基于轨道角动量的无线通信容量理论与信号处理技术

The Orbital Angular Momentum (OAM) is an important physical quantity reflecting the spatial structural characteristics of an electromagnetic wave with helicoidal phase rotation.The OAM-carrying EM wave has a corkscrew-like phase front and vortex-like spatial strength distribution, which is thereby endowed with a new physical dimension, i.e., the rotational EM degree of freedom. Such dimension provides a potentially effective new way in carrying and transferring information. Due to its fascinating feature that there are potentially infinite number of orthogonal OAM states of a single EM wave, large capacity of information transmission my be possible in the future by properly exploiting the OAM. This is extremely significant to the area of wireless communications which have been facing a sersious resource scarcity and calling for new boost of innovation. In our proposal, we aims to explore the new features of OAM, and try to study the mechanism of OAM Multiplexing and to evaluate its potential capacity performance. We will also investigate the possible tradeoff between the OAM multiplexing and topological diversity. After that, we will focus on the key technologies related with the generation, modulation, sampling and detection of OAM signals, in order to provide design references or design guidelines for the application of OAM in future wireless communications.

轨道角动量（OAM）反映了电磁波与绕动相关的空间结构化特性，其螺锥状的空间相位波前和涡旋状的空间强度分布特性，赋予电磁波一种新的自由度- - 旋转自由度（Rotational EM Degree of Freedom）。这为无线电通信带来新的携带和传递信息的方式。由于OAM理论上具有无穷多个正交的特征态，从而利用OAM进行大容量信息传输将成为可能，这对于资源极度匮乏、技术亟待革新的无线通信具有重大的意义。本项目拟进一步深入了解和探索无线OAM复用传输机理，分析其潜在的容量性能，探讨OAM分集复用折中问题，并重点研究与无线OAM生成、调制、采样和检测相关的信号处理技术，为OAM在未来无线通信中的应用提供必要的理论支撑和合理的技术方案。

轨道角动量（OAM）反映了电磁波与绕动相关的空间结构化特性，其具有螺锥状的空间相位波前和涡旋状的空间强度分布特性。理论上，OAM具有无穷多个正交的特征态，从而利用OAM进行大容量信息传输将成为可能，这对于资源极度匮乏、技术亟待革新的无线通信具有重大的意义；同时，OAM具有特殊的空间结构，相对于平面波具有更好的空间分辨力，这对于未来无线定位成像和雷达等应用也具有重要意义。本项目主要探索无线OAM复用传输机理，分析其潜在的容量性能，并重点研究与无线OAM生成、调制、采样和检测相关的信号处理技术，为OAM在未来无线通信和雷达中的应用提供理论支撑和技术思路。. 本项目在无线OAM生成、调制、复用、接收和检测相关理论和技术等方面展开了深入的研究，重点突破了OAM复用传输机理和新型无线OAM传输机制，取得了若干有意义的成果。具体如下：. 1）研究了采用阵列方式产生OAM的机理，基于电磁传播理论分析并验证了不同天线单元和阵列构型产生OAM信号的可行性和空间特性；. 2）深入研究和探索了无线OAM的信道传输特性和复用传输机理，全面比较了OAM与传统MIMO在实际环境和特定接收机制下的性能；. 3）重点研究了OAM与MIMO相结合所形成的OAM-MIMO联合复用传输系统及其容量性能，获得了OAM-MIMO联合复用并不总能提高系统容量的重要结论，同时给出了OAM-MIMO优于传统MIMO的基本条件。. 4）首次利用OAM模式间的正交性，提出了基于OAM的新型同时同频全双工无线传输体制及其最佳收发OAM模式选择（分配）方案；. 5）研究和探索了OAM模式检测方案以及OAM二维雷达定位成像的相关原理，提高了雷达定位成像的精度。. .项目成果为OAM在未来无线通信和雷达中的应用提供了一定的理论支撑和初步的技术思路。在项目支持下，在IEEE主要期刊和国际会议上发表论文38篇，其中SCI论文19篇，有关OAM-MIMO联合复用传输机制和容量分析的国际会议论文获得了IEEE WCSP 2017最佳论文奖），申请发明专利8项，达到了预期成果目标。