基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法

王弢 琚誠

【摘要】? ? 隨著集成電路、無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，極大提升了各行各業(yè)的效率。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增長，需要上傳至基站的數(shù)據(jù)量也急劇增加，急需大容量無線通信上行傳輸方法。攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的渦旋電磁波因其提供了一種全新的模態(tài)自由度而被廣泛研究，OAM理論上無窮多的正交模態(tài)可以無限提升無線通信頻譜效率。2007年，B.Thide提出給均勻圓周陣列（UCA）饋以等幅等相差的信號(hào)可以生成OAM?；谖锫?lián)網(wǎng)傳感器分布式的特點(diǎn)和UCA可用于OAM通信的特點(diǎn)，本文提出了基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法。通過在隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域選取近似UCA的節(jié)點(diǎn)，之后采用近似UCA的傳感器節(jié)點(diǎn)與基站進(jìn)行基于OAM的大容量通信可以極大地提升傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳速率。仿真結(jié)果表明，采用近似UCA的分布式節(jié)點(diǎn)生成的攜OAM的電磁波仍能保證一定的渦旋特性和模態(tài)隔離度。在本文的仿真配置下，僅6模復(fù)用便可達(dá)到22bps/Hz的頻譜效率。本文所設(shè)計(jì)的基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法無需額外的硬件配置，僅利用現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)通過算法實(shí)現(xiàn)OAM傳輸，傳輸效率高，系統(tǒng)開銷小，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與基站之間的短時(shí)高速上行傳輸。

【關(guān)鍵詞】? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 均勻圓周陣列? ?軌道角動(dòng)量? ?上行通信? ? 頻譜效率

引言：

近年來，隨著集成電路、無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)生活中的各行各業(yè)[1]。典型地，國家電網(wǎng)于2019年提出建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用等各個(gè)環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)流量主要以下行為主，上行數(shù)據(jù)主要是一些信令信息，數(shù)據(jù)量小。因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)，一般下行容量遠(yuǎn)大于上行容量。而在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流向發(fā)生了變化。不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)終端主要從基站獲取數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)終端（主要是傳感器節(jié)點(diǎn)）則需要將采集到的數(shù)據(jù)上傳至基站，從而接入核心網(wǎng)。這種數(shù)據(jù)流向的轉(zhuǎn)變，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，也對(duì)無線通信技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，即：傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的快速增長造成上行數(shù)據(jù)量急劇增大，需要高速率的無線通信上行傳輸方案才能保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

然而，隨著各類無線通信技術(shù)的發(fā)展，可用頻譜資源越來越少，能用于特定無線傳輸技術(shù)的帶寬非常有限[3]。當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)上行技術(shù)方案，一般偏向于窄帶應(yīng)用，如LoRa，NBIOT等等，無法適用于未來海量數(shù)據(jù)的上行傳輸[4-5]。為了解決無線通信上行容量限制問題，華為聯(lián)合中國電信提出了5G超級(jí)上行技術(shù)[6]。在數(shù)據(jù)上行階段，提出將TDD和FDD結(jié)合，以提升上行數(shù)據(jù)率，采用超級(jí)上行技術(shù)，上行速率峰值可以達(dá)到343Mbps。然而，這種技術(shù)需要終端具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和無線通信能力，即各個(gè)終端需要復(fù)雜的硬件配置，系統(tǒng)開銷大，不適用于物聯(lián)網(wǎng)中大量傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，這類傳感器節(jié)點(diǎn)由于成本限制，一般只具備基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理與通信能力。因此，針對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)海量數(shù)據(jù)的上傳問題，需要簡單高效的解決方案。

近年來，軌道角動(dòng)量（OAM）因其獨(dú)立于時(shí)間和頻率的模態(tài)自由度而被廣泛研究[7]。攜帶OAM的電磁波是一種渦旋電磁波，OAM理論上無窮多的模態(tài)自由度可以無限提升頻譜效率，是大容量無線通信的一種很有前景的傳輸方案。2007年，B.Thide等人首次提出均勻圓周陣列（UCA）可以在微波頻段生成OAM[8]。自此，研究人員對(duì)基于UCA的OAM通信進(jìn)行了大量研究。2018年，日本NTT公司采用多圈UCA首次進(jìn)行了10m距離100Gbps速率的OAM復(fù)用通信試驗(yàn)[9]。2019年文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)地研究了未對(duì)準(zhǔn)UCA對(duì)OAM通信性能的影響，并提出了一種聯(lián)合波束成型及預(yù)編碼方案，可以顯著提高頻譜效率。清華大學(xué)研究人員研究了采用部分圓周接收OAM電磁波的正交性問題[11]。文獻(xiàn)[12，13]提出了一種混合正交模分復(fù)用方案，它將正交模分復(fù)用和傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用相結(jié)合，以提高無線通信性能。

上述的基于UCA的OAM研究都假設(shè)是集中式的收發(fā)機(jī)，即UCA處于一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上。集中式的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和通信能力要求高。已有研究表明，基于UCA的OAM通信信道容量受UCA的尺寸和通信距離的影響[14]。當(dāng)通信距離遠(yuǎn)大于UCA的半徑時(shí)，由于OAM波束的發(fā)散問題，接收UCA無法分辨出多個(gè)OAM模態(tài)，從而限制了頻譜效率的提升。文獻(xiàn)[14]給出方案，即提升發(fā)射UCA的半徑可以使得波束匯聚，從而獲得信道容量的提升。一般情況下，集中式的收發(fā)機(jī)無法制作大口徑的UCA。從提高UCA的口徑出發(fā)，考慮到物聯(lián)網(wǎng)傳感器分布式的特點(diǎn)，可以構(gòu)造出一個(gè)分布式的大口徑發(fā)射UCA，即傳感器節(jié)點(diǎn)作為UCA的一個(gè)陣元，組成UCA的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同以O(shè)AM通信方法向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。這種情況下，由于分布式UCA的半徑比較大，減小了OAM波束的發(fā)散問題，基站上的UCA便仍然可以分辨多個(gè)OAM模態(tài)，使頻譜效率獲得極大提升?；谏鲜鏊悸?，本文提出了基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法。本文的方法無需額外的硬件布線和參考節(jié)點(diǎn)，選取已有的節(jié)點(diǎn)組成近似UCA，采用基于UCA的OAM通信方法將數(shù)據(jù)上傳至基站。過程簡單，通信容量大，一定程度上緩解了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大容量上行傳輸問題。

一、場景模型

在某些物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)區(qū)，由于所處地理位置的限制，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)可能無法布置有線網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)，布置地面基站也同樣難以實(shí)施。此時(shí)，常用的方法便是采取無人機(jī)空中基站[15]。為了闡述物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)短時(shí)大容量高速上傳的需求，考慮如圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)與空中基站通信的場景（圖中的黑色圓點(diǎn)即為傳感器節(jié)點(diǎn)，飛機(jī)即為空中無人機(jī)基站）。

如圖所示，大量的感器節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)指定的平面矩形區(qū)域（試驗(yàn)區(qū)）內(nèi)。根據(jù)需要采集數(shù)據(jù)的具體位置不同，節(jié)點(diǎn)之間一般間隔一段距離放置，整體的節(jié)點(diǎn)分布是隨機(jī)的，沒有呈現(xiàn)某種固定的幾何結(jié)構(gòu)。無人機(jī)定時(shí)飛往待采集數(shù)據(jù)的傳感器區(qū)域上空通知傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收消息后開始將采集的數(shù)據(jù)上傳至空中無人機(jī)基站。由于傳感器數(shù)量龐大，采集到的數(shù)據(jù)量也非常大，此時(shí)便需要大容量的無線上行傳輸方法，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)將所有傳感器在一段時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)上傳至空中基站。

二、基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法

針對(duì)于圖1的應(yīng)用場景，本文提出了基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法。本文所設(shè)計(jì)的方法主要內(nèi)容包括：在隨機(jī)位置的傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域中選取出一組近似UCA分布的節(jié)點(diǎn)的算法、利用這組近似UCA分布的傳感器節(jié)點(diǎn)與空中基站進(jìn)行OAM大容量通信的方法。以下分別進(jìn)行闡述。

2.1從傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選擇出一組近似UCA分布的節(jié)點(diǎn)的方法

在實(shí)際的場景中，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)采集的具體位置不同，一般是隔一段距離放置一個(gè)傳感器，例如，平均間隔2米左右放置一個(gè)傳感器用于采集數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)采集區(qū)域是有限的，本文假設(shè)所有隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)都在某個(gè)指定的矩形區(qū)域內(nèi)。一般情況下，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)編號(hào)（編號(hào)存于各個(gè)傳感器的存儲(chǔ)器內(nèi)），為了方便表述，這里假設(shè)傳感器編號(hào)為n，n=0...N-1。為了清晰表述本文在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選擇近似UCA節(jié)點(diǎn)的方法，此處將圖1的立體區(qū)域節(jié)點(diǎn)圖表示為圖2的平面區(qū)域節(jié)點(diǎn)圖，后續(xù)的算法說明均參照此圖。說明中用到的變量定義均已標(biāo)注于圖中（注意，在本文的說明中，相同字母，不同格式下標(biāo)的變量代表示不同的含義，如：（xn，yn）代表n號(hào)節(jié)點(diǎn)的直角坐標(biāo);而（xk，m，yk，m）代表第（k，m）個(gè)環(huán)塊中心的直角坐標(biāo)）。

如圖2所示，以矩形（圖中為正方形）區(qū)域的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，同時(shí)作直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系，對(duì)于編號(hào)為n的節(jié)點(diǎn)，其直角坐標(biāo)為（xn，yn）（-xlim

xn=rncos（φn）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

yn=rncos（φn）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

為了避免名詞混淆，這里對(duì)后續(xù)說明中用到的概念進(jìn)行具體定義。

圓周：以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，以一定長度為半徑所作的圓。

圓環(huán)：相鄰兩個(gè)圓周之間包含的部分。

扇區(qū)：以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，作兩條不同角度的射線，兩條射線中間的部分定義為扇區(qū)。

環(huán)塊：上述一個(gè)圓環(huán)和一個(gè)扇區(qū)相交的部分即為一個(gè)環(huán)塊。

環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)：一個(gè)環(huán)塊的邊線由四條線相交構(gòu)成：兩個(gè)相鄰的圓周線和兩個(gè)相鄰的從原點(diǎn)出發(fā)的射線。假設(shè)組成環(huán)塊邊線的兩個(gè)射線的角度為θm ，θm +1，兩個(gè)圓周的半徑為Rk ，Rk+1，則定義環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)為

（3）

UCA參考點(diǎn)：一組能構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)UCA的參考節(jié)點(diǎn)。本文選取近似UCA的節(jié)點(diǎn)時(shí)，以與UCA參考點(diǎn)距離最小為標(biāo)準(zhǔn)。某一組UCA參考點(diǎn)即上述某一個(gè)圓環(huán)包含的各個(gè)環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)。

參考上述定義，本文從節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選取出一組近似UCA分布的節(jié)點(diǎn)的方法是一種遍歷搜索法，總體思路為：以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，畫若干個(gè)等半徑差的圓周，將原始節(jié)點(diǎn)區(qū)域劃分為若干個(gè)寬度（構(gòu)成圓環(huán)的兩個(gè)圓周的半徑差值的絕對(duì)值）相等的圓環(huán)區(qū)域。接著，以原點(diǎn)為起點(diǎn)，作若干等角度差的射線將上述圓環(huán)均勻分成若干個(gè)環(huán)塊（相同圓環(huán)被切分成的環(huán)塊完全相同）。每個(gè)圓環(huán)所包含的各個(gè)環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)即為該圓環(huán)所對(duì)應(yīng)的UCA參考點(diǎn)。最后，選擇出每個(gè)環(huán)塊中離各自UCA參考點(diǎn)距離最近的節(jié)點(diǎn)，即為該圓環(huán)所對(duì)應(yīng)的近似UCA的節(jié)點(diǎn)。下面逐項(xiàng)說明上述方案中各個(gè)環(huán)節(jié)所用到的具體方法。

2.1.1將平面節(jié)點(diǎn)區(qū)域分成多個(gè)環(huán)塊區(qū)域的方法

由于要選取的近似UCA的節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓周不可能無限小或者無限大，因此，在搜索時(shí)需要給定一個(gè)最小圓周半徑rmin，和最大圓周半徑（取為前述的rmax）。此外，根據(jù)矩形區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的密集程度（節(jié)點(diǎn)之間平均間距的大?。┐_定相鄰圓周之間半徑間隔Δr。據(jù)此可以確定搜索圓環(huán)的個(gè)數(shù)為

（4）

以rmin為最小圓周半徑，rmax為最大圓周半徑，Δr為半徑間隔，做K+1個(gè)圓周，圓周按半徑從小到大編號(hào)為k=0...K。第k個(gè)圓周和第k+1個(gè)圓周之間的圓環(huán)編號(hào)為k，圓環(huán)從內(nèi)往外編號(hào)取值為k=0...K-1。根據(jù)要選取組成UCA的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目M，以原點(diǎn)為起點(diǎn)，作M個(gè)等角度間隔的射線（x軸正方向?yàn)榈?條射線，角度為0，所有射線按逆時(shí)針方向編號(hào)為m=0...M-1）將上述每一個(gè)圓環(huán)切分成大小相同的環(huán)塊，相鄰射線角度間隔記為Δφ：

（5）

第m條射線和第m+1條射線之間的扇區(qū)編號(hào)為m，m=0...M-1。在上述圓環(huán)編號(hào)和扇區(qū)編號(hào)的基礎(chǔ)上，將第k個(gè)圓環(huán)，第m個(gè)扇區(qū)相交構(gòu)成的環(huán)塊編號(hào)為（k，m），k=0...K-1，m=0...M-1，其極坐標(biāo)中心點(diǎn)為（rk，m，φk，m），直角坐標(biāo)中心點(diǎn)為（xk，m，yk，m），直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的關(guān)系滿足（1）和（2）。

2.1.2確定處于各個(gè)環(huán)塊區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的方法

已知n號(hào)節(jié)點(diǎn)的極坐標(biāo)（rn，φn），若極坐標(biāo)滿足下述條件：

（6）

（7）

則第n號(hào)節(jié)點(diǎn)位于第（k，m）個(gè)環(huán)塊內(nèi)。

2.1.3選取某個(gè)環(huán)塊內(nèi)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的方法

在確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)塊后，一般情況下，某個(gè)環(huán)塊內(nèi)可能包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)需要從多個(gè)節(jié)點(diǎn)中選取離當(dāng)前環(huán)塊UCA參考點(diǎn)（環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)）位置最近的節(jié)點(diǎn)，作為當(dāng)前環(huán)塊的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。選取方法按照直角坐標(biāo)系中節(jié)點(diǎn)和參考UCA點(diǎn)距離最小的原則進(jìn)行。據(jù)此，選取第（k，m）個(gè)環(huán)塊內(nèi)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法如下：

（8）

其中，n為第（k，m）個(gè)環(huán)塊內(nèi)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

2.1.4選取多組近似UCA的節(jié)點(diǎn)的方法

對(duì)第k個(gè)圓環(huán)內(nèi)所有的M個(gè)環(huán)塊執(zhí)行上述選取環(huán)塊最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的操作，即可選取到以第k個(gè)圓環(huán)各個(gè)環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點(diǎn)為參考的M個(gè)節(jié)點(diǎn)，這M個(gè)節(jié)點(diǎn)即可組成近似UCA。

對(duì)k=0...K-1（即從內(nèi)部圓環(huán)到外部圓環(huán)）執(zhí)行上述操作，即可求得多個(gè)由M個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的近似UCA。

2.1.5 選取最優(yōu)UCA的方法

對(duì)求得的各個(gè)UCA節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)UCA參考點(diǎn)的距離誤差，選取誤差最小的一組UCA節(jié)點(diǎn)作為本次算法執(zhí)行的最優(yōu)UCA節(jié)點(diǎn)。假設(shè)Sk，m為第（k，m）個(gè)環(huán)塊內(nèi)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，則第k個(gè)圓環(huán)對(duì)應(yīng)的UCA誤差計(jì)算方法如下：

（9）

2.1.6 最優(yōu)UCA修正方法

以上所述為參考UCA的圓心固定為坐標(biāo)原點(diǎn)（矩形區(qū)域的中心）時(shí)的算法。由于實(shí)際的節(jié)點(diǎn)分布沒有規(guī)律，當(dāng)圓心固定時(shí)，有可能遍歷完所有的圓環(huán)仍然沒有一組滿足條件的近似UCA的節(jié)點(diǎn)。但是，只要圓心做小步長移動(dòng)后，以移動(dòng)后的圓心重復(fù)上述選取UCA的方法，就能找到一組近似UCA的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，圓心作小范圍移動(dòng)，再重復(fù)上述操作也更容易找到精度更高的近似UCA節(jié)點(diǎn)。

因此，為了盡可能避免選取不到合適的近似UCA節(jié)點(diǎn)的情況，也為了能選取到精度更高的UCA節(jié)點(diǎn)。本文的方法假設(shè)圓心在的正方形區(qū)域內(nèi)從左至右、從上到下范圍內(nèi)以Δd為步長移動(dòng)。

（10）

d為傳感器節(jié)點(diǎn)之間的平均間距，w控制圓心移動(dòng)步長的大小，影響最終選取到的近似UCA節(jié)點(diǎn)的精度），每移動(dòng)一次，執(zhí)行上述選取最優(yōu)UCA的方法，確定當(dāng)前圓心對(duì)應(yīng)的最優(yōu)UCA節(jié)點(diǎn)，比較不同圓心的最優(yōu)UCA節(jié)點(diǎn)，選取與相應(yīng)參考UCA節(jié)點(diǎn)距離誤差最小的近似UCA節(jié)點(diǎn)即為本算法最終得出的最優(yōu)UCA節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際算法執(zhí)行過程中，為了便于計(jì)算，本文假設(shè)圓心固定于原點(diǎn)，通過調(diào)整所有節(jié)點(diǎn)的位置來表示圓心位置的變化。

根據(jù)上述選取最優(yōu)UCA的方法可知，本文的方法選取到的UCA精度受矩形區(qū)域內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)密度的影響，節(jié)點(diǎn)密度越高，選取的UCA的精度也越高。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的密度也影響選取組成UCA的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，節(jié)點(diǎn)密度越高，能夠選取作為近似UCA的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也越多。參考上述的方法描述，本文在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選取近似UCA的節(jié)點(diǎn)的步驟如下所述

2.1.7 選取近似UCA節(jié)點(diǎn)的具體步驟

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置為已知信息，基于前述的變量和已知條件，本文選取近似UCA節(jié)點(diǎn)的具體步驟如下：

步驟一、初始化設(shè)置：根據(jù)節(jié)點(diǎn)的平均間距d設(shè)定圓周半徑間隔Δr;設(shè)置需要選取組成UCA的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)M、最小半徑rmin，rmax，利用公式（4）和（5）計(jì)算圓環(huán)個(gè)數(shù)K和射線角度間隔Δφ;根據(jù)（10）設(shè)置圓心調(diào)整的步長Δd;將所有遍歷搜索序號(hào)初始化為0，遍歷序號(hào)包括：圓心直角坐標(biāo)x軸位置索引i，圓心直角坐標(biāo)y軸位置索引j，圓環(huán)索引k，扇區(qū)遍歷索引m。執(zhí)行步驟二。

步驟二、設(shè)置所有傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為：

獲取位置調(diào)整后相應(yīng)的極坐標(biāo)（ri，j，n，φi，j，n），執(zhí)行步驟三。

（11）

（12）

步驟三、選取滿足（11）、（12）的傳感器節(jié)點(diǎn)，若沒有節(jié)點(diǎn)滿足條件，執(zhí)行步驟六，否則，執(zhí)行步驟四。

步驟四、在步驟三選取的節(jié)點(diǎn)集合中選擇與環(huán)塊（k，m）極坐標(biāo)中心點(diǎn)距離最小的節(jié)點(diǎn)，選取方法如下

（13）

記錄下最小值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)n，記為Si，j，k，m=n（Si，j，k，m里存放的是圓心位置為（）時(shí)，第（k，m）個(gè)環(huán)塊里最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)），即為當(dāng)前環(huán)塊中的最優(yōu)UCA節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟五。

步驟五、判斷m=M-1是否成立。若不成立，將扇區(qū)遍歷序號(hào)m加1，即m=m+1，執(zhí)行步驟三;若成立，計(jì)算當(dāng)前圈的距離誤差和，計(jì)算方法如下：

（14）

執(zhí)行步驟六。

步驟六、判斷k=K-1是否成立。若不成立，將圓環(huán)遍歷序號(hào)k加1，即k=k+1，設(shè)置m=0，執(zhí)行步驟三;若成立，執(zhí)行步驟七。

步驟七、判斷j=J-1是否成立。若不成立，將圓心y坐標(biāo)索引j加1，即j=j+1，同時(shí)，令m=0，k=0。執(zhí)行步驟二;若成立，執(zhí)行步驟八。

步驟八、判斷i=I-1是否成立。若不成立，將圓心x坐標(biāo)索引i加1，即i=i+1，同時(shí)，令m=0，k=0，j=0。執(zhí)行步驟二;若成立，執(zhí)行步驟九。

步驟九、從ei，j，k里面選取最小值，即

min（ei，j，k）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

返回值為最小誤差，假設(shè)最小誤差的序號(hào)為（i0，j0，k0），則Si0，j0，k0，m，（m=0...M-1）對(duì)應(yīng)的M個(gè)節(jié)點(diǎn)即為算法選取到的近似UCA分布的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的即為被選中的節(jié)點(diǎn)的極坐標(biāo)角度。此時(shí)，圓心坐標(biāo)（）即為所選取的近似UCA的圓心。將被選中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)Si0，j0，k0，m，被選中的節(jié)點(diǎn)極坐標(biāo)角度，UCA的圓心坐標(biāo)（）作為算法的執(zhí)行結(jié)果返回。

2.2基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸具體步驟

采用OAM的方法進(jìn)行大容量傳輸時(shí)，發(fā)射機(jī)需要已知所有數(shù)據(jù)信息，之后采用OAM調(diào)制方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制才能通信。傳統(tǒng)的基于UCA的OAM大容量通信方法一般都是集中式的收發(fā)機(jī)，此時(shí)發(fā)射機(jī)擁有所有數(shù)據(jù)信息，滿足上述OAM傳輸?shù)幕緱l件。而對(duì)于本文所提的分布式OAM傳輸方法，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)獨(dú)立的，因此，若要進(jìn)行OAM傳輸，被選中的近似UCA的傳感器節(jié)點(diǎn)必須擁有所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。為了滿足這個(gè)條件，本文假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)無線廣播自己的數(shù)據(jù)，使得所有傳感器之間能數(shù)據(jù)共享。

結(jié)合上述假設(shè)，在上一節(jié)選取近似UCA節(jié)點(diǎn)的方法基礎(chǔ)上，本文所提出的基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法具體步驟如下所述：

步驟一、獲取節(jié)點(diǎn)區(qū)域每個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和絕對(duì)位置（一般情況下，在部署傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和絕對(duì)位置便已經(jīng)確定，且存于數(shù)據(jù)庫中）

步驟二、基于節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和位置采用上述選取近似UCA節(jié)點(diǎn)的方法離線計(jì)算出近似UCA的節(jié)點(diǎn)集合，記錄被選取的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和極坐標(biāo)角度，以及UCA的圓心位置。

步驟三、空中無人機(jī)基站獲取步驟二所得到的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、極坐標(biāo)角度和圓心位置信息后，飛行至待采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)上空?qǐng)A心位置處時(shí)，廣播傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)和極坐標(biāo)角度信息給下方所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也起到了通知下方節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的作用。

步驟四、下方傳感器節(jié)點(diǎn)收到節(jié)點(diǎn)編號(hào)信息后，比較自身編號(hào)與基站所發(fā)送的被選取節(jié)點(diǎn)編號(hào)，確定自身是否被選擇作為近似UCA節(jié)點(diǎn)。被選中的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)空中基站提供的極坐標(biāo)角度配置OAM相位，配置方法如下：

假設(shè)被選中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為n，空中基站提供的極坐標(biāo)角度為φn，若目標(biāo)OAM模態(tài)為l，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)射OAM相位配置為lφn。

步驟五、被選中的傳感器節(jié)點(diǎn)采用基于UCA的OAM大容量傳輸方法上傳數(shù)據(jù)至空中基站（基于UCA的OAM通信方法可參照文獻(xiàn)[8]，其中的相位配置可參照步驟四的相位配置）。

三、仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性，針對(duì)圖1所示大量傳感器節(jié)點(diǎn)向無人機(jī)空中基站上傳數(shù)據(jù)的場景，以下給出仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如表1所示。

在隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)區(qū)域選取到近似UCA的節(jié)點(diǎn)的結(jié)果如圖3所示（由于后續(xù)在仿真幅度和相位圖時(shí)，需要將距離刻度設(shè)置為毫米（mm）才能看到渦旋的分布情況，為了保持距離刻度的一致性，這里將所有仿真結(jié)果的距離刻度都設(shè)置為mm）。

如圖3中所示，原始節(jié)點(diǎn)采用*號(hào)標(biāo)出，被選中的節(jié)點(diǎn)以O(shè)圈出，相應(yīng)的參考UCA節(jié)點(diǎn)用+標(biāo)出。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，被選中的節(jié)點(diǎn)為離參考節(jié)點(diǎn)距離最近的節(jié)點(diǎn)。仿真得出的最優(yōu)UCA的圓心位置在（400，200）處。

對(duì)被選中的節(jié)點(diǎn)采用本文的方法進(jìn)行OAM調(diào)制，以模態(tài)1為例，在距離傳感器節(jié)點(diǎn)平面正上方300米位置（無人機(jī)基站的飛行高度）的觀察平面上得到的幅度和相位圖如圖4和圖5所示。

從圖中可以看出，幅相圖中渦旋的中心在算法所求出的圓心位置（400，200）處。渦旋雖然存在畸變，但是接收平面的相位仍然保持一定的渦旋特性，接收平面上幅度仍然保持一定的對(duì)稱性，證明了OAM模態(tài)間仍有一定的隔離度。

分別用模態(tài)1、2、3發(fā)射，采用模態(tài)-3到3接收，采用如下隔離度計(jì)算計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：

假設(shè)目標(biāo)接收模態(tài)為l'，用目標(biāo)接收模態(tài)的接收功率對(duì)所有模態(tài)接收功率進(jìn)行歸一化，并轉(zhuǎn)化為dB表示，可得各個(gè)模態(tài)的隔離度I（l）：

（16）

其中，Pl為模態(tài)l的接收功率，Pl'為目標(biāo)模態(tài)的接收功率，得到的隔離度仿真結(jié)果如圖6所示：

從圖中可以看出，模態(tài)1、2、3和其他模態(tài)都有一定的隔離度，相鄰模態(tài)的隔離度較低（如模態(tài)2和模態(tài)1、3之間只有12dB左右的隔離度），當(dāng)模態(tài)相差較大時(shí)，隔離度增大（如模態(tài)1、2、3和模態(tài)-3有60dB以上的隔離度）。

根據(jù)隔離度仿真，采用如下公式進(jìn)行頻譜效率仿真：

（17）

其中N0為噪聲功率。得到的結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出由于模態(tài)間存在干擾，各個(gè)模態(tài)的頻譜效率低于香農(nóng)極限，但是數(shù)值相差不大。根據(jù)圖中所示，當(dāng)信噪比為15dB時(shí)，模態(tài)2的頻譜效率為4bps/Hz，模態(tài)1的頻譜效率為3.8bps/Hz，模態(tài)1的頻譜效率為3.3bps/Hz，如果采用 ±1、±2、±3這6個(gè)模態(tài)復(fù)用，可以得到大于22bps/Hz的頻譜效率。當(dāng)復(fù)用模態(tài)增多時(shí)，頻譜效率還能進(jìn)一步提升。

當(dāng)前無線通信的頻譜效率值一般低于10bps/Hz，從仿真可知，相對(duì)于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳方案，本文提出的方案有著極大的頻譜效率提升。

四、結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增長，傳感器采集的海量數(shù)據(jù)需要上傳至基站，急需大容量無線通信上行傳輸方案。本文從UCA可用于OAM通信的角度出發(fā)，基于傳感器節(jié)點(diǎn)分布式的特點(diǎn)，提出基于渦旋電磁波的物聯(lián)網(wǎng)大容量上行傳輸方法。從傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域選擇近似UCA，從而用OAM通信的方式極大地提升了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的速率。

本文的方案無需額外的硬件配置，僅利用現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)通過算法實(shí)現(xiàn)OAM傳輸，傳輸效率高，系統(tǒng)開銷小，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與基站之間的短時(shí)高速上行傳輸。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]鄭慶剛. 5G標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展愿景 [J]. 廣播電視網(wǎng)絡(luò)， 2021， 28（07）： 23-5.

[2]黃盛， 解文艷， 黃楚鴻， et al. 電力物聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)的應(yīng)用方案研究 [J]. 南方能源建設(shè)， 2021， 8（S1）： 20-5.

[3]黃旭鳳. 5G通信技術(shù)背景下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展窺探研析討論 [J]. 科技與創(chuàng)新， 2021， 14）： 38-9+43.

[4]石宇. LoRa無線技術(shù)在高校節(jié)能工作中的應(yīng)用 [J]. 信息技術(shù)與信息化， 2021， 04）： 148-9.

[5]楊峰， 龐志成， 武文學(xué). 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用探討 [J]. 中國新通信， 2021， 23（05）： 38-9.

[6]陳光瑞. 5G“超級(jí)上行”解決方案淺析 [J]. 中國新通信， 2020， 22（21）： 44-6.

[7] CHEN R， ZHOU H， MORETTI M， et al. Orbital Angular Momentum Waves： Generation， Detection， and Emerging Applications [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2020， 22（2）： 840-68.

[8] THIDé B， THEN H， SJ？HOLM J， et al. Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain [J]. Physical Review Letters， 2007， 99（8）： 087701.

[9] SASAKI H， LEE D， FUKUMOTO H， et al. Experiment on Over-100-Gbps Wireless Transmission with OAM-MIMO Multiplexing System in 28-GHz Band; proceedings of the 2018 IEEE Global Communications Conference （GLOBECOM）， F 9-13 Dec. 2018， 2018 [C].

[10] CHENG W， JING H， ZHANG W， et al. Achieving Practical OAM Based Wireless Communications with Misaligned Transceiver; proceedings of the ICC 2019 - 2019 IEEE International Conference on Communications （ICC）， F， 2019 [C].

[11] ZHANG C， ZHAO Y. Orbital Angular Momentum Nondegenerate Index Mapping for Long Distance Transmission [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2019， 18（11）： 5027-36.

[12] LIANG L， CHENG W， ZHANG W， et al. Orthogonal Frequency and Mode Division Multiplexing for Wireless Communications; proceedings of the GLOBECOM 2018 - 2018 IEEE Global Communications Conference， F， 2018 [C].

[13] LIANG L， CHENG W， ZHANG W， et al. Joint OAM Multiplexing and OFDM in Sparse Multipath Environments [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（4）： 3864-78.

[14] YU W， ZHOU B， BU Z， et al. Analyze UCA Based OAM Communication From Spatial Correlation [J]. IEEE Access， 2020， 8（194590-600.

[15] 王浩宇.（2018）.無人機(jī)在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用.電信快報(bào)（02），9-12. doi：CNKI：SUN：DXKB.0.2018-02-003.

項(xiàng)目資助信息：四川省省院省?？萍己献餮邪l(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2021YFSY0004

王弢（1982.03-），女，漢族，江蘇南京，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電力物聯(lián)網(wǎng);

琚誠（1977.01-），男，漢族，浙江浦江，碩士，工程師，主要研究方向：寬帶移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)。