[论文解读] Orbital Angular Momentum for Wireless Communications

Wenchi Cheng, Wei Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2018

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文提出将轨道角动量（OAM）模式作为无线通信中多用户接入的新正交维度，利用OAM模式的正交性实现无干扰复用。仿真结果表明，基于OAM的传输显著提升了频谱效率，尤其是在使用多个OAM模式时；同时指出了在毫米波频段中波束会聚、模式估计和资源分配方面的挑战。

ABSTRACT

As the traditional resources (frequency, time, space, etc.) are efficiently utilized, it becomes more and more challenging to satisfy the ever-lasting capacity-growing and users-boosting demand in wireless networks. Recently, the electromagnetic (EM) wave was found to possess not only linear momentum, but also angular momentum. The orbital angular momentum (OAM) is a kind of wavefront with helical phase. The OAM-based vortex wave has different topological charges, which are orthogonal to each other, bridging a new way for multiple access in wireless communications. In this article, we introduce the fundamental theory of OAM and the OAM based wireless communications. The research challenges regarding OAM signal generation, OAM beam converging, and OAM signal reception are discussed. Further, we propose a new multiuser access with different OAM-modes in wireless networks, where multiple OAM-modes are used as a new orthogonal dimension for interference avoidance. Simulation results reveal the inherent property of OAM waves and show that OAM based radio transmission can significantly increase the spectrum efficiency in wireless networks.

研究动机与目标

• 探究将轨道角动量（OAM）模式作为无线网络中新型正交资源用于多用户接入的可行性。
• 分析OAM信号生成、波束会聚和接收过程中在实际部署中面临的技术挑战。
• 评估在两层无线网络中基于OAM的多用户接入在频谱效率方面的增益。
• 提出一种联合OAM与大规模MIMO的框架，用于毫米波通信，以最大化频谱效率。
• 识别关键技术挑战，如OAM模式可用性有限、信道估计算法开销大以及模式对准误差。

提出的方法

• 本文将OAM模式建模为具有螺旋相位前驱的电磁波，其调制形式为exp(ilφ)，其中l为拓扑荷数，从而实现正交复用。
• 提出一种多用户接入框架，为不同用户分配不同的OAM模式，以实现无干扰传输。
• 作者在两层网络中仿真了基于OAM的传输，将频谱效率与传统FDMA在不同用户密度下进行对比。
• 针对毫米波频段，提出一种联合OAM与大规模MIMO的框架，以实现频谱效率的乘法增益。
• 分析了抛物面天线和双焦点透镜天线等波束会聚技术，以减小波束展宽并提高信噪比（SNR）。
• 采用圆形矩阵对均匀圆形阵列（UCA）天线的信道估计进行建模，以简化估计过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 OAM模式能否在无线网络中有效用作多用户接入的新正交维度？
• RQ2 在不同用户密度下，基于OAM的多用户接入频谱效率与传统FDMA相比如何？
• RQ3 在实际无线系统中，OAM信号的生成、传输和接收面临哪些关键技术挑战？
• RQ4 如何将OAM模式与频率、时间或空间复用结合以进一步提升频谱效率？
• RQ5 波束展宽和相位误差对OAM信号检测及系统性能有何影响？

主要发现

• 随着OAM模式数量的增加，频谱效率显著提升，尤其在高用户密度下优于传统FDMA。
• 当用户密度超过1.0个用户/平方米时，使用四个OAM模式的频谱效率远高于仅使用一个OAM模式。
• 由于OAM模式具有固有的正交性，使用OAM模式可实现无干扰传输，从而降低用户间干扰。
• 波束会聚技术如抛物面天线和双焦点透镜可减小波束展宽并提高信噪比（SNR），尤其在70 GHz等高频段表现更优。
• 在毫米波频段中，联合OAM与大规模MIMO可实现超越传统大规模MIMO的频谱效率乘法增益。
• 信道估计算法仍是一大挑战，主要源于OAM模式信道数量庞大以及信号传播过程中相位前驱的畸变。