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.

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.

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.

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.

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.

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.

  

• 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.

  

• 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.

  

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 (