基于均匀圆形阵列的OAM复用通信研究

方 亮,王 赐,王亚楠

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750021)

0 引言

目前,无线通信正从5G向6G迁移,这一转变是由于新的用例和应用的出现,例如感知传输、量子通信、扩展现实、数字孪生等,对满足爆炸性数据流量的需求提出了更高的要求[1-2]。为了满足这一要求,除了开发更多的频宽,创新技术如先进的编码和调制,认知无线电(cognitive radio,CR)和大规模多输入多输出(Massive MIMO)也已被探索。5G新无线电(NR)研究广泛研究并提出了利用电磁波的频率、时间和空间特性的各种正交资源共享技术。从本质上说,所有这些技术都是基于平面电磁波。然而,电磁波不仅具有线性动量,还具有角动量,其中轨道角动量是电磁波的固有物理量,与电场强度的物理量纲线性无关,可以构成无线通信中的新维度[3]。自从1992年ALLEN L等[4]发现涡旋光束可以携带轨道角动量以来,由于不同轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模态的波束相互正交,可以一起复用和解复用,从而不依赖时间、频率等传统资源增加容量,在无线通信中得到了广泛的研究[5-6]。

OAM可以由螺旋相位板、抛物面天线、环形谐振器、均匀圆形天线阵列等产生。孙学宏等[7]对轨道角动量在无线通信中的研究新进展综述。其中,均匀圆阵天线因其结构简单、成本低廉而被认为是最有前途的天线之一。事实上,利用均匀圆形阵列产生和接收OAM波的可行性在理论和实践中得到验证。模分复用作为空分复用(space division multiplexing,SDM)的一个子集,其中可以复用多个正交波束,每个波束都在不同的模态上,实现MDM的潜在模态基础是使用EM波的轨道角动量。OAM-MDM已成为一种全新的物理层传输技术[8-9],从多路复用的角度来看,基于OAM的MIMO系统[10]可以看作是传统MIMO系统中的信道空间多路复用。因此,OAM复用可以被认为是MIMO技术的一个特例。

考虑OAM技术与其他调制技术如空间调制、偏振调制和正交频分复用之间的联合复用。因此,联合复用技术的系统性能评估将是一个重要的问题。本文从理论评价到实验研究,对基于均匀圆形阵列(uniform circular array,UCA)的轨道角动量复用无线通信性能进行了研究。首先在柱面坐标系下推导了OAM-UCA因子,对基于UCA的OAM复用通信系统建模。其次基于软件无线电良好的开放性和灵活性,可以很好地与OAM复用传输技术搭配,完成基于软件无线电的OAM复用传输平台搭建。联合OAM视频传输DVB-T标准应用实际的5 GHz无线频段通信系统中,在真实的信道环境中实现OAM视频信号的实时传输,且验证OAM与正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)联合通信可行性。

1 基于UCA的OAM无线通信系统模型

UCA是在低频带、中频带和高频带生成OAM波束的最佳候选者,由于其设计适应性、多模性能、多波束转向和5G能力,携带轨道角动量模态的均匀圆形阵列是一种在未来通信系统中很有前景的阵列。在UCA中,数组元素以均匀的角间距排列在一个圆中。OAM模态是由阵列的激励来定义的,即OAM模态是通过激励每个元素以等幅值和相位围绕阵列线性增加来激发的。

基于UCA的OAM-MIMO多路复用系统主要采用巴特勒矩阵作为相移器,馈送信号给均匀圆形阵列天线,使得可以同时生成携带多种不同OAM模态信号的载波,从而显著提高系统的信道容量。每个天线阵列由N个天线单元等距排列在一个环上组成,因此相邻单元的相位差为2πju/N,其中u为是整数阶第u阶OAM模态。基于UCA的OAM简化通信系统在圆柱坐标系中的相应参数,其点(r,φ,θ)处的累积电场分布可以表示成式(1):

(1)

无线电波通过自由空间信道传播会导致发射信号的衰减和相位旋转,通常建模为h(dmn)。根据传统的MIMO无线通信模型,可以将LOS-OAM系统的信道矩阵表示为H=[h(dmn)]M×N。基于UCA的OAM通信系统中OAM信号调制矩阵G表示为式(2):

(2)

OAM信号解调矩阵M=GH,因此,多模态OAM系统的信道矩阵HOAM表示为式(3):

HOAM=MHG

(3)

在信道矩阵HOAM中,其对角元素主要为UCA发射天线对应的u阶模态涡旋接收信号增益,非对角元素表示各阶模态OAM信道之间的模态串扰。基于OAM本征模态之间的正交特性该串扰趋于零值,这表明具有不同整数模态的OAM波可以用作独立载波来同时在相同频率上发送多个空间同轴数据流,而不会在接收机处引起信道间干扰。

2 仿真与实验

本文主要采用项目组基于5 GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线[11],应用于实际的视频传输中。如图1所示,该OAM阵列天线采用同轴馈电,是由8个相同微带贴片阵元组成,工作频段是(5.28～5.47)GHz。产生模态值为+1和-1电磁涡旋波的电场相位辐射图,与理论的相位辐射图性质大致相同,具有非常明显的涡旋相位波前。在天线正面可清晰地看到阵列天线的馈电电路图,天线实物板中心为单馈电点,在天线后面焊接射频端子,可使用天线连接线与通用软件无线电外设(universal software radio peripheral,USRP)相连。

图1 UCA-OAM天线及电场相位辐射图

本文主要使用软件无线电[12]USRP和GNU Radio搭建OAM视频传输系统。软件无线电平台是一种可编程无线电,允许用户访问物理波形形式的所有数据,并在软件上实现所有信号处理步骤。这一特性使SDR平台特别适合开发早期收发器用于验证新提出的算法的有效性。USRP是一种可以重新再配置的射频(radio frequency,RF)设备,将基于主机的处理器、现场可编程门阵列和RF前端集为一体。GNU Radio是一个开源的软件无线电设计框架,可以自定义在软件端自定义无线电信号处理,还可以搭载外部射频天线硬件,从而满足用户设计、模拟和搭建的真实高效各类无线电系统的需求。系统中主要硬件设备包括:两台装有GNU Radio软件的电脑,两台USRP,两根SMA天线转接线,OAM发射天线和接收天线。

基于UCA的OAM视频传输主要采用DVB-T标准,该标准已被许多国家采用或提议用于数字电视广播[13],DVB-T采用COFDM调制器,采用多载波(2 000多个或者8 000多个)正交复合调制方式,传输实验将DVB-T与OAM结合,如图2所示视频传输原理框图。

图2 使用DVB-T的UCA-OAM视频传输原理框图

在实践中,基于UCA的OAM视频传输主要在视距环境下,MPEG2-TS文件开始生成10 Msps基带样本,具体的流程图的参数设置为:2 k OFDM,1/2内纠错码率,16-QAM调制,防护间隔1/32。该模块信号发送的中心频率为5.4 GHz,传输距离为5 m。为了评估OAM的视频传输性能,观察如图3所示接收信号频域及16-QAM星座图,从左到右依次为普通天线VERT 2450,对齐UCA-OAM天线,未对齐UCA-OAM天线。

图3 接收信号频谱星座图

可以看出,由于OAM涡旋电磁波中空发散特性,星座图会出现了一些散射。尽管存在一些数据包丢失,但是性能下降的程度还不足以导致接收到的数据出现明显失真。即当UCA-OAM天线完美对齐时接收信号质量可与普通天线相媲美。当UCA-OAM天线发生轻微倾斜时,星座图散射程度变大,符号更容易受到比特误差的影响使得通信质量变差。基于UCA的OAM复用通信的视频信号在接收端成功接收,数据也没有丢帧现象,并且传输时间低于普通天线传输数据的时间,但在传输过程中存在个别帧画面有稍许的花屏现象。

由实验结果表明,本项目组自主研发的OAM天线性能表现良好,进行了DVB-T协议下通用的OFDM调制方式视频传输的测试,验证OAM-OFDM通信可行性,并且传输信号的速率更快。但由于OAM的涡旋电磁波具有中央空洞发散的特性,致使涡旋电磁波携带的信号质量不如平面电磁波的携带质量,故OAM的天线设计上还有待提高。

3 结语

综上所述,本文基于均匀圆形天线阵列OAM通信系统研究,针对目前关于OAM系统的研究多为理论仿真,相关实验数据较少,结合项目组UCA-OAM天线和软件无线电,完成基于软件无线电的OAM复用传输平台搭建,成功实现了OAM的DVB-T视频传输,实验证明基于UCA的OAM视频传输系统的可行性与稳定性,为将OAM天线与OFDM联合通信实际应用提供可能。总之,OAM提供了新的模式域,为未来的无线通信研究提供了许多机会。