一什么是轨道角动量
目前无线通信主要建立在平面电磁波上已充分利用时域频域码域空域和极化域这些复用维度来提高频谱效率为了获得更高的频谱效率业界在不断尝试从电磁波的物理特性入手来实现信息传输方式的突破比如轨道角动量OrbitalAngularMomentumOAM技术
什么是OAM根据经典电动力学理论电磁波不仅具有线动量也具有角动量其中OAM描述的是电磁波绕传播轴旋转的特性使电磁波的相位波前呈涡旋状这种形式的电磁波被称为涡旋电磁波如图1所示1OAM具有诸多OAM模态其中OAM模态l0为平面波而对于l0的情况不同模态值的涡旋电磁波彼此正交2通过模态的复用可以在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下发送多个同轴数据流提供了无线传输的新复用维度从而提升频谱效率
图1涡旋电磁波
涡旋电磁波可分为电磁波涡旋量子和统计态涡旋波束其中电磁波涡旋量子指的是利用相对论下的涡旋电子辐射出携带不同模态数的涡旋量子由于单个量子携带OAM利用OAM量子发射机和OAM量子传感器可分别产生和接收独立于电场强度的新维度从而提升系统容量3统计态涡旋波束是指电磁波的宏观涡旋现象其产生与接收方法类似于多天线系统中的波束赋形目前业界就其能否提供无线传输新维度存在争议
看到这里是不是一头雾水呢没事下面就跟小编一起掀起OAM的神秘盖头友情提示文章有点长一定要耐心读完哦
二电磁波涡旋量子
01技术原理
电磁波涡旋量子是由磁场中回旋振荡电子辐射产生的
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什么量子普朗克爱因斯坦玻尔薛定谔不不不不要恐慌往下看
在发射端首先利用高压电源对电子进行加速然后高能电子进入均匀磁场将电子运动方向分解为平行磁场和垂直磁场两个方向电子在平行磁场的方向做匀速直线运动在垂直磁场方向受到洛伦兹力作用洛伦兹力提供了向心力在垂直于磁场和运动方向的平面内做回旋运动回旋电子状态处于离散的朗道能级并携带OAM形成涡旋电子如图2所示
图2电磁波涡旋电子
涡旋电子通过释放能量跃迁到角动量减少的低能态根据角动量和能量守恒跃迁到低能态释放的角动量和能量传递给电磁波涡旋量子即涡旋电子自发辐射产生电磁波涡旋量子如图3所示
图3电磁波涡旋量子
在接收端电磁波涡旋量子的模态检测方法与其产生方法类似主要区别在于角动量和能量从电磁波涡旋量子转移到电子通过对电子的角动量模态进行检测实现电磁波涡旋量子模态识别和信息传输一个可行的方法是将接收到OAM的涡旋电子与晶体进行撞击根据撞击后的衍射图案识别电磁波涡旋量子的模态5就像不同力气的人击打同一个物体留下的印记肯定是不同的
可以看出OAM量子传感器检测电磁波涡旋量子与传统天线检测电磁波电场强度是互相独立的因此电磁波涡旋量子的OAM是区别于电场强度的独立物理量理论上可构建只有OAM传输的零带宽传输系统从而提供无线传输新维度通过多模态电磁波涡旋量子复用传输可提升系统容量有望超越传统MIMO容量界
02技术挑战
电磁波涡旋量子构成的OAM量子态可提供
独立于电场强度的新维度
适用于用户和基站间的长距离传输还可推广到大容量点对点传输高速星地通信和量子OAM雷达探测等看到这里是不是灰常激动
但是小编不得不告诉你好货自然贵目前OAM量子发射机和OAM量子传感器成本较高体积较大商用困难未来器件小型化任重而道远
三统计态涡旋波束
01技术原理
统计态涡旋波束由螺旋相位板抛物面天线超表面天线环形行波天线等专用天线或者均匀环形天线阵列UniformCircularArrayUCA产生其中螺旋相位板抛物面天线和超表面天线利用平面波在传播过程中经过透射或者反射使得波束在不同方位角上获得特定的相位差环形行波天线通过控制谐振腔的周长调整谐振腔内的谐振模式产生涡旋电磁波这些专用天线可通过改变视距信道提升系统容量但受限于自由度仍然无法超越传统MIMO容量界6
UCA法指的是发射端在半径为r的圆环上等间距布满N个天线阵元每个阵元的馈电相位依次延时2lNN为天线阵元个数l为OAM模态环绕天线阵列一周后产生2l的相位旋转7从而等效出一个沿着传播方向呈螺旋分布的相位图如图4所示接收端放置半径为R的UCA从空间接收整个环形波束能量通过每个阵元采用与发射端UCA相反的馈电相位实现不同模态OAM波束的解复用物理实现上要求发送UCA和接收UCA圆心对准且平行收发端天线不对准包括横向位移和倾斜会引起螺旋状相位波前失真从而造成解复用时的模态间串扰降低系统容量
图4均匀环形天线阵
研究表明通过UCA产生的OAM信号在视距传输下其模态数等价于流数产生OAM信号的UCA中不同阵元上馈相处理等同于MIMO系统信道进行SVD分解所得到的预编码矩阵8简单来说就是统计态涡旋波束本质上就是波束赋形无法超越传统MIMO容量界但是与传统的MIMO相比接收端不需要将信道状态信息反馈给发送端且模态间的解复用通过调整移相器完成大大降低了系统复杂度所以咱们统计态涡旋波束宝宝也是有长处滴
02应用挑战
统计态涡旋波束的主要特点是波束整体呈发散形态波束中心存在凹陷中心能量为零整个波束呈现中空的倒锥形9如图5所示是不是看起来像个小喇叭还挺漂亮俗话说越漂亮的东西越有挑战OAM波束也不例外
1OAM波束发散的特性将导致接收端能量集中在一个圆环上且随着传输距离的增大和模态的增加环形波束的半径越来越大不适用于长距离传输
图5统计态涡旋波束中空发散
2物理实现上要求发送和接收天线阵列圆心对准且平行应用场景受限一般应用于收发端位置固定的前传回传链路比如宿主基站和中继节点之间的链路等移动通信系统中用户终端位置不定在移动通信中应用挑战较大
3由大气湍流雨雾等传播环境造成的多径效应可能会导致OAM多路复用系统发生信道内和信道间串扰破坏螺旋相位面导致接收端无法对多模态数据解复用面对大量的电磁涡旋波状态如何进行有效的分离和检测将是OAM技术应用于无线通信所面临的核心挑战之一
四总结
看到这里的童鞋对我们OAM是真爱无疑了笔芯
小编总结一下OAM分为量子态和统计态具有OAM量子态的电磁波涡旋量子可提供物理传输的新维度通过OAM模态复用理论上有望突破传统MIMO容量界且量子态波束无需限制成倒锥形不受波束发散和收发端严格对准的影响可适用于用户和基站间的长距离传输但是未来器件小型化任重而道远电磁波OAM统计态涡旋波束本质上仍然是波束赋形理论上没有突破MIMO容量界且受波束发散和对准的影响在无线通信中的应用将面临较大挑战有待业界进一步研究突破
本文作者中国移动研究院董静金婧夏亮王启星刘光毅清华大学张超王元赫
来源中移智库
参考文献
1马路电磁波轨道角动量长距离传输方法研究D清华大学2017
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3张超王元赫电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析J中国科学信息科学2021ISSN16747267doi101360SSI20210066
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