摘要
随着5G与物联网快速发展，海量移动设备涌入网络，产生巨大的数据交互需求，对未来网络发展提出严峻挑战。如何进一步提高通信网络容量、支持更大规模的网络接入，成为亟待解决的关键问题。在传统无线通信系统如MIMO中，空间调制、广义空间调制等调制策略被提出，以提升毫米波通信系统的传输速率，同时频率、时间等传统自由度也已被充分利用。因此，基于以上自由度很难进一步提高通信系统性能。由于轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）波在理论上具有无限个状态，并且不同状态之间存在自然正交性，OAM技术可以为无线通信系统提供新的自由度。随着无线通信系统中使用的电磁波频率逐渐升高，OAM技术也受到广泛关注。受OAM状态对信号进行编解码的思想启发，本文设计了OAM-GSM毫米波无线通信系统。与传统的广义空间调制（GSM）系统相比，OAM-GSM毫米波无线通信系统能够带来显著的性能提升，可作为未来移动网络的候选解决方案。
OAM-GSM系统发射端采用由M个OAM发射天线阵元组成的均匀线性阵列（Uniform Linear Array, ULA）。系统接收端由M组接收天线对组成，每组接收天线对包含两个接收天线，均安置在对应发射天线发射的OAM波的环形区域内。在OAM-GSM系统中，我们通过利用不同的OAM状态进行编码调制。信源的二进制比特流中的部分比特可以映射到不同的OAM状态，从而通过选择发射不同的OAM波实现信息传输。此外，在OAM-GSM系统中，信源的二进制比特流中还有一部分比特用于天线选择，一部分比特用于星座符号选择。
文中使用分离检测法检测传统调制符号、激活天线矩阵和OAM状态。在判断OAM电磁波的OAM状态时，可根据接收端两个接收天线分别检测出的所在位置OAM波的相位，利用相位梯度法确定。在OAM-GSM系统中，发射天线数量的增加使系统的误比特率（Bit Error Rate, BER）增大。为降低大发射天线数下的BER值，文中提出OAM-GSM系统预编码解决方案。
数值结果表明，与传统GSM通信系统相比，OAM-GSM毫米波系统虽然具有更复杂的收发机制，但其信道容量和最大能量效率分别提高80%、54%。同时，与传统GSM系统相比，通过采用提出的信道预编码算法，OAM-GSM毫米波系统的误码率下降91.5%。综上所述，文中设计的OAM-GSM毫米波无线通信系统具有良好性能，可作为未来移动网络的候选解决方案。
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