[论文解读] N-tupling the capacity of each polarization state in radio links by using electromagnetic vorticity

Fabrizio Tamburini, B. Thidé+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2013

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 15被引用 9

一句话总结

该论文首次在射频波段实验性地展示了利用轨道角动量（OAM）态实现每极化态容量的N重倍增，用于无线射频链路。通过使用螺旋抛物面天线在相同频率和极化下同时传输三个独立的OAM波束（ℓ = +1, 0, -1），并在100米距离上进行模拟后处理，作者实现了每波束高达171 Mbit/s的数据速率且无误码的复用，证明了OAM基空间复用在实际无线通信系统中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 通过利用电磁涡旋和轨道角动量（OAM）作为复用的额外自由度，克服射频频段的频谱拥塞问题。
• 证明在真实世界射频链路中，可在相同频率和极化下同时传输和接收多个OAM态（N > 2）。
• 验证在有限天线孔径条件下，OAM基空间复用在远场、室外无线通信中的实际可行性。

提出的方法

• 使用螺旋抛物面天线生成和检测具有拓扑荷ℓ = +1, 0, -1的OAM波束，实现模式特定的发射与接收。
• 采用模拟后处理技术，包括移相器和静态对消电路，以提升信噪比并抑制模式间串扰。
• 实施交叉对准策略以最小化串扰：将OAM接收机对准以避开干扰波束的辐射零点（甜甜圈中心）。
• 校准发射机功率电平，并使用衰减器平衡每个接收机处所有三个OAM模式的接收信号强度。
• 采用4-QAM和171 Mbit/s的1024-QAM调制方案评估吞吐量和误码性能。
• 开展双链路和三链路实验，以在真实世界条件下验证OAM波束之间的正交性和隔离度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用OAM态在射频频段实现每极化态容量的N重倍增（N > 2），且在实际室外链路中实现？
• RQ2 当接收机仅捕获波束的小部分时，仅使用极小部分波束能量，是否仍可实现使用相同频率和极化下多个OAM波束的可靠、无误码通信？
• RQ3 在共存OAM波束之间，波束方向性、波束对准与模拟后处理相结合，在抑制模式间串扰方面的有效性如何？
• RQ4 在有限孔径天线和对准不完美的真实无线电系统中，OAM模式的固有正交性在多大程度上可被有效利用？
• RQ5 OAM复用能否扩展至使用实际硬件和信号处理的双向、高吞吐量通信系统？

主要发现

• 实验成功在100米距离、17.128 GHz频率下，仅通过简单的模拟后处理，实现了稳定的三波束OAM链路（ℓ = +1, 0, -1），实现无误码传输。
• 每个OAM波束使用4-QAM调制，数据速率约为11 Mbit/s；ℓ = 0波束经串扰消除后，采用16-QAM调制，带宽达56 MHz。
• 双向链路通过在每个OAM信道上使用1024-QAM，总吞吐量达到436 Mbit/s，实现两个同时传输的OAM波束，每波束速率2 × 171 Mbit/s。
• 通过使用衰减器和功率校准，确保所有三个波束在接收端的功率电平均衡，从而在波束图和增益差异下仍能实现可靠检测。
• 通过静态对消电路有效抑制了ℓ = 0波束上的残留串扰，证实当因有限天线孔径导致无法实现完全模式正交性时，此类技术的必要性。
• 结果表明，即使仅接收波束的极小部分（典型真实场景），OAM波束仍可作为物理层复用技术用于无线电通信。