基于轨道角动量理论的多天线系统容量分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着科技的飞速发展及手机移动端等电子产品的广泛应用，为保证通话、数据视频传输、下载等的高速度、高质量及高安全性等，对于移动通信系统的要求也越来越高。无线通信技术的迅猛发展，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。移动通信技术也从第一代逐步发展到了现今在广泛研究和部署的第五代，并且，我国科技部已在北京召开6g技术研发工作启动会。无线通信领域已存在的频分、时分、码分及空分复用四种基本复用方式已经被广泛研究和开发，若想在时分多址、频分多址等传统的复用技术的基础上进一步提升系统性能变得越来越难。随着近年来研究人员的发现，一种携带轨道角动量电磁波的“态分复用”通信，利用其不同模态轨道角动量电磁波的正交性有可能从一个新维度来提高频谱效率，实现同一频带承载更大的传输容量。它有可能成为无线通信技术的第五种基本方式，成为通信领域的新里程碑。

轨道角动量电磁波突出的价值在于正交性、安全性及多维量子纠缠等特性，正交性体现在对于多模态的oam复用系统，理论上在接收端可以通过一组滤波器对不同模态的oam光束进行完美的解复用，恢复出各路信号；安全性体现于oam的拓扑荷和方位角之间的不确定关系，当接收机偏离涡旋光束的主轴时，会导致接收到的角动量模式发生偏差，从而接收不到正确的完整的信息。多维量子纠缠体现在相对于传统的“0”、“1”bit的二维纠缠，oam的本征态的数目无限，可以实现任意维度的纠缠。太赫兹波频率上在毫米波和红外线之间，能量上，在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白。太赫兹频段大量存在的绝对带宽资源及轨道角动量在一个光束中实现多个正交轨道角动量模式的并行传输这一特性的结合，对于无线通信技术上提高频带利用率和增大容量起着重大的作用。

轨道角动量在光学和量子领域的巨大成功，研究生人员渐渐开始将轨道角动量的概念引入到电磁波波段中，在通信领域逐渐掀起了世界性的研究热潮。国外对涡旋波及轨道角动量的的研究相对较早，在关键核心技术的掌握也相对较多，已经具备初步规模。2007年b.thide等在2007年首次进行了产生轨道角动量电磁波的仿真研宄。2012 年tamburini 和 thidé等人分别采用反射型的螺旋抛物面天线和八木天线发送和接收涡旋电磁波，实现了用涡旋波在同一频带内同时传输了两路信号，传输距离为422m。该实验首次实现了轨道角动量的复用，并且可以很大程度提高无线通信系统的容量。2014 年，yan等人通过实验演示了利用轨道角动量复用进32gbit/s的毫米波通信，距离传输为2.5m，频谱效率16bit/s/hz。

2. 研究的基本内容与方案

本次毕业设计的基本内容是构建oam-mimo无线通信系统，设计包括发射天线与接收天线、信道矩阵获取方案、数据发送与接收策略等关键步骤。分析所构建oam-mimo系统的通信容量，并与传统的mimo系统进行性能比较与分析。

近年来，无线通信技术正处于飞速发展阶段并广泛应用于我们的日常生活中，移动设备普及率及覆盖范围逐年上涨，改善通信系统性能并有效地提升系统容量以及频谱利用率已然成为了该领域研究的重点内容。在目前的研究成果中有多种技术手段可以实现这一目标，其中轨道角动量复用技术作为一项新型技术有着较为广阔的发展前景和研究空间，并逐渐成为了电磁以及无线通信领域的热点研究内容之一。

本次课程设计目标是希望在运用相同天线数量的情况下，构建出的oam-mimo系统通信容量能够优于传统mimo系统的通信容量，从而验证了涡旋电磁波可以携带更多的信息，成为下一代通信的关键技术。

3. 研究计划与安排

第1周—第3周：搜集资料，撰写开题报告；

第4周—第5周：论文开题；

第6周—第12周：撰写论文初稿；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] thide b, then h, sjoholm j, et al. utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain[j]. phys rev lett. 2007, 99(8): 87701.

[2] zilio p, mari e, parisi g, et al. angular momentum properties of electromagnetic field transmitted through holey plasmonic vortex lenses[j]. opt lett. 2012, 37(15): 3234-3236.

[3] yan y, xie g, lavery m p, et al. high-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing[j]. nat commun. 2014, 5: 4876.