电磁波轨道角动量长距离高频谱效率复用传输理论与方法研究

Based on the world-first 27.5 km Orbital Angular Momentum (OAM) Electro-Magnetic (EM) wave transmission experiment, which was successfully held by Tsinghua Univ. in China, the research will be arranged to aim at the high spectrum efficiency with OAM transmission. Due to the partial reception scheme in the Rotational OAM (ROAM) that was confirmed the validity in the experiment, the non-orthogonal problems occur. These problems are very harmful to the OAM multiplexing transmission, because the orthogonality of the OAM signals is destroyed in the reception. In this research, the theory and methodology on the OAM high spectrum efficient multiplexing transmission are studied, i.e., 1) establishing the orthogonal reception theory and method in the signal level, so that the upper bound of the channel capacity (or spectrum efficiency) can be obtained; 2) researching on the modulation and coding schemes, so that the real data transmission rate can approach the aforementioned upper theoretical bond and the high transmission efficiency can be maintained; 3) Finishing the experiments of the high spectrum efficient OAM EM wave transmission, so that the proposed theory and method can be proved by Verification, Validation and Accreditation (VVA). The contributions of this research will consolidate the theory and methodology of the large capacity OAM EM wave multiplexing transmission for the long distance space communications of China, as well as the key-technology preparation of the practical OAM multiplexing engineering.

立足于我国首次在微波波段成功进行电磁波轨道角动量（OAM）27.5公里长距离传输实验的基础上，针对旋转OAM电磁波部分波阵面接收时OAM特征域中的非正交性问题，开展300GHz以下频段的OAM电磁波长距离高频谱效率复用传输理论和方法研究，包括建立OAM电磁波信号重叠复用传输理论和方法，以便获得高频谱效率理论上界；研究OAM电磁波重叠复用调制编码方法，从而获得接近理论上界的实际数据传输能力；完成高频谱效率OAM电磁波复用传输实验，利用微波暗室和外场实验验证理论和方法的正确性和有效性。研究成果为未来我国长距离大容量OAM电磁波空间传输奠定理论和方法基础，并通过实验储备OAM电磁波信号复用核心关键技术。

电磁波轨道角动量（OAM）是区别于电场强度的独立物理量（因为两者物理量纲线性无关），可以形成无线传输的新维度。以开发利用OAM新维度空间并获得高频谱效率复用传输为目标，本项目在建立OAM新维度传输理论基础上，重点研究了OAM信号重叠复用传输方法、OAM电磁波重叠复用调制编码方法，以及高频谱效率OAM电磁波复用传输实验，将统计态OAM涡旋波束传输研究拓展到了量子态OAM涡旋微波量子传输，为电磁波新资源和新维度开发应用奠定了理论、方法和关键技术基础。结题报告内容整理为5个方面：①深入分析了电磁波OAM的物理特征，建立OAM传输基础理论，明确了统计态OAM涡旋波束和量子态OAM涡旋微波量子分别对应电磁波量子的外部OAM和内禀OAM。外部OAM与空域紧耦合，在直线视距（LoS）信道中，可以恢复MIMO信道的正交性，获得额外自由度和较低复杂度。内禀OAM则表征了OAM独立新维度，可以用之突破传统多天线MIMO容量界，形成还有OAM的新MIMO容量界；②针对统计态OAM电磁波倒锥状波束发散问题，研究了OAM信号重叠复用理论与方法，分别提出了波束汇聚方法、伪共面传输方法、部分相位面接收方法、OAM信道隐蔽传输方法等，使得统计态OAM涡旋波束获得长距离传输能力，并且获得距离与容量最佳折中；③针对OAM维度带来的信号空间维度升高问题，建立了含有OAM维度的高阶欧氏空间，提出OAM网络编码调制方法、OAM扩维理论和方法、OAM索引调制传输方法等，获得了OAM维度空间的充分利用，提高了频谱效率；④完成统计态OAM涡旋波束长距离传输实验，分别于2018、2019年和2022年，完成172公里空地传输实验、30.6公里地面复用传输等补充实验、1Tbps高速点对点中继传输实验，其传输距离和传输速率代表了目前该领域最高水平，彰显了OAM新维度的正确性和有效性；⑤在完成统计态OAM涡旋波束传输研究的基础上，进一步拓展研究了量子态OAM涡旋微波量子传输，利用量子电动力学（QED）初步建立了量子态OAM传输基础理论，提出了涡旋微波量子复用传输方法，基于回旋管构建了目前世界上最小重量和体积的实验装置，完成内禀OAM键控传输实验，引领了国际上该领域研究的发展方向。本重点项目形成了丰富的成果形式，为未来基于OAM的无线通信技术的发展和应用奠定了基础。