无线光通信轨道角动量分集关键技术研究

Diversity is one of the most effective techniques against the channel fading in wireless optical communications (WOC) system. This project proposes a new WOC diversity technology based on optical Orbital Angular Momentum (OAM) to improve the security, reliability and simplify the structure of the system . Based on the atmospheric turbulence theory, we will research following problems: transmission characteristics of light beams carrying OAM propagating through WOC channel, establishment of the channel transmission matrix, the correlation between the channels and the optimal combination of OAM mode set, the implementation of transmitting and receiving system of OAM diversity, the schemes of collinear generation and separation of multiple OAM modes with high purity and diffraction efficiency simultaneously, the optimal combination algorithm of OAM diversity, the equalization algorithm of OAM multi input multi output (MIMO), the scheme of experimental system of OAM mode diversity and verification and modification of the proposed scheme and algorithm experimentally. The achievements of our research will lay a theoretical and experimental foundation for high-capacity WOC system and make an important significance on the WOC industry to our country.

分集技术是目前无线光通信(WOC)系统抗衰落的最有效措施之一。本项目提出一种基于光轨道角动量（obital angular momentum, OAM）的WOC分集技术以简化系统结构和提高信息传输的安全性和可靠性。本项目基于大气湍流理论模型，研究OAM信号经WOC大气信道的传输特性，建立信道传输矩阵，分析信道间的相关性，并提出OAM态的优选方案；研究OAM分集发送和接收系统实现方案，创新性地提出高衍射效率、高纯度多模OAM光束共线产生和分离方法；研究OAM分集的最优合并算法；提出OAM多输入多输出（MIMO）系统实现新方案和均衡算法；建立OAM分集传输实验系统，验证和完善所提出的方案和算法。项目最终取得的研究成果将会为大容量WOC通信系统的实现奠定理论与实验基础，对我国WOC通信事业的发展具有重要推动意义。

无线光通信(Wireless Optical Communication, WOC)是构筑通信网络不可或缺的一项技术，轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)作为一个新的自由度，可有效提高系统容量，满足高速大容量的现代通信需求。在实际通信链路中，大气湍流信道引起OAM光束发生畸变，导致功率损耗、模式间串扰严重，大大降低系统性能。本项目提出利用基于OAM的WOC分集技术简化系统结构和提高信息传输的安全性和可靠性。本项目研究内容如下：（1）研究无线（大气和海洋）信道条件下利用OAM进行分集通信，分析了湍流强度和光束的不对准等因素对OAM光束传输特性的影响，建立了OAM光束信道传输矩阵，提出OAM态的优选方案；（2）提出同时产生多个OAM共线光束的改进算法；（3）建立OAM多模式信号的分离方案并予以仿真实现；（4）提出OAM分集系统方案和信号合并算法，建立系统性能理论分析模型；（5）建立了OAM分集 MIMO 信号处理仿真模型；（6）搭建了OAM螺旋相位谱测试系统和OAM探测实验系统。本项目研究成果为高可靠性WOC通信系统的实现奠定理论与实验基础，对WOC通信技术的发展起到重要推动作用。经本项目资助，共发表SCI期刊论文11篇（二区论文2篇），EI论文5篇，申请国家发明专利5项。