基于索引调制的涡旋电磁波跳模‑频抗干扰系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信技术领域，主要涉及涡旋电磁波抗干扰，具体是一种基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统和方法，适用于室内局域网、蜂窝网络通信、雷达等通信场景的抗干扰。

背景技术

[0002] 信息安全是无线通信领域的主要研究热点之一。跳频(Frequency hopping:FH)技术通过根据预先设定的跳频图案快速改变发送信号载波频率可以有效地抵抗干扰，保障无线通信系统的信息安全。然而，随着数据传输速率的增长及各种异构网络业务的共存，无线频谱资源面临着愈加紧缺的问题，从而直接影响FH技术抗干扰性能提升。此外，跳频FH技术中大部分的载波均处于空闲状态，使得较低的无线通信系统频谱利用率难以满足未来无线通信对高速率信息传输的需求。

[0003] “Frequency  index modulation  for low  complexity low  energy communication networks”的作者引入索引调制概念，研究了在无线通信物联网中低复杂度和能量的频率索引调制方法，旨在不牺牲数据速率的前提下减少正交频分复用系统的发射能量和峰均值功率比。虽然该方法可简化为多个子窄带同时跳动的慢跳频技术，增加系统的频谱效率。然而，跳动的子窄带的增加提高了系统有用信号被干扰的概率，从而降低整个系统的抗干扰性能和有效容量。

[0004] “一种基于IFFT/FFT框架的索引调制跳频通信技术”作者研究了基于索引调制的跳频抗干扰方法，通过激活多个子载波同时进行跳变来提高无线通信频谱效率。然而，同时激活多个子载波将增加所选择子载波在整个频带的占比，大幅度地增加了有用信号被敌意干扰的概率，降低了敌意信号追踪干扰有用信号的难度，从而增加了无线通信系统的误码率。

[0005] 综上，针对“黄金”频谱资源愈发拥挤与通过增加可用跳频载波数量来增强无线通信系统抗干扰能力的需求相矛盾和多载波同时跳变引起的频谱效率与抗干扰性能相矛盾的问题，现有的跳频技术难以在保障无线通信系统抗干扰性能的同时显著提高频谱效率。

[0006] 轨道角动量(Orbital angular momentum:OAM)为无线通信同时实现有效抗干扰和高频谱效率提供了一个潜在的解决方案。不同于常规描述电磁波极化特征的自旋角动量，OAM描述电磁波的螺旋相位前端，其波束称为涡旋电磁波。轨道角动量的拓扑荷亦称为模态。携带不同模态的涡旋电磁波关于方位角相互正交，使得多模态涡旋电磁波可以同频同时传输，为无线通信系统复用传输提供了一个全新的解决范例。然而，如何利用涡旋电磁波模态信号同时实现高效和强抗干扰也是待解决的难题。目前，国内外几乎没有研究利用OAM和频率来解决上述难题。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术的不足和问题，提出一种大幅度提高频谱效率，降低系统误码率的基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统和方法。

[0008] 本发明是一种基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统，包括有发送器和接收器，发送器和接收器分别各自包含有子载波索引选择器来确定传输信号的载波；发送器将输入信号通过信号调制模块传输到发送天线模块；接收天线模块接收到发送天线模块的信号后，依次通过载波解调和带通滤波器(Band Pass Filter，BPF)输出二进制解调信号；其特征在于，发送器在输入信号与发送天线模块之间增设了可供多样选择发送信号载体的选择器，该发送信号载体选择器由发送组合映射器和两个并联的发送索引选择器单向串接形成，两个并联的发送索引选择器分别为发送OAM模态索引选择器和发送子载波索引选择器；所述发送天线模块为OAM发送天线模块；接收器在接收天线模块和BPF之间增设了与发送信号载体选择器严格同步的接收信号载体选择器，该接收信号载体选择器由接收组合映射器直接单向串接两个并联的接收索引选择器构成，两个并联的接收索引选择器分别为接收OAM模态索引选择器和接收子载波索引选择器；接收器的接收信号依次传输到接收组合映射器、两个并联的索引选择器和BPF；所述接收天线模块为OAM接收天线模块；还在BPF和输出信号之间增设一组快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)模块；
OAM发送天线模块发送的信号被OAM接收天线模块接收后，依次通过接收组合映射器、两个并联的接收索引选择器、BPF和增设的FFT模块，输出已经消除干扰的二进制解调信号，即二进制信息比特。

[0009] 本发明还是一种基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰方法，其特征在于，在基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统上执行，包括有以下步骤：

[0010] Step1:二进制信息分流：将基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统输入的二进制信息比特分为信号调制信息比特和二维索引调制信息比特；设基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统每帧发送的信息比特总数为p＝p1+p2，其中前p1位比特表示激活的OAM模态和子载波所组合的OAM模态‑子载波频率对所对应的索引调制信息比特；后p2位比特表示激活的OAM模态‑子载波频率对传输M阶信号调制所需的信号调制信息比特；

[0011] Step2:索引调制和信息调制：假设OAM发送天线模块和OAM接收天线模块分别采用均匀分布Nt和Nr个阵元的圆阵列天线，OAM发送天线模块能够产生Nt个OAM模态；另外，假设基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统可用的子载波总数为Nf；合成I个OAM模态‑子载波频率对，发送组合映射器根据索引调制比特信息控制发送OAM模态索引选择器从Nt个OAM模态中选择激活I个OAM模态，同时控制发送子载波索引选择器从Nf个子载波索引选择器中激活I个子载波，所激活的I个OAM模态和I个子载波根据索引调制比特信息一一对应且不重复地组合成I个OAM模态‑子载波频率对；对log2M位信号调制信息比特进行M阶调制，映射成一个星座点符号，每个OAM模态‑子载波频率对可分别携带一个星座点符号，则可得到p2＝I log2M；

[0012] Step3:星座点符号信息加载实现OAM模态‑子载波对跳变：将第i个激活的OAM模态‑子载波频率对携带的星座点符号信息加载到发送均匀圆阵列天线的所有阵元，1≤i≤I，但相邻阵元间存在相位差 其中li表示第i个激活的OAM模态‑子载波频率对所对应的OAM模态阶数，|li|≤Nt/2，产生相互正交的涡旋电磁波信号；同时将每个OAM模态‑子载波频率对携带的星座点符号信息加载到与第i个激活的OAM模态‑子载波频率对所对应的子载波频率fi上，实现I个OAM模态‑子载波频率对同时跳变，产生I路相互独立且正交的涡旋电磁波信号，利用发送均匀圆阵列天线进行I路相互独立且正交的涡旋电磁波信号发送；

[0013] Step 4:信息传输：I路相互独立且正交的涡旋电磁波信号经过信道进行传输，接收均匀圆阵列天线接收到发送均匀圆阵列天线发送的该涡旋电磁波信号；

[0014] Step 5：信息解跳，干扰过滤：接收器通过对接收到的I路相互独立且正交的涡旋电磁波信号分别在两个独立的OAM模态域和频率域上进行解跳，利用OAM模态间正交性和子载波频率间正交性，过滤干扰信号，得到固定中频且不携带OAM模态的信号；

[0015] Step 6:干扰概率计算：分析计算得到的固定中频且不携带OAM模态信号在每一跳有IJ个OAM模态‑子载波频率对被干扰的情况下的干扰概率，0≤IJ≤I，考虑IJ可能取值的所有情况，遍历不同的IJ取值，得到不同IJ取值下有用信号被干扰的概率；

[0016] Step 7：输出二进制信息比特和计算条件误码率：考虑固定中频且不携带OAM模态解跳信号有IJ个OAM模态‑子载波频率对被干扰的情况，假设接收器已知与I个OAM模态‑子载波频率对相对应的信道状态信息，利用最大似然解码器，联合估计发送的I路相互独立且正交的涡旋电磁波信号，输出估计的发送二进制信息比特；利用矩母函数，计算固定中频且不携带OAM模态解跳信号有IJ个OAM模态‑子载波频率对被干扰情况下的条件误码率；

[0017] Step 8:计算平均误码率：考虑IJ可能取值的所有情况，遍历IJ所有取值，对固定中频且不携带OAM模态解跳信号有IJ个OAM模态‑子载波频率对被干扰情况下的条件误码率进行加权求和，加权值为得到的固定中频且不携带OAM模态信号在每一跳有IJ个OAM模态‑子载波频率对被干扰的情况下的干扰概率，计算基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰方法的平均误码率，得到衡量和评价基于索引的调制涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰能力。

[0018] 本发明要解决的技术问题在于，如何在有限地频谱资源下大幅度地提高无线通信系统的频谱效率和抗干扰能力。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果之处在于：

[0020] (1)显著提高频谱效率：本发明充分利用OAM模态域和频率域这两个正交域，一一对应且不重复地组合OAM模态和子载波频率形成OAM模态‑子载波频率对集合，使得用OAM模态‑子载波频率对作为信息传输载体的选择多样化。将基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模‑频抗干扰系统输入二进制信息比特分为信号调制信息比特和二维索引调制信息比特两部分，其中信号调制信息比特映射为M进制的星座点符号，二维索引调制信息比特用于确定激活哪部分OAM模态‑子载波频率对来承载信号调制信息比特映射的星座点符号。相比现有的基于一维索引调制跳频技术，本发明利用二维OAM模态和子载波频率索引调制，显著增加了无线通信系统的频谱效率。

[0021] (2)提高抗干扰能力：现有技术使用子载波作为信息传输的载体。然而，本发明使用OAM模态‑子载波频率对作为信息传输载体。在激活相同数量子载波的条件下，本发明多样化了信息传输载体，降低了信号被干扰的概率。另外，利用OAM模态间正交性和子载波频率间正交性，接收器通过对接收到的多路相互独立且正交的涡旋电磁波信号分别在两个独立的OAM模态域和频率域上进行解跳和干扰信号过滤，降低了信号被干扰的概率，从而显著降低系统的平均误码率，即提高了无线通信通信系统抗干扰能力。