[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种基于UCA的视 Line-of-Sight 多载波多模式轨道角动量（LoS MCMM-OAM）通信系统，可实现多模式OAM波的生成、精确的到达角（AoA）与距离估计，以及鲁棒的接收。采用二维ESPRIT算法联合估计AoA与距离，随后进行波束成形与幅度检测，即使在对准误差下仍能实现接近理想性能，与传统MIMO-OFDM相比，使用更少的训练符号显著提升了频谱效率。

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.

研究动机与目标

• 解决实际LoS OAM无线系统中多模式OAM波的生成、对准与接收所面临的挑战。
• 通过利用OAM信道的参数化结构，降低OAM系统中的训练开销与信道估计复杂度。
• 通过自适应波束成形与幅度检测，缓解因发射-接收UCA对准误差导致的性能下降。
• 将所提方案扩展至基于UCCA的LoS MCMM-OAM-MIMO系统，以提升频谱效率。
• 验证所提接收方案在性能上可接近理想对准的OAM信道。

提出的方法

• 使用均匀圆形阵列（UCAs）通过射频模拟与基带数字合成两种方法生成多模式OAM波。
• 应用二维ESPRIT算法，联合估计到达方向（AoA）的方位角与俯仰角及与发射机的距离。
• 将OAM信道建模为仅依赖于三个参数——方位角、俯仰角与距离的函数，实现与子载波和天线无关的低复杂度信道表征。
• 实施两阶段接收方案：利用估计的AoA进行波束成形，利用估计的距离进行幅度检测，以抑制模式间干扰。
• 将框架扩展至均匀同心圆形阵列（UCCAs），用于多输入多输出（MIMO）OAM系统。
• 推导出在波束成形下有效OAM信道矩阵为对角矩阵，从而实现简单的幅度检测并达到近似理想性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于UCA的系统能否同时使用模拟与数字波束成形生成多个OAM模式？
• RQ2 在训练符号有限的多模式OAM系统中，二维ESPRIT算法对AoA与距离的估计精度如何？
• RQ3 利用估计的AoA与距离进行波束成形，能在多大程度上减轻因UCA对准误差引起的模式间干扰？
• RQ4 所提接收方案在频谱效率与误比特率方面与理想OAM对准相比表现如何？
• RQ5 所提方法能否有效扩展至基于UCCA的MCMM-OAM-MIMO系统，以超越传统MIMO-OFDM？

主要发现

• 基于UCA的系统成功通过射频模拟与基带数字合成两种方式生成多模式OAM波，证实了多模式激励的可行性。
• 二维ESPRIT算法可实现AoA与距离的高精度联合估计，且训练符号分配灵活，有效降低估计误差。
• 所提波束成形与幅度检测方案能有效消除因对准误差引起的模式间干扰，性能接近理想对准的OAM信道。
• 采用所提接收方案（波束成形 + 幅度检测）的频谱效率趋近于完美对准的OAM系统，尤其在使用4个OAM模式而非8个时表现更优。
• 基于UCCA的LoS MCMM-OAM-MIMO系统相较于传统MIMO-OFDM，频谱效率提高约20%，主要得益于训练开销的大幅降低。
• 仅使用4个OAM模式进行估计（ℓ = -2,-1,0,+1）的频谱效率优于使用8个模式，因训练开销的减少超过了估计不准确的影响。