多径环境下的涡旋电磁波复用技术- 大数跨境

两江科技评论

2019-12-12

导读：最近西安交通大学陈晓明教授课题组与浙江大学沙威研究员课题组合作，分析了多径环境下基于OAM的2×2 MIMO通信系统，并在微波混响室中对其进行实验测试。

导读

电磁波不仅能够传递线性动量，同时还能携带角动量，其中角动量分为自旋角动量（spin angular momentum, SAM）和轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）。SAM描述了电磁波的极化状态，而OAM描述了电磁波前的涡旋状态，其具有无限个相互正交的本征态（OAM模态）[1]。OAM模态之间的正交特性使其广泛应用于无线通信领域，用于提高信道容量[2]。但是，目前基于OAM复用的研究大都局限于视距（Line of Sight, LOS）传播。一般认为，多径（multipath）效应会对原始的OAM信道产生干扰，显著降低其信干噪比（signal-to-interference-and-noise-ratio, SINR）[3] [4]。而实际的无线通信环境中，多径效应不可避免。最近西安交通大学陈晓明教授课题组与浙江大学沙威研究员课题组合作，分析了多径环境下基于OAM的2×2 MIMO通信系统，并在微波混响室（Reverberation Chamber, RC）[5]中对其进行实验测试。实验结果表明，发射端采用电磁超表面技术生成不同模态的OAM电磁波，接收端利用多径效应只需采用传统的MIMO解调方法（如迫零均衡算法）即可接收OAM复用信号；OAM复用技术不仅能够应用于多径环境，支持高阶的调制方式，并且与传统的MIMO复用技术有着相同的性能。该研究成果以“Orbital Angular Momentum Multiplexing in Highly Reverberant Environments”为题发表在《IEEE Microwave and Wireless Components Letters》期刊上[6]。

研究背景

OAM复用技术属于空间复用技术，主要用于提高无线通信系统的信道容量。但当前的OAM复用技术研究大多局限于LOS场景。文献[3]中分析了镜面反射对OAM信道的影响：反射后的OAM波不仅携带原始的模态，还携带了其他阶的模态，由于反射的OAM波与主径的OAM波不是正交关系，因此会同时带来信道间干扰和信道内干扰。随着OAM模态阶数的提高和反射面与主径距离的减小，干扰会随之增强。文献[4]中分析了室内的多径环境对OAM信道的影响：多径环境下，OAM发射天线和接收天线之间的对准关系会影响OAM信号的接收，当发射天线和接收天线未对准时，无法正常接收信息；当发射天线和接收天线对准时，虽然可以正常接收信息，但随着两天线间距的增大，SNR急剧降低。此外，在较狭小的室内环境下，多径效应更加明显，即对OAM通信的影响更大。总而言之，目前相关的研究表明OAM复用技术适用于LOS场景，多径环境破坏了各信道（模态）之间的正交性，进而引入了不可避免的干扰，因此OAM复用技术很难应用于多径环境。

创新研究

微波混响室（如图1(a)所示）是一个大型金属腔体，通过不同的搅拌方法在腔内的工作区域产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁场。与在真实多径环境下进行的无线测试相比，在可控环境下进行无线（空口）测试具有测试效率高、复现性好等显著优点。因此，近年来微波混响室已广泛应用于空口测试[5]。本研究工作中，研究人员分析了OAM复用技术在多径（混响）环境下的性能。将基于OAM的 2×2 MIMO 系统放置在混响室中（如图1(b)所示）。用加载不同模态（l=1和l=2）的OAM电磁超表面的喇叭天线发射OAM波。LOS传播场景下，可采用OAM天线对其进行接收。而在混响环境下，OAM模态之间的正交性被破坏，传统的OAM接收方法不能正常工作。因此，研究人员采用两个（非OAM的）普通天线进行接收。接收机采用MIMO空间均衡算法（如迫零算法）进行数据检测。为了比较OAM复用技术和传统的MIMO系统，研究人员分别对MIMO系统有无OAM超表面的两种情况进行了对比测试。图2可以看出MIMO系统在有无OAM超表面两种情况下的各态历经信道容量几乎一致。即使OAM信道之间的正交性被破坏，不再具有螺旋的波前，但其携带的信息不会丢失！虽然每个天线接收到的信息都是各个发射天线信息的混叠，但是可以通过空间均衡算法实现不同OAM信号的解调。为了进一步研究OAM复用技术，研究人员还对MIMO-OFDM系统有无OAM两种情况进行了实验，并对其误比特率（bit error rate, BER）进行了比较。结果如图3所示：接收端采用的迫零均衡算法消除了干扰，OAM复用技术高混响环境下与传统的空间复用系统有着相同的性能（误比特率具有良好的一致性）。且当信噪比SNR>20dB时，实验的BER与高信噪比瑞利衰落信道的理论极限值几乎相同。

创新点：

1) 本研究采用微波混响室技术验证了结合迫零均衡的OAM复用技术可以应用于多径环境；

2) 传统的OAM复用技术依赖于OAM模态的正交特性，最多只能采用16-QAM调制方式，而结合迫零均衡的OAM复用技术可有效消除多径和OAM模态自身的干扰，因此能支持高阶的调制方式（如64-QAM）；

3) 通过比较实验，OAM复用技术与传统的MIMO系统有着相同的性能，因此OAM通信不应仅局限于LOS场景。

图文速览

图1. 微波混响室环境示意图。

a. 微波混响室结构示意图；

b. 混响室中部署基于OAM的 2×2 MIMO 系统。

图2. SNR = 15dB时，2×2 MIMO系统在有OAM和无OAM两种情况下的各态历经信道容量。

图3. 2×2 MIMO-OFDM系统在有OAM和无OAM两种情况下的误比特率（BER）

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参考文献

[1] Allen L., Beijersbergen M. W., Spreeuw R. J. C., and Woerdman J. P. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes [J], Physical Review A, 1992, 45(11):8185–8189.

[2] Yan Y., et al. High-capacity millimeter-wave communications with orbital angular momentum multiplexing [J], Nature Communication, 2014, 5:4876.

[3] Yan Y., et al. Multipath effects in millimeter-wave wireless communication using orbital angular momentum multiplexing [J], Scientific Reports, 2016, 6:33482.

[4] Jeong B., Kim H., and Lee H. Indoor propagation of electromagnetic waves with orbital angular momentum at 5.8GHz [J], International Journal of Antennas and Propagation, 2018, 2018:5634826.

[5] Test plan for wireless large-form-factor device over-the-air performance. CTIA certification, Washington DC, USA, 2016.

文章链接

[6] Chen X., Xue W., Shi H., Yi J., Sha W. E. I. Orbital angular momentum multiplexing in highly reverberant environments [J], IEEE Microwave and Wireless Components Letters, In Press.