抗干扰技术论文提纲

论文题目：基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术研究

摘要：随着无线通信业务种类和数量爆炸式增长,通信的“黄金频段”在时域、码域等资源被深度挖掘,未来无线电磁波亟需挖掘新的正交资源以显著提升无线通信频谱效率和抗扰性。然而,目前对无线电磁波的开发和利用主要集中在线性动量和自旋角动量。不同于描述传统平面电磁波极化特性的自旋角动量,轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）使得电磁波的波前相位扭曲,从而形成涡旋电磁波。不同OAM模态驱动的涡旋电磁波关于发送信号方位角相互正交且可共享同一频率信道。因此,涡旋电磁波为无线通信系统实现高频谱效率和强抗干扰性提供了一种全新且极富潜力的解决方案。国内外关于涡旋电磁波的研究主要聚焦于如何利用模态间的正交性来实现视距无线通信海量传输容量。然而,在实际无线通信场景中稀疏多径衰落引起的发送信号非一致性相位延迟会破坏涡旋电磁波模态间的正交性,从而产生模/码间串扰问题。另一方面,外界蓄意干扰的存在将可能直接影响有用模态信号的接收与分离,从而导致通信质量差问题。针对上述问题,在无需额外增加频谱资源的基础上,本文面向涡旋电磁波无线通信新体制,以平行且对齐均匀圆阵列收发天线为例,利用OAM模态间的正交性,研究在稀疏多径干扰和外界蓄意干扰下涡旋电磁波抗干扰方法。本论文的主要研究创新点概述如下:1.研究了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）和OAM联合复用抗稀疏多径技术。现有的涡旋电磁波研究主要围绕视距传输场景展开。然而,在大多数实际无线通信场景中发射信号会发生反射、绕射和散射。非视距和视距路径OAM信号分量在接收端的叠加将造成信号的严重失真。为克服涡旋电磁稀疏多径衰落这一问题,本文提出了 OFDM-OAM联合复用抗稀疏多径技术,有效减轻多径引起的模/码间串扰,最大化无线通信传输容量。具体来说,首先借助于随机几何学和无线通信基础理论,搭建了涡旋电磁波稀疏多径传输系统模型,其中稀疏多径由一条直视路径和多条不超过三次反射的反射路径组成。在此基础上,结合涡旋电磁波直视路径物理传播特性,建立了多模态涡旋电磁波稀疏多径信道模型。然后,基于射线追踪和Rake接收机,设计了相位补偿法以减轻由多径传输引起的模/码间干扰。最后,构建了非视距信道下OFDM-OAM联合复用传输容量最大化问题并进行了求解以获取最大化非视距信道下的通信容量。仿真结果验证了 OFDM-OAM联合复用抗稀疏多径技术能够有效减轻稀疏多径带来的模/码间干扰,显著提高无线通信系统的通信容量。2.研究了外界蓄意干扰存在下模态涡旋电磁波抗干扰技术。为了克服有限带宽范围内无线通信系统利用常规跳频技术难以提高抗干扰性能问题,以低OAM模态利用率为代价,本文分别针对窄带、宽带及实时感知可用宽带链路传输场景提出了单模态涡旋电磁波抗干扰技术:1)基于涡旋电磁波的跳模抗干扰技术,该技术利用OAM模态间的正交性,在单位信号发送周期内快速地跳变OAM模态阶数,在窄带链路传输场景中可实现与传统跳频技术相同的误码率;2)基于涡旋电磁波的联合跳模-频抗干扰技术,该技术的核心思想是利用模态和频率的独立性和各自的正交性,按照预先设置的跳模-频图案选择一对模态和频率组合对快速地进行跳变。在不额外增加频率、时间及功率等资源的基础上,基于涡旋电磁波的联合跳模-频抗干扰技术可以大幅度地提高无线通信系统的抗干扰能力;3)基于涡旋电磁波的认知跳模-频抗干扰技术,该技术中使用非零OAM模态的次用户能够和主用户同时访问相同的授权频段。次用户通过在角域和频域同时感知干扰的存在情况,有效降低检测概率和通信中断概率。相比常规的认知跳频技术,使用基于涡旋电磁波的认知跳模-频技术可以获得更强的抗干扰性能。3.研究了基于索引调制的涡旋电磁波抗干扰技术。由于每跳只使用一个OAM模态加载信息,上述提出的单模态涡旋电磁波抗干扰技术难以满足某些无线通信应用较高传输容量的需求。如何在保障无线通信的抗干扰性能的前提下,有效地提高无线通信系统的传输容量依然是一个亟需解决的难题。为解决这一难题,本文分别针对窄带和宽带链路传输场景提出了基于索引调制的涡旋电磁波抗干扰技术:1)可以随机选择多个模态同时跳变的基于索引调制的涡旋电磁波跳模抗干扰技术,该技术不仅支持多个OAM模态复用传输,还额外增加了索引信息,可提高抗干扰系统的通信容量;2)基于索引调制的涡旋电磁波两级串行跳模抗干扰技术,该技术首先随机激活一个OAM模态,接着将该模态与第二级串行跳所激活的多个OAM模态相互嵌套构成正交量,最后将该载体承载的信息加载到发送阵元。通过在接收端对信号进行二维傅里叶变换处理,该技术可以有效避免有用信号被干扰;3)基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模-频抗干扰技术,通过将激活的多个模态和频率按照一定规律一一对应且不重复利用地进行组合,能够有效地降低有用信号被干扰的概率和增加索引信息。仿真结果验证了所提出的基于索引调制的跳模-频技术在误码率和通信容量方面均优于传统的跳频技术。

关键词：轨道角动量;抗干扰;稀疏多径;跳模;跳模-频;索引调制

学科专业：通信与信息系统

摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 无线通信发展现状和新的挑战

1.3 国内外研究现状

1.3.1 跳频抗干扰技术

1.3.2 涡旋电磁波无线通信关键技术

1.4 论文的主要工作及章节安排

第二章 基于涡旋电磁波的无线通信干扰模型

2.1 引言

2.2 稀疏多径干扰模型

2.3 蓄意干扰模型

第三章 OFDM-OAM联合复用抗稀疏多径技术

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 OAM稀疏多径传输信道模型

3.4 基于OFDM-OAM联合复用传输的干扰减轻及容量最大化

3.5 数值仿真结果及分析

3.5.1 信道幅度增益

3.5.2 功率分配和通信容量

3.6 本章小结

第四章 单模态涡旋电磁波抗干扰技术

4.1 引言

4.2 基于涡旋电磁波的跳模抗干扰

4.2.1 系统模型

4.2.2 信号收发机制

4.2.3 误码率分析

4.2.4 数值仿真结果分析

4.3 基于涡旋电磁波的联合跳模-频抗干扰

4.3.1 系统模型

4.3.2 工作原理及性能分析

4.3.3 数值仿真结果分析

4.4 基于涡旋电磁波的认知跳模-频抗干扰

4.4.1 系统模型

4.4.2 感知阶段的检测概率

4.4.3 传输阶段的通信中断概率及容量分析

4.4.4 数值仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 基于索引调制的涡旋电磁波抗干扰技术

5.1 引言

5.2 基于索引调制的涡旋电磁波跳模及两级串行跳模抗干扰技术

5.2.1 系统模型

5.2.2 基于索引调制的跳模技术设计

5.2.3 基于索引调制的两级串行跳模技术设计

5.2.4 数值仿真结果分析

5.3 基于索引调制的涡旋电磁波联合跳模-频抗干扰技术

5.3.1 系统模型

5.3.2 系统误码率分析

5.3.3 数值仿真结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文内容总结

6.2 下一步研究工作展望

附录A 定理3.1和3.2的证明

A.1 定理3.1的证明

A.2 定理3.2的证明

附录B 定理4.1的证明

附录C 定理5.1的证明

参考文献

致谢