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可以生成OAM。基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器分布式的特點和UCA可用于OAM通信的特點，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。通過在隨機分布的傳感器節(jié)點區(qū)域選取近似UCA的節(jié)點，之后采用近似UCA的傳感器節(jié)點與基站進(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)點通過算法實現(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)點與基站之間的短時高速上行傳輸。

【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)計時，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）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，也對無線通信技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，即：傳感器節(jié)點數(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)需要終端具備強大的數(shù)據(jù)處理和無線通信能力，即各個終端需要復(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)點的數(shù)據(jù)傳輸，這類傳感器節(jié)點由于成本限制，一般只具備基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理與通信能力。因此，針對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點海量數(shù)據(jù)的上傳問題，需要簡單高效的解決方案。

近年來，軌道角動量（OAM）因其獨立于時間和頻率的模態(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[9]。2019年文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)地研究了未對準(zhǔn)UCA對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，即UCA處于一個終端節(jié)點上。集中式的收發(fā)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對終端節(jié)點數(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，由于OAM波束的發(fā)散問題，接收UCA無法分辨出多個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，可以構(gòu)造出一個分布式的大口徑發(fā)射UCA，即傳感器節(jié)點作為UCA的一個陣元，組成UCA的傳感器節(jié)點協(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，選取已有的節(jié)點組成近似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)點大容量上行傳輸問題。

一、場景模型

在某些物聯(lián)網(wǎng)試驗區(qū)，由于所處地理位置的限制，試驗區(qū)內(nèi)的傳感器節(jié)點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施。此時，常用的方法便是采取無人機空中基站[15]。為了闡述物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點對短時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)點與空中基站通信的場景（圖中的黑色圓點即為傳感器節(jié)點，飛機即為空中無人機基站）。

如圖所示，大量的感器節(jié)點分布在一個指定的平面矩形區(qū)域（試驗區(qū)）內(nèi)。根據(jù)需要采集數(shù)據(jù)的具體位置不同，節(jié)點之間一般間隔一段距離放置，整體的節(jié)點分布是隨機的，沒有呈現(xiàn)某種固定的幾何結(jié)構(gòu)。無人機定時飛往待采集數(shù)據(jù)的傳感器區(qū)域上空通知傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收消息后開始將采集的數(shù)據(jù)上傳至空中無人機基站。由于傳感器數(shù)量龐大，采集到的數(shù)據(jù)量也非常大，此時便需要大容量的無線上行傳輸方法，能夠在更短的時間內(nèi)將所有傳感器在一段時間內(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)計的方法主要內(nèi)容包括：在隨機位置的傳感器節(jié)點區(qū)域中選取出一組近似UCA分布的節(jié)點的算法、利用這組近似UCA分布的傳感器節(jié)點與空中基站進(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)點區(qū)域內(nèi)選擇出一組近似UCA分布的節(jié)點的方法

在實際的場景中，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傳感器，例如，平均間隔2米左右放置一個傳感器用于采集數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)采集區(qū)域是有限的，本文假設(shè)所有隨機分布的傳感器節(jié)點都在某個指定的矩形區(qū)域內(nèi)。一般情況下，每個傳感器節(jié)點都有一個編號（編號存于各個傳感器的存儲器內(nèi)），為了方便表述，這里假設(shè)傳感器編號為n，n=0...N-1。為了清晰表述本文在節(jié)點區(qū)域內(nèi)選擇近似UCA節(jié)點的方法，此處將圖1的立體區(qū)域節(jié)點圖表示為圖2的平面區(qū)域節(jié)點圖，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號節(jié)點的直角坐標(biāo);而（xk，m，yk，m）代表第（k，m）個環(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，同時作直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系，對于編號為n的節(jié)點，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)原點為中心，以一定長度為半徑所作的圓。

圓環(huán)：相鄰兩個圓周之間包含的部分。

扇區(qū)：以坐標(biāo)原點為起點，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：上述一個圓環(huán)和一個扇區(qū)相交的部分即為一個環(huán)塊。

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

（3）

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

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

2.1.1將平面節(jié)點區(qū)域分成多個環(huán)塊區(qū)域的方法

由于要選取的近似UCA的節(jié)點所對應(yīng)的圓周不可能無限小或者無限大，因此，在搜索時需要給定一個最小圓周半徑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)點的密集程度（節(jié)點之間平均間距的大小）確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個圓周，圓周按半徑從小到大編號為k=0...K。第k個圓周和第k+1個圓周之間的圓環(huán)編號為k，圓環(huán)從內(nèi)往外編號取值為k=0...K-1。根據(jù)要選取組成UCA的節(jié)點的數(shù)目M，以原點為起點，作M個等角度間隔的射線（x軸正方向為第0條射線，角度為0，所有射線按逆時針方向編號為m=0...M-1）將上述每一個圓環(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)編號為m，m=0...M-1。在上述圓環(huán)編號和扇區(qū)編號的基礎(chǔ)上，將第k個圓環(huán)，第m個扇區(qū)相交構(gòu)成的環(huán)塊編號為（k，m），k=0...K-1，m=0...M-1，其極坐標(biāo)中心點為（rk，m，φk，m），直角坐標(biāo)中心點為（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確定處于各個環(huán)塊區(qū)域內(nèi)的節(jié)點的方法

已知n號節(jié)點的極坐標(biāo)（rn，φn），若極坐標(biāo)滿足下述條件：

（6）

（7）

則第n號節(jié)點位于第（k，m）個環(huán)塊內(nèi)。

2.1.3選取某個環(huán)塊內(nèi)最優(yōu)節(jié)點的方法

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

（8）

其中，n為第（k，m）個環(huán)塊內(nèi)的節(jié)點編號。

2.1.4選取多組近似UCA的節(jié)點的方法

對第k個圓環(huán)內(nèi)所有的M個環(huán)塊執(zhí)行上述選取環(huán)塊最優(yōu)節(jié)點的操作，即可選取到以第k個圓環(huán)各個環(huán)塊的極坐標(biāo)中心點為參考的M個節(jié)點，這M個節(jié)點即可組成近似UCA。

對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，即可求得多個由M個節(jié)點構(gòu)成的近似UCA。

2.1.5 選取最優(yōu)UCA的方法

對求得的各個UCA節(jié)點計算其與所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)UCA參考點的距離誤差，選取誤差最小的一組UCA節(jié)點作為本次算法執(zhí)行的最優(yōu)UCA節(jié)點。假設(shè)Sk，m為第（k，m）個環(huán)塊內(nèi)的最優(yōu)節(jié)點編號，則第k個圓環(huán)對應(yīng)的UCA誤差計算方法如下：

（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（矩形區(qū)域的中心）時的算法。由于實際的節(jié)點分布沒有規(guī)律，當(dāng)圓心固定時，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。但是，只要圓心做小步長移動后，以移動后的圓心重復(fù)上述選取UCA的方法，就能找到一組近似UCA的節(jié)點。同時，圓心作小范圍移動，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。

因此，為了盡可能避免選取不到合適的近似UCA節(jié)點的情況，也為了能選取到精度更高的UCA節(jié)點。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。

（10）

d為傳感器節(jié)點之間的平均間距，w控制圓心移動步長的大小，影響最終選取到的近似UCA節(jié)點的精度），每移動一次，執(zhí)行上述選取最優(yōu)UCA的方法，確定當(dāng)前圓心對應(yīng)的最優(yōu)UCA節(jié)點，比較不同圓心的最優(yōu)UCA節(jié)點，選取與相應(yīng)參考UCA節(jié)點距離誤差最小的近似UCA節(jié)點即為本算法最終得出的最優(yōu)UCA節(jié)點。在實際算法執(zhí)行過程中，為了便于計算，本文假設(shè)圓心固定于原點，通過調(diào)整所有節(jié)點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)點密度的影響，節(jié)點密度越高，選取的UCA的精度也越高。同時，節(jié)點的密度也影響選取組成UCA的節(jié)點的個數(shù)，節(jié)點密度越高，能夠選取作為近似UCA的節(jié)點個數(shù)也越多。參考上述的方法描述，本文在節(jié)點區(qū)域內(nèi)選取近似UCA的節(jié)點的步驟如下所述

2.1.7 選取近似UCA節(jié)點的具體步驟

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

步驟一、初始化設(shè)置：根據(jù)節(jié)點的平均間距d設(shè)定圓周半徑間隔Δr;設(shè)置需要選取組成UCA的節(jié)點個數(shù)M、最小半徑rmin，rmax，利用公式（4）和（5）計算圓環(huán)個數(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初始化為0，遍歷序號包括：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，若沒有節(jié)點滿足條件，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)點集合中選擇與環(huán)塊（k，m）極坐標(biāo)中心點距離最小的節(jié)點，選取方法如下

（13）

記錄下最小值對應(yīng)的節(jié)點編號n，記為Si，j，k，m=n（Si，j，k，m里存放的是圓心位置為（）時，第（k，m）個環(huán)塊里最優(yōu)節(jié)點的編號），即為當(dāng)前環(huán)塊中的最優(yōu)UCA節(jié)點，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m加1，即m=m+1，執(zhí)行步驟三;若成立，計算當(dāng)前圈的距離誤差和，計算方法如下：

（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，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，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)最小誤差的序號為（i0，j0，k0），則Si0，j0，k0，m，（m=0...M-1）對應(yīng)的M個節(jié)點即為算法選取到的近似UCA分布的最優(yōu)節(jié)點，相應(yīng)的即為被選中的節(jié)點的極坐標(biāo)角度。此時，圓心坐標(biāo)（）即為所選取的近似UCA的圓心。將被選中的節(jié)點編號Si0，j0，k0，m，被選中的節(jié)點極坐標(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，發(fā)射機需要已知所有數(shù)據(jù)信息，之后采用OAM調(diào)制方法對數(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，此時發(fā)射機擁有所有數(shù)據(jù)信息，滿足上述OAM傳輸?shù)幕緱l件。而對于本文所提的分布式OAM傳輸方法，各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)時獨立的，因此，若要進(jìn)行OAM傳輸，被選中的近似UCA的傳感器節(jié)點必須擁有所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。為了滿足這個條件，本文假設(shè)所有傳感器節(jié)點定時無線廣播自己的數(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)點區(qū)域每個節(jié)點的編號和絕對位置（一般情況下，在部署傳感器節(jié)點時，節(jié)點的編號和絕對位置便已經(jīng)確定，且存于數(shù)據(jù)庫中）

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

步驟三、空中無人機基站獲取步驟二所得到的節(jié)點標(biāo)號、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)點上空圓心位置處時，廣播傳感器節(jié)點編號和極坐標(biāo)角度信息給下方所有節(jié)點，同時也起到了通知下方節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的作用。

步驟四、下方傳感器節(jié)點收到節(jié)點編號信息后，比較自身編號與基站所發(fā)送的被選取節(jié)點編號，確定自身是否被選擇作為近似UCA節(jié)點。被選中的傳感器節(jié)點根據(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)點編號為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)點發(fā)射OAM相位配置為lφn。

步驟五、被選中的傳感器節(jié)點采用基于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

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

在隨機分布的節(jié)點區(qū)域選取到近似UCA的節(jié)點的結(jié)果如圖3所示（由于后續(xù)在仿真幅度和相位圖時，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)點采用*號標(biāo)出，被選中的節(jié)點以O(shè)圈出，相應(yīng)的參考UCA節(jié)點用+標(biāo)出。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，被選中的節(jié)點為離參考節(jié)點距離最近的節(jié)點。仿真得出的最優(yōu)UCA的圓心位置在（400，200）處。

對被選中的節(jié)點采用本文的方法進(jìn)行OAM調(diào)制，以模態(tài)1為例，在距離傳感器節(jié)點平面正上方300米位置（無人機基站的飛行高度）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，采用如下隔離度計算計算方法進(jìn)行計算：

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，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，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，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，相對于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(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)點分布式的特點，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)點通過算法實現(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)點與基站之間的短時高速上行傳輸。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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項目資助信息：四川省省院省?？萍己献餮邪l(fā)項目，項目編號：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：寬帶移動通信、物聯(lián)網(wǎng)。