OAM无线通信系统的关键技术研究

发布时间：2020-07-31 15:46

【摘要】：提高通信系统的容量一直被视为是通信领域的一个长期目标。一种有效的提高通信容量的方法是对电磁波的独立自由度进行复用。携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋电磁波在理论上可以实现不同频率下无穷多种互不干扰的正交模态的复用,从而表现出一种新的自由度。然而,将OAM运用于实际的无线通信系统还有很多的问题,本文主要对其中两个关键问题进行研究,分别是OAM无线通信系统中的多径问题和到达角(Angle-of-Arrival,AoA)估计问题,主要研究内容如下:1.为了解决基于均匀圆形天线阵列(Uniform Circular Array,UCA)的OAM无线通信系统中存在的多径问题,本文在原有系统上引入了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,从而构成了OAM-OFDM无线通信系统框架。由于信号在发射端经过OFDM调制后,等同于对信号做了一次离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT),如果将此时的信号通过OAM系统,又可以等同于对信号做一次IDFT,由此,我们可以直接对信号做一次二维离散傅里叶逆变换(2-Dimensional Inverse Discrete Fourier Transform,2-D IDFT)。该系统在理论上可以产生和原始方案相同的效果并且可以对抗多径效应,在接收端对接收信号做二维离散傅里叶变换(2-Dimensional Discrete Fourier Transform,2-D DFT)就可以恢复出原信号。由于该通信系统使用基带数字2-D DFT/IDFT代替现有的射频模拟移相器来产生和接收OAM-OFDM信号,从而降低了能耗和硬件成本。进一步,2-D DFT/IDFT是可以由某种快速算法来实现的,本文针对上述系统提出了一种灵活的二维快速傅里叶变换(2-Dimensional Fast Fourier Transform,2-D FFT)算法,通过理论分析和仿真结果可以表明,与传统的行列2-D FFT算法相比,本文提出的2-D FFT算法可以将乘法复杂度降低(1/4)NMlog_2 M,其中N和M分别是UCA的阵元数和子载波数。2.OAM无线通信系统需要发射端和接收端波束方向进行精准的对准,否则通信性能会大幅下降。而完成发射端和接收端波束方向精准对准的前期就是入射波束的AoA估计。若发射机与接收机处于相对运动状态,在进行AoA估计的同时也要考虑多普勒频移带来的影响。本文以子阵列技术作为切入点,利用由子阵列构成的均匀圆阵(Uniform Circular Array of Subarrays,UCA-SAs)的特殊性,提出了一种AoA估计的方法,通过理论分析和仿真结果可以表明,该方法既实现了处于相对运动状态下接收端多普勒频移的消除,同时也完成了AoA的估计,为下一步波束的跟踪奠定了基础。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN92;O441
【图文】：

等相位,模态,状态

几种不同模态状态下的等相位图

光强分布,光强分布,模态,涡旋

(a)源平面( l 2) (b)传输 1 米后( l 2)(c)源平面( l 1/2) (d)传输 1 米后( l 1/2)图2.2 模态值分别为 2 和 1/2 时的光强分布[32]由图 2.2 可以看出，如果涡旋电磁波携带的是分数阶的 OAM 模态值，则经过一段距离的传输后，光强完全失去中心对称性，光强分布呈现不均匀性，奇点也不复存在，涡旋特性不能继续保持。而携带整数阶 OAM 模态值的涡旋电磁波在经过一段距离的传输后除了呈现出光强发散外整体特性没有发生太大改变。因此，只有携带整数阶 OAM 模态值的涡旋电磁波才可以应用于无线通信。2.3 涡旋电磁波的产生方法2.3.1 透射法在无线通信领域最早是使用光学领域里的一种工具螺旋相位板（Spiral PhasePlate，SPP）来产生携带所需 OAM 模态值的涡旋电磁波。该方法的基本原理为：在平面波的基础上加入螺旋相位因子，由此产生具有螺旋相位波前的电磁波。2013 年

结构示意图,实际模型,模态

SPP结构示意图

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