基于均勻圓形陣列的OAM復用通信研究

方 亮,王 賜,王亞楠

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

0 引言

目前,無線通信正從5G向6G遷移,這一轉變是由于新的用例和應用的出現,例如感知傳輸、量子通信、擴展現實、數字孿生等,對滿足爆炸性數據流量的需求提出了更高的要求[1-2]。為了滿足這一要求,除了開發(fā)更多的頻寬,創(chuàng)新技術如先進的編碼和調制,認知無線電(cognitive radio,CR)和大規(guī)模多輸入多輸出(Massive MIMO)也已被探索。5G新無線電(NR)研究廣泛研究并提出了利用電磁波的頻率、時間和空間特性的各種正交資源共享技術。從本質上說,所有這些技術都是基于平面電磁波。然而,電磁波不僅具有線性動量,還具有角動量,其中軌道角動量是電磁波的固有物理量,與電場強度的物理量綱線性無關,可以構成無線通信中的新維度[3]。自從1992年ALLEN L等[4]發(fā)現渦旋光束可以攜帶軌道角動量以來,由于不同軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)模態(tài)的波束相互正交,可以一起復用和解復用,從而不依賴時間、頻率等傳統(tǒng)資源增加容量,在無線通信中得到了廣泛的研究[5-6]。

OAM可以由螺旋相位板、拋物面天線、環(huán)形諧振器、均勻圓形天線陣列等產生。孫學宏等[7]對軌道角動量在無線通信中的研究新進展綜述。其中,均勻圓陣天線因其結構簡單、成本低廉而被認為是最有前途的天線之一。事實上,利用均勻圓形陣列產生和接收OAM波的可行性在理論和實踐中得到驗證。模分復用作為空分復用(space division multiplexing,SDM)的一個子集,其中可以復用多個正交波束,每個波束都在不同的模態(tài)上,實現MDM的潛在模態(tài)基礎是使用EM波的軌道角動量。OAM-MDM已成為一種全新的物理層傳輸技術[8-9],從多路復用的角度來看,基于OAM的MIMO系統(tǒng)[10]可以看作是傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中的信道空間多路復用。因此,OAM復用可以被認為是MIMO技術的一個特例。

考慮OAM技術與其他調制技術如空間調制、偏振調制和正交頻分復用之間的聯合復用。因此,聯合復用技術的系統(tǒng)性能評估將是一個重要的問題。本文從理論評價到實驗研究,對基于均勻圓形陣列(uniform circular array,UCA)的軌道角動量復用無線通信性能進行了研究。首先在柱面坐標系下推導了OAM-UCA因子,對基于UCA的OAM復用通信系統(tǒng)建模。其次基于軟件無線電良好的開放性和靈活性,可以很好地與OAM復用傳輸技術搭配,完成基于軟件無線電的OAM復用傳輸平臺搭建。聯合OAM視頻傳輸DVB-T標準應用實際的5 GHz無線頻段通信系統(tǒng)中,在真實的信道環(huán)境中實現OAM視頻信號的實時傳輸,且驗證OAM與正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)聯合通信可行性。

1 基于UCA的OAM無線通信系統(tǒng)模型

UCA是在低頻帶、中頻帶和高頻帶生成OAM波束的最佳候選者,由于其設計適應性、多模性能、多波束轉向和5G能力,攜帶軌道角動量模態(tài)的均勻圓形陣列是一種在未來通信系統(tǒng)中很有前景的陣列。在UCA中,數組元素以均勻的角間距排列在一個圓中。OAM模態(tài)是由陣列的激勵來定義的,即OAM模態(tài)是通過激勵每個元素以等幅值和相位圍繞陣列線性增加來激發(fā)的。

基于UCA的OAM-MIMO多路復用系統(tǒng)主要采用巴特勒矩陣作為相移器,饋送信號給均勻圓形陣列天線,使得可以同時生成攜帶多種不同OAM模態(tài)信號的載波,從而顯著提高系統(tǒng)的信道容量。每個天線陣列由N個天線單元等距排列在一個環(huán)上組成,因此相鄰單元的相位差為2πju/N,其中u為是整數階第u階OAM模態(tài)。基于UCA的OAM簡化通信系統(tǒng)在圓柱坐標系中的相應參數,其點(r,φ,θ)處的累積電場分布可以表示成式(1):

(1)

無線電波通過自由空間信道傳播會導致發(fā)射信號的衰減和相位旋轉,通常建模為h(dmn)。根據傳統(tǒng)的MIMO無線通信模型,可以將LOS-OAM系統(tǒng)的信道矩陣表示為H=[h(dmn)]M×N?；赨CA的OAM通信系統(tǒng)中OAM信號調制矩陣G表示為式(2):

(2)

OAM信號解調矩陣M=GH,因此,多模態(tài)OAM系統(tǒng)的信道矩陣HOAM表示為式(3):

HOAM=MHG

(3)

在信道矩陣HOAM中,其對角元素主要為UCA發(fā)射天線對應的u階模態(tài)渦旋接收信號增益,非對角元素表示各階模態(tài)OAM信道之間的模態(tài)串擾。基于OAM本征模態(tài)之間的正交特性該串擾趨于零值,這表明具有不同整數模態(tài)的OAM波可以用作獨立載波來同時在相同頻率上發(fā)送多個空間同軸數據流,而不會在接收機處引起信道間干擾。

2 仿真與實驗

本文主要采用項目組基于5 GHz無線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線[11],應用于實際的視頻傳輸中。如圖1所示,該OAM陣列天線采用同軸饋電,是由8個相同微帶貼片陣元組成,工作頻段是(5.28～5.47)GHz。產生模態(tài)值為+1和-1電磁渦旋波的電場相位輻射圖,與理論的相位輻射圖性質大致相同,具有非常明顯的渦旋相位波前。在天線正面可清晰地看到陣列天線的饋電電路圖,天線實物板中心為單饋電點,在天線后面焊接射頻端子,可使用天線連接線與通用軟件無線電外設(universal software radio peripheral,USRP)相連。

圖1 UCA-OAM天線及電場相位輻射圖

本文主要使用軟件無線電[12]USRP和GNU Radio搭建OAM視頻傳輸系統(tǒng)。軟件無線電平臺是一種可編程無線電,允許用戶訪問物理波形形式的所有數據,并在軟件上實現所有信號處理步驟。這一特性使SDR平臺特別適合開發(fā)早期收發(fā)器用于驗證新提出的算法的有效性。USRP是一種可以重新再配置的射頻(radio frequency,RF)設備,將基于主機的處理器、現場可編程門陣列和RF前端集為一體。GNU Radio是一個開源的軟件無線電設計框架,可以自定義在軟件端自定義無線電信號處理,還可以搭載外部射頻天線硬件,從而滿足用戶設計、模擬和搭建的真實高效各類無線電系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)中主要硬件設備包括:兩臺裝有GNU Radio軟件的電腦,兩臺USRP,兩根SMA天線轉接線,OAM發(fā)射天線和接收天線。

基于UCA的OAM視頻傳輸主要采用DVB-T標準,該標準已被許多國家采用或提議用于數字電視廣播[13],DVB-T采用COFDM調制器,采用多載波(2 000多個或者8 000多個)正交復合調制方式,傳輸實驗將DVB-T與OAM結合,如圖2所示視頻傳輸原理框圖。

圖2 使用DVB-T的UCA-OAM視頻傳輸原理框圖

在實踐中,基于UCA的OAM視頻傳輸主要在視距環(huán)境下,MPEG2-TS文件開始生成10 Msps基帶樣本,具體的流程圖的參數設置為:2 k OFDM,1/2內糾錯碼率,16-QAM調制,防護間隔1/32。該模塊信號發(fā)送的中心頻率為5.4 GHz,傳輸距離為5 m。為了評估OAM的視頻傳輸性能,觀察如圖3所示接收信號頻域及16-QAM星座圖,從左到右依次為普通天線VERT 2450,對齊UCA-OAM天線,未對齊UCA-OAM天線。

圖3 接收信號頻譜星座圖

可以看出,由于OAM渦旋電磁波中空發(fā)散特性,星座圖會出現了一些散射。盡管存在一些數據包丟失,但是性能下降的程度還不足以導致接收到的數據出現明顯失真。即當UCA-OAM天線完美對齊時接收信號質量可與普通天線相媲美。當UCA-OAM天線發(fā)生輕微傾斜時,星座圖散射程度變大,符號更容易受到比特誤差的影響使得通信質量變差?；赨CA的OAM復用通信的視頻信號在接收端成功接收,數據也沒有丟幀現象,并且傳輸時間低于普通天線傳輸數據的時間,但在傳輸過程中存在個別幀畫面有稍許的花屏現象。

由實驗結果表明,本項目組自主研發(fā)的OAM天線性能表現良好,進行了DVB-T協議下通用的OFDM調制方式視頻傳輸的測試,驗證OAM-OFDM通信可行性,并且傳輸信號的速率更快。但由于OAM的渦旋電磁波具有中央空洞發(fā)散的特性,致使渦旋電磁波攜帶的信號質量不如平面電磁波的攜帶質量,故OAM的天線設計上還有待提高。

3 結語

綜上所述,本文基于均勻圓形天線陣列OAM通信系統(tǒng)研究,針對目前關于OAM系統(tǒng)的研究多為理論仿真,相關實驗數據較少,結合項目組UCA-OAM天線和軟件無線電,完成基于軟件無線電的OAM復用傳輸平臺搭建,成功實現了OAM的DVB-T視頻傳輸,實驗證明基于UCA的OAM視頻傳輸系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性,為將OAM天線與OFDM聯合通信實際應用提供可能。總之,OAM提供了新的模式域,為未來的無線通信研究提供了許多機會。