Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи. Часть 5. Поляризация и закрученные волны

Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи. Часть 5. Поляризация и закрученные волны

Привет, коллеги! У нас продолжается серия статей, посвящённых методам множественного доступа в беспроводной связи. Напомню, что в первой части мы рассмотрели методы частотно-временного разделения, во второй части – неортогональные методы разделения по мощности, в третьей части – методы кодового разделения и в четвёртой части – методы пространственного разделения пользователей.

В пятой части я расскажу о методах с поляризационным разделением пользователей и с разделением по орбитальном угловому моменту электромагнитной волны. Мы сравним между собой эти методы и, как всегда, обсудим их основные преимущества и недостатки, а также рассмотрим практический пример реализации множественного доступа с совместным использованием поляризационного и OAM-мультиплексирования.

Множественный доступ с поляризационным разделением

Итак, начнём. Поляризация электромагнитной волны – это колебание векторов напряжённости электрического поля и напряжённости магнитного поля в определённом направлении. Поляризация может быть плоской, круговой и эллиптической. Она независима от других характеристик электромагнитной волны, что позволяет организовать множественный доступ с поляризационным разделением (polarization division multiple access, PDMA или PolDMA), где сигналы каждого пользо­ва­теля имеют различные поляризационные состояния и используют один и тот же частотно-временной ресурс.

Схема множественного доступа с поляризационным разделением поддерживает два независимых канала данных с ортогональными состояниями поляризации. Такими ортогональными состояниями являются вертикальная и горизонтальная поляризация (в случае плоскополяризованной волны), а также левая и правая поляризация (в случае круговой поляризации). Также возможна организация неортогонального множественного доступа, если число мультиплексируемых поляризационных состояний больше двух.

Метод множественного доступа с поляризационным разделением получил широ­кое распространение в спутниковых и радиорелейных линиях связи прямой видимости, поскольку при распространении радиоволн вне условий прямой видимости наблюда­ется явление деполяризации электромагнитной волны (за счет переотражений, дифрак­ции, рефракции и др.).

Чаще всего поляризационное разделение применяется совместно с простран­ствен­ным разделением, образуя множественный доступ с пространственно-поляри­зацион­ным разделением (space polarization division multiple access, SPDMA). В этой систе­ме создаются ортогональные лучи как в физическом пространстве, так и в поляризационном пространстве. Каждый луч формируется в направлении определённого пользователя и передаёт данные, предназначенные этому пользователю. Ортогональные лучи формируются на основе канальной информации о пользователях.

Поляризационное разделение пользователей – хорошо известный метод, применяемый уже несколько десятилетий. Особенно широко он используется в системах спутниковой связи и вещания. Разделение пользователей осуществляется с помощью трёх взаимно совместимых процедур:

• Пространственный разнос лучей. Связь ведётся в одних и тех же полосах частот при использовании спутниковых антенн, формирующих направленные и разнесённые в пространстве лучи.

• Развязка по поляризации. Передача осуществляется в одних и тех же полосах частот через спутниковые антенны с ортогональными поляризациями.

• Кодовое разделение сигналов.

Метод, использующий пространственное и поляризационное разделение, позволяет реализовать четырёхкратное использование частот. Например, в космическом аппарате Intelsat-V применяется поляризационная развязка совместно с круговой поляризацией.

Множественный доступ с поляризационным разделением пользователей может использоваться совместно с поляризационной модуляцией. Принцип поляризационной модуляции заключается в том, что битовая информация передаётся с помощью поляризационных состояний. Каждый абонент может использовать определённое поляризационное состояние для передачи информации. Например, некоторому пользователю выделена круговая поляризация, тогда если поляризация левая, то передаётся бит 1, если правая, то передаётся бит 0. Такая бинарная схема модуляции может применяться и для других видов поляризации. Можно использовать вертикальную и горизонтальную поляризацию или линейную поляризацию с углами +45° и −45° для передачи бинарных символов.

Поляризационные состояния в физике принято изображать на сфере Пуанкаре. На рис. 1 приведена проекция сферы Пуанкаре на вертикальную плоскость так, чтобы ортогональная поляризация и кросс-поляризация находились на одной окружности. Различные пары поляризационных состояний можно распределить между различными пользователями. Давайте представим, что пользователю 4 предоставлена линейная поляризация, и битовая информация может переноситься двумя ортогональными линейными поляризационными состояниями (жёлтые точки). Другие пользователи также могут использовать линейную поляризацию, соответствующим образом выбирая углы поляризации. Эта бинарная схема модуляции является ортогональной, т.к. поляризационные состояния для битов 1 и 0 ортогональны, в то время как различные пользователи поляризованы неортогонально по отношению друг к другу.

Рис. 1. Изображение бинарной поляризационной модуляции на сфере Пуанкаре

Бинарную поляризационную модуляцию можно легко расширить на случай четырёхпозиционной модуляции введением кросс-поляризации. На рис. 2 приведены созвездия для четырёхпозиционной модуляции. Для пользователя 1 четыре синие точки представляют биты 00, 01, 11 и 10. При этом для пары символов 00 и 11 поляризация ортогональна, то же самое имеет место и для пары символов 01 и 10. Различные пользователи могут быть разделены поворотом прямоугольника на различные углы. Аналогичным образом можно получить схемы модуляции и более высокого порядка.

Рис. 2. Изображение четырёхпозиционной поляризационной модуляции на сфере Пуанкаре

Возможна комбинация поляризационного разделения с традиционными методами FDMA и OFDMA, где каждая группа пользователей занимает свою полосу частот. Технология множественного доступа PDMA-FDMA легко реализуема. Т.к. поляризация не связана с определённой формой сигнала, шириной полосы частот и скоростью передачи данных, то схема PDMA с поляризационной модуляцией не требо­вательна к форме сигнала, ширине полосы и другим ограничениям.

В последнее время для оптических систем связи разрабатываются новые методы множественного доступа, основанные на неортогональном поляризационном разделе­нии абонентов: неортогональное мультиплексирование с поляризационным разделе­нием (non-orthogonal polarization division multiplexing, NPDM) или мультиплекси­рова­ние с псевдополяризационным разделением (pseudo-polarization division multiplexing, PPDM).

Было проведено несколько экспериментов, в которых угол поляризационного мультиплексирования состав­лял менее 90°. Изучались схемы связи с углами мультиплексирования 45° и 60°. Было показано, что любой угол поляризационного мульти­плексирования, больший 23°, может быть успеш­но де­мультиплексирован. Меньшие углы, в частности, 15°, уже не могут быть демультиплексированы. В лите­ратуре встречаются сообщения о передаче трёх и че­тырёх неортогональных сиг­налов с различными поляризационными состояниями.

Чем меньше угол поляризационного мультиплексирования в технологии NPDM, тем больше ёмкость канала связи и спектральная эффективность. Эта технология совместима с используемой в настоящее время системой оптической связи и не требует дополнительных вспомогательных оптических компонентов и устройств. Поэтому стоимость оборудования и занимаемая им площадь могут быть меньше, чем при использовании других методов мультиплексирования.

Такие же принципы и технологии можно применить и в области радиочастотного спектра.

Множественный доступ с разделением по орбитальному угловому моменту

Профессор Фабрицио Тамбурини, один из пионеров в области разработки технологий радиосвязи с помощью орбитального углового момента, как-то сказал: “Типичный инженер, специализирующийся на беспроводной связи, даже если он профессор, не знает ничего об орбитальном угловом моменте”. Давайте попробуем восполнить этот пробел и познакомимся поближе с этим физическим явлением.

Орбитальный угловой момент (orbital angular momentum, OAM) – это одно из основных физических свойств электромагнитной волны. Электромагнитная волна с зависимостью азимутальной фазы e^ilφ несёт угловой момент независимо от состояния поляризации. Угол φ – это азимутальная коор­дината в поперечном сечении луча, l – индекс орбитального углового момента или OAM-мода, которая может принимать любое целочисленное значение, как положительное, так и отрицательное. Тогда орбитальный угловой момент электромагнитной волны определяется как  L = lℏ на фотон.

Если поля­ризация электромагнитной волны связана с её собственным вращением, то орбиталь­ный угловой момент связан с закручиванием электромагнитной волны в пространстве. Параметр ОАМ характеризует вращение вектора Пойнтинга (вектора, в направлении которого электромагнитная волна переносит энергию) и вектора импульса в процессе распространения электромагнитной волны. Волновой фронт электромагнитной волны, несущей орбитальный угло­вой момент с l≠0, является геликоидальным, т.е. закручен по спирали. Для гелико­идального волнового фронта вектор Пойнтинга не параллелен оси луча. На рис. 3 показаны изображения волнового фронта электромагнитной волны при различных значениях индекса OAM (l = –1, 0, 1, 2, 3), а также круговые профили интенсивности при тех же значениях l.

Рис. 3. Волновой фронт электромагнитной волны при различных значениях индекса OAM (слева), круговые профили интенсивности (в середине) и профили интенсивности, полученные в результате интерференции с плоской волной (справа)

Заметим, что для всех мод, кроме нулевой, в структуре волны имеется центральная полость. Центральная полость увеличивается с увеличением индекса OAM-моды.

Если мода обладает целочисленным индексом l, то она называется целочисленной модой ОАМ. Важно отметить, что различные целочисленные моды ОАМ ортогональны друг другу. Когда ОАМ-мода не является целым числом, множитель поворота фаз e^ilφ может быть выражен в виде ряда Фурье по ортогональным ОАМ-модам. Под воздействием этого множителя плоский волновой фронт электромагнитной волны приобретает спиралевидную структуру. Фаза волнового фронта вращается вокруг направления распространения волны, и после полного оборота фаза изменяется на величину 2πl.

Использование орбитального углового момента в технике связи основано на том факте, что лучи электромагнитной волны, распространяющиеся вдоль одной линии с различ­ными индексами OAM могут быть эффективно разделены. Например, рассмотрим два луча U1 и U2 с индексами OAM l₁ и l₂ соответственно. Два OAM-луча могут быть выражены как

где r и z – радиальное положение и расстояние, на которое распространяется луч, соответственно. Эти два луча пространственно ортогональны, т.е. интеграл от их произведения равен нулю:

Следовательно, возможна организация множественного доступа в зоне прямой видимости, где каждый OAM-луч на одной и той же несущей частоте может передавать независимый поток данных, тем самым увеличивая информационную ёмкость и спект­ральную эффективность системы связи. Коэффициент увеличения равен числу исполь­зуемых OAM-мод. Этот метод получил название мультиплексирование с разделением по орбитальному угловому моменту (orbital angular momentum multiplexing, OAMM), или множественный доступ с разделением по модам (mode division multiple access, MDMA). Орбитальный угловой момент является независимой характеристикой и поэтому представляет собой новую степень свободы для обеспечения множественного доступа.

Перспективным представляется совместное использование как OAM мультиплек­сирования, так и поляризационного мультиплексирования для ближней высокоскорост­ной беспроводной связи (рис. 4). OAM и поляризация могут рассматриваться как две независи­мые степени свободы. Поэтому поляризационное мультиплексирование совместимо с OAM мультиплексированием и может использоваться для двукратного увеличения информационной ёмкости и спектральной эффективности линии передачи.

Рис. 4. Совместное использование мультиплексирования по OAM и поляризации в линии связи

Большие возможности открываются при совместном использовании OAM муль­типлексирования и технологии MIMO. Для систем с OAM мультиплексированием детектирование OAM-мод высокого порядка представляет собой сложную задачу для приёмника, потому что OAM-лучи с большими значениями OAM индекса l сильнее расходятся в процессе распространения. Поэтому достижимое число каналов для каж­дого типа техники мультиплексирования будет ограничено. При этом, из-за расходимо­сти вдоль пути распространения, OAM-лучи от каждой передающей антенны могут пространственно перекрываться на приёмнике.

Если каждая антенна в обычной системе пространственного мультиплексирования может передавать множество независимых лучей, несущих информацию, с различными OAM-модами, то общее число размещаемых каналов может быть увеличено. Тем самым повышается информационная ёмкость системы. Сложность применения технологии MIMO в такой системе может быть потенциально уменьшена путём использования ортогональности OAM-лучей.

Архитектура беспроводной линии связи с высокой ёмкостью с использованием OAM мультиплексирования совместно с пространственным мультиплексированием схематически показана на рис. 5. Система содержит N приёмно-передающих антенных пар, расположенных в виде равномерной линейной структуры. Каждая передающая антенна передаёт M мультиплексированных OAM-лучей, образуя в результате NM каналов данных. N приёмных антенн используются для приёма сигналов, переданных N передающими антеннами. Из-за расходимости вдоль пути распространения OAM-лучи от каждой передающей антенны могут пространственно перекрываться на приёмнике.

Рис. 5. Концепция линии связи, использующая OAM мультиплексирование совместно с пространственным мультиплексированием. Система содержит N антенн, каждая передающая антенна передаёт M OAM-мод

Число одновременно передаваемых OAM-мод теоретически может быть сколь угодно большим. Совместное использование OAM мультиплексирования с другими методами мно­жественного доступа (поляризационным, пространственным, OFDM и т.д.) позволяет значительно увеличить число пользователей в системе.

Эксперименты с передачей и приёмом электромагнитных волн начали проводиться в течение последних нескольких лет. Известно об успешной передаче 2, 8, 22 и 24 OAM-мод одновременно. Однако приём сигналов с большими значениями OAM-моды l затруднён из-за уменьшения мощности лучей, обусловленного их сильной расходимостью, а также из-за того, что OAM-канал с большими значениями l более подвержен межканальным перекрёстным помехам.

Можно выделить три основных преимущества внедрения беспроводной связи на основе OAM:

• Увеличение эффективности использования спектра. Действительно, различные моды OAM сигнала ортогональны друг другу, поэтому можно выполнять параллельную передачу нескольких ОАМ-мод.

• Возможность доступа большего числа пользователей. Как уже говорилось, OAM даёт новый метод множественного доступа – множественный доступ с разделением по моде (MDMA), причём без использования существенного количества ресурсов в других пространствах. В MDMA разные пользователи могут использовать разные ОАМ-моды для ортогонального доступа к радиосети.

• Увеличение помехозащищённости. Имеющиеся технологии увеличения помехозащищённости могут быть также применены и в пространстве OAM-мод. Например, технология перестройки рабочей частоты может быть перенесена без особенных изменений в модовое пространство.

Проблемы, возникающие при генерации, передаче и приёме “закрученных” радиосигналов

Несмотря на все перечисленные выше преимущества OAM мультиплексирования, ещё существует ряд нерешённых исследовательских проблем, связанных с генерацией, передачей и приёмом “закрученного” радиосигнала. Проблемы, возникающие перед исследователями, можно разделить на три группы.

1. Проблемы генерации вихревого радиосигнала.

Для генерации вихревого радиосигнала можно использовать несколько средств:

• Спиральная фазовая пластина (spiral phase plate, SPP) (рис. 6). В этой антенне фазовая задержка генерируется путём плавного увеличения толщины антенны пропорционально азимутальному углу или путём сверления неоднородных отверстий в диэлектрической пластине для изменения эквивалентной диэлектрической проницаемости. Преимущества такой антенны: небольшая расходимость волны и её низкое затухание. Основные недостатки: невозможность генерирования относительно низких частот и невозможность генерирования нескольких OAM-мод одновременно.

  

  Рис. 6. Антенна SPP

• Фазированная антенная решётка UCA (рис. 7). В такой антенне фаза каждого следующего элемента решётки линейно увеличивается на 2πl / N, где N – количество элементов антенной решётки. Преимущества антенн UCA: они имеют малый вес, просты в изготовлении, могут одновременно генерировать несколько вихревых лучей с несколькими OAM-модами в одном радиочастотном диапазоне. Основные недостатки: вихревые лучи, создаваемые UCA, имеют большой коэффициент расходимости и большой размер центральной полости. Антенны UCA необходимо использовать совместно с фокусирующими системами для борьбы с ослаблением сигнала во время распространения.

  

  Рис. 7. Антенна UCA

• Метаповерхности (рис. 8). В схемах генерации ОАМ-сигналов на основе метаповерхностей волновой фронт электромагнитной волны контролируется путём регулирования сдвига фазы некоторой входящей безвихревой волны. Эти системы имеют малую массу и низкую стоимость изготовления. Однако, проблема точного контроля фазы для модуляции сигнала остаётся открытой поэтому, данный метод неприменим к случаю использования OAM в беспроводной связи.

  

  Рис. 8. Метаповерхность

2. Проблемы передачи вихревого радиосигнала.

• Выравнивание передатчика и приёмника. Для использования сигналов с различными OAM-модами требуется, чтобы передатчик и приёмник были выровнены, т.е. чтобы была скомпенсирована разница расстояния от передатчика до различных частей приёмника. Если передатчик и приёмник не выровнены, фаза принимаемого сигнала содержит не только фазу OAM-моды, но также некоторую фазовую погрешность, появляющуюся из-за неравного расстояния до передатчика в разных частях приёмника. Следовательно, для невыровненных сценариев необходимо добавлять алгоритм адаптивной оценки фазовых искажений в приёмнике.

• Замирания. Современные исследования технологии OAM рассматривают в первую очередь случай прямой видимости, без учёта замираний. Однако во многих практических сценариях имеются случайные отклонения фазы волнового фронта в приёмнике, приводящие в  том числе к замираниям. Если сигналы OAM подвергаются замираниям, необходимо оценить изменение фазы, соответствующее каждой OAM-моде.

• Расходимость луча. Луч OAM становится всё более и более расходящимся с ростом индекса OAM-моды, что значительно уменьшает дальность передачи и снижает эффективность использования спектра. Для эффективного использования всех OAM-мод требуется, чтобы лучи OAM сходились. Создание эффективной структуры и алгоритмов антенн для объединения пучков ОАМ без изменения исходных волновых фронтов ОАМ-мод – сложная задача. Существует два типичных метода фокусирования пучков ОАМ: параболическая антенна и линзовая антенна. Параболическая антенна преобразует расходящийся пучок OAM в сходящийся пучок, сохраняя при этом информацию о каждой из OAM-мод. Такая антенна обладает относительно низким затуханием для лучей ОАМ. Однако её размер относительно велик. Линзовая антенна преобразует расходящиеся пучки ОАМ в сходящиеся пучки с помощью преломления. Она лучше подходит для различных частотных диапазонов, однако она громоздкая и имеет относительно большое затухание.

3. Проблемы приёма вихревого радиосигнала.

• Приём с помощью антенны SPP. Такая антенна может обнаруживать только одну OAM-моду. Приёмник генерирует опорный сигнал с соответствующей OAM-модой. Затем принятый сигнал умножается на опорный сигнал, и в результате получается плоская электромагнитная волна.

• Приём с помощью антенны UCA. Для выделения сигнала, переносимого соответствующей OAM-модой, может использоваться пространственное быстрое преобразование Фурье. Данное преобразование обладает таким свойством, что после пространственной выборки сумма равна нулю в пределах интервала, за исключением заданной OAM-моды. На основе антенны UCA может осуществляться приём нескольких OAM-мод. Однако необходимо, чтобы передающая и принимающая стороны были выровнены друг с другом.

• Другие способы. Существуют также другие схемы для выделения сигналов из OAM-мод. Например, метод фазового градиента. Он зависит от кругового разделения между приёмными антеннами. Поскольку спиральные фазовые фронты разных пучков OAM различны, OAM-мода может быть обнаружена с использованием двухточечного измерения фазы. Существуют и другие схемы приёма: прямое измерение момента импульса электромагнитной волны и триангуляция.

Сравнение методов множественного доступа с поляризационным разделением и с разделением по орбитальном угловому моменту

Для большей наглядности сравним два рассмотренных в этой статье метода множественного доступа – с поляризационным разделением и с разделением по орбитальному угловому моменту. Отметим как общие черты, так и различия между этими методами.

1. Различие в физических принципах, лежащих в основе этих технологий

Электромагнитная волна, не несущая орбитального углового момента (? = 0), является сферической. У сферической волны волновые фронты представляют собой концентрические сферы. У закрученной волны, несущей орбитальный угловой момент (? ̸= 0), волновой фронт спиралеобразный (геликоидальный), он словно наматывается винтом на направление распространения волны. Изображения волнового фронта закрученной волны очень похожи на изображения электромагнитной волны с круговой поляризацией (рис. 9). Однако, несмотря на визуальную схожесть таких иллюстраций, закрученность и круговая поляризация – два принципиально разных явления, две независимые степени свободы, которыми может обладать электромагнитная волна. Могут существовать волны с поляризацией, но без закрученности, бывают волны с закрученностью, но без поляризации, бывают волны и с тем и с другим, или же без того и без другого.

Рис. 9. Вверху – электромагнитная волна в зависимости от наличия и знака её орбитального углового момента: волновой фронт (слева), фаза волны в поперечной плоскости (посередине) и интенсивность в фокусе (справа). Внизу – электромагнитная волна с круговой поляризацией.

Иллюстрация круговой поляризации на рис. 9 приведена для плоской волны. Она показывает ориентацию электрического поля в разных точках вдоль луча. Эта ориентация одна и та же во всей поперечной плоскости. Рисунки с волной, имеющей OAM, показывают не направления электрического поля, а волновой фронт. Он не плоский, а геликоидальный. Здесь фаза волны меняется не только при движении вдоль луча, но и при смещении в поперечной плоскости. Отметим также, что в зависимости от того, в какую сторону поворачивается геликоид волнового фронта, закрученность бывает как положительной, так и отрицательной – в этом она сходна с поляризацией. Но, в отличие от поляризации, величина закрутки может быть сколь угодно большой: +1 и –1, +2 и –2, +3 и –3 и т.д. до бесконечности. В этом заключается ещё одна полезная особенность закрученной электромагнитной волны: закрученность обладает гораздо большей информационной ёмкостью, чем поляризация.

2. Сравнение ортогональности сигналов

В случае поляризационного разделения пользователей две поляризованные электромагнитные волны, передаваемые по одному каналу, могут быть как ортогональными (например, два сигнала с вертикальной и горизонтальной поляризацией или с левой и правой поляризацией), так и неортогональными (если число поляризационных состояний больше двух). В случае же OAM-мультиплексирования все сигналы с различными OAM-модами, передаваемые по одному каналу, всегда являются ортогональными. В связи с этим метод множественного доступа на основе OAM теоретически позволяет мультиплексировать большее число сигналов, а, значит, и обслуживать большее число пользователей.

Сходство двух данных методов множественного доступа заключается в том, что как поляризация, так и OAM являются независимыми степенями свободы по отношению к прочим ресурсным пространствам. Поэтому перспективной является комбинация как поляризационного разделения, так и разделения по OAM с различными технологиями временного, частотного, кодового, пространственного разделения, с технологией MIMO и т.п. Также возможно совместное использование разделения по поляризации и по OAM в одной системе связи.

3. Различие в технологиях генерации, передачи и приёма сигналов

Технология генерации и приёма поляризованных сигналов хорошо отработана на протяжении нескольких десятилетий. А для генерации и приёма сигналов с OAM-модами необходимы новые типы антенн, при разработке которых ещё не решены многие технологические проблемы.

При распространении радиоволн вне условий прямой видимости обе технологи сталкиваются с определёнными трудностями. В случае распространения поляризованных волн наблюдается явление деполяризации электромагнитной волны за счёт переотражений, дифракции, рефракции и др. В случае распространения закрученных волн наблюдается явление расходимости луча. Луч становится всё более расходящимся с ростом индекса OAM-моды, что уменьшает эффективную дальность передачи.

Пример реализации множественного доступа с совместным использованием поляризационного и OAM-мультиплексирования

Рассмотрим практический пример реализации системы связи с поляризационным и ОАМ-мультиплексированием. В статье Yan Yan и др. описывается лабораторный эксперимент, в котором в диапазоне миллиметровых волн генерировались модулированные радиосигналы с поляризационным и OAM-мультиплексированием, передавались на расстояние 2,5 м,  демультиплексировались и демодулировались с вероятностью битовых ошибок ниже 3,8·10^-3. Скорость передачи данных составила 32 Гбит/с, а спектральная эффективность – 16 бит/c/Гц. Использовалось по 4 значения индекса OAM для каждого из 2 поляризационных состояний.

 Лучи с различными OAM-модами (l = –3, –1, +1 и +3) генерировались путём прохождения поляризационно-мультиплексированных лучей, испускаемых коллимированной рупорно-линзовой антенной с двойной поляризацией, через спиральную фазовую пластину (spiral phase plate, SPP) SPP расположена после антенны таким образом, что диаметр гауссова луча меньше диаметра SPP. Схема генерации OAM-лучей изображена на рис. 10.

Рис. 10. Генерация OAM-лучей с поляризационным мультиплексированием (l = –3, –1, +1 и +3)

Восемь OAM-лучей с двумя состояниями поляризации (вертикальной и горизонтальной), генерируются четырьмя рупорно-линзовыми антеннами с двойной поляризацией, за каждым из которых следует SPP с различным значением l. Затем они пространственно мультиплексируются с помощью объединителя 1˟4. Восемь мультиплексированных каналов OAM (4 OAM-моды с каждой из 2 ортогональных поляризаций) получаются путём объединения лучей OAM c l = ±1 и c l = ±3. Результирующие 8 коаксиальных каналов, каждый из которых передаёт независимый поток данных с модуляцией 16-QAM с символьной скоростью 1 Гбод, совместно распространяются к приёмнику, находящемуся на расстоянии 2,5 м от передатчика, и передают информацию с общей скоростью 32 Гбит/с на несущей частоте 28 ГГц.

Для восстановления мультиплексированных каналов используются SPP и приёмная антенна (рис. 11). Чтобы восстановить определённую OAM-моду l, используется SPP с обратным состоянием –l. С её помощью удаляется азимутальный фазовый член OAM-луча e^ilφ, в результате чего получается луч с плоским фазовым фронтом c l = 0. Этот луч имеет яркое пятно высокой интенсивности в центре (рис. 3), которое можно отделить от OAM-лучей с кольцевыми профилями интенсивности с помощью пространственной фильтрации.

Рис. 11. OAM демультиплексор на основе SPP

Рупорно-линзовые антенны передатчика и приёмника работают только с гауссовыми лучами (l = 0). “Закрученная” фаза луча удаляется, и получившуюся волну уже можно принять с помощью рупорно-линзовой антенны с двойной поляризацией. Выходной сигнал от приёмной антенны записывается и оцифровывается с помощью осциллографа реального времени с аналоговой полосой пропускания 32 ГГц, которая достаточно широка, чтобы верно принимать модулированные сигналы на частоте 28 ГГц. Записанные сигналы затем обрабатываются в автономном режиме для восстановления созвездий 16-QAM и вычисления вероятности битовых ошибок (BER).

Часть мощности из других каналов может просачиваться в любой из рассматриваемых каналов из-за несовершенства генерации OAM, мультиплексирования и расцентровки установки, что приводит к перекрестным помехам в канале. На рис. 12 показаны сигнальные созвездия принятых сигналов 16-QAM с частотой с отношением сигнал/шум 19 дБ для канала c l = +3 как в случае одиночной поляризации, так и двойной поляризации (X-pol и Y-pol). Созвездия каналов c l = +3 как для X-pol, так и для Y-pol становятся намного хуже в случае двойной поляризации из-за более высоких перекрестных помех. По аналогичным причинам l = +3 с X-pol имеет более размытое созвездие, чем l = +3 с Y-pol.

Рис. 12. Сигнальные созвездия принятых сигналов с модуляцией 16-QAM для OAM-канала с l = +3, SNR = 19 дБ.

В этом эксперименте каждый канал способен достичь значения BER ниже 3,8·10^–3, а спектральная эффективность составляет 16 бит/с/Гц. Увеличение потенциальной дальности передачи за пределы 2,5 м зависит от нескольких факторов: размера апертуры приёмника (т.е. размера SPP) и расходимости OAM-луча. На больших расстояниях фиксированная апертура приёмника будет принимать меньшую мощность из-за расхождения OAM-луча. Учитывая, что луч расходится примерно как квадратный корень из |l|, лучи с большими OAM-индексами l расходятся больше и в конечном итоге ограничивают производительность системы.

Заключение

В пятой части мы рассмотрели методы множественного доступа, основанные на разделении пользователей в двух ресурсных пространствах: поляризация и орбитальный угловой момент. Разделение по орбитальном угловому моменту весьма привлекательно в силу взаимной ортогональности всех OAM-мод. Однако широкому практическому применению этого метода препятствует ряд технологических трудностей, возника­ющих при передаче и приёме “закрученного” сигнала, что связано со сложностью используемых антенн и ослаблением сигнала при передаче на большие расстояния. Необходимо дальнейшее проведение экспериментальных и теоретических исследований в области OAM-мультиплексирования для определения информационной ёмкости и границ применимости этой технологии.

Близится завершение нашей серии статей по методам множественного доступа в беспроводной связи. В первых пяти частях мы побывали во всех используемых на практике ресурсных пространствах для разделения пользователей. О чём ещё можно написать? В шестой, заключительной части нас ждут комбинированные методы множественного доступа, в которых для разделения пользователей одновременно используется несколько ресурсных пространств. Также сравним между собой различные методы и немного поговорим о дальнейших перспективах развития технологий множественного доступа.

Литература

1. Cao Bin, Zhang Qin-Yu, Jin Lin. Polarization division multiple access with polarization modulation for LOS wireless communications // EURASIP Journal on wireless communications and networking. – 2011. – Vol. 2011, no. 1. – P. 77.

2. Use of polarization freedom beyond polarization-division multiplexing to support high-speed and spectral-efficient data transmission / Chen Zhi-Yu, Yan Lian-Shan, Pan Yan, Jiang Lin, Yi An-Lin, Pan Wei, and Luo Bin // Light: Science & Applications. – 2017. – Vol. 6, no. 2. – P. e16207.

3. Space-Polarization Division Multiple Access System with Limited Feedback. / Joung Heejin, Jo Han-Shin, Mun Cheol, and Yook Jong-Gwan // KSII Transactions on Internet & Information Systems. – 2014. – Vol. 8, no. 4. – P. 1292-1306.

4. Поляризационная развязка: взгляд эксперта. Оценка требований по кросс-поляризационным характеристикам антенн земных станций спутниковой связи / Бобков В., Ефимов М., Киселев А. и Нагорнов В. // Connect! Мир Связи. – 2004. – № 2. – С. 85-89.

5. Transmission of multi-dimensional signals for next generation optical communication systems / Yi Anlin, Yan Lianshan, Pan Yan, Jiang Lin, Chen Zhiyu, Pan Wei, and Luo Bin // Optics Communications. – 2018. – Vol. 408. – P. 42-52.

6. Transmission of multi-polarization-multiplexed signals: another freedom to explore? / Chen Zhiyu, Yan Lianshan, Pan Wei, Luo Bin, Guo Yinghui, Jiang Hengyun, Yi Anlin, Sun Yafei, and Wu Xiaoxia // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, no. 9. – P. 11590-11605.

7. Herard Cl., Lacourt A. Three channel multiplexing using polarization of light // Optics communications. – 1986. – Vol. 60, no. 1-2. – P. 27-31.

8. Perlicki K. Three channels optical transmission based on polarization multiplexing technique // Microwave and Optical Technology Letters. – 2009. – Vol. 51, no. 3. – P. 626-627.

9. Minimizing polarization multiplexing angle in polarization division-multiplexed system / Jiang Lin, Yan Lianshan, Yi Anlin, Chen Zhiyu, Pan Yan, Pan Wei, Luo Bin, Zhou Xinyu, and Feng Xia // IEEE Photonics Journal. – 2016. – Vol. 8, no. 2. – P. 1-8.

10. A highly flexible polarization demultiplexing scheme for short-reach transmission / Chen Zhiyu, Yan Lianshan, Pan Wei, Luo Bin, Yi Anlin, Pan Yan, Jiang Lin, Ye Jia, Yao X Steve, and Li Guifang // IEEE Photonics Journal. – 2015. – Vol. 7, no. 6. – P. 1-8.

11. Quad-polarization transmission for high-capacity IM/DD links / Estaran J., Usuga M.A., Porto E., Piels Molly, Olmedo M. Iglesias, and Monroy I. Tafur // 2014 The European Conference on Optical Communication (ECOC) / IEEE. – 2014. – P. 1-3.

12. Padgett Miles, Courtial Johannes, Allen Les. Light’s orbital angular momentum // Physics Today. – 2004. – Vol. 57, no. 5. – P. 35-40.

13. Orbital angular momentum in radio – A system study / Mohammadi Siavoush Mohaghegh, Daldorff Lars KS, Bergman Jan ES, Karlsson Roger L, Thide Bo, Forozesh Kamyar, Carozzi Tobia D., and Isham Brett // IEEE transactions on Antennas and Propagation. – 2009. – Vol. 58, no. 2. – P. 565-572.

14. Luo Fa-Long, Zhang Charlie. Signal processing for 5G: algorithms and implementations. ––John Wiley & Sons, 2016.

15. Line-of-sight millimeter-wave communications using orbital angular momentum multiplexing combined with conventional spatial multiplexing / Ren Yongxiong, Li Long, Xie Guodong et al. // IEEE Transactions on Wireless Communications. – 2017. – Vol. 16, no. 5. – P. 3151-3161.

16. Theoretical analyses and design of circular array to generate orbital angular momentum / Lin Mingtuan, Gao Yue, Liu Peiguo, and Liu Jibin // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2017. – Vol. 65, no. 7. – P. 3510-3519.

17. Design, fabrication, and measurement of reflective metasurface for orbital angular momentum vortex wave in radio frequency domain / Yu Shixing, Li Long, Shi Guangming, Zhu Cheng, Zhou Xiaoxiao, and Shi Yan // Applied Physics Letters. – 2016. – Vol. 108, no. 12. – P. 121903.

18. Uchida Masaya, Tonomura Akira. Generation of electron beams carrying orbital angular momentum // Nature. – 2010. – Vol. 464, no. 7289. – P. 737.

19. Orbital-angular-momentum embedded massive MIMO: Achieving multiplicative spectrum-efficiency for mmWave communications / Cheng Wenchi, Zhang Hailin, Liang Liping, Jing Haiyue, and Li Zan // IEEE Access. – 2017. – Vol. 6. – P. 2732-2745.

20. High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing / Yan Yan, Guodong Xie, M.P.J. Lavery et al. // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5, No 1. – P. 1-9.

Перейти к 6 части