空間通信中利用渦旋電磁波提高信道容量的傳輸方法研究

隨著科學技術的發展，人類對外層空間的探索活動將會逐步深入，從月球到火星、再到外層空間的航空航天計劃將會逐步實現。我國也對空間探測寄予厚望，將其作為未來重要的航天計劃之一。探測數據需要及時地傳回地面，通信是探索外層空間必不可少的一環。然而目前傳輸鏈路的通信速率僅為Kbit量級，為了提高通信速率，如何有效地利用空間中有限的頻譜資源、提高頻譜效率成為問題。本文提出一種提高信道容量的傳輸方法，在功率保持不變的情況下，通過復用渦旋電磁波獲得較高的頻譜效率。

渦旋電磁波通信方法概述

除去傳統的相位、頻率、振幅，軌道角動量是電磁波的另一個新維度，提供了利用電磁波的新的可能方式。因為不同模式的渦旋電磁波在空間中互相正交，所以，能夠通過渦旋電磁波的復用傳輸大幅提高頻譜效率，增加信道容量，同時，復用渦旋電磁波不會額外增加功率。這是目前渦旋電磁波應用于通信領域最大的關注點，也是引領未來空間通信的重要發展方向[4]。

系統構成與鏈路預算

根據空間通信的實際情況，我們設計了渦旋電磁波的地月通信系統。通信系統由發射機、地月傳輸鏈路和接收機三部分構成，結構的示意圖如圖1所示：

拆分成多路的編碼數據通過發射器1復用，途徑上行鏈路傳輸給接收器1，接收機1負責接收渦旋電磁波信號，隨后進行分離解調；解調完成的編碼數據通過發射器2，途徑下行鏈路作為應答信號到達接收器2完成傳輸。

發射機由專用信號源、功率放大器、渦旋電磁波發射天線三部分構成。專用信號源和功率放大器均能采用專用儀器和設備實現，渦旋電磁波發射天線可以采用地面反射面天線加螺旋相位板的結構。發射機系統結構的示意圖如圖2所示：

接收機由接收天線、射頻前端和信號采集處理器3部分構成。根據清華大學團隊最近提出的渦旋電磁波長距離傳輸方法[5]，接收天線可以采用常規天線陣列完成信號接收，接收信號由射頻前端完成降噪放大和變頻操作，然后高速數據采集裝置完成數據采集和處理。接收機部分的硬件與常規平面波傳輸方式完全一致，具有成熟的硬件設備，接收機系統結構的示意圖如圖3所示：

根據麥克斯韋方程組，波長為λ的電磁波在自由空間中傳輸距離d的損耗，能被表示為如下形式：

其中，tP表示發射端信號源的功率，aG表示發射端功率放大器的增益，t G表示40GHz頻率載波，tP表示的是信號源的輸出功率，aG是天線與螺旋相位板構成的發射系統的增益，t G是功率放大器帶來的增益，eG表示毫米波段信號經過電離層的衰減統計平均值，rG表示接收天線的增益。

系統仿真分析

計算常規電磁波的信道容量的香農公式能被表示為如下形式：

我們采用大型拋物面或卡塞哥倫天線作為地面發射天線，渦旋電磁波天線作為饋源（喇叭或貼片陣列），假設在深空通信為低信噪比環境，我們可以通過復用渦旋電磁波提高傳輸速率。通過實驗，對比增加渦旋電磁波通道數獲得的容量增益與單純增加功率獲得的增益，前者優勢明顯。對信道進行仿真的結果如圖4所示：

從圖4中可以看出，普通電磁波通信時僅僅通過增加功率所帶來的信道容量的增益是有限的，當我們固定發射功率，比如信噪比固定在20dB或者30dB的時候，通過增加渦旋電磁波復用的數量，可以獲得更加可觀的增益，這就為未來無線通信，特別是長距離點對點深空通信提供了新的傳輸方法，可以在功率瓶頸下進一步提高深空通信的傳輸速率。

結論

本文提出了一種應用于深空通信中的新的通信傳輸方法，采用渦旋電磁波進行信號傳輸，可以為信息通信提供一個新的維度，文中對深空通信的鏈路情況進行了預算，并且設計了相應的傳輸系統方案，仿真說明采用這種新形式的電磁波進行通信，可以克服功率瓶頸，在深空通信功率一定的情況下，通過渦旋電磁波空間上的正交多路復用，可以明顯地提高鏈路的傳輸容量。

參考文獻

[1]胡一平.渦旋電磁波接收新技術研究[D].杭州：浙江大學，2016.

[2]孫學宏，李強，龐丹旭，等.軌道角動量在無線通信中的研究新進展綜述[J].電子學報，2015，43（11）：2305-2314.

[3]回曉楠.攜帶軌道角動量渦旋電磁波天線及傳輸系統的研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[4]黃嘉斌，萬頻，王永華，等.渦旋電磁波在無線通信中應用的研究進展[J].移動通信，2013，37（20）：20-24.

[5]Zhang C，Ma L.Millimetre-wave with rotational orbital angular momentum. Scientific Reports，Nature Publication Group，2016（6）：31921.

（作者簡介：王子悅，中國人民大學附屬中學。）