基于模態復用的物聯網高速數據回傳研究

田 源，高樹國，孫 路，郭小凡，相晨萌

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院， 河北 石家莊 050021)

0 引言

近年來，隨著集成電路、無線通信等技術的進步，物聯網(Internet of Things, IoT)技術飛速發展，已經應用于經濟生活中的各行各業[1-3]。根據具體應用場景的需求，物聯網傳感器可能需要實時或者非實時地將采集到的數據上傳至基站，最終接入智能管理系統，提升各行各業的運營效率。在一些非實時的應用場景中，如智慧電力系統、農業環境(如土壤、水質)系統等，傳感器節點只需要將采集到的數據定期地上傳至基站，無需實時上傳。這類應用場景可能存在于難以部署有線基站的環境下，如山區、高原等，因此一般采用無人機空中基站定時巡檢[4-5]，采集傳感器數據。由于海量傳感器節點在一段時間內采集到的數據量非常大，因此急需高增益、大容量的上行傳輸方法將海量數據在短時間內上傳至空中基站，以提高空中基站的巡檢效率。

近年來，基于軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)的無線通信獲得廣泛研究。不同于傳統通信僅有時間和頻率2個自由度，OAM提供了額外的模態自由度，可以極大地提升無線通信傳輸速率[6-8]。應用于無線通信微波頻段的傳統OAM生成方法包括圓形拋物面天線[9]、行波天線[10]和喇叭狀天線[11]等，這類方法依賴于定制的天線結構，且只能生成特定模態的OAM電磁波，難以進行模態復用提升通信效率。2007年，Thidé等[12]首次提出均勻圓環天線陣(Uniform Circular Array, UCA)可以在微波頻段生成OAM。自此，基于UCA的OAM無線通信得到廣泛研究[13-15]。

采用UCA結合天線波束賦形技術可以靈活地進行多模復用。根據文獻[16]，當收發UCA對準后，只需采用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT)和逆離散傅里葉變換(Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT)在收發端進行波束賦形處理即可，無需進行信道估計。這類處理可以極大地減小收發機的復雜度，非常適用于處理能力有限的通信收發機。文獻[17]表明，基于UCA的OAM通信容量依賴于收發UCA口徑和傳輸距離的相對大小，對于長距離傳輸，若要提升通信容量，則需要提高發射或者接收UCA的半徑。

在上述研究的啟發下，結合物聯網傳感器分布式和大口徑的特點，提出采用柵格化方形面陣的各個傳感器單元協同進行OAM上行傳輸的方案。首先論證了方形面陣可以分解為多圈4陣元UCA，從而可以生成理想的OAM電磁波。之后給出了從方形面陣中選取多圈UCA的方法以及相應的饋電方法。為了使所提方法實用化，還給出了方法在實際應用場景中的具體實施步驟。在所提方法的基礎上，緊接著詳細推導了采用方形面陣進行基于多圈UCA的OAM通信信道模型、分集和復用增益，并進行了仿真。仿真結果表明，所提方法相對傳統的單點傳輸方法有著極大的信道容量和誤碼率(Bit Error Rate, BER)性能提升。因此，所提方法能夠極大提升分布式物聯網終端節點的上行傳輸容量，為物聯網數據高速回傳提供了高效的解決方案。

1 場景模型

根據文獻[18-20]，為了保證物聯網試驗區數據采集的均勻性，試驗區內的傳感器一般呈均勻分布。最常見的分布是按柵格化方形面陣分布，即試驗區內任意相鄰的2個傳感器節點距離相同。此外，物聯網試驗區一般部署于野外，難以部署有線網絡用于上傳數據至基站。這種場景下，為了降低成本，一般采用無人機定時巡檢，當無人機飛行至傳感器區域上空時，廣播通知傳感器節點，各個節點以無線傳輸方式將數據上傳至空中無人機基站。具體場景如圖1所示。

圖1 物聯網傳感器節點與空中基站通信示意Fig.1 Diagram of communication between IoT sensor nodes and air base station

如圖1所示,大量的感器節點分布在一個指定的平面矩形區域(試驗區)內。任意2個相鄰傳感器節點距離相同。為了提升數據采集的效率，當空中無人機基站飛行至傳感器區域上空時，所有傳感器需要在有限的時間內將采集到的海量數據上傳至空中基站。因此，需要高效的無線通信上行傳輸方案。

2 基于柵格化方形面陣的OAM上行傳輸方法

針對圖1的應用場景，提出了基于柵格化方形面陣的OAM大容量上行傳輸方法。首先，論證在方形面陣分布的傳感器節點區域選取出多圈4陣元UCA的可行性。之后，提出了方形面陣生成OAM所需的饋電方法。最后，給出了采用柵格化方形面陣進行大容量上行傳輸的具體步驟。

2.1 柵格化方形面陣選取多圈4陣元UCA的方法

為了闡述方形面陣的結構特殊性，以5×5的方形面陣為例，面陣結構如圖2所示。

圖2 5×5柵格化方形面陣結構示意Fig.2 Diagram of structure of 5×5 grid square array

將行列從上至下，從左至右編號為1～5行、1～5列。則以第3行、第3列的陣元為極點，以極點右側第3行所在射線為極軸，建立極坐標系。設陣元編號為n，則其極坐標為(rn,φn)。為便于后續距離表述，令陣元之間的最小間距為g。

(1)

式中，∪表示并集。以圖2的5×5方形面陣為例，以此規則選取的備選點，如圖3所示(此處略去了極坐標系)。

圖3 5×5柵格化方形面陣中選取出的多圈4陣元理想 UCA示意Fig.3 Diagram of multi-loop 4-element ideal UCA selected from 5×5 grid square array

2.2 柵格化方形面陣生成OAM的饋電方法

由前一節可知，任意被選中的方形面陣節點都處于一個4陣元UCA的圓周上，而OAM饋電的方法是按照方位角饋電。因此，當需要生成模態為l的渦旋電磁波時，對天線陣元n的幅相加權為：

An=aejlφn，

(2)

式中，a為幅度(所有陣元幅度相同)；φn為n號陣元的方位角(極角)。當多模復用時，每個天線的信號為各個模態復用信號的和。注意，盡管在實際饋電時采用上述方法，但是由于OAM通信時只需天線之間相位差滿足條件即可保證模態正交性，因此，根據文獻[21]，在進行信道建模時仍然可以采用DFT矩陣進行OAM調制和解調。

2.3 采用柵格化方形面陣進行大容量上行傳輸的具體步驟

基于前述方法，利用柵格化方形面陣進行基于OAM的大容量通信方法的步驟如圖4所示。

圖4 采用柵格化方形面陣進行基于OAM的大容量上 行通信具體步驟Fig.4 Steps of OAM based high-capacity uplink communica- tion based on grid square array

步驟①：柵格化方形面陣部署

給傳感器節點編號，編號存于傳感器內。之后對于指定數據采集區域，按柵格化方形面陣結構部署傳感器節點。

步驟②：多圈UCA選擇

按照2.1節的方法離線選擇出多圈UCA。

步驟③：傳感器數據共享

分布式OAM協同傳輸需要各個傳感器節點之間的數據互通，因此各個節點需要周期性地進行數據共享。每個節點定時廣播自身采集到的數據，所有被選中的UCA節點接收并存儲數據即可實現數據共享。之后只需將被多圈UCA節點中的數據按照相同的組幀方法分成4路數據即可，4路數據分別對應-2～1四個模態。

步驟④：基于多圈多模OAM的大容量數據上傳

當空中無人機基站飛行至傳感器區域中心位置正上空位置處，廣播信令消息通知下方節點開始傳輸數據。被選中的多圈UCA節點對組幀的4路數據按照2.2節的方法饋電，從而實現基于OAM的大容量數據上傳。

3 基于柵格化方形面陣的OAM通信信道建模與性能分析

為了研究所提方法的傳輸性能，基于上述的多圈UCA選取方法和饋電方法，此處進一步對基于柵格化方形面陣的OAM通信進行信道建模，在信道模型的基礎上進行通信性能分析。

3.1 柵格化方形面陣進行OAM復用通信的信道模型

假設發射數據為sl，l=-1,0,1,2，其構成的4元素列向量數據為s。對發射面陣中的UCA，按半徑從小到大編號為u=0,1,…,U-1，U為發射UCA圈數；對接收面陣的UCA按半徑從小到大編號為v=0,1,…,V-1，V為接收UCA圈數。假設第u個發射UCA到第v個接收UCA的信道為Hv,u，Hv,u為4×4的循環矩陣，則采用柵格化方形面陣形成的多圈UCA的接收信號為：

(3)

式中，n為標準高斯白噪聲向量，其元素為均值為0，方差為σ2的標準高斯隨機變量；yo為未解調的接收向量。Hv,u可進行如下DFT對角化：

Hv,u=FHΛv,uF，

(4)

(5)

(6)

在無人機上行通信場景中，通信距離一般遠大于無人機側接收方形面陣的口徑。因此可以認為任意一個發射UCA到達所有接收UCA的信道是近似相同的。據此，有下式成立：

Λu≈Λv,u。

(7)

式(7)可以簡化為：

(8)

3.2 信道容量與誤碼率分析

根據文獻[22]，視距情況下的信道傳輸系數為：

(9)

式中，λ為載波波長；D為收發陣元距離。假設單輸入單輸出(SISO)情況下的接收端信噪比為ρdB，發射總功率為：

(10)

在采用上述SISO系統相同的總功率的情況下，采用所提多圈UCA大容量傳輸方案時，信道容量計算方法如下：

(11)

式中，σ2為噪聲功率；γv,u,i為Λv,u的第i個對角元素。γu,i滿足：

γu,i≈γv,u,i。

(12)

為了驗證僅采用4路復用、多圈提供功率增益的方案性能，選擇QPSK為調制方式，其誤碼率計算如下[22]：

(13)

式中，Q(·)為拖尾函數，定義如下：

(14)

對于提出的多圈方案，某一路數據的平均誤碼率表述如下:

(15)

4 仿真分析

為了驗證所提方案的可行性，進行了仿真，仿真參數如表1所示。

表1 算法仿真參數Tab.1 Simulation parameters

首先給出了按照文中選點方法從方形面陣中選取多圈UCA陣元的仿真結果，如圖5所示。

圖5 柵格化方形面陣中選取多圈UCA的仿真結果Fig.5 Simulation results of multi-loop UCA selected in grid square array

圖5中有多個不同半徑的圓(虛線)，每個圓上都存在等間隔分布的4個傳感器陣元，構成一個UCA，沒有非均勻分布的陣元在圓周上，驗證了所提方法選取UCA的有效性。根據UCA生成OAM的原理，采用圖中的多圈UCA，結合式(2)所示的幅相饋電方法，可以生成攜帶OAM的理想渦旋電磁波。此處將OAM模態設置為1，得出的理想渦旋電磁波的幅相圖如圖6和圖7所示。

圖6 接收平面幅度分布Fig.6 Amplitude distribution on receiving plane

圖7 接收平面相位分布Fig.7 Phase distribution on receiving plane

從圖中可以看出，幅度以面陣中心為坐標原點呈對稱分布，相位呈現出模態為1的渦旋特性。注意，由于每圈只有4個陣元，構成的渦旋分辨率不高，因此幅度不完全呈圓對稱分布。然而，當僅用4模復用時，這種現象不影響模態正交性。

為了驗證所提方案的性能，分別仿真了方案相對于傳統SISO方案的信道容量和誤碼率對比情況，仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8 文中方案與傳統方案信道容量對比Fig.8 Comparison of channel capacity between the proposed scheme and traditional scheme

圖9 文中方案與傳統方案誤碼率對比Fig.9 Comparison BER between the proposed scheme and traditional scheme

注意，由于傳感器節點發射機功率一般都較小，為了更貼近于實際情況，此處信噪比設置為1～5 dB。從圖中可以看出，相對于傳統SISO方案和單圈UCA方案，所提方案無論是在信道容量還是在誤碼率性能上都有著極大的提升。其原因在于所提的方案采用了多圈UCA進行收發，對于相同的一路數據，提供了多通道增益，極大地提升了接收信噪比，從而極大地提升了信道容量，降低了誤碼率。

5 結束語

隨著物聯網應用的不斷普及，物聯網傳感器節點數量不斷增加，傳感器采集到的海量數據需要高效上傳至基站。結合基于UCA的OAM通信的大容量特點，提出了在方形面陣上選取多圈UCA進行OAM通信的上行傳輸方案。仿真結果表明，所提的方法在信道容量和誤碼率性能上相對于傳統方案都有著極大的提高，僅需要較少的發射功率就可以獲得極高的頻譜效率和誤碼率性能。此外，提出的方案實施簡單，僅需要收發面陣對準即可，無需信道估計，非常適用于物聯網傳感器節點這類低功率、結構簡單的發射機情況，為物聯網高速數據回傳提供了高效的解決方案。