面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

廖希; 周晨虹; 王洋; 廖莎莎; 周继华; 张杰

doi:10.11999/JEIT190372

面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

doi: 10.11999/JEIT190372

廖希^{1, 2, ,},
周晨虹¹,
王洋¹,
廖莎莎¹,
周继华²,
张杰¹

1.
重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆 400065
2.
重庆金美通信有限责任公司重庆 400030

基金项目: 国家自然科学基金(61801062, 61601073, 61801063)，重庆市基础科学与前沿技术研究项目(CSTC2017JCYJA0817)，重庆邮电大学博士启动基金(A2016-110)

详细信息

作者简介:
廖希：女，1988年生，讲师，博士，研究方向为涡旋电磁波、电波传播、射频与微波电子学、信道建模等

周晨虹：女，1996年生，硕士生，研究方向为轨道角动量产生与传播

王洋：男，1986年生，副教授，博士，研究方向为天线与传播、雷达信号处理、无线通信等

廖莎莎：女，1990年生，讲师，博士，研究方向为微波光子学、硅光子学、射频信号处理等

周继华：男，1979年生，研究员，博士，博士生导师，研究方向为移动网络、无线通信、5G等

张杰：男，1967年生，教授，博士，研究方向为涡旋电磁波、毫米波通信、智能环境建模与设计等

通讯作者:
廖希　liaoxi@cqupt.edu.cn

中图分类号: TN921
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出版历程
- 收稿日期: 2019-05-20
- 修回日期: 2019-09-18
- 网络出版日期: 2020-03-02
- 刊出日期: 2020-07-23

A Survey of Orbital Angular Momentum in Wireless Communication

1.
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
2.
Chongqing Jinmei Communications Co. LTD, Chongqing 400030, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61801062, 61601073, 61801063), The Chongqing Research Program of Basic Research and Frontier Technology (CSTC2017JCYJA0817), The Dr. Start-up Funding of Chongqing University of Posts and Telecommunications (A2016-110)

摘要

摘要:
电磁涡旋因携带轨道角动量而具有高维可调制自由度，被引入无线通信中以提升频谱效率和抗干扰能力。该文首先介绍了轨道角动量和电磁涡旋的基本原理与特性；然后比较了电磁涡旋的产生方法，给出了超表面产生轨道角动量的工作原理，综述了基于超表面的轨道角动量产生方法和研究现状；总结了轨道角动量的传输性能、接收与检测方法、复用与解复用性能；最后讨论了未来在应用无线通信轨道角动量时需要解决的关键问题。
- 无线通信 /
- 电磁涡旋 /
- 轨道角动量 /
- 频谱效率
Abstract:
Electromagnetic vortices are introduced into wireless communication to improve spectral efficiency and anti-interference capability. In this paper, the basic principle and characteristics of Orbital Angular Momentum (OAM) and electromagnetic eddy are introduced firstly. The principle of generating Orbital Angular Momentum from supersurface is given, and the methods and research status of generating orbital angular momentum based on supersurface are summarized. The transmission performance, receiving and detecting method, multiplexing and demultiplexing performance of orbital angular momentum are summarized. Finally, the key problems to be solved in the future application of wireless communication orbital angular momentum are discussed.
- Wireless communication /
- Electromagnetic vortices /
- Orbital Angular Momentum (OAM) /
- Spectrum efficiency

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1. 引言

紫外(UltraViolet, UV)波长在200～280 nm的波段，由于臭氧分子的强烈吸收作用，使得该波段的紫外光在近地面几乎衰减为零，称该波段为“日盲区”^[1]。无线紫外光通信主要利用该波段的紫外光作为载体，通过大气分子、气溶胶等微粒的散射作用进行信息的传递^[2]，具有非直视(Non-Line-Of-Sight, NLOS)、高保密性、低窃听率、抗干扰能力强等优点，特别适用于无人机编队飞行、海军舰艇编队、陆军装甲编队、导弹车车队在无线电静默和复杂环境下的军事隐秘通信^[3,4]。但由于紫外光的散射通信以及大气湍流的偏折作用，大气信道衰减严重、接收信号微弱、具有高路径损耗等，使得紫外光通信传输距离有限^[5]。因此，通过多跳中继方式来延长无线紫外光通信距离成为研究的热点。

目前已有学者对紫外光多跳中继通信进行了相关研究，文献[6]在紫外光通信网中通过多跳中继方式增加了通信范围，并节省了功率消耗。文献[7]研究了紫外光多跳中继通信中节点连通问题，适当调整节点密度、发射功率和数据速率，使得紫外光多跳中继通信网络中中继孤立节点存在的概率趋近于零。文献[8]针对紫外光通信中光源器件发射功率受限和大气信道衰减严重造成传输距离近的问题，提出采用多跳中继方式构建紫外光长距离通信链路，提高了系统功率利用率。文献[9]研究结果表明，选择合适的无线紫外光通信系统配置对提高多跳中继通信系统性能是至关重要的。

上述研究都是建立在节点等距离分布下的性能研究，而对于紫外光多跳中继通信系统中节点随机分布的最优跳数问题研究较少。文献[10]为减少无线传感器网络节点的能量消耗，使用紫外光作为信息载体，在等距离分布下得出了使能量消耗最低的最优跳数表达式。但研究未考虑紫外光通信系统配置问题，而紫外光通信的整体性能高度依赖于系统配置，特别是收发仰角^[9]。因此，本文基于无线紫外光非直视单次散射模型，研究了车队中车辆在随机分布状态下无线紫外光多跳中继通信的收发仰角与最优跳数的关系，根据信道容量和路径损耗得出两者之间的近似表达式，并分析了不同收发仰角下的系统性能。

2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型

2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析

由于大气对紫外光强散射作用，使紫外光通信信道能够构成非直视通信链路。实际中紫外光通信是多次散射的，但在短距离通信中，单次散射传输为主^[11]，因此本文以单次散射模型作为研究基础。紫外光单次散射模型如图1所示^[12]，β_T是发射仰角，β_R是接收仰角，θ_T是发散角，θ_R是接收视场角，V是有效散射体，θ_S是散射角，r是收发端基线距离。

图 1 无线紫外光非直视单次散射通信模型

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发射端T_X以β_T和θ_T的角度向空间发射光信号，光信号在有效散射体V内散射后，接收端R_X以β_R和θ_R的角度进行光信号接收，则紫外光单次散射通信的接收光功率为^[12]

$\begin{split} {P_r}=\,& \frac{{{P_{\rm{t}}}{A_{\rm{r}}}{K_{\rm{s}}}{P_{\rm{s}}}{\theta _{\rm{R}}}\theta _{\rm{T}}^2\sin ({\beta _{\rm{T}}}+{\beta _{\rm{R}}})}}{{32{{\rm{\pi }}^3}r\sin {\beta _{\rm{T}}}\left(1 - \cos \dfrac{{{\theta _{\rm{T}}}}}{2}\right)}} \\ & \cdot \exp \left[ { - \frac{{{K_{\rm{e}}}r(\sin {\beta _{\rm{T}}}+\sin {\beta _{\rm{R}}})}}{{\sin ({\beta _{\rm{T}}}+{\beta _{\rm{R}}})}}} \right] \end{split}$

(1)

其中，P_t是发射光功率，A_r是接收孔径面积，K_s是大气散射系数，P_s是散射角θ_s的相函数，K_e是大气信道衰减系数，且K_e=K_a+K_s, K_a是大气吸收系数。

非直视紫外光散射通信的路径损耗可表示为发射光功率与接收光功率的比值，如式(2)所示

$\begin{split} L=\frac{{{P_{\rm{t}}}}}{{{P_{\rm{r}}}}}=\,& \frac{{32{{\rm{\pi }}^3}r\sin {\beta _{\rm{T}}}\left(1 - \cos \dfrac{{{\theta _{\rm{T}}}}}{2}\right)}}{{{A_{\rm{r}}}{K_{\rm{s}}}{P_{\rm{s}}}{\theta _{\rm{R}}}\theta _{\rm{T}}^2\sin ({\beta _{\rm{T}}}+{\beta _{\rm{R}}})}} \\ & \cdot \exp \left[ {\frac{{{K_{\rm{e}}}r(\sin {\beta _{\rm{T}}}+\sin {\beta _{\rm{R}}})}}{{\sin ({\beta _{\rm{T}}}+{\beta _{\rm{R}}})}}} \right] \end{split}$

(2)

式(2)为路径损耗计算表达式，只适用于收发仰角较小的状态，当收发仰角较大时，不再适用于分析非直视紫外光散射通信。而在实际应用中当通信距离小于1 km时，通常采用路径损耗简化公式^[13]

$L=\xi {r^\alpha }$

(3)

其中， $\xi$ 是路径损耗因子， $\alpha$ 是路径损耗指数，其都是与收发仰角有关的参数。

2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型

本文研究的紫外光多跳通信结构模型，考虑1维N跳网络结构且每跳的距离是随机性的，其无线紫外光多跳中继节点随机分布模型如图2所示，当 ${r_1}={r_2}= ··· ={r_N}={d / N}$ 时，即为等距离分布。紫外光多跳中继通信系统有一个源节点S，一个目的节点D, N–1个中继节点R_i (i=1, 2, ···, N–1)，且R_i随机分布在S到D的距离范围内。假设所有节点采用半双工通信方式，考虑经典N跳时分解码转发协议，每个中继节点R_i接收R_i–1发送的信息，并解码转发到R_i+1节点。

图 2 无线紫外光多跳中继节点随机分布模型

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假设中继节点位置是独立随机变量，并设X_i是第i个中继节点在S到D间的随机位置，则X_i的概率密度函数为^[14]

$f({X_i}) = \left\{ \begin{aligned} &\frac{1}{{r\delta }},\ \ r\left(i - \frac{\delta }{2}\right) \le {X_i} \le r \left(i + \frac{\delta }{2}\right)\\ &0,\quad {\text{其他}} \end{aligned} \right.$

(4)

其中，r=d/N是等分距离，d是S到D的实际距离， $\delta \in \left[ {0,1} \right]$ 是随机偏移范围，其表征中继节点位置的随机性或者不确定性。

定义 ${r_i}={X_i} - {X_{i - 1}}(i=2,3, ··· ,N - 1)$ ，特别地， ${r_1}={X_1}$ , ${r_N}=d - {X_{N - 1}}$ ，则r_i的累积分布函数表示为

对于i=1或N时，

$F({r_i})=\left\{ \begin{aligned} & 0,\qquad {r_i} \le r \left(1 - \frac{\delta }{2}\right) \\ & \frac{1}{{r\delta }}\left({r_i} - r\left(1 - \frac{\delta }{2}\right)\right),\\ & \qquad \ \ \; r\left(1 - \frac{\delta }{2}\right) \le {r_i} \le r\left(1+\frac{\delta }{2}\right) \\ & 1,\qquad {r_i} \ge r\left(1+\frac{\delta }{2}\right) \end{aligned} \right.$

(5)

对于i=2, 3, ···, N–1时，

$F({r_i})=\left\{ \begin{aligned} & 0, \quad\quad {r_i} \le r(1 - \delta ) \\ & \frac{1}{2}{\left(\frac{1}{{r\delta }}\right)^2}{\left[ {{r_i} - r(1 - \delta )} \right]^2},\\ & \quad\quad \ \ \; r(1 - \delta ) \le {r_i} \le r \\ & \frac{1}{2}{\left(\frac{1}{{r\delta }}\right)^2}{\left[ {r(1+\delta ) - {r_i}} \right]^2},\\ & \quad\quad \ \ \; r \le {r_i} \le r(1+\delta ) \\ & 1, \quad\quad {r_i} \ge r(1+\delta ) \end{aligned} \right.$

(6)

3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析

根据紫外光NLOS单次散射模型，其紫外光通信在量子极限条件下的信噪比为^[12]

${\gamma _{{\rm{SNR}} }}=\frac{{{\eta _f}{\eta _r}{P_{\rm{t}}}\lambda }}{{2{\rm{hc}}BL}}=\mu {\xi ^{ - 1}}{r^{ - \alpha }}$

(7)

其中， $\mu =\dfrac{{{\eta _f}{\eta _r}{P_{\rm{t}}}\lambda }}{{2{\rm{hc}}B}}$ , ${\eta _f}$ 和 ${\eta _r}$ 分别表示滤光片透过率和光电倍增管(Photo Multiplier Tube, PMT)探测效率， $\lambda$ 是紫外波长，h是普朗克常数，c是光速， $B=\dfrac{{{K_{\rm{e}}}{\rm{c}}}}{{2{\rm{\pi }}}}$ 是紫外光通信信道带宽。

利用香农公式可以计算出紫外光NLOS通信的信道容量^[12]，则紫外光单跳通信的频谱效率为

${\eta _{\rm{sh}}}={\log _2}(1+\mu {\xi ^{ - 1}}{d^{ - \alpha }})$

(8)

在源节点到目的节点等距离分布N跳通信传输时，假设在任何时间点上只有一个节点进行传输，即在接收端无干扰，且每个节点在1/N时间传输相同的信息量，则每跳频谱效率是单跳通信的N倍，其等距离分布的频谱效率为

${\eta _{\rm{eq}}}=\frac{1}{N}{\log _2}\left( {1+\mu {\xi ^{ - 1}}{{\left(\frac{d}{N}\right)}^{ - \alpha }}} \right)$

(9)

从式(9)可以看出频谱效率与跳数和收发仰角有关，因此研究使用近似理想路径路由计算方法^[15]，通过最大化频谱效率得到紫外光多跳中继通信系统节点等距离分布下的最优跳数近似表达式为

${N_{\rm{op}}}={\rm{argmax}} {\eta _{{\rm{eq}} }} \approx {\left[ {{{\left( {\frac{{{2^\varepsilon } - 1}}{\gamma }} \right)}^{{1 / \alpha }}}} \right]_+}$

(10)

其中， $\varepsilon =\dfrac{{\alpha +w( - \alpha {{\rm{e}}^{ - \alpha }})}}{{\ln 2}}$ 是仅取决于路径损耗指数的常数， $w( \cdot )$ 是郎伯W函数的主分支^[16], $\gamma =\mu {\xi ^{ - 1}}{d^{ - \alpha }}$ 是单跳情况下的接收信噪比。

从式(10)可以看出最优跳数受到收发仰角的影响，在基于等距离分布的分析下，对中继节点随机分布时最优跳数进行了分析。在节点随机分布时，系统性能将取决于N跳中最长的一跳^[17]，则在此情况下频谱效率度量将是最长一跳距离上的平均值，如式(11)所示

$\overline \eta =\mathop {\rm{E}}\limits_{{r_{\max }}} \left[ {\frac{1}{N}{{\log }_2}(1+\mu {\xi ^{ - 1}}r_{\max }^{ - \alpha })} \right]$

(11)

其中， ${r_{\max }}=\mathop {\max }\limits_{i=1, \cdots ,N} {r_i}$ , ${\rm{E}}\left[ \cdot \right]$ 是期望算子。

为了求解节点随机分布下最优跳数值，需要求得 $\overline \eta$ 的闭合表达式，由式(5)和式(6)的累积分布函数可得

$r \le {r_{\max }} \le r(1+\delta )$

(12)

对式(11)应用Jensen不等式 ${\rm{E}}[f(x)] \ge f({\rm{E}}[x])$ ，则式(11)变换如式(13)所示

${\rm{E}}\left[ {{{\log }_2}(1 + \mu {\xi ^{ - 1}}r_{\max }^{ - \alpha })} \right] \ge {\log _2}(1 + \mu {\xi ^{ - 1}}{({\rm{E}}\left[ {{r_{\max }}} \right])^{{ - \alpha }}})$

(13)

根据式(13)，联合式(11)和式(12)求解得到 $\overline \eta$ 的上下界

$\begin{split} & \frac{1}{N}{\log _2}(1+\mu {\xi ^{ - 1}}\left( {\frac{d}{N}(1+\delta ){)^{ - \alpha }}} \right) \le \overline \eta \\ & \le \frac{1}{N}{\log _2}\left( {1+\mu {\xi ^{ - 1}}{{(\frac{d}{N})}^{ - \alpha }}} \right) \end{split}$

(14)

根据等距离分布最优跳数近似值的分析过程，求解式(14)的 $\overline \eta$ 下界最大化，即节点随机分布的最优跳数近似求解式如式(15)所示

$N_{\rm{op}}^{'} \approx {\left[ {{{\left( {\frac{{{2^\varepsilon } - 1}}{{{\gamma ^{'}}}}} \right)}^{{1 / \alpha }}}} \right]_+}$

(15)

其中， ${\gamma {'}}=\mu {\xi ^{ - 1}}{d^{ - \alpha }}{(1+\delta )^{ - \alpha }}$ 是最大距离单跳情况下节点随机分布的接收信噪比。

在节点随机分布情况下，通过式(15)求解得到的最优跳数值是源节点到目的节点多跳中继通信中的最大值。当 $\delta =0$ 时，式(15)等于式(10)，最优跳数值达到最小值，即紫外光通信链路的频谱效率有最大值。

4. 仿真结果及分析

4.1 仿真实验参数设置

通常在车队中车辆与车辆之间的距离根据车速应保持在30～100 m，而整个车队的最大距离不超过1～3 km^[18]。基于此参数规定和最优跳数的分析，对节点等距离分布和随机分布的两种情况进行了仿真分析。其仿真实验的主要参数见表1。

表 1 系统主要仿真参数

参数	数值
紫外波长	260 nm
PMT探测效率	0.3
滤光片透过率	0.6
吸收系数	0.802×10^–3 m^–1
米氏散射系数	0.284×10^–3 m^–1
瑞利散射系数	0.266×10^–3 m^–1
普朗克常数h	6.6×10^–34

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4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析

在车队中车辆等间隔匀速运动时，通常满足节点等距离分布状态，即 $\delta =0$ 。根据不同收发仰角下 $\xi$ 和 $\alpha$ 的取值分析^[14]，在P_t=30 mW, d=500 m和等距离分布情况下，本文对β_T<β_R, β_T=β_R和β_T>β_R 3种不同状态的收发仰角的单跳通信、多跳通信和最优跳通信进行了仿真，在d=500 m的多跳通信中，设定最大通信跳数为9跳，即车队有10辆车辆，其他仿真参数如表1所示，分析了3种通信方式的性能。从图3、图4和图5可以看出，当发射功率大于18 mW时，针对不同的收发仰角求得的最优跳数值都要比单跳通信和9跳通信获得较好的通信传输能力。

图 3 β_T=10°, β_R=40°的3种通信方式对比

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图 4 β_T=β_R=30°的3种通信方式对比

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图 5 β_T=40°, β_R=20°的3种通信方式对比

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另外，对比分析了相同最优跳数值下的不同收发仰角的频谱效率。从图6(a)和图6(b)可以看出，在相同最优跳数值下，紫外光通信的收发仰角对通信传输能力有着较大的影响。并且在紫外光多跳中继通信系统中，当有相同跳数时，使用小发射仰角和大接收仰角，能够使紫外光多跳通信系统获得更好的通信性能。

图 6 相同N_op下的不同收发仰角频谱效率

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基于等距离分布模型的分析结果，将本文等距离分布下的最大频谱效率计算方法与最优能量计算方法进行对比分析。在β_T<β_R的紫外光几何结构配置下，不同方法下最优跳数和通信传输能力的对比情况如图7和图8所示。从图7可以看出两种方法的效果能够基本达到一致。当发射仰角固定时，增大接收仰角角度，其最优跳数随着通信距离的增加，最大频谱效率计算方法比最优能量计算方法的跳数值多一个数量级。

图 7 最优跳数对比

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图 8 两种方法传输能力对比

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图8是根据图7中d=600 m时的最优跳数的分界点值的性能对比。此时，最大频谱效率计算方法最优跳数为6，最优能量计算方法最优跳数为5。从图8可以看出，当采用小功率传输时，最大频谱效率计算方法的通信传输能力优于最优能量计算方法，同时也达到节约功率的需求。在等距离分布模型下，当源节点到目的节点的通信距离确定时，根据无线紫外光通信的收发仰角得到适当的中继数，能够使整体通信传输能力达到最大。

4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析

当车队在行驶中根据路况和调配信息，随时调整车速，此过程导致车队处于非匀速状态，不再满足等距离分布。本节对节点随机分布下的最优跳数进行了仿真分析。主要仿真参数如表1所示，在发射功率P_t=30 mW, S到D的距离d=500 m下，对比分析了不同随机偏移范围下的不同收发仰角的频谱效率与跳数的关系。从图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)可以看出，在紫外光多跳通信系统中，随着 $\delta$ 的增加系统总体性能呈下降趋势。并且不同收发仰角在不同随机偏移范围下，都存在一个使总体系统的频谱效率下界达到最大值的最优跳数值。通过图9进一步可以看出在紫外光中继通信系统中，使用小发射仰角和大接收仰角系统配置，能够使紫外光多跳通信系统获得更好的传输能力。

图 9 不同距离移位范围的频谱效率

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为进一步说明随机分布模型的实际应用，本文在P_t=30 mW和 $\delta =0.2$ 下，对比分析了β_T<β_R和β_T>β_R下的收发端距离变化的频谱效率与跳数的关系，如图10所示。从图10可以看出，频谱效率随着跳数的增加存在最大值，并且随着S到D距离的增加，当达到最优跳数时，频谱效率不再随着跳数的增加有较大的变化。进一步说明当紫外光长距离通信时，并不是跳数越多其通信性能就越好。

图 10 不同S到D距离的频谱效率

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5. 结束语

本文针对车队中车辆在等距离和随机分布状态下的最优跳数进行了研究。基于非直视紫外光单次散射模型、信道容量和路径损耗，依据使频谱效率最大化原则，得出计算收发仰角与频谱效率的近似关系表达式。通过分析等距离分布最优跳数，求得随机分布的最优跳数近似表达式。仿真结果表明，收发仰角影响着紫外光多跳中继通信系统的最优跳数。不同随机偏移范围和不同收发仰角都对应特定的最优跳数，与最优能量计算方法相比，最大频谱效率计算方法在发射功率小于25 mW时有更好的信息传输能力，并达到节约功率的需求。在紫外光长距离通信时，选取合适的中继数及小发射仰角和大接收仰角的几何结构配置，不仅能够提高车队间无线紫外光多跳中继通信系统的传输能力，也满足车队间保持稳定可靠的隐秘通信需求。

图 1 PEC-PMC超表面示意图

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图 2 实验测量装置图

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图 3 环形孔超表面示意图

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图 4 超表面的几何结构俯视图

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图 5 多径信道系统模型示意图

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图 6 OAM多径效应镜面反射模型示意图^[47]

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图 7 OAM-MDM系统示意图

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图 8 复用与解复用示意图

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图 9 天线UCA示意图

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表 1 电磁涡旋特性

特性	基本原理	潜在应用
正交性	任意两个整数阶模态的OAM波束互相正交，构成无穷维希尔伯特空间	提升系统频谱效率
发散性	随着距离和OAM阶数的增加，OAM波束发散程度加剧	–
稳定性	OAM的相位结构与传输距离无关^[26]；当拓扑电荷为整数时相位奇点处场强为零，并且随着传播距离增加，中心对称的场强分布保持稳定。	实现长距离传输
反射性	OAM涡旋波束经过镜面反射只改变旋转方向不影响波前相位结构	有利于分析多径效应对传输系统的影响
安全性	受到角度限制和横向偏移的影响，在传输过程中对信号的抽样检测存在不确定性^[9]，可有效防止信息被窃取。	更高编码强度，实现高容量高保密性通信^[27]
多维量子纠缠	单光子或纠缠光子可用于量子信息处理，非整数模态OAM模态可以分解为整数OAM模态的线性叠加；纠缠的量子态不可分离^[28]。	更高编码强度，实现高容量高保密性通信^[27]

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表 2 典型OAM产生方法与分类

产生方式	生成原理	典型代表	优缺点	应用
透射光栅结构	利用干涉条纹产生的交叉错位结果得到的叉形光栅生成相位全息图，结合计算机仿真数据制作相位全息面。	空间光调制器	成本低、转换速度快、可工作在任意频率、系统复杂度较低；但是仅能实现单模态和非纯模态的生成、器件实现较复杂。	可用于毫米波频段产生OAM波束，通过空间复用提高频谱效率。
透射螺旋结构	波束透过厚度 $h$ 随中心旋转方位角 $\phi$ 比例变化的相位板，产生相位差随厚度变化的透射电磁波。	单阶梯型螺旋相位板多阶梯型螺旋相位板多孔型螺旋相位板	成本低、转换效率高、系统复杂度较低；但是仅能在单点频率上实现单模态转换，并且器件转换过程较复杂。	可用于实现高容量、高频谱效率的毫米波和太赫兹通信。
透射反射面	波束入射到非平面螺旋结构的不同区域，导致波束相邻部分存在相对延迟。	阶梯型反射面螺旋抛物面天线	成本低、系统复杂度较低、转换效率和转换速度正常；但是仅能在单点频率上生成单模态和非纯模态，并且实现过程较复杂。	通过OAM编码技术实现同频宽带干扰和地面反射干扰的鲁棒性传输。
透射反射面	波束入射到非平面螺旋结构的不同区域，导致波束相邻部分存在相对延迟。	阶梯型反射面螺旋抛物面天线	成本低、系统复杂度较低、转换效率和转换速度正常；但是仅能在单点频率上生成单模态和非纯模态，并且实现过程较复杂。	通过OAM编码技术实现同频宽带干扰和地面反射干扰的鲁棒性传输。	天线阵列	为各阵列单元馈送相同信号，通过改变阵元间馈电相位差产生不同的模态。	圆形相控阵列时间开关阵列巴特勒矩阵馈电阵列光实时延时天线阵列	可在所有频率范围内生成多个模态和相反模态，器件制作较容易，转换速度和效率一般；但是成本高、系统复杂度较高。	可对携带OAM的射频信号进行多路复用和解复用，增加系统容量和效率。
q-板	在普通介质材料上加工特定几何形状的凹槽形成一种非均匀双折射结构。	–	成本低、系统复杂度较低、转换速度一般；但是仅能在单点频率处生成单模态，实现过程也较复杂。	可用于100 GHz毫米波OAM波束的产生和检测^[30]。

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表 3 基于超表面的电磁涡旋产生方法比较

研究团队	单元结构	产生方法/原理	实验频率	模态l	存在问题
香港大学和浙江研究团队	–	3维光子晶体点缺陷^[37]	8.8 GHz	±2	–
	–	3维光子晶体点缺陷^[37]	9.7 GHz	±1	–
	偶极子	通过调整散射体的几何形状改变其谐振频率，使得相移在设计频率处发生变化^[32]	6.2 GHz	±2	超表面散射体之间通常存在不可避免相互耦合现象
上海同济大学	金属贴片层金属接地层介电间隔层	梯度相位反射超表面^[38]	10 GHz	1	不连续相位剖面会引入相位噪声
西安交通大学	金属片和衬底	由变容二极管加载可调谐散射体超表面^[39]	5.35 GHz	±1, ±2	元件数量受限，难以生成高模态

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表 4 典型的OAM检测方法

检测方法	结构	基本原理	优缺点	结果
单点法	–	利用OAM远场近似，对检测点上电场和磁场的所有3个分量进行模式分析，计算得出在空间特定点上的拓扑电荷值。	成本低、系统复杂度较低；需对整个波前进行采样；适用于单模态和较低模态的检测。	–
相位梯度法	–	检测两点间相位梯度，通过螺旋相位结构判定OAM模态。	成本低、系统复杂度较低；仅需分析波前上的两个采样点，适用于单模态检测。	–
多环谐振器OAM 天线	经验模式分解	电磁波的基础可以由经验模式分解中的固有模式函数构成，由此定义每个局部拓扑电荷。	能够检测叠加态。	检测了-2和3的叠加态
数字虚拟旋转天线	接收天线高速采样示波器频谱分析仪	根据旋转多普勒频移和OAM模态之间的关系确定OAM模态。	系统较复杂；适用于检测单个模态。	检测了1, 2, 4共3个单模态
衍射模式转换器	OAM模式转换器，接收天线	SPP板产生不同模态涡旋波束；模式转换器将涡旋波束映射为平面波，通过透镜聚焦产生横向光斑，最后接收。	成本较低；需检测整个波前，但是适用于单模态和叠加态的检测。	检测了–3到3共7个单模态和两个叠加态
全息超表面	全息超表面	超表面将OAM波束转换为高斯波束，通过定位高斯波束在设定位置处的场强确定入射OAM模态。	系统复杂度较低；成本高、器件实现较复杂；适用于多个单模态的检测。	检测了–2到2共5个单模态
部分孔径取样接收法	–	将光学中用于OAM解复用的偏角接收孔径法和采样接收法结合。	仅需对部分波前进行采样，以检测多个模态；成本高；	–
均匀圆形天线阵列		对接收到的电磁涡旋进行频谱分析。	可检测相反模态和但，模态；成本高，需对整个波前采样，系统复杂度高。

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表 5 OAM与LTE传输速率和频谱利用率比较

通信类型	频谱利用率(bps/Hz)	传输速率(Mbps)	调制方式
OAM	95.5	2560	16-QAM^[16]
LTE	16.32	326.4	64-QAM

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表 6 不同传输实验比较

文献	方法	模态l	传输距离	传输速率	频率	频谱效率	误码率
文献[17]	螺旋抛物面天线	0, –1	442 m	–	2.4 GHz	–	–
文献[64]	贴片阵列天线	±1, ±3	2.5 m	32 Gbps	毫米波	16 Gbps/Hz	3.8×10^–3
文献[65]	部分波阵面接收	–	27.5 km	–	10 GHz	–	–

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参考文献(66)

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1. 引言
2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型
2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析
2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型
3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析
4. 仿真结果及分析
4.1 仿真实验参数设置
4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析
4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析
5. 结束语

1. 引言
2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型
2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析
2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型
3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析
4. 仿真结果及分析
4.1 仿真实验参数设置
4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析
4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析
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面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

doi: 10.11999/JEIT190372

通讯作者:
廖希　liaoxi@cqupt.edu.cn

计量

A Survey of Orbital Angular Momentum in Wireless Communication

1. 引言

2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型

2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析

2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型

3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析

4. 仿真结果及分析

4.1 仿真实验参数设置

4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析

4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析

5. 结束语

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目录

1. 引言

2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型

2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析

2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型

3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析

4. 仿真结果及分析

4.1 仿真实验参数设置

4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析

4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析

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面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

doi: 10.11999/JEIT190372

通讯作者: 廖希 liaoxi@cqupt.edu.cn

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出版历程

A Survey of Orbital Angular Momentum in Wireless Communication

1. 引言

2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型

2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析

2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型

3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析

4. 仿真结果及分析

4.1 仿真实验参数设置

4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析

4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析

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1. 引言

2. 无线紫外光多跳中继通信系统模型

2.1 无线紫外光非直视单次散射模型分析

2.2 无线紫外光多跳中继节点随机分布结构模型

3. 无线紫外光多跳中继节点随机分布最优跳数分析

4. 仿真结果及分析

4.1 仿真实验参数设置

4.2 节点等距离分布最优跳数仿真分析

4.3 节点随机分布最优跳数仿真分析

5. 结束语

通讯作者:
廖希　liaoxi@cqupt.edu.cn