摘要：攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的電磁波被稱為渦旋電磁波，可進(jìn)一步分為量子態(tài)OAM電磁波和統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波2種。其中，量子態(tài)OAM電磁波中每位電磁波量子的內(nèi)稟OAM不為零，可借助OAM化學(xué)量產(chǎn)生無(wú)線傳輸新維度；統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波則是借助電磁波量子的外部OAM產(chǎn)生具有正交螺旋相位面的統(tǒng)計(jì)態(tài)雜波，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)態(tài)雜波與空域的緊耦合關(guān)系，可以被覺(jué)得是多天線MIMO系統(tǒng)特例。介紹了量子態(tài)OAM電磁波和統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波的傳輸技術(shù)及通訊體制，說(shuō)明了借助OAM維度可趕超傳統(tǒng)多天線MIMO容量界后產(chǎn)生富含OAM維度的新MIMO容量界。
關(guān)鍵詞：6G；軌道角動(dòng)量；渦旋電磁波；無(wú)線通訊；電磁波量子
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.002
概述
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)通訊質(zhì)量提出了更高的要求，針對(duì)后5代（B5G）和第6代（6G）聯(lián)通通訊技術(shù)的研究早已在全球業(yè)界積極展開。歐共體的地平線2020計(jì)劃（）對(duì)B5G項(xiàng)目進(jìn)行了捐助。俄羅斯的聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）開放了THz頻段并已經(jīng)開始6G研究。俄羅斯舉行了首個(gè)6G無(wú)線通訊全球論壇。國(guó)際聯(lián)通聯(lián)盟（ITU）則創(chuàng)立了專門的研究小組。
在國(guó)外，住建部于2019年促使創(chuàng)立了推動(dòng)組，致力促進(jìn)中國(guó)6G通訊技術(shù)研究，成員包括國(guó)外主要營(yíng)運(yùn)商和制造商，以及相關(guān)院校和研究機(jī)構(gòu)。
通常覺(jué)得，6G的典型指標(biāo)包括1Tbit/s峰值速度，μs級(jí)別延時(shí)，數(shù)倍于5G聯(lián)通通訊網(wǎng)路的頻譜效率等。相對(duì)于5G通訊網(wǎng)路而言，6G通訊網(wǎng)路性能有著明顯提高。為了滿足6G需求，業(yè)界積極探求新的無(wú)線通訊資源和技巧，提出了潛在關(guān)鍵技術(shù)。其中，軌道角動(dòng)量（OAM）作為電磁波無(wú)線傳輸新數(shù)學(xué)維度遭到了較為廣泛的關(guān)注。
OAM是電磁波的固有化學(xué)屬性，OAM的數(shù)學(xué)量綱（ML2T-1）和電場(chǎng)硬度的化學(xué)量綱（MLT-3I-1）線性無(wú)關(guān)（其中M為質(zhì)量，L為寬度，T為體溫，I為電壓），所以彼此獨(dú)立。精典電動(dòng)熱學(xué)和量子電動(dòng)熱學(xué)（QED）理論均強(qiáng)調(diào)，電磁波角動(dòng)量包括載流子角動(dòng)量（SAM）和軌道角動(dòng)量（OAM）。載流子角動(dòng)量表征了電磁波極化，OAM則表征了電磁波的波包在空間中的旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)。具有OAM的電磁波又被稱為渦旋電磁波，攜帶不同OAM模態(tài)的渦旋電磁波具備正交特點(diǎn)，借助該特點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線傳輸可以極大地提高頻譜效率和傳輸容量。
OAM可進(jìn)一步分為內(nèi)稟OAM（）和外部OAM（）。電磁波從微觀上看是由大量電磁波量子構(gòu)成的，內(nèi)稟OAM表征了電磁波量子波包針對(duì)其中心產(chǎn)生的OAM，外部OAM則是針對(duì)定義的座標(biāo)系產(chǎn)生的OAM。因而內(nèi)稟OAM不會(huì)隨著外界空間座標(biāo)系的不同而發(fā)生變化量子傳輸技術(shù)，但外部OAM則會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。假如將地月系統(tǒng)稱作電磁波量子，則月球自轉(zhuǎn)可表示載流子角動(dòng)量，地球繞月球公轉(zhuǎn)表示內(nèi)稟OAM，地月系統(tǒng)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)表示外部OAM。
依據(jù)主要借助內(nèi)稟OAM還是外部OAM，渦旋電磁波可分為量子態(tài)OAM電磁波和統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波。量子態(tài)OAM電磁波由內(nèi)稟OAM不為零的渦旋電磁波量子構(gòu)成；統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波則是由內(nèi)稟OAM為零的大量平面電磁波量子統(tǒng)計(jì)建立成具有螺旋相位面的渦旋雜波產(chǎn)生，其實(shí)質(zhì)上借助的是電磁波量子的外部OAM。
量子態(tài)OAM電磁波不能采用傳統(tǒng)天線（陣列）形成，須要通過(guò)專用裝置形成和測(cè)量渦旋電磁波量子所攜帶的OAM模態(tài)。量子態(tài)OAM電磁波的理論基礎(chǔ)主要為量子熱學(xué)和量子電動(dòng)熱學(xué)。因?yàn)榻柚氖请姶挪孔拥膬?nèi)稟OAM，量子態(tài)OAM本質(zhì)地反映了渦旋電磁波的OAM化學(xué)特點(diǎn)，可借助OAM化學(xué)量產(chǎn)生無(wú)線傳輸新維度，急劇增強(qiáng)頻譜效率，是從電磁波（光波）OAM被提出以來(lái)最重要的研究對(duì)象。
圖1渦旋電磁波相位面及其能量分布
統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波可由OAM專用天線或天線陣列形成。由于傳統(tǒng)天線只能幅射平面電磁波量子，產(chǎn)生平面波（球面波）量子傳輸技術(shù)，所以微觀上看統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波是由大量不同相位的平面電磁波量子構(gòu)造出的具有正交螺旋相位面的雜波，如圖1所示，即統(tǒng)計(jì)意義上的合成雜波，其理論基礎(chǔ)主要來(lái)始于精典電動(dòng)熱學(xué)。統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波發(fā)送和接收都是借助天線，所以直接檢測(cè)的還是電磁波的電場(chǎng)硬度，并不是OAM。只能通過(guò)電場(chǎng)硬度來(lái)間接估算OAM模態(tài)，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)態(tài)雜波與空域的緊耦合，沒(méi)有真正彰顯出OAM所具備的化學(xué)新維度特點(diǎn)。因而，對(duì)于統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波，仍然有觀點(diǎn)覺(jué)得其可以被視為多天線MIMO的特例。
本文概述了電磁波OAM傳輸技術(shù)發(fā)展歷史，指出了量子態(tài)OAM電磁波和統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波概念內(nèi)涵的差異，介紹了基于量子態(tài)OAM電磁波和統(tǒng)計(jì)態(tài)OAM電磁波傳輸技術(shù)和通訊體制，討論了相應(yīng)的信道容量，明晰了渦旋電磁波OAM傳輸技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。