“神秘的”轨道角动量
一、什么是轨道角动量？目前，无线通信主要建立在平面电磁波上，已充分利用时域、频域、码域、空域和极化域这些复用维度来提高频谱效率。为了获得更高的频谱效率，业界在不断尝试从电磁波的物理特性入手来实现信息传输方式的突破，比如轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）技术。什么是OAM？根据经典电动力学理论，电磁波不仅具有线动量也具有角动量，其中，OAM描述的是电磁波绕传播轴旋转的特性，使电磁波的相位波前呈涡旋状，这种形式的电磁波被称为涡旋电磁波，如图1所示。OAM具有诸多OAM模态，其中OAM模态l=0为平面波，而对于l≠0的情况，不同模态值的涡旋电磁波彼此正交，通过模态的复用可以在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下发送多个同轴数据流，提供了无线传输的新复用维度，从而提升频谱效率。
图1 涡旋电磁波
涡旋电磁波可分为电磁波涡旋量子和统计态涡旋波束。其中，电磁波涡旋量子指的是利用相对论下的涡旋电子辐射出携带不同模态数的涡旋量子，由于单个量子携带OAM，利用OAM量子发射机和OAM量子传感器可分别产生和接收独立于电场强度的新维度，从而提升系统容量；统计态涡旋波束是指电磁波的宏观涡旋现象，其产生与接收方法类似于多天线系统中的波束赋形，目前业界就其能否提供无线传输新维度存在争议。看到这里是不是一头雾水呢？没事，下面就跟小编一起掀起“OAM”的神秘盖头~~ （友情提示，文章有点长，一定要耐心读完哦）
二、电磁波涡旋量子
01技术原理
电磁波涡旋量子是由磁场中回旋振荡电子辐射产生的。什么？量子？普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔？不不不，不要恐慌，往下看
在发射端，首先利用高压电源对电子进行加速，然后高能电子进入均匀磁场。将电子运动方向分解为平行磁场和垂直磁场两个方向，电子在平行磁场的方向做匀速直线运动，在垂直磁场方向受到洛伦兹力作用（洛伦兹力提供了向心力），在垂直于磁场和运动方向的平面内做回旋运动。回旋电子状态处于离散的朗道能级并携带 OAM，形成涡旋电子，如图2所示。
图2 电磁波涡旋电子
涡旋电子通过释放能量，跃迁到角动量减少的低能态，根据角动量和能量守恒，跃迁到低能态释放的角动量和能量传递给电磁波涡旋量子，即涡旋电子自发辐射产生电磁波涡旋量子，如图3所示。
图3 电磁波涡旋量子
在接收端，电磁波涡旋量子的模态检测方法与其产生方法类似，主要区别在于角动量和能量从电磁波涡旋量子转移到电子，通过对电子的角动量模态进行检测，实现电磁波涡旋量子模态识别和信息传输。一个可行的方法是将接收到OAM的涡旋电子与晶体进行撞击，根据撞击后的衍射图案识别电磁波涡旋量子的模态，就像不同力气的人击打同一个物体，留下的印记肯定是不同的。可以看出，OAM量子传感器检测电磁波涡旋量子，与传统天线检测电磁波电场强度，是互相独立的。因此电磁波涡旋量子的OAM是区别于电场强度的独立物理量，理论上可构建只有OAM传输的“零带宽”传输系统，从而提供无线传输新维度，通过多模态电磁波涡旋量子复用传输，可提升系统容量，有望超越传统MIMO容量界。
02技术挑战
电磁波涡旋量子构成的 OAM 量子态可提供独立于电场强度的新维度，适用于用户和基站间的长距离传输，还可推广到大容量点对点传输，高速星地通信和量子OAM雷达探测等；看到这里是不是灰常激动？
但是小编不得不告诉你，好货自然贵，目前OAM量子发射机和OAM量子传感器成本较高，体积较大，商用困难，未来器件小型化任重而道远。
三、统计态涡旋波束
01技术原理
统计态涡旋波束由螺旋相位板、抛物面天线、超表面天线、环形行波天线等专用天线，或者均匀环形天线阵列（Uniform Circular Array，UCA）产生。其中，螺旋相位板、抛物面天线和超表面天线利用平面波在传播过程中经过透射或者反射，使得波束在不同方位角上获得特定的相位差；环形行波天线通过控制谐振腔的周长调整谐振腔内的谐振模式产生涡旋电磁波；这些专用天线可通过改变视距信道提升系统容量，但受限于自由度仍然无法超越传统MIMO容量界。UCA法指的是发射端在半径为r的圆环上等间距布满N个天线阵元，每个阵元的馈电相位依次延时2πl/N（N为天线阵元个数，l为OAM模态），环绕天线阵列一周后产生2πl的相位旋转，从而等效出一个沿着传播方向呈螺旋分布的相位图，如图4所示。接收端放置半径为R的UCA，从空间接收整个环形波束能量，通过每个阵元采用与发射端UCA相反的馈电相位，实现不同模态OAM波束的解复用。物理实现上要求发送UCA和接收UCA圆心对准且平行，收发端天线不对准（包括横向位移和倾斜）会引起螺旋状相位波前失真，从而造成解复用时的模态间串扰，降低系统容量。
图4 均匀环形天线阵
研究表明，通过UCA产生的OAM信号，在视距传输下，其模态数等价于流数，产生OAM信号的UCA中不同阵元上馈相处理等同于MIMO系统信道进行SVD分解所得到的预编码矩阵。简单来说就是：统计态涡旋波束本质上就是波束赋形，无法超越传统MIMO容量界。但是与传统的MIMO相比，接收端不需要将信道状态信息反馈给发送端，且模态间的解复用通过调整移相器完成，大大降低了系统复杂度，所以咱们统计态涡旋波束宝宝也是有长处滴。
02应用挑战
统计态涡旋波束的主要特点是波束整体呈发散形态，波束中心存在凹陷，中心能量为零，整个波束呈现中空的倒锥形，如图5所示，是不是看起来像个小喇叭，还挺漂亮。俗话说，越漂亮的东西越有挑战，OAM波束也不例外：1）OAM波束发散的特性，将导致接收端能量集中在一个圆环上，且随着传输距离的增大和模态的增加，环形波束的半径越来越大，不适用于长距离传输。
图5 统计态涡旋波束中空发散
2）物理实现上要求发送和接收天线阵列圆心对准且平行，应用场景受限。一般应用于收发端位置固定的前传/回传链路，比如宿主基站和中继节点之间的链路等；移动通信系统中，用户终端位置不定，在移动通信中应用挑战较大。3）由大气湍流、雨雾等传播环境造成的多径效应可能会导致OAM多路复用系统发生信道内和信道间串扰，破坏螺旋相位面，导致接收端无法对多模态数据解复用。面对大量的电磁涡旋波状态，如何进行有效的分离和检测，将是OAM技术应用于无线通信所面临的核心挑战之一。
四、总结
看到这里的童鞋对我们OAM是真爱无疑了，笔芯~
小编总结一下：OAM分为量子态和统计态，具有OAM量子态的电磁波涡旋量子可提供物理传输的新维度，通过OAM模态复用理论上有望突破传统MIMO容量界，且量子态波束无需限制成倒锥形，不受波束发散和收发端严格对准的影响，可适用于用户和基站间的长距离传输，但是未来器件小型化任重而道远；电磁波OAM统计态涡旋波束本质上仍然是波束赋形，理论上没有突破MIMO容量界，且受波束发散和对准的影响，在无线通信中的应用将面临较大挑战，有待业界进一步研究突破。
本文作者 | 中国移动研究院：董静、金婧、夏亮、王启星、刘光毅，清华大学：张超、王元赫来源 | 中移智库
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