軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的研究

鄭鳳，陳藝戩，冀思偉，段高明，郁光輝

（1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；2.網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；3.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055；4.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

1 引言

雖然無線通信技術(shù)目前已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度，但其一直是以信號(hào)的頻率、相位、幅度等形式利用電磁波輻射的線性動(dòng)量承載信息傳輸?shù)?。即使是考慮多天線進(jìn)一步利用多發(fā)多收特性來進(jìn)行空間復(fù)用，也仍然只是線動(dòng)量的一些組合利用，一些更前沿的研究正在關(guān)注采用最新的角動(dòng)量技術(shù)來擴(kuò)展無線通信的維度或者提升現(xiàn)有維度的效率。

根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，電磁輻射實(shí)際上還可以攜帶角動(dòng)量。角動(dòng)量分為兩部分，分別是自旋角動(dòng)量（SAM,spin angular momentum）和描述螺旋相位結(jié)構(gòu)的軌道角動(dòng)量（OAM,orbital angular momentum）。如表1 所示，不同于電磁波輻射的線性動(dòng)量（LM,linear momentum），角動(dòng)量有著完全不同的性質(zhì)。因此利用角動(dòng)量的通信技術(shù)與利用線性動(dòng)量的通信技術(shù)存在明顯區(qū)別。

OAM 作為電磁波所攜帶的角動(dòng)量的一種，是微觀粒子沿傳播方向做圓周運(yùn)動(dòng)形成的，與粒子的空間分布有關(guān)，宏觀表現(xiàn)為攜帶波前相位因子exp(ilφ)（l表示OAM 模態(tài)，φ表示發(fā)射相位角）[1-2]的渦旋波束。OAM 模態(tài)表示繞光束閉合環(huán)路一周線積分為2π 整數(shù)倍的個(gè)數(shù)。不同整數(shù)模態(tài)值的渦旋波束之間是相互正交的，因此兩束不同模態(tài)的渦旋波可以獨(dú)立地傳播。理論上同一頻率的電磁波擁有無窮多種模式，且攜帶不同本征模式的OAM 波束之間相互正交。因此基于OAM 的無線通信理論上在同頻率波段可以傳輸無窮多信息。

目前，偏振和極化已經(jīng)在通信中被廣泛應(yīng)用。近年來，利用電磁波傳輸軌道角動(dòng)量進(jìn)行無線通信越來越受到人們的關(guān)注，其增加信道容量的潛力也得到了廣泛的探索。2011 年，科學(xué)家們首次利用渦旋電磁波不同模式在同一頻率的條件下進(jìn)行無線通信，并取得了成功，作為一項(xiàng)新型無線通信技術(shù)，該技術(shù)被《自然》[3-4]譽(yù)為具有革命性的創(chuàng)新技術(shù)。

本文首先介紹了基于OAM 復(fù)用的基本原理，回顧了OAM 技術(shù)的發(fā)展歷程以及在無線通信中的應(yīng)用進(jìn)展，然后對(duì)OAM 與多輸入多輸出（MIMO,multiple input multiple output）的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了無線通信中OAM 波束的產(chǎn)生與接收方法，分析了OAM 用于無線通信的主要技術(shù)問題，最后對(duì)OAM 通信的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 OAM 基本原理及發(fā)展

2.1 OAM 模態(tài)

攜帶軌道角動(dòng)量的電磁波可以采用螺旋相位前端和環(huán)形的強(qiáng)度分布這2 個(gè)主要的特征來進(jìn)行描述。如圖1 所示，考慮一個(gè)圓柱坐標(biāo)系(ρ,φ,z)，依次表示徑向距離、方位角、高度。

圖1 圓柱坐標(biāo)系(ρ,φ,z)

圓柱坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系的換算關(guān)系為ρ=rcos?，y=rcos?，z=z。假設(shè)z為固定值，那么電場(chǎng)可以描述為

其中，A(ρ)為幅度函數(shù)，可以表征為l階貝塞爾函數(shù)形式；exp(ilφ)為螺旋相位的前端，l為本征值。不同的OAM 模式對(duì)應(yīng)不同的l取值，l的絕對(duì)值越大，說明螺旋的旋轉(zhuǎn)速度越快。一個(gè)顯著特點(diǎn)是l≠ 0的情況，電磁波的相位分布沿著傳播方向呈現(xiàn)螺旋上升形態(tài)，如圖2 所示。

圖2 OAM 電磁波與常規(guī)球面電磁波

攜帶軌道角動(dòng)量的電磁波有以下基本性質(zhì)。1) 理論上OAM 本征值可以取任意離散值，一般使用具有整數(shù)階的本征模數(shù)，非整數(shù)階OAM 模態(tài)可用傅里葉級(jí)數(shù)展開為整數(shù)階OAM 模態(tài)疊加，不同本征模數(shù)的OAM 模態(tài)正交；2) 渦旋波束中心區(qū)域場(chǎng)值為0，稱為空區(qū)或暗區(qū)，能量主要集中在以波束傳播軸向?yàn)橹行牡膱A環(huán)區(qū)域上；3) 隨傳播距離增大，波束逐漸發(fā)散，圓環(huán)區(qū)域半徑擴(kuò)大，呈現(xiàn)為一個(gè)逐漸擴(kuò)大的中空錐形；4) OAM 的模數(shù)越大，渦旋波束發(fā)散角度越大。

表1 OAM 調(diào)制與LM 調(diào)制的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 OAM 無線通信技術(shù)最新發(fā)展

隨著對(duì)光學(xué)OAM 研究的深入，人們開始將光學(xué)OAM 的研究方法逐步應(yīng)用到無線電波領(lǐng)域，即射頻電磁波。與光通信相比，射頻電磁波生成和應(yīng)用軌道角動(dòng)量較困難，并且OAM 波束發(fā)散導(dǎo)致射頻波段在自由空間中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸較困難。

2010 年，Mohammadi 等[5]詳細(xì)分析了利用均勻圓形天線陣列（UCA,uniform circular array）產(chǎn)生和檢測(cè)不同模態(tài)的OAM 電磁波。接收端采用與發(fā)射端OAM 模式相反的接收天線從空間接收整個(gè)環(huán)形波束能量，發(fā)射的OAM 電磁波被接收天線相位補(bǔ)償后變?yōu)槌Ｒ?guī)平面電磁波，由于不同模式的OAM 電磁波環(huán)形波束半徑隨模式數(shù)正比例增大，通過空分方式即可分離出相位補(bǔ)償后的常規(guī)電磁波。這種全空域接收方法是從光學(xué)OAM 借鑒而來的。

2011 年，Tamburini 等[6]利用7 陣子的八木天線在2.4 GHz 頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波OAM 的產(chǎn)生與檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)同樣對(duì)非整數(shù)OAM 電磁波的產(chǎn)生與測(cè)量進(jìn)行了驗(yàn)證，并在距離為442 m 的威尼斯湖面上實(shí)現(xiàn)了兩路不同OAM 電磁波的通信。該實(shí)驗(yàn)說明，利用OAM 電磁波可以在同一個(gè)頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多路傳輸，從而極大提高通信效率。

由于采用圓形天線陣列產(chǎn)生OAM 電磁波的方式需要復(fù)雜的饋線網(wǎng)絡(luò)，2012 年，Tennant 等[7]提出了一種等效的圓形天線陣列饋電方式。2013 年，Mahmouli 等[8]分別采用螺旋相位板和全息幅度板2種方式產(chǎn)生OAM 模態(tài)，并在60 GHz 頻點(diǎn)、400 m距離上實(shí)現(xiàn)了4 Gbit/s 視頻信號(hào)的傳輸。

中國高校在該研究方向上也取得了很大的進(jìn)展。從2013 年開始，浙江大學(xué)發(fā)表了多篇OAM 天線的論文，研制了多種獨(dú)創(chuàng)的小尺寸、高性能射頻OAM 天線，包括圓形行波天線[9]、基片集成波導(dǎo)天線[10]、介質(zhì)諧振天線[11]及金屬環(huán)形諧振器縫隙天線[12]。近幾年來，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了二維平面螺旋軌道角動(dòng)量（PSOAM,plane spiral orbital angular momentum）波束的新概念[13]，并提出了部分孔徑接收方案[14]。2016—2019 年，西安電子科技大學(xué)在OAM 調(diào)制與編碼以及長(zhǎng)距離通信領(lǐng)域[15-17]做了大量研究工作，結(jié)合MIMO實(shí)現(xiàn)了高頻譜效率[16]，為了進(jìn)一步減小波束發(fā)散角，該團(tuán)隊(duì)提出特殊的OAM 序列設(shè)計(jì)方案[17]，采用類似于波束成形的方法解決了OAM 波束發(fā)散角的問題。2017 年，華中科技大學(xué)研究了OAM 信道容量[18]，并提出基于軌道角動(dòng)量的空間調(diào)制（OAM-SM,orbital angular momentum spatial modulation）傳輸方案[19]，分析了能量效率、接收復(fù)雜度和平均誤碼率性能，并在能量效率上對(duì)比了基于軌道角動(dòng)量的多輸入多輸出（OAM-MIMO,orbital angular momentum-multiple input multiple output）毫米波通信系統(tǒng)，所提的OAM-SM 方案具有抗路徑損耗衰減能力，適合于長(zhǎng)距離傳輸。2017—2019 年，上海交通大學(xué)在OAM共軸多模式發(fā)射天線領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)[20-23]，該團(tuán)隊(duì)提出基于渦旋電磁波饋源的反射面天線的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)生帶有4 個(gè)OAM 模態(tài)的電磁波，實(shí)現(xiàn)高階模態(tài)和低階模態(tài)發(fā)散角的一致，為長(zhǎng)距離共軸接收提供了巨大的幫助。清華大學(xué)航電實(shí)驗(yàn)室研究了采用OAM 域映射到第二頻域的方法，2016 年12 月完成世界首次27.5 km 長(zhǎng)距離OAM 電磁波傳輸實(shí)驗(yàn)[24-25]，并提出聯(lián)合OAM 編碼調(diào)制方法[26]、聯(lián)合OAM 維度建立歐氏空間[27]。2018 年，該團(tuán)隊(duì)相繼實(shí)現(xiàn)了從十三陵水庫到清華大學(xué)的30.6 km 長(zhǎng)距離4 模式索引調(diào)制OAM 傳輸和172 km 長(zhǎng)距離OAM部分相位面接收實(shí)驗(yàn)，為未來長(zhǎng)距離OAM 電磁波空間傳輸實(shí)驗(yàn)（100～400 000 km）奠定了關(guān)鍵理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

日本內(nèi)政和通信部（MIC,Ministry of Interior and Communications）委托日本電氣股份有限公司（NEC,Nippon Electronic Company）和日本移動(dòng)通信公司（NTT,Nippon Telegraph and Telephone Corporation）等多家單位聯(lián)合推廣OAM 在5G 和B5G 的工程化推進(jìn)。2018 年12 月，NEC 首次成功演示了在80 GHz 頻段內(nèi)，超過40 m 的OAM 模態(tài)復(fù)用實(shí)驗(yàn)（采用256QAM 調(diào)制、8 個(gè)OAM 模態(tài)復(fù)用），其主要面向于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的回程應(yīng)用。NTT 在2018 年和2019 年成功演示了OAM 模態(tài)的11 路復(fù)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)在10 m 的傳輸距離下達(dá)到100 Gbit/s 的傳輸速率[28-29]。2019 年，韓國科學(xué)院面向未來無線通信應(yīng)用，將OAM 應(yīng)用于6G 移動(dòng)通信中，同時(shí)也制定了關(guān)于OAM 量子態(tài)傳輸?shù)膰壹?jí)重點(diǎn)課題，計(jì)劃支持到2026 年。

2019 年，我國工業(yè)與信息化部召開第六代移動(dòng)通信工作研討會(huì)，將軌道角動(dòng)量作為六項(xiàng)6G 備選關(guān)鍵技術(shù)之一，列入國家未來三年重點(diǎn)研究計(jì)劃，并成立了相應(yīng)的OAM 技術(shù)任務(wù)組。

3 OAM 和MIMO 的關(guān)系

近年來，在OAM 技術(shù)的迅速發(fā)展過程中，其與MIMO 技術(shù)的關(guān)系存在著一些爭(zhēng)議。主要爭(zhēng)議在于OAM 是否提供了一個(gè)全新的維度，基于OAM的無線通信是否是MIMO 的一種特例，OAM 與MIMO 之間到底是什么關(guān)系。在經(jīng)過大量的討論后，目前已經(jīng)趨于明朗。OAM 可以分為兩大類，一類稱為量子軌道角動(dòng)量（q-OAM,quantum-orbital angular momentum），另一類稱為合成軌道角動(dòng)量（s-OAM,synthetic-orbital angular momentum）。前者的研究進(jìn)展相對(duì)較小，從量子學(xué)的角度看，電磁波發(fā)送時(shí)，已經(jīng)具備了不同模態(tài)的軌道角動(dòng)量。傳統(tǒng)的天線無法生成具有各種模態(tài)的OAM 電磁波，也無法在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。實(shí)現(xiàn)基于q-OAM 的傳輸需要新型的量子天線，這樣才能提供一個(gè)無線通信的全新維度，但是目前這方面還面臨很多的挑戰(zhàn)。前面介紹的進(jìn)展都是屬于s-OAM 的范疇，其發(fā)出的電磁波經(jīng)過相位的改變后形成了渦旋形態(tài)的波束，實(shí)際上可以理解為一種特殊的波束成形。OAM 子類與MIMO 的關(guān)系如表2 所示。

表2 OAM 子類與MIMO 的關(guān)系

目前，MIMO 技術(shù)中經(jīng)典的波束形狀并不是渦旋形態(tài)的，因此只能在不同“方向”上進(jìn)行空間資源區(qū)分。而渦旋波束可以對(duì)相同方向上的空間資源進(jìn)行區(qū)分，提供了一個(gè)新的維度“波數(shù)”。新的維度并不是不占用其他維度，而是在占用其他維度時(shí)是否可以再區(qū)分。方向和波數(shù)是一組對(duì)偶維度，在相同方向下，可以再按照波數(shù)區(qū)分，引入波數(shù)維度，在相同波數(shù)下，可以再按照方向區(qū)分，引入方向維度。

MIMO 理論上是一種處理方向/空間和波數(shù)的通用技術(shù)。其并沒有規(guī)定信號(hào)形式和天線使用方式，也沒有給出如何根據(jù)信道特征進(jìn)行空間采樣的方法。因此s-OAM 屬于MIMO 的一種應(yīng)用形式，因?yàn)槠涫褂玫囊彩莻鹘y(tǒng)意義上的空間資源。但由于目前的空間采樣采用幾何波束形式，只能高效地使信號(hào)在空間方向上區(qū)分，不能高效地使信號(hào)在波數(shù)上區(qū)分，因此其具有一個(gè)非常好的特征：不再需要利用大量的不相關(guān)路徑來進(jìn)行空間復(fù)用，即使是在視距環(huán)境下，該技術(shù)也能夠通過大量的OAM 模態(tài)來分別承載多路數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)視距下的高自由度的空間復(fù)用傳輸，并且接收檢測(cè)的復(fù)雜度變低。

在接收天線尺寸受限的前提下，OAM 不會(huì)超過同等天線規(guī)格MIMO 的容量極限，也不會(huì)提高給定信道的最大自由度，即MIMO 和OAM 具有相同的理論性能上界。但在多徑信道稀疏的情況下，視距多輸入多輸出（LOS-MIMO,line of sight-multiple input multiple output）信道矩陣的秩（自由度）遠(yuǎn)小于天線數(shù)量?；贠AM 的正交基可以降低子信道之間的互相關(guān)性，提高信道矩陣的秩（自由度），使之趨近于滿秩矩陣。通過引入正交基使信道矩陣正交化。在某些情況下，LOS-MIMO 信道矩陣的秩退化，通過OAM 的正交基提升信道矩陣的秩，使其盡可能地接近滿秩。

2017 年，Yuan 等[30]證明了OAM-MIMO 在一些近距離通信場(chǎng)景中的可用性。2018 年，Takuichi[31]發(fā)現(xiàn)在近場(chǎng)區(qū)域中OAM-MIMO 性能提高。此外，他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)UCA 的半徑變大時(shí)，OAM-MIMO 的性能會(huì)提高。Wang 等[18]基于所提出的OAM 無線信道模型，導(dǎo)出了OAM-MIMO 通信系統(tǒng)的容量。同時(shí)他們還研究了一些系統(tǒng)參數(shù)（如OAM 狀態(tài)間隔和天線間距）對(duì)OAM-MIMO 通信系統(tǒng)容量的影響。仿真結(jié)果表明，較大的OAM 狀態(tài)間隔和較大的天線間距可以增加基于OAM 的MIMO 通信系統(tǒng)的信道容量。為了提高頻譜效率，Cheng 等[16]提出了軌道角動(dòng)量嵌入式多輸入多輸出（OEM,orbital angular momentum-embedded-multiple input multiple output）通信框架，以獲得大規(guī)模OAM-MIMO毫米波無線通信的乘法頻譜效率增益。結(jié)果表明，該框架比傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO 毫米波通信框架更大且OEM 毫米波通信能夠顯著提高頻譜效率。為了最大化OAM-MIMO 系統(tǒng)的頻譜效率，2018 年，Zhao等[32]又提出了一種多OAM模式多路復(fù)用渦旋無線電（RMMVR,reused multi-orbital angular momentum-mode multiplexing vortex radio）MIMO 系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于分形均勻圓陣列。

4 OAM 的產(chǎn)生與接收

4.1 s-OAM 的產(chǎn)生

如何很好地獲得各種OAM 模態(tài)是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要課題。目前的一些研究中給出了多種方式[33-39]，如表3 所示，這些方法從OAM 的基本原理出發(fā)，從不同的角度使電磁波攜帶波前相位，從而產(chǎn)生不同模態(tài)的s-OAM 波束。

4.2 s-OAM 的接收

s-OAM 的接收方法主要包括全空域共軸接收法、部分接收法和單點(diǎn)接收法等。

1) 全空域共軸接收法

接收端采用與發(fā)射端OAM 模態(tài)相反的接收天線，從空間接收整個(gè)環(huán)形波束能量，發(fā)射的OAM電磁波被接收天線相位補(bǔ)償后變?yōu)槌Ｒ?guī)平面電磁波。然而，由于OAM 電磁波波束發(fā)散，所需的全空域接收天線尺寸隨著傳輸距離的增加而線性增大，在實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)。因此，全空域的接收方法只適用于短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接收。此外，采用電磁波衍射模塊對(duì)全空域接收信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換法，可以將輸入的不同OAM 模態(tài)變換到橫向不同的動(dòng)量模態(tài)[40]。

2) 部分接收法

不同OAM 模態(tài)的電磁波產(chǎn)生的相位差不同。當(dāng)天線間距固定時(shí)，天線間相位差與OAM 模態(tài)成正比。因此，可以在部分環(huán)形波束上均勻布置一個(gè)弧形天線陣列接收信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)做傅里葉變換即可完成不同相位差的檢測(cè)，進(jìn)而完成不同OAM 模態(tài)的檢測(cè)和分離。然而，由于這種部分接收法是對(duì)部分環(huán)形波束進(jìn)行采樣，其可以檢測(cè)和分離的OAM 模態(tài)數(shù)量受限于接收天線個(gè)數(shù)以及天線陣所形成的弧段尺寸，且檢測(cè)同一數(shù)量的OAM 模態(tài)所需的天線陣弧段尺寸隨傳輸距離而線性增大。

3) 單點(diǎn)接收法

單點(diǎn)接收法又稱為遠(yuǎn)場(chǎng)單點(diǎn)近似法，通過檢測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)在3 個(gè)坐標(biāo)軸的幅度分量來完成OAM模態(tài)的檢測(cè)[41-43]。但是，由于該方法為遠(yuǎn)場(chǎng)近似的結(jié)果，只有當(dāng)OAM 電磁波波束的發(fā)散角很小，并且接收點(diǎn)的極化方向與OAM 電磁波的極化方向完全一致時(shí)，才能達(dá)到很好的近似效果。此外，由于單點(diǎn)接收法采用的是電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅度，其檢測(cè)性能受噪聲影響很大。

表3 不同s-OAM 產(chǎn)生方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

4) 其他接收方法

最近幾年還有許多其他的OAM 接收與檢測(cè)方法。2018 年，Zhang 等[44]提出了一種基于數(shù)字旋轉(zhuǎn)虛擬天線的OAM 模式檢測(cè)方法，即通過測(cè)量相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)多普勒頻移來識(shí)別不同的OAM 模式。2019 年，Yao 等[22]提出了一種有效測(cè)量長(zhǎng)距離傳輸?shù)能壍澜莿?dòng)量特性的新方法。通過旋轉(zhuǎn)OAM 波天線并固定平面波天線作為參考，可以測(cè)量OAM 波前的相位和幅度特性。Yao 等在山東省青島市進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證長(zhǎng)距離傳輸?shù)腛AM相位特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OAM 的渦旋相位特性在長(zhǎng)距離傳輸后保持良好。Yao 等的工作為在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中利用OAM 性能提供更多的選擇和可能性，尤其是對(duì)長(zhǎng)距離傳輸。

有效檢測(cè)OAM 波束一直以來都是研究學(xué)者最關(guān)注的課題之一，研究性能更好的檢測(cè)算法需要注意2 個(gè)方面：一方面，需要檢測(cè)算法功率上損失最??；另一方面，不能破壞正交性，除此之外還需要考慮實(shí)際的天線尺寸與間距。

5 未來OAM 的研究方向

渦旋波的一個(gè)特點(diǎn)是波束整體呈發(fā)散形態(tài)，波束中心凹陷，中心能量為0，整個(gè)波束呈中空的倒錐形，并且l越大，倒錐形對(duì)應(yīng)的圓心角越大。當(dāng)模態(tài)增大時(shí)，電磁波束原本的最大輻射方向開始出現(xiàn)輻射暗區(qū)，并逐漸擴(kuò)大，波束發(fā)散越來越嚴(yán)重。隨著傳輸距離越來越大，環(huán)形波束的半徑也會(huì)越來越大，這對(duì)電磁波的接收造成了很大困擾，已成為制約渦旋電磁波進(jìn)一步發(fā)展和普及的重要因素之一。由于OAM 信號(hào)中非零模態(tài)信號(hào)主瓣發(fā)散以及接收和發(fā)射天線的配置問題對(duì)整體性能影響巨大，包括收發(fā)天線中心未對(duì)準(zhǔn)、傳輸距離過長(zhǎng)導(dǎo)致接收天線無法完全接收主瓣信號(hào)等問題。OAM 大多數(shù)在無線通信領(lǐng)域中仍處于探索階段，本文認(rèn)為未來的研究趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)主要集中在以下幾個(gè)方面。

1) 非理想情況下OAM 的傳輸

OAM 系統(tǒng)要求收發(fā)天線軸心對(duì)齊，當(dāng)收發(fā)機(jī)之間出現(xiàn)軸心偏角時(shí)，接收器會(huì)產(chǎn)生模態(tài)串?dāng)_，導(dǎo)致誤碼率增大，系統(tǒng)性能下降。無線通信尤其是移動(dòng)通信中存在很多非理想狀態(tài)，包括非共軸、非視距等幾種類型。這是解決渦旋電磁波在移動(dòng)通信中應(yīng)用的關(guān)鍵問題。非理想條件都會(huì)破壞OAM 模態(tài)的正交性，使一些原有的優(yōu)良特征喪失。并且這些非理想條件會(huì)使渦旋電磁波的接收方法失效，因?yàn)槟壳按蠖嘟邮辗椒ǘ际腔诶硐霔l件下的仿真或?qū)嶒?yàn)。雖然當(dāng)前也有一些學(xué)者提出了針對(duì)某些非理想條件的解決方案，比如2018 年，Chen 等[45]提出一種針對(duì)收發(fā)天線非共軸情況下的波束接收方案，但該方案只考慮非平行不對(duì)稱的情形，仍有很大的局限性。還有很多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的非理想條件需要考慮。一些補(bǔ)償方案只能解決較小幅度的離軸和非平行情況，比較適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景，而對(duì)于移動(dòng)通信的典型場(chǎng)景，則存在大幅度的離軸，并且終端還可能發(fā)生快速的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。這些非理想條件都是移動(dòng)通信中肯定會(huì)面臨、必須要解決的問題，因此需要針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。

2) 對(duì)OAM 發(fā)散角的抑制或消除

現(xiàn)有的OAM 接收檢測(cè)方法是采用一個(gè)大口徑的天線（或天線陣）將整個(gè)環(huán)形波束接收下來，隨著傳輸距離增大，渦旋電磁波的發(fā)散角變大，所需接收天線尺寸也越來越大。這種接收方法在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)變得異常困難，天線尺寸幾乎無法接受。另一個(gè)方面，接收端采用大口徑的天線部署也限制了其在無線通信中的應(yīng)用場(chǎng)景。目前針對(duì)抑制能量發(fā)散角，學(xué)者們也提出了一些解決辦法，例如部分波面檢測(cè)算法。它雖然可以增加通信距離，但會(huì)破壞OAM 模式的正交性。因此，如何較大幅度地抑制甚至消除能量發(fā)散角，解決遠(yuǎn)場(chǎng)下的OAM 傳輸問題是值得進(jìn)一步探索的。

3) OAM-MIMO 的天線拓?fù)溲芯?/p>

傳統(tǒng)的MIMO 技術(shù)側(cè)重于在給定的一些經(jīng)典天線拓?fù)湎伦畲蟪潭鹊亻_發(fā)其潛在的性能潛力，如均勻線性陣列（ULA,uniform linear array）、UCA。但是由于應(yīng)用場(chǎng)景不同，在設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的條件就不同。在不同的尺寸限制、通信頻率、收發(fā)距離條件下，如何設(shè)計(jì)天線拓?fù)洳拍塬@得最優(yōu)的性能是傳統(tǒng)MIMO 并沒有充分研究的。2018 年，Zhang 等[44]基于圓柱坐標(biāo)系下輻射場(chǎng)的理論公式，分析了其傳輸和接收特性。通過計(jì)算多個(gè)OAM 波的上下邊界的函數(shù)公式及分析多個(gè)OAM 波的最佳接收位置的振幅和相位，確認(rèn)多模OAM 波的共同接收采樣區(qū)域。不同的天線拓?fù)涞耐ㄐ判阅艽嬖陲@著差異，如何針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景找到最優(yōu)的天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是本文未來研究的重點(diǎn)。

4) OAM 模態(tài)選擇

OAM 中不同模態(tài)相互正交的特性為傳輸信息提供了新維度，因此如何利用不同模態(tài)進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制、處理也成為研究的重點(diǎn)，除了可以類似傳統(tǒng)通信直接傳輸信息外，OAM 電磁波中不同的模態(tài)也可用于索引調(diào)制、保密傳輸?shù)刃碌膽?yīng)用場(chǎng)景。無論是部分相位面接收還是虛擬旋轉(zhuǎn)接收，可利用的OAM 模態(tài)數(shù)有限（小于發(fā)射天線數(shù)），直接利用不同模態(tài)傳輸信息所帶來的增益有限，將OAM 模態(tài)組合調(diào)制，模態(tài)組合對(duì)應(yīng)獨(dú)立的信息傳輸通道，可以顯著提高頻譜利用率。

5) OAM 應(yīng)用場(chǎng)景的選擇

目前，產(chǎn)生不同模式的渦旋電磁波的方法有很多種，如SPP 板、UCA 等。不同的產(chǎn)生方法，其對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、成本、所需的天線數(shù)量都不一樣，而且其性能也存在差異。OAM-MIMO 系統(tǒng)也有多種應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，服務(wù)的對(duì)象、接受服務(wù)的人員數(shù)量不同，對(duì)通信的標(biāo)準(zhǔn)要求也不同。因此，針對(duì)不同場(chǎng)景選擇不同的OAM 實(shí)現(xiàn)方法也是值得研究的。

6 結(jié)束語

對(duì)傳輸容量的巨大需求可能會(huì)使實(shí)際的通信系統(tǒng)陷入帶寬瓶頸，利用OAM 進(jìn)行通信被視為應(yīng)對(duì)可預(yù)見的容量緊縮的關(guān)鍵解決方案。OAM 已經(jīng)在光通信中被成功利用，在無線通信中也有著非常好的應(yīng)用前景。目前對(duì)于OAM 通信的研究與實(shí)際應(yīng)用還處于起步階段，鑒于該項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力，國內(nèi)外多家高校及研究機(jī)構(gòu)均在該領(lǐng)域不斷探索前進(jìn)，并且在雷達(dá)、通信、光學(xué)、量子等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究進(jìn)展。OAM 的引入使無線通信中不再需要利用大量的不相關(guān)路徑來進(jìn)行空間復(fù)用，即使是LOS 環(huán)境，該技術(shù)也能夠通過大量的OAM模態(tài)來分別承載多路數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)LOS 環(huán)境下高自由度的空間復(fù)用傳輸。對(duì)于微波無線回傳鏈路、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的容量的提升以及短距離單用戶超高速率的數(shù)據(jù)傳輸（如虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景）的需求，OAM 也能夠滿足。這些是傳統(tǒng)的MIMO 技術(shù)所不具備的。此外，OAM 模態(tài)之間良好的正交性還可以用于各類干擾的消除，如小區(qū)間干擾、上下行干擾、全雙工收發(fā)自干擾等，為干擾消除提供了更多的技術(shù)手段，具有非常好的應(yīng)用前景。希望本文的工作能夠吸引學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的更多關(guān)注，以促進(jìn)相應(yīng)的研究活動(dòng)，特別是能夠?yàn)樘岣哳l譜利用率提供有用的建議。