清华大学北京冬奥会期间完成世界首次涡旋电磁波轨道角动量1Tbps中继传输外场演示验证实验

近日从清华大学航天航空学院航空宇航电子系统实验室(航电实验室)获悉,2022年1月至2022年2月北京冬奥会期间,清华大学成功完成世界首次W频段涡旋电磁波轨道角动量(OAM)1Tbps高速中继传输演示验证实验,为OAM技术面向未来移动通信应用奠定关键技术基础。

清华大学航电实验室科研团队依托工信部IMT-2030(6G)推进组(无线技术工作组所属OAM任务组)任务需求,设计并研制实验系统,完成此次演示验证实验,期间得到OAM任务组成员单位上海交通大学、广东省新一代通信与网络创新研究院、中国联合网络通信有限公司研究院等单位大力协助。此次实验首次借助涡旋电磁波OAM技术完成点对点1Tbps高速中继传输(即每秒钟传输1万亿比特,可传上万路超高清视频),最大传输距离达到1km。实验成功演示验证了OAM技术应用于点对点高速中继传输的可行性,而且为OAM通信技术产业化应用,以及服务于未来第六代移动通信(6G)提供了实验数据基础。彰显了我国在6G潜在核心关键技术研究中已处于世界领跑地位。

轨道角动量(OAM)是电磁波区别于电场强度的独立物理量,表征了电磁波的旋转特性;与传统平面电磁波不同,具有OAM的电磁波呈现螺旋相位面(如图1,涡旋电磁波束的等相位面呈螺旋状),称为涡旋电磁波。因为同频率电磁波拥有不同OAM模态(即不同的螺旋相位面)后可以正交传输,互不干扰,所以近年来OAM被认为是无线传输新维度,可用以增加传输容量,使得电磁波携带信息的能力大幅提高。

目前大家常用的移动通信系统(2G、3G、4G、5G)、广播电视、卫星通信和导航等均利用传统平面电磁波(球面波的远距离近似),其等相位面与传播轴垂直。自100多年前意大利人马可尼首次利用这种电磁波进行无线通信开始,时至今日传输架构仍无多大变化,即接收时主要用传统天线接收电磁波的电场强度,进而由电场强度信号的大小引入幅度,电场强度信号变化的快慢引入频率,变化的先后引入相位。能利用的信号空间一直局限于电场强度测量信号构建的时域、频域、空域、码域、功率域等。根据信息论中著名的香农公式可以看出,随着各个信号域中资源的使用,对传输容量贡献的边际效应越来越小。如果没有电磁波新维度的使用,传输容量的提升将变得越来越困难。所以,对电磁波轨道角动量新维度的研究和开发利用应运而生,亟待发展。

此次实验中的涡旋电磁波1Tbps高速率数据中继传输技术由清华大学航电实验室提出,旨在解决大容量中继数据传输问题。OAM作为6G潜在核心关键技术之一,能够利用模态间正交性,在点对点场景下提供高速率数据中继传输能力。演示验证实验系统复用多个正交OAM模态,采用高阶调制和W波段大带宽传输,达到1Tbps传输容量;同时平台采用OAM专用抛物面天线解决OAM波束的发散问题,获得长距离传输能力,传输距离达到1km。以上指标是目前世界该领域最高水平。该平台已经在多种场景下进行过测试和验证,能够很好地传输数据信号,包括视频和音频信号。北京冬奥会场馆外场实验如图2所示。

清华大学航电实验室表示,该系统突破了OAM多模态复用、多模态波束汇聚、宽带馈源及反射面天线、涡旋电磁波高速采样器、专用调制解调器等核心关键技术,具有自主知识产权。其中,OAM任务组成员单位上海交通大学专门针对此次冬奥会实验协助并设计了OAM宽带馈源及反射面天线。整个OAM实验系统在1km距离内提供1Tbps高速中继传输能力,可满足冬奥会现场假想超大直播容量的无线中继转发需求,达到目前世界该领域最高水平。

除此次外场实验外,清华大学航电实验室在长距离涡旋电磁波传输实验中保持着世界纪录,即目前世界范围内该类型公开报道实验的最长传输距离指标:2016年完成27.5km地面涡旋电磁波传输实验(清华大学至千灵山);2018年完成172km空地涡旋电磁波机载传输实验(北京十三陵水库旁莽山山顶至河北雄安新区东南空域)。

该领域权威专家强调,在目前世界范围内的公开报道中该类无线中继传输实验速率均未达到1Tbps,比如日本NTT公司,其OAM中继传输实验达到200Gbps,传输距离达到百米量级。此次中国北京冬奥会期间,清华大学实验团队完成的1Tbps涡旋电磁波中继传输外场实验,达到1km最大传输距离,对未来我国涡旋电磁波发展和应用,以及抢占6G核心技术制高点具有十分重要和积极的意义。

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