基于模态复用的物联网高速数据回传研究_田源.pdf

2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期175doi:103969/jissn10033106202301023引用格式:田源，高树国，孙路，等基于模态复用的物联网高速数据回传研究 J 无线电工程，2023，53(1):175181TIANYuan，GAO Shuguo，SUN Lu，et alHigh Speed IoT Data eturn esearch Based on Mode MultiplexingJ adio Engineering，2023，53(1):175181基于模态复用的物联网高速数据回传研究田源，高树国，孙路，郭小凡，相晨萌(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)摘要:为了解决物联网(Internet of Things，IoT)终端数据高速回传问题，提出了基于栅格化方形面阵的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)高速回传方法。论证了栅格化正方形面阵可以分解为多圈 4 阵元均匀圆环阵(UniformCircular Array，UCA)，并给出了馈电方法与具体实施步骤。基于此，进一步推导了采用栅格化方形面阵进行基于多圈 UCA的 OAM 多模复用通信模型，并系统地分析了复用和分集增益。仿真结果表明，所提方法相对于传统方法有极大的信道容量和误码率(Bit Error ate，BE)性能提升。所提方法只需收发方形面阵中心对准即可，无需信道估计，极大地降低了复杂度;此外，超高的分集增益可以极大地降低发射功率。因此，所提方法尤其适用于 IoT 终端节点这类低功耗、低复杂度的发射机，为 IoT 数据高速回传提供了高效的解决方案。关键词:轨道角动量;栅格化方形面阵;物联网;误码率;信道容量中图分类号:TN802文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文 章 编 号:10033106(2023)01017507High Speed IoT Data eturn esearch Based on Mode MultiplexingTIAN Yuan，GAO Shuguo，SUN Lu，GUO Xiaofan，XIANG Chenmeng(Electric Power esearch Institute，State Grid Hebei Electric Power Co，Ltd，Shijiazhuang 050021，China)Abstract:In order to solve the problem of high-speed data return from Internet of Things(IoT)terminals，an Orbital AngularMomentum(OAM)high-speed data return method based on Grid Square Array(GSA)is proposed It is demonstrated that GSA can bedecomposed into multi-loop 4-element Uniform Circular Array(UCA)The feeding methods and the specific implementation steps arethen given Based on this，the construction process of the OAM based multi-mode multiplexing communication model of multi-UCAimplemented by GSA is derived，and the multiplexing and diversity gain is systematically analyzed The simulation results show thatcompared with the traditional methods，the proposed method can greatly improve the channel capacity and Bit Error ate(BE)performance When using the proposed method，only the alignment of the centers of receiving and transmitting GSA is required，andthere is no need for channel estimation，which greatly reduces the complexity;besides，the ultra-high diversity gain also greatly reducesthe transmission power Therefore，the proposed method is especially suitable for low power and low complexity transmitters such as IoTterminals，and provides an efficient solution for high-speed data return of IoTKeywords:OAM;GSA;IoT;BE;channel capacity收稿日期:20220912基金项目:国网河北省电力有限公司科技项目(kj2021019)Foundation Item:Supported by the Science and Technology Project ofState Grid Hebei Electric Power Co，Ltd(kj2021019)0引言近年来，随着集成电路、无线通信等技术的进步，物联网(Internet of Things，IoT)技术飞速发展，已经应用于经济生活中的各行各业13。根据具体应用场景的需求，物联网传感器可能需要实时或者非实时地将采集到的数据上传至基站，最终接入智能管理系统，提升各行各业的运营效率。在一些非实时的应用场景中，如智慧电力系统、农业环境(如土壤、水质)系统等，传感器节点只需要将采集到的数据定期地上传至基站，无需实时上传。这类应用场景可能存在于难以部署有线基站的环境下，如山区、高原等，因此一般采用无人机空中工程与应用1762023 adio Engineering Vol.53 No.1基站定时巡检45，采集传感器数据。由于海量传感器节点在一段时间内采集到的数据量非常大，因此急需高增益、大容量的上行传输方法将海量数据在短时间内上传至空中基站，以提高空中基站的巡检效率。近年来，基于轨道角动量(Orbital Angular Mo-mentum，OAM)的无线通信获得广泛研究。不同于传统通信仅有时间和频率 2 个自由度，OAM 提供了额外的模态自由度，可以极大地提升无线通信传输速率68。应用于无线通信微波频段的传统 OAM生成方法包括圆形抛物面天线9、行波天线10 和喇叭状天线11 等，这类方法依赖于定制的天线结构，且只能生成特定模态的 OAM 电磁波，难以进行模态复用提升通信效率。2007 年，Thid 等12 首次提出均匀圆环天线阵(Uniform Circular Array，UCA)可以在微波频段生成 OAM。自此，基于 UCA 的 OAM无线通信得到广泛研究1315。采用 UCA 结合天线波束赋形技术可以灵活地进行多模复用。根据文献 16，当收发 UCA 对准后，只需采用离散傅里 叶 变 换(Discrete FourierTransform，DFT)和逆离散傅里叶变换(Inverse Dis-crete Fourier Transform，IDFT)在收发端进行波束赋形处理即可，无需进行信道估计。这类处理可以极大地减小收发机的复杂度，非常适用于处理能力有限的通信收发机。文献 17表明，基于 UCA 的OAM 通信容量依赖于收发 UCA 口径和传输距离的相对大小，对于长距离传输，若要提升通信容量，则需要提高发射或者接收 UCA 的半径。在上述研究的启发下，结合物联网传感器分布式和大口径的特点，提出采用栅格化方形面阵的各个传感器单元协同进行 OAM 上行传输的方案。首先论证了方形面阵可以分解为多圈 4 阵元 UCA，从而可以生成理想的 OAM 电磁波。之后给出了从方形面阵中选取多圈 UCA 的方法以及相应的馈电方法。为了使所提方法实用化，还给出了方法在实际应用场景中的具体实施步骤。在所提方法的基础上，紧接着详细推导了采用方形面阵进行基于多圈 UCA 的 OAM 通信信道模型、分集和复用增益，并进行了仿真。仿真结果表明，所提方法相对传统的单点传输方法有着极大的信道容量和误码率(Bit Error ate，BE)性能提升。因此，所提方法能够极大提升分布式物联网终端节点的上行传输容量，为物联网数据高速回传提供了高效的解决方案。1场景模型根据文献 1820，为了保证物联网试验区数据采集的均匀性，试验区内的传感器一般呈均匀分布。最常见的分布是按栅格化方形面阵分布，即试验区内任意相邻的 2 个传感器节点距离相同。此外，物联网试验区一般部署于野外，难以部署有线网络用于上传数据至基站。这种场景下，为了降低成本，一般采用无人机定时巡检，当无人机飞行至传感器区域上空时，广播通知传感器节点，各个节点以无线传输方式将数据上传至空中无人机基站。具体场景如图 1 所示。图 1物联网传感器节点与空中基站通信示意Fig1Diagram of communication between IoT sensornodes and air base station如图 1 所示，大量的感器节点分布在一个指定的平面矩形区域(试验区)内。任意 2 个相邻传感器节点距离相同。为了提升数据采集的效率，当空中无人机基站飞行至传感器区域上空时，所有传感器需要在有限的时间内将采集到的海量数据上传至空中基站。因此，需要高效的无线通信上行传输方案。2基于栅格化方形面阵的 OAM 上行传输方法针对图 1 的应用场景，提出了基于栅格化方形面阵的 OAM 大容量上行传输方法。首先，论证在方形面阵分布的传感器节点区域选取出多圈 4 阵元UCA 的可行性。之后，提出了方形面阵生成 OAM所需的馈电方法。最后，给出了采用栅格化方形面阵进行大容量上行传输的具体步骤。21栅格化方形面阵选取多圈 4 阵元 UCA 的方法为了阐述方形面阵的结构特殊性，以 55 的方形面阵为例，面阵结构如图 2 所示。将行列从上至下，从左至右编号为 1 5 行、工程与应用2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期17715 列。则以第 3 行、第 3 列的阵元为极点，以极点右侧第 3 行所在射线为极轴，建立极坐标系。设阵元编号为 n，则其极坐标为(rn，n)。为便于后续距离表述，令阵元之间的最小间距为 g。图 255 栅格化方形面阵结构示意Fig2Diagram of structure of 55 grid square array从图 2 可以看出，以极点为正方形的中心点，选取以极点为对称中心的 4 个点为正方形的 4 个顶点，可以做出 6 个正方形(如图中虚线所示)。每个正方形的 4 个顶点处于一个特定半径的圆周上，因此每个正方形的 4 个顶点可以构成一个 4 点 UCA。此外，还可以看出，半径为5g 的圆上存在 2 个正方形的 8 个顶点，由于圆周上相邻顶点的距离不再相等，即圆环阵不均匀，因此，此处要删除一个正方形对应的 4 个顶点。当组成面阵的节点个数进一步增多时，此类圆周数目也增多，因此，需要统一的方法在方形面阵上选出不同半径的 4 点均匀 UCA。对于 NN 的方形面阵，当 N 为奇数或者 N 为偶数时，采用的方法类似。此处以 N 为奇数阐述相关原理。从图 2 可以看出，对于任意一个备选四阵元UCA