2019年第4期自由空间轨道角动量无线光通信研究进展Researchprogressonfreespaceorbitalangularmomentumwirelessopticalcommunication
WANGWei1,2,3,LIXiaoji1,2*,RENYaping3,DUWeihai1,2,3,LIUZhihong3
(1.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessingofMinistryofEducation,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China;2.GuangxiExperimentCenterofInformationScience,GuilinGuangxi541004,China;3.SchoolofMarineInformationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,BeihaiGuangxi536000,China)
Abstract:Orbitalangularmomentum(OAM)providesanovelinformationmodulationdegreeforwirelessopticalcommunica-tion,whichcanpromotethechannelcapacityandspectralefficiencytremendously.Currently,theOAMwirelessopticalcommu-nicationregimehasattractedthehighlyinterestofacademiccommunity.Firstly,thispaperreviewsthecommunicationapproach-esofOAMwirelessopticalcommunication,theninvestigatestherandomphasescreenforatmosphericturbulence,transmissioncharacteristicsofOAMunderatmosphericturbulenceandmitigationschemesforatmosphericturbulenceeffects.Andsomeap-plicationprospectsandresearchtrendsforOAMwirelessopticalcommunicationarediscussedfinally.Keywords:orbitalangularmomentum;wirelessopticalcommunication;atmosphericturbulence
王伟1,2,3，李晓记1,2*，任亚萍3，杜卫海1,2,3，刘致宏3
渊1.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理教育部重点实验室袁广西桂林541004曰2.广西信息科学实验中心袁广西桂林541004曰3.桂林电子科技大学海洋信息工程学院袁广西北海536000冤
摘要院轨道角动量（OAM）为无线光通信提供了新的信息调制维度，极大地提升了系统的信道容量和频谱利用率。目前，基于OAM的新型无线光通信体制引起了学术界的极大关注。首先介绍了通信方式，其次依次综述了大气湍流随机相位屏、大气湍流下传输特性和大气湍流效应抑制策略，最后展望了自由空间OAM无线光通信的应用前景和研究趋势。关键词院轨道角动量；无线光通信；大气湍流中图分类号院TN929.1文献标识码院A文章编号院1002-5561渊2019冤04-0012-06DOI院10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.04.003开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院
0引言随着野互联网+冶和大数据时代的到来袁物联网尧云计算数据中心和移动互联网等带宽消耗型业务的不断增加袁给现有无线通信系统带来了巨大的压力和挑战遥研究显示袁在今后的10~30年里袁信息流量需求预
计将会有2~4个数量级的增长[1]遥随着光波的基本维度渊幅度尧相位尧频率/波长尧偏振和时间等冤资源均已被开发利用袁无线光通信已经开始出现新的容量危机[2]遥
因此袁如何持续满足不断增长的信息容量需求袁确保高速信息的畅通传输袁已经成为了无线光通信亟待解决的问题遥轨道角动量渊OAM冤无线光通信利用了光波的空间自由度这一信息调制维度资源袁可以有效提升通信链路的传输容量和频谱利用率[3]袁同时袁相对于传
统无线光通信更具有安全性[4]遥1992年袁L.Allen等人发现具有空间螺旋相位因子exp的拉盖尔-高斯渊Laguerre-Gaussian袁LG冤光束携
有OAM
[5]遥每个光子携带的OAM为袁其中为拓扑
荷数袁的取值可以为任意整数曰为方向相位角曰为OAM的模态值渊也称模式值或本征态值冤袁其值为普朗
收稿日期院2018-12-26遥
基金项目院国家自然科学基金项目渊编号院61761014冤资助曰广西信息科学实验中心平台建设项目渊编号院PT1604冤资助曰广西研究生教育创新计划项目渊编号院YCSW2019152冤资助遥
作者简介院王伟渊1990-冤袁男袁湖南湘乡人袁硕士研究生袁研究方向为水下无线光通信袁现就读于桂林电子科技大学认知无线电与信息处理教育部重点实验室袁
参与国家自然科学基金项目1项袁其他科研项目1
项袁参加国际学术会议1次遥
*通信作者院李晓记渊E-mail:46941917@qq.com冤遥
引用本文院王伟袁李晓记袁任亚萍袁等院自由空间轨道角动量无线光通信研究进展[J].光通信技术袁2019袁43渊4冤院12-17.
无线光通信
輥輰訛2019年第4期王伟袁李晓记袁任亚萍袁等院自由空间轨道角动量无线光通信研究进展克常数除以2仔遥任意2个不同模态值的OAM相互正交袁这使得OAM模态适合于信息的空间复用传输遥2004年袁Gibson等人通过实验首次验证了OAM态可用于通信[6]遥2012年袁JianWang等人在自由空间环境中基于OAM复用试验了无线光通信袁传输容量达到了2.56Tb/s[7]遥2014年袁HaoHuang等人基于OAM复用袁进一步提升了通信容量袁高达100Tb/s[8]遥面对通信容量的持续扩容需求袁可以开发利用光波的空间维度资源袁基于OAM的无线光通信具有很大的潜力袁值得深入研究遥因此袁本文将对近年来自由空间OAM无线光通信领域的有关研究进展进行概述遥1OAM通信方式及其多维度融合调制OAM通信方式主要有3种院OAM键控渊OAM-SK冤尧OAM复用渊OAM-DM冤和OAM组播渊OAM-MC冤遥其中袁OAM-SK的基本原理是将拟调制信息序列一一映射到OAM模态序列上袁然后在发射端产生和发射这一序列袁最后在接收端接收并进行数据解调袁此时袁单个OAM态代表的数据位数为log2表示用于信息编码的个OAM模态[6]遥OAM-DM的基本原理是把OAM模态当做一个载波信道来承载信息袁高斯光波调制完成以后袁经过OAM产生装置袁转换成具有特定模态值的OAM光信号袁然后经过OAM光复用系统将多路模态值互不相等的OAM光信号发送至传输媒介同轴传输袁最后在接收端通过OAM解复用装置分离不同的OAM载波信道后进行数据恢复[9]遥OAM-MC的原理是将承载有信息的OAM渊例如院2冤信号输入组播器袁组播器将输入信号的功率分配到多路携有不同模态值渊例如院1尧3冤的信道袁此时袁输入OAM信号所承载的信息将在多路OAM信道上传输袁即利用OAM做载波信道袁实现一对多通信[10]遥除此之外袁基于OAM-DM的多维度融合调制技术在提高系统频谱效率和数据传输速率方面有着明显的优势遥2014年袁华中科技大学的JianWang[11]等人基于双偏振26路OAM-DM袁融合8QAM-OFDM调制和368路波分复用袁成功实现了1.036Pb/s的传输容量袁且频谱效率达112.6b/s/Hz遥这对深入挖掘OAM通信潜力袁解决未来将面临的通信容量危机提供了具有前景的解决方案遥2大气湍流下OAM传输特性OAM光信号在大气湍流下传播一定距离后袁大气湍流会引发空气折射率的随机波动袁从而导致光信号出现强度闪烁尧相位波动尧光束扩展和漂移以及到达角起伏等不良影响袁进而影响OAM无线光通信系统的整体性能[2]遥另外袁大气湍流会严重破坏OAM的空
间螺旋相位分布袁引发功率损耗袁同时还会引起OAM
模态间串扰遥因此袁为了研究大气湍流下OAM无线光通信袁必须先研究其传输特性遥
2.1大气湍流随机相位屏
大气湍流效应通常使光信号质量出现劣化遥研究光在大气湍流中的传输特性袁一般需要长距离条件下的光传播才能获得足够的数据袁然而袁室外进行的光传播实验袁人力物力需求甚巨袁且过程难以控制遥现有研究表明院大气湍流对自由空间光传播的影响袁可以等效为光信号在若干块随机相位屏间自由传播[12,13]遥
目前袁生成随机相位屏常用的方法主要有3种院功率谱反演法渊傅里叶变换法冤尧泽尼克多项式法和分形法遥
银功率谱反演法的基本思想是院先生成一个频域
内均值为0袁方差为1的复高斯随机数矩阵袁然后用大气湍流功率谱密度函数对其进行滤波袁最后进行逆傅里叶变换得到大气湍流随机相位屏[2袁14]遥2014年袁太原
理工大学的蔡冬梅团队基于Kolmogorov谱袁分别研究了均匀采样和非均匀采样功率谱反演法大气湍流随机相位屏[14]遥其仿真结果表明院在采样点数量和计量条
件均不变的情况下袁该方法大幅度改善了功率谱反演法低频成分不足的缺陷袁并且模拟精度高遥2015年袁该团队针对文献[14]中方案存在计算复杂度高尧计算速度慢的缺陷袁基于用非均匀快速傅里叶变换对非均匀采样法进行改进袁结果表明院时间复杂度可降低800
倍之多[15]遥上述方法能够解决功率谱反演法存在低频
分量不足的问题袁并且时间复杂度也得到了降低遥但是袁人们发现袁大气湍流偏离Kolmogorov谱的现象很多[16]袁因此袁上述文献所提方案对非Kolmogorov谱是否
仍然有效袁值得进一步验证遥
银泽尼克多项式法的核心思想是将波前畸变分
解为圆域内正交的泽尼克多项式袁其各阶多项式系数通过功率谱函数求得[2袁16袁17]遥2013年袁长春理工大学的
佟首峰团队基于泽尼克多项式对大气湍流相位屏进行了仿真研究袁其结果表明院相位屏在低频部分与理论值相符袁但是高频部分仿真结果却不尽如人意[17]遥虽
然可以通过增加多项式阶数的方法来弥补袁但是随之而来的是模拟效率的降低和计算复杂度的增大遥因此袁在OAM无线光通信实际应用中袁应加以综合考虑袁选择合适方案遥
无线光通信輥輱訛