[논문 리뷰] Multi-mode OAM Radio Waves: Generation, Angle of Arrival Estimation and Reception With UCAs

Rui Chen, Wen-Xuan Long외 2명|ArXiv.org|2020. 07. 02.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 모드 오비탈 각운동량(OAM) 파장을 생성하고, 정확한 도래각(AoA) 및 거리 추정, 강인한 수신을 가능하게 하는 UCA 기반의 선로직 다중대역 다중모드 OAM(LoS MCMM-OAM) 통신 시스템을 제안한다. 2차원 ESPRIT를 사용해 도래각과 거리를 동시 추정한 후, 비례 조정 및 진폭 검출을 수행함으로써, 잘못된 정렬 조건에서도 거의 이상적인 성능을 달성하며, 기존 MIMO-OFDM 대비 훨씬 적은 교육 기간 기반의 스펙트럼 효율성이 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 선로직 OAM 무선 시스템에서 다중 모드 OAM 파장의 생성, 정렬, 수신 과제를 해결하기 위해.
• OAM 채널의 매개변수적 구조를 활용해 OAM 기반 시스템의 교육 오버헤드와 채널 추정 복잡도를 감소시키기 위해.
• 송신-수신 UCA의 정렬 오차로 인한 성능 저하를 보완하기 위해 적응형 비례 조정 및 진폭 검출을 통해 보완하기 위해.
• 향상된 스펙트럼 효율성을 확보하기 위해 제안된 기반 기술을 균일 농원형 배열(UCCA) 기반의 선로직 다중대역 다중모드 OAM-MIMO 시스템으로 확장하기 위해.
• 제안된 수신 기반 기술이 이상적으로 정렬된 OAM 채널 성능에 근접함을 검증하기 위해.

제안 방법

• RF 아날로그 및 베이스밴드 디지털 합성 방법을 모두 활용해 균일 원형 배열(UCAs)을 사용해 다중 모드 OAM 파장을 생성한다.
• 2차원 ESPRIT 알고리즘을 적용해 도래각의 수평 및 수직 각도(AoA)와 송신기까지의 거리를 동시 추정한다.
• OAM 채널을 수평 각도, 수직 각도, 거리의 세 가지 매개변수 함수로 모델링하여, 부채널 및 안테나의 영향 없이 저복잡도의 채널 특성화를 가능하게 한다.
• 이중 단계 수신 기반 기술을 구현: 추정된 AoA를 기반으로 한 비례 조정과 추정된 거리를 기반으로 한 진폭 검출을 통해 다중 모드 간 간섭을 억제한다.
• 다중 입력 다중 출력(MIMO) OAM 시스템을 위해 균일 농원형 배열(UCCAs)로 프레임워크를 확장한다.
• 비례 조정 하에서 효과적 OAM 채널 행렬이 대각행렬임을 도출함으로써, 단순한 진폭 검출과 거의 이상적인 성능을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UCA 기반 시스템은 아날로그 및 디지털 비례 조정을 모두 활용해 다중 OAM 모드를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 제한된 교육 기간 기반의 다중 모드 OAM 시스템에서 2차원 ESPRIT 알고리즘이 AoA 및 거리 추정을 얼마나 정확하게 수행할 수 있는가?
• RQ3 추정된 AoA 및 거리 기반의 비례 조정이 UCA 정렬 오차로 인한 다중 모드 간섭을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 제안된 수신 기반 기술은 스펙트럼 효율성 및 비트 오류율 측면에서 이상적으로 정렬된 OAM 채널과 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ5 제안된 방법은 UCCA 기반의 MCMM-OAM-MIMO 시스템으로 효과적으로 확장되어 기존 MIMO-OFDM를 능가할 수 있는가?

주요 결과

• UCA 기반 시스템은 RF 아날로그 및 베이스밴드 디지털 합성 방식을 모두 활용해 다중 모드 OAM 파장을 성공적으로 생성하여 다중 모드 자극의 실현 가능성을 확인한다.
• 2차원 ESPRIT 알고리즘이 교육 기간 기반 유연한 할당을 통해 정확한 AoA 및 거리 동시 추정을 가능하게 하여 추정 오차를 감소시킨다.
• 제안된 비례 조정 및 진폭 검출 기반 기술이 정렬 오차로 인한 다중 모드 간섭을 효과적으로 제거하며, 이상적으로 정렬된 OAM 채널 성능에 근접한 성능을 달성한다.
• 제안된 수신 기반 기술(비례 조정 + 진폭 검출)을 사용한 스펙트럼 효율성이 이상적으로 정렬된 OAM 시스템에 근접하며, 특히 8개 대신 4개의 OAM 모드를 사용할 경우 더욱 두드러진다.
• UCCA 기반의 선로직 MCMM-OAM-MIMO 시스템은 기존 MIMO-OFDM 대비 약 20% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다. 이는 극적으로 감소한 교육 오버헤드 덕분이다.
• 추정을 위해 4개의 OAM 모드(ℓ = -2,-1,0,+1)만 사용할 경우, 8개 모드를 사용하는 것보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 확보한다. 이는 교육 오버헤드 감소 효과가 추정 정확도 저하를 상쇄하기 때문이다.