一、什麼是軌道角動量？
目前，無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時域、頻域、碼域、空域和極化域這些復用維度來提高頻譜效率。為瞭獲得更高的頻譜效率，業界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實現信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）技術。什麼是OAM？根據經典電動力學理論，電磁波不僅具有線動量也具有角動量，其中，OAM描述的是電磁波繞傳播軸旋轉的特性，使電磁波的相位波前呈渦旋狀，這種形式的電磁波被稱為渦旋電磁波，如圖1所示[1]。OAM具有諸多OAM模態，其中OAM模態l=0為平面波，而對於l≠0的情況，不同模態值的渦旋電磁波彼此正交[2]，通過模態的復用可以在不依賴於諸如時間和頻率等傳統資源的情況下發送多個同軸數據流，提供瞭無線傳輸的新復用維度，從而提升頻譜效率。
圖1 渦旋電磁波
渦旋電磁波可分為電磁波渦旋量子和統計態渦旋波束。其中，電磁波渦旋量子指的是利用相對論下的渦旋電子輻射出攜帶不同模態數的渦旋量子，由於單個量子攜帶OAM，利用OAM量子發射機和OAM量子傳感器可分別產生和接收獨立於電場強度的新維度，從而提升系統容量[3]；統計態渦旋波束是指電磁波的宏觀渦旋現象，其產生與接收方法類似於多天線系統中的波束賦形，目前業界就其能否提供無線傳輸新維度存在爭議。看到這裡是不是一頭霧水呢？沒事，下面就跟小編一起掀起“OAM”的神秘蓋頭~~ （友情提示，文章有點長，一定要耐心讀完哦）
二、電磁波渦旋量子
01技術原理
電磁波渦旋量子是由磁場中回旋振蕩電子輻射產生的[4]。什麼？量子？普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛定諤？不不不，不要恐慌，往下看
在發射端，首先利用高壓電源對電子進行加速，然後高能電子進入均勻磁場。將電子運動方向分解為平行磁場和垂直磁場兩個方向，電子在平行磁場的方向做勻速直線運動，在垂直磁場方向受到洛倫茲力作用（洛倫茲力提供瞭向心力），在垂直於磁場和運動方向的平面內做回旋運動。回旋電子狀態處於離散的朗道能級並攜帶 OAM，形成渦旋電子，如圖2所示。
圖2 電磁波渦旋電子
渦旋電子通過釋放能量，躍遷到角動量減少的低能態，根據角動量和能量守恒，躍遷到低能態釋放的角動量和能量傳遞給電磁波渦旋量子，即渦旋電子自發輻射產生電磁波渦旋量子，如圖3所示。
圖3 電磁波渦旋量子
在接收端，電磁波渦旋量子的模態檢測方法與其產生方法類似，主要區別在於角動量和能量從電磁波渦旋量子轉移到電子，通過對電子的角動量模態進行檢測，實現電磁波渦旋量子模態識別和信息傳輸。一個可行的方法是將接收到OAM的渦旋電子與晶體進行撞擊，根據撞擊後的衍射圖案識別電磁波渦旋量子的模態[5]，就像不同力氣的人擊打同一個物體，留下的印記肯定是不同的。可以看出，OAM量子傳感器檢測電磁波渦旋量子，與傳統天線檢測電磁波電場強度，是互相獨立的。因此電磁波渦旋量子的OAM是區別於電場強度的獨立物理量，理論上可構建隻有OAM傳輸的“零帶寬”傳輸系統，從而提供無線傳輸新維度，通過多模態電磁波渦旋量子復用傳輸，可提升系統容量，有望超越傳統MIMO容量界。
02技術挑戰
電磁波渦旋量子構成的 OAM 量子態可提供獨立於電場強度的新維度，適用於用戶和基站間的長距離傳輸，還可推廣到大容量點對點傳輸，高速星地通信和量子OAM雷達探測等；看到這裡是不是灰常激動？
但是小編不得不告訴你，好貨自然貴，目前OAM量子發射機和OAM量子傳感器成本較高，體積較大，商用困難，未來器件小型化任重而道遠。
三、統計態渦旋波束
01技術原理
統計態渦旋波束由螺旋相位板、拋物面天線、超表面天線、環形行波天線等專用天線，或者均勻環形天線陣列（Uniform Circular Array，UCA）產生。其中，螺旋相位板、拋物面天線和超表面天線利用平面波在傳播過程中經過透射或者反射，使得波束在不同方位角上獲得特定的相位差；環形行波天線通過控制諧振腔的周長調整諧振腔內的諧振模式產生渦旋電磁波；這些專用天線可通過改變視距信道提升系統容量，但受限於自由度仍然無法超越傳統MIMO容量界[6]。UCA法指的是發射端在半徑為r的圓環上等間距佈滿N個天線陣元，每個陣元的饋電相位依次延時2πl/N（N為天線陣元個數，l為OAM模態），環繞天線陣列一周後產生2πl的相位旋轉[7]，從而等效出一個沿著傳播方向呈螺旋分佈的相位圖，如圖4所示。接收端放置半徑為R的UCA，從空間接收整個環形波束能量，通過每個陣元采用與發射端UCA相反的饋電相位，實現不同模態OAM波束的解復用。物理實現上要求發送UCA和接收UCA圓心對準且平行，收發端天線不對準（包括橫向位移和傾斜）會引起螺旋狀相位波前失真，從而造成解復用時的模態間串擾，降低系統容量。
圖4 均勻環形天線陣
研究表明，通過UCA產生的OAM信號，在視距傳輸下，其模態數等價於流數，產生OAM信號的UCA中不同陣元上饋相處理等同於MIMO系統信道進行SVD分解所得到的預編碼矩陣[8]。簡單來說就是：統計態渦旋波束本質上就是波束賦形，無法超越傳統MIMO容量界。但是與傳統的MIMO相比，接收端不需要將信道狀態信息反饋給發送端，且模態間的解復用通過調整移相器完成，大大降低瞭系統復雜度，所以咱們統計態渦旋波束寶寶也是有長處滴。
02應用挑戰
統計態渦旋波束的主要特點是波束整體呈發散形態，波束中心存在凹陷，中心能量為零，整個波束呈現中空的倒錐形[9]，如圖5所示，是不是看起來像個小喇叭，還挺漂亮。俗話說，越漂亮的東西越有挑戰，OAM波束也不例外：
1）OAM波束發散的特性，將導致接收端能量集中在一個圓環上，且隨著傳輸距離的增大和模態的增加，環形波束的半徑越來越大，不適用於長距離傳輸。
圖5 統計態渦旋波束中空發散
2）物理實現上要求發送和接收天線陣列圓心對準且平行，應用場景受限。一般應用於收發端位置固定的前傳/回傳鏈路，比如宿主基站和中繼節點之間的鏈路等；移動通信系統中，用戶終端位置不定，在移動通信中應用挑戰較大。3）由大氣湍流、雨霧等傳播環境造成的多徑效應可能會導致OAM多路復用系統發生信道內和信道間串擾，破壞螺旋相位面，導致接收端無法對多模態數據解復用。面對大量的電磁渦旋波狀態，如何進行有效的分離和檢測，將是OAM技術應用於無線通信所面臨的核心挑戰之一。
四、總結
看到這裡的童鞋對我們OAM是真愛無疑瞭，筆芯~
總結一下：OAM分為量子態和統計態，具有OAM量子態的電磁波渦旋量子可提供物理傳輸的新維度，通過OAM模態復用理論上有望突破傳統MIMO容量界，且量子態波束無需限制成倒錐形，不受波束發散和收發端嚴格對準的影響，可適用於用戶和基站間的長距離傳輸，但是未來器件小型化任重而道遠；電磁波OAM統計態渦旋波束本質上仍然是波束賦形，理論上沒有突破MIMO容量界，且受波束發散和對準的影響，在無線通信中的應用將面臨較大挑戰，有待業界進一步研究突破。
本文作者 | 中國移動研究院：董靜、金婧、夏亮、王啟星、劉光毅，清華大學：張超、王元赫
[1]馬路. 電磁波軌道角動量長距離傳輸方法研究 [D]. 清華大學, 2017.
[2]B.Thidé, H.Then, J.Sjöholm et al., “Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain,” Phys.Rev. Lett., vol. 99, no. 8, pp. 087701-1–087701-4, Aug. 2007.
[3]張超、王元赫，電磁波軌道角動量傳輸的量子電動力學分析 [J]，中國科學：信息科學，2021, ISSN 1674-7267, doi: 10.1360/SSI-2021-0066.
[4]Zhang C, Xu P, Jiang X. Vortex electron generated by microwave photon with orbital angular momentum in a magnetic field. AIP Adv, 2020, 10: 105230.
[5]Zhang C, Xu P, Jiang X. Detecting superposed orbital angular momentum states in the magnetic field by the crystal diffraction. Eur Phys J Plus, 2021, 136: 1-13.
[6]Z.F.Zhang,S.L.Zheng et al.,“The Capacity Gain of Orbital Angular Momentum Based Multiple-Input-Multiple-Output System,”Sci Rep 6, 25418, 2016.
[7]S.M.Mohammadi, L.K.S.Daldorff et al., “Orbital angular momentum in radio—A system study,”IEEETrans.AntennasPropag., vol. 58, no.2, pp. 565–572, Feb. 2010.
[8]O.Edfors, A .J.Johansson,“Is orbital angular momentum (OAM) based radio communication an unexploited area?” IEEE Trans.AntennasPropag., vol. 60, no.2, pp: 1126-1131,2011.
[9]Sjöholm J, Palmer K. Angular Momentum of Electromagnetic Radiation. Fundamental physics applied to the radio domain for innovative studies of space and development of new concepts in wireless communications[J]. arXiv preprint arXiv:0905.0190, 2009.
