成，能夠快速傳輸用戶發(fā)送信息，并從發(fā)射端向接收端發(fā)射信號。校驗位位于最末端，主要功能是檢查解調(diào)數(shù)據(jù)的完整性，并檢查排序是否正確，即是否成功傳輸。

3 仿真分析

在常規(guī)電磁波中，信道容量香農(nóng)公式內(nèi)容為：

式（1）中，B代表的是信道的帶寬（單位Hz），Ps代表信號功率，Pn代表噪聲功率。因渦旋電磁波能夠在相同時間傳輸多路相互正交信號，所以計算信道容量時應(yīng)當(dāng)利用多輸入多輸出MIMO系統(tǒng)，同樣需要采取相應(yīng)的改進措施。長期以來，信息傳輸方式僅對電磁波相位、幅度以及頻率等多個物理量加以利用。根據(jù)香農(nóng)公式，若未產(chǎn)生新維度，那么通信鏈路傳輸?shù)娜萘刻岣唠y度也將明顯增加。在通信系統(tǒng)中，渦旋電磁波屬于全新物理量，利用價值較高，能夠在相同時間內(nèi)傳輸多種模式復(fù)用信息，提升系統(tǒng)頻譜效率。通過仿真實驗獲得相應(yīng)結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

圖2左側(cè)是不同路數(shù)漩渦波在信噪比變化情況下可達到的頻譜效率上界的仿真圖。通過仿真可以了解到，在信噪比不斷增加的情況下，系統(tǒng)本身頻譜效率隨之提高。不同曲線代表不同模式數(shù)條件下，渦旋電磁波復(fù)用傳輸結(jié)果。在模式數(shù)不斷增多的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)頻譜的效率會在信噪比不高的情況下不明顯地增加，處于較高信噪比條件下頻率效率的上界會成倍數(shù)增加。圖2右側(cè)是復(fù)用傳輸系統(tǒng)內(nèi)信道容量較之于單路傳輸系統(tǒng)內(nèi)信道容量增長情況的仿真結(jié)果?？梢粤私獾?，在渦旋電磁波模式數(shù)不斷增多的條件下，系統(tǒng)信道容量增益不具有線性特征。如果復(fù)用渦旋電磁波的數(shù)量偏少，那么系統(tǒng)信道的容量會顯著提高。另外，在復(fù)用渦旋電磁波模式數(shù)不斷增長的情況下，系統(tǒng)的通信容量增長趨勢會變得遲緩。因現(xiàn)階段渦旋電磁波數(shù)量的產(chǎn)生有限，所以應(yīng)盡可能選擇較少復(fù)用模式獲取更多系統(tǒng)信道容量的增益。

4 研究結(jié)論

在此系統(tǒng)應(yīng)用中，可借助渦旋電磁波的成功傳輸達到數(shù)據(jù)多址接入與復(fù)用傳輸?shù)哪康摹＿@樣在物聯(lián)網(wǎng)時代背景下，既可解決智能家居室內(nèi)連接問題，又在短時間內(nèi)傳輸信息數(shù)據(jù)且不存在干擾。該系統(tǒng)可應(yīng)用于大型購物中心等公共場所中，支持多人接入網(wǎng)絡(luò)。但根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果了解到，通過應(yīng)用多模式渦旋波復(fù)用的傳輸形式，較之于單獨平面電磁波傳輸?shù)膶嶋H傳輸速率顯著加快，而且系統(tǒng)通信容量也有所提升。然而，系統(tǒng)本身還有待完善，在實際應(yīng)用中僅能在視距范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)射端和接收端不能存在遮擋物。另外，形成高模式渦旋電磁波路徑有限，想要通過物理手段獲取難度較大，因而后期需加大研究力度。

5 結(jié) 論

綜上所述，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)時代背景與信息快速傳輸?shù)膶嶋H需求，可將可見光通信技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)通信系統(tǒng)，但受信號間干擾影響，有必要引入渦旋波傳輸技術(shù)。在研究中對渦旋波電磁波應(yīng)用于室內(nèi)通信系統(tǒng)的情況進行了仿真處理。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其能夠滿足高速通信與抗干擾接入的需求。但高模式渦旋電磁波的產(chǎn)生路徑并不多見，因而需在未來研究中給予高度重視，進而為智能家居室內(nèi)通信工作的發(fā)展提供必要幫助。