室内高速通信与抗干扰接入方法

雷远扬

（中煤科工集团重庆煤科院有限公司，重庆 400050）

0 引 言

长期以来，信息传输技术实现了长足发展。自2G至4G，传输速度成倍增长，WiFi技术被广泛应用于室内网络传输领域，为数据传输提供了必要帮助。当前，物联网以传统的电信网与互联网等信息承载体为基础，使得普通的物理对象互联互通，为智能家居操作奠定了坚实基础。但WiFi很难满足物联网背景下的大数据、大速率以及多个设备接入的需求，进而引发了诸多问题。由此可见，深入研究并分析室内高速通信与抗干扰接入方法十分有必要。

1 室内通信技术发展背景

新时期背景下，现代信息传输技术取得了理想发展成就。特别是物联网的发展，能够使得独立寻址的物理对象互联互通，主要特征体现为自治终端互联化、普通对象设备化以及普适服务智能化。以园博园ZigBee路灯为例，其切实彰显出物联网的应用价值[1]，但目前阶段，WiFi很难在大数据、大速率以及多个设备接入中满足具体需求，导致系列问题逐渐凸显出来。深入研究全新室内通信技术发现，欧洲与日本等均将研究的重点集中于室内可见光通信。特别是英国牛津大学研究工作人员，展开了对均衡技术与MIMO技术的相关研究，并将其应用于可见光通信系统，在多路并行的基础上，凸显出高速可见光通信系统的价值与作用。在日本，研究工作人员优先提出设想，并进一步探索多种具体应用形式，使得可见光通信应用领域及研究的内容更加丰富。

通过运用可见光传输技术，能够更好地满足多个设备、大数据以及大速率的接入需求，同样适用于物联网条件下的室内网络，并给予了必要的技术支持。与此同时，可见光传输技术的制造成本不高，明显减少了物联网构建费用支出，但需要注意的是，该技术本身的不足也十分突出，不同信号间会相互干扰。在这种情况下，需要借助涡旋波传输技术，才能实现信息在室内的高速传输[2]。涡旋电子波自带角动量与轨道角动量，其相位平面并非平面，是围绕传播方向进行旋转。通过合理运用此特性，研发室内传感器网络，即可实现室内高速通信条件下抗干扰接入的目的。

2 系统架构研究

室内高速通信与抗干扰接入方式的具体应用如图1所示。

图1 系统具体应用图示

在室内智能家居中，通过运用涡旋波，可使得智能设备在互不干扰的情况下迅速接入互联网。此通信系统可应用在购物中心、大型饭店以及室内比赛场馆等人群相对密集的场所中，与快速通信和多址接入需求吻合，使得在场所有人均能够通过个人智能设备获取数据且传输速率稳定快速，信息之间不会互相干扰。

可通过物理架构和逻辑架构探讨系统的基本架构。此系统物理架构的主要组成包括传输通道、发射端以及接收端。发射端由若干用户组合形成，用户不仅可以是具备上网通信的人，也可以是接入互联网的智能设备，通过微带天线形式，确保通信设备可以形成涡旋电磁波。但由于模式数量诸多且设备不同，因此实际发射的涡旋波同样存在一定差异。

此系统接收端是同心圆环天线阵，射频链路数量诸多，所以能够接收多种模式涡旋电磁波。在放置方面，此系统的布置也更加灵活，可将系统接收端的设备合理布置在室内墙面、室内体育场馆顶棚、餐厅吊灯以及购物中心广告牌。需要注意的是，一定要在用户的视距之内加以布置，尽可能确保接收端与不同用户间不存在物体遮蔽，使得数据传输的质量得到必要保障。此外，要想使用户接入公平，还可布设若干等效接入点，保证系统能够无缝覆盖。

对于传输通道而言，此系统的要求相对特殊。系统选择涡旋波要求信道是LOS信道，也就是说，涡旋波传输的路径一定要无反射且无遮挡。受涡旋波波束空间结构的特殊性影响，使其具备正交复用特性，可保证系统数据的传输质量和速率处于最佳状态。如果涡旋波的传输路径有遮挡亦或是有反射，必然会破坏其物理形态，直接降低传输速率，且传输内容也有缺失的可能。

系统接收端较之于传统的接收端存在一定的区别。此接收端要正确区分各模式的涡旋电磁波，既可准确区分各用户间的各模式涡旋波，又可以区分相同用户发射端的不同涡旋波信号。借助涡旋波可实现若干用户多址接入且互相没有干扰，同时能够传输大容量的大数据。在此基础上开展解调工作，去掉调制后模拟信号的载波，解调形成数字码片，最终恢复为数字信号。要重组解调处理后所得的组合并进行解码处理，获取用户信息，恢复其所传输的信息。

此系统的传输帧结构主要包括复用数据、导频信号以及校验位置。其中，导频信号分布在传输帧的最前端，能够实现接收端对信道的估计，是阈值信道类型，可在短时间完成数据解调。完成导频信号后可进行数据复用，一般由用户传输数据形成，能够快速传输用户发送信息，并从发射端向接收端发射信号。校验位位于最末端，主要功能是检查解调数据的完整性，并检查排序是否正确，即是否成功传输。

3 仿真分析

在常规电磁波中，信道容量香农公式内容为：

式（1）中，B代表的是信道的带宽（单位Hz），Ps代表信号功率，Pn代表噪声功率。因涡旋电磁波能够在相同时间传输多路相互正交信号，所以计算信道容量时应当利用多输入多输出MIMO系统，同样需要采取相应的改进措施。长期以来，信息传输方式仅对电磁波相位、幅度以及频率等多个物理量加以利用。根据香农公式，若未产生新维度，那么通信链路传输的容量提高难度也将明显增加。在通信系统中，涡旋电磁波属于全新物理量，利用价值较高，能够在相同时间内传输多种模式复用信息，提升系统频谱效率。通过仿真实验获得相应结果如图2所示。

图2 仿真结果

图2左侧是不同路数漩涡波在信噪比变化情况下可达到的频谱效率上界的仿真图。通过仿真可以了解到，在信噪比不断增加的情况下，系统本身频谱效率随之提高。不同曲线代表不同模式数条件下，涡旋电磁波复用传输结果。在模式数不断增多的基础上，系统频谱的效率会在信噪比不高的情况下不明显地增加，处于较高信噪比条件下频率效率的上界会成倍数增加。图2右侧是复用传输系统内信道容量较之于单路传输系统内信道容量增长情况的仿真结果。可以了解到，在涡旋电磁波模式数不断增多的条件下，系统信道容量增益不具有线性特征。如果复用涡旋电磁波的数量偏少，那么系统信道的容量会显著提高。另外，在复用涡旋电磁波模式数不断增长的情况下，系统的通信容量增长趋势会变得迟缓。因现阶段涡旋电磁波数量的产生有限，所以应尽可能选择较少复用模式获取更多系统信道容量的增益。

4 研究结论

在此系统应用中，可借助涡旋电磁波的成功传输达到数据多址接入与复用传输的目的。这样在物联网时代背景下，既可解决智能家居室内连接问题，又在短时间内传输信息数据且不存在干扰。该系统可应用于大型购物中心等公共场所中，支持多人接入网络。但根据系统仿真结果了解到，通过应用多模式涡旋波复用的传输形式，较之于单独平面电磁波传输的实际传输速率显著加快，而且系统通信容量也有所提升。然而，系统本身还有待完善，在实际应用中仅能在视距范围内传输数据，发射端和接收端不能存在遮挡物。另外，形成高模式涡旋电磁波路径有限，想要通过物理手段获取难度较大，因而后期需加大研究力度。

5 结 论

综上所述，结合物联网时代背景与信息快速传输的实际需求，可将可见光通信技术应用于室内通信系统，但受信号间干扰影响，有必要引入涡旋波传输技术。在研究中对涡旋波电磁波应用于室内通信系统的情况进行了仿真处理。根据仿真结果发现，其能够满足高速通信与抗干扰接入的需求。但高模式涡旋电磁波的产生路径并不多见，因而需在未来研究中给予高度重视，进而为智能家居室内通信工作的发展提供必要帮助。