[論文レビュー] Multi-mode OAM Radio Waves: Generation, Angle of Arrival Estimation and Reception With UCAs

Rui Chen, Wen-Xuan Long+2 more|ArXiv.org|Jul 2, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、多重モードOAM波の生成、正確なAoAおよび距離推定、および耐障害性の高い受信を可能にする、UCAベースの視線ライン多載波多モードOAM（LoS MCMM-OAM）通信システムを提案する。2次元ESPRITを用いたAoAおよび距離の同時推定の後、ビームステアリングとアンプリチュード検出を実行することで、誤同期下でもほぼ理想に近い性能を達成し、訓練シンボルを少なくした場合でも従来のMIMO-OFDMに比べてスペクトル効率が著しく向上する。

ABSTRACT

Orbital angular momentum (OAM) at radio frequency (RF) provides a novel approach of multiplexing a set of orthogonal modes on the same frequency channel to achieve high spectrum efficiencies. However, there are still big challenges in the multi-mode OAM generation, OAM antenna alignment and OAM signal reception. To solve these problems, we propose an overall scheme of the line-of-sight multi-carrier and multi-mode OAM (LoS MCMM-OAM) communication based on uniform circular arrays (UCAs). First, we verify that UCA can generate multi-mode OAM radio beam with both the RF analog synthesis method and the baseband digital synthesis method. Then, for the considered UCA-based LoS MCMM-OAM communication system, a distance and AoA estimation method is proposed based on the two-dimensional ESPRIT (2-D ESPRIT) algorithm. A salient feature of the proposed LoS MCMM-OAM and LoS MCMM-OAM-MIMO systems is that the channel matrices are completely characterized by three parameters, namely, the azimuth angle, the elevation angle and the distance, independent of the numbers of subcarriers and antennas, which significantly reduces the burden by avoiding estimating large channel matrices, as traditional MIMO-OFDM systems. After that, we propose an OAM reception scheme including the beam steering with the estimated AoA and the amplitude detection with the estimated distance. At last, the proposed methods are extended to the LoS MCMM-OAM-MIMO system equipped with uniform concentric circular arrays (UCCAs). Both mathematical analysis and simulation results validate that the proposed OAM reception scheme can eliminate the effect of the misalignment error of a practical OAM channel and approaches the performance of an ideally aligned OAM channel.

研究の動機と目的

• 実用的な視線ラインOAM無線システムにおける多重モードOAM波の生成、アライメント、受信の課題に対処すること。
• OAMチャネルのパrametric構造を活用することで、OAMベースのシステムにおける訓練オーバーヘッドとチャネル推定の複雑さを低減すること。
• 送信受信UCAの不整合が引き起こす性能劣化を、適応的ビームステアリングとアンプリチュード検出により低減すること。
• スペクトル効率を向上させるために、提案手法をUCCAベースのLoS MCMM-OAM-MIMOシステムに拡張すること。
• 提案された受信方式が、理想に近いアライメントOAMチャネルと同等の性能を達成することを検証すること。

提案手法

• RFアナログおよびベースバンドデジタル合成法の両方を用いて、均一円形アレイ（UCAs）により多重モードOAM波を生成する。
• 2次元ESPRITアルゴリズムを適用し、受信側の方位角および仰角の到着角（AoA）および送信元までの距離を同時に推定する。
• OAMチャネルを方位角、仰角、距離の3パラメータのみの関数としてモデル化することで、サブキャリアやアンテナ数に依存しない低複雑度のチャネル特徴化を可能にする。
• 2段階の受信方式を実装：推定されたAoAを用いたビームステアリングと、推定された距離を用いたアンプリチュード検出により、モード間干渉を抑制する。
• 多入力多出力（MIMO）OAMシステム向けに、均一同心円アレイ（UCCAs）へのフレームワークの拡張を実施する。
• ビームステアリング下で有効OAMチャネル行列が対角行列として得られることを導出することで、単純なアンプリチュード検出とほぼ理想に近い性能を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UCAベースのシステムは、アナログおよびデジタルビームフォーミングを併用することで、複数のOAMモードを同時に生成可能か？
• RQ2 限られた訓練シンボル数のもとで、2次元ESPRITアルゴリズムは多重モードOAMシステムにおいてAoAおよび距離をどの程度正確に推定できるか？
• RQ3 推定されたAoAおよび距離を用いたビームステアリングにより、UCAの不整合に起因するモード間干渉はどの程度低減されるか？
• RQ4 スペクトル効率およびビット誤り率の観点から、提案された受信方式は理想のOAMアライメントと比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ5 提案手法は、UCCAベースのMCMM-OAM-MIMOシステムに効果的に拡張可能であり、従来のMIMO-OFDMを上回る性能を発揮できるか？

主な発見

• UCAベースのシステムは、RFアナログおよびベースバンドデジタル合成法を用いて、多重モードOAM波の生成に成功し、多重モード励起の実現可能性を確認した。
• 2次元ESPRITアルゴリズムにより、訓練シンボルの割り当てを柔軟に制御できるため、AoAおよび距離の推定誤差が低減され、高精度な同時推定が可能となった。
• 提案されたビームステアリングおよびアンプリチュード検出方式により、不整合に起因するモード間干渉が効果的に低減され、理想に近いアライメントOAMチャネルと同等の性能を達成した。
• 提案された受信方式（ビームステアリング＋アンプリチュード検出）におけるスペクトル効率は、完全にアライメントされたOAMシステムに近づき、特に8モードではなく4モードを使用する場合に顕著に向上した。
• UCCAベースのLoS MCMM-OAM-MIMOシステムは、従来のMIMO-OFDMと比較して、訓練オーバーヘッドが著しく削減されたことにより、約20％高いスペクトル効率を達成した。
• 推定に4つのOAMモード（ℓ = -2,-1,0,+1）を用いることで、8モードを用いる場合よりも高いスペクトル効率が得られ、訓練オーバーヘッドの低減が推定誤差の増大を上回った。