[논문 리뷰] N-tupling the capacity of each polarization state in radio links by using electromagnetic vorticity

Fabrizio Tamburini, B. Thidé외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 21.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 라디오 주파수 대역에서 궤도 각운동량(OAM) 상태를 사용하여 극화 상태당 용량을 N배로 증가시키는 것을 처음으로 실험적으로 입증한다. 비틀린 파arabolic 안테나를 사용하여 동일 주파수와 극화 상태에서 세 개의 독립적 OAM 비트(ℓ = +1, 0, -1)를 100미터 거리에서 전송하고, 아날로그 후처리를 통해 오류 없는 멀티플렉싱을 실현하였으며, 각 비트당 최대 171 Mbit/s의 데이터 전송 속도를 달성하였다. 이는 실용적인 라디오 통신 시스템에서 OAM 기반 공간 멀티플렉싱의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The congestion of the radio frequency bands imposes serious limitations on the capacity and capability of modern wireless information infrastructures. One approach to enable frequency re-use is to exploit other physical conserved quantities of the electromagnetic fields, such as the orbital angular momentum (OAM) in addition to linear momentum, which is exploited in present-day telecommunications. Whereas in the optical regime the increase of channel capacity by using OAM states was demonstrated recently, the receiving antennas in commercial radio links have a much smaller extent than the transmitted beam, making the signal reception and characterization of the OAM state demanding. Moreover, radio data transmission with more than two channels per polarization state at the same frequency for radio links is known to be notoriously difficult to realize even with multiport techniques, long antenna baselines and digital post-processing. Here we report results from an outdoor, proof of concept experiment where the physical properties of OAM states were used to transfer information, using far-field multiplexing/demultiplexing of three coexisting collinear, vertically polarized and mutually independent OAM radio beams, opening new perspectives in wireless telecommunications.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 혼잡을 해소하기 위해 전자기 소용권과 궤도 각운동량(OAM)을 추가적인 다중화 자유도로 활용함으로써 라디오 주파수 대역에서의 용량을 증가시키는 것.
• 실제 라디오 링크에서 동일 주파수와 극화 상태에서 다수의 OAM 상태(N > 2)를 동시에 전송하고 수신할 수 있음을 입증하는 것.
• 유한한 안테나 개구구역을 가진 실용적인 조건에서, OAM 기반 공간 멀티플렉싱의 실현 가능성을 검증하는 것.

제안 방법

• 상태 수치 ℓ = +1, 0, -1를 가진 OAM 비트를 생성하고 수신하기 위해 비틀린 파라볼릭 안테나를 사용하여 모드별로 특화된 전송 및 수신을 가능하게 하였다.
• 신호 대 잡음비를 향상시키고 다중모드 간 간섭을 억제하기 위해 위상 이동기와 정적 상쇄 회로를 포함한 아날로그 후처리 기법을 적용하였다.
• 교차 방향 조절 전략을 통해 간섭을 최소화함: 수신기의 OAM 수신부를 간섭 비트의 복합체(도넛 중심) 영역을 피하도록 정렬함.
• 송신기의 출력 전력을 校정하고, 감쇠기를 사용하여 각 수신기에서 세 OAM 모드의 수신 신호 강도를 균형 있게 유지함.
• 데이터 스루풋과 오류 성능 평가를 위해 4-QAM 및 1024-QAM 171 Mbit/s 변조 방식을 사용함.
• 이중 및 삼중 링크 실험을 실시하여 실제 환경 조건에서 OAM 비트 간의 직교성과 분리도를 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 외부 링크에서 N > 2인 경우, 라디오 주파수 대역에서 극화 상태당 용량을 N배로 증가시키기 위해 OAM 상태를 활용할 수 있는가?
• RQ2 수신기가 비트의 소수에 불과한 부분만 수신할 경우, 동일 주파수와 극화 상태에서 다수의 OAM 비트를 사용하여 신뢰성 있고 오류 없는 통신을 구현하는 것이 가능한가?
• RQ3 안테나의 정렬성, 비트 조준, 아날로그 후처리의 조합이 공존하는 OAM 비트 간 다중모드 간섭을 억제하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 유한한 개구구역을 가진 안테나와 완벽하지 않은 정렬 조건을 가진 실세계 라디오 시스템에서 OAM 모드의 내재된 직교성을 얼마나 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ5 실용적인 하드웨어와 신호 처리 조건에서 OAM 멀티플렉싱을 양방향 고속 통신 시스템으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 단순한 아날로그 후처리만으로도 17.128 GHz에서 100미터 거리에서 안정적인 삼중 OAM 비트 링크(ℓ = +1, 0, -1)를 성공적으로 구현하였으며, 오류 없는 전송을 달성하였다.
• 각 OAM 비트는 4-QAM 변조를 사용하여 약 11 Mbit/s의 속도로 데이터를 전송하였으며, ℓ = 0 비트는 간섭 제거 후 16-QAM 및 56 MHz 대역폭을 달성하였다.
• 양방향 링크에서는 각 OAM 채널에 1024-QAM을 적용하여 총 스루풋을 436 Mbit/s로 확보하였으며, 두 개의 동시에 전송된 OAM 전송이 각각 2 × 171 Mbit/s의 속도를 기록하였다.
• 감쇠기와 전력 보정을 통해 세 비트의 수신 전력 수준을 균형 있게 유지함으로써, 비트 패atters와 이득의 차이에도 불구하고 신뢰성 있는 검출이 가능해졌다.
• ℓ = 0 비트에서 잔류 간섭은 정적 상쇄 회로를 통해 효과적으로 억제되었으며, 이는 유한한 안테나 개구구역으로 인해 완전한 모드 직교성이 확보되지 않을 경우 이러한 기법이 반드시 필요함을 확인시켰다.
• 결과적으로 OAM 비트는 실세계 시나리오에서 수신부가 비트의 소수만 수신하는 경우에도 라디오 통신의 물리 계층 멀티플렉싱 기법으로 사용될 수 있음을 확인하였다.