Performance Enhancement of OAM Communication for Indoor and FSO Multiuser Systems = 실내 및 자유공간 광통신 다중사용자 시스템을 위한 OAM 통신 성능

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing need for high-speed, high-capacity wireless communication has accelerated the exploration of optical wireless technologies that utilize new spatial degrees of freedom. Among these, Orbital Angular Momentum (OAM) has gained attention for its ability to support multiple parallel data channels through orthogonal helical phase structures. By enabling spatial multiplexing without additional spectral resources, OAM offers great potential for next-generation indoor and Free-Space Optical (FSO) communication systems. However, practical deployment remains challenged by modal crosstalk, atmospheric turbulence, and multiuser interference, which degrade reliability and capacity.
This thesis addresses these limitations by developing robust and efficient OAM-based communication schemes for both indoor and FSO multiuser communications. First, a Signal- to-Leakage-and-Noise Ratio (SLNR)-based precoding scheme for multiuser OAM-MIMO systems in indoor optical communication is proposed as shown in Chapter 3. The proposed scheme formulates a leakage-based optimization problem to maximize useful signal power while minimizing interference between users. Using a Uniform Circular Array (UCA) for OAM mode generation, the system ensures spatial orthogonality and stable beam formation. Simulation results show that the SLNR precoding method significantly outperforms conventional Block Diagonalization (BD), Zero-Forcing (ZF), and Regularized ZF (RZF) schemes in both capacity and Bit Error Rate (BER) performance. These results confirm the scheme’s scalability and its effectiveness as a high-capacity, interference-resilient design for indoor optical communication systems.
Furthermore, the integration of OAM multiplexing with Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation (OFDM-IM) is introduced for FSO communication under atmospheric turbulence as shown in Chapter 4. This system exploits the dual advantages of OAM’s spatial diversity and OFDM-IM’s spectral efficiency to enhance both data throughput and capacity. A detailed mathematical model incorporating the turbulence-induced fading channel is derived, followed by the development of a Log-Likelihood Ratio (LLR) detection scheme at the receiver. The LLR detector jointly identifies active subcarrier indices and corresponding M-ary modulated symbols, achieving near-optimal performance with significantly lower computational complexity compared to Maximum Likelihood (ML) detection. Analytical and simulated BER results confirm that the proposed OAM-OFDM-IM system maintains strong error resilience under weak-to-strong turbulence regimes, with consistent capacity improvements across different SNR levels. The complexity analysis further highlights that LLR detection achieves a favorable balance between accuracy and efficiency, making it practical for real-time FSO communication systems.
Overall, this work contributes a comprehensive framework for OAM-based optical wireless communication, offering improved robustness, spectral efficiency, and scalability for next-generation indoor and FSO systems.

국문 초록 (Abstract)

고속·대용량 무선 통신에 대한 수요 증가는 새로운 공간적 자유도를 활용하는 광 무선 통신 기술의 연구를 가속화하고 있다. 그중에서도 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)은 직교 나선형 위상 구조를 통해 다중 병렬 데이터 채널을 지원할 수 있는 능력으로 주목받고 있다. OAM 은 추가적인 주파수 자원 없이 공간 다중화를 가능하게 하여 차세대 실내 및 자유공간광(Free-Space Optical, FSO) 통신 시스템에서 큰 잠재력을 보인다. 그러나 실제 구현에서는 모드 간 누화(modal crosstalk), 대기 난류(atmospheric turbulence), 다중 사용자 간 간섭(multiuser interference) 등의 문제로 인해 신뢰성과 용량이 저하되는 한계가 존재한다.
본 논문은 이러한 한계를 극복하기 위해 실내 및 FSO 다중 사용자 통신을 위한 견고하고 효율적인 OAM 기반 통신 기법을 개발하였다. 먼저, 제 3 장에서는 실내 광 통신 환경에서 다중 사용자 OAM-MIMO 시스템을 위한 누설 및 잡음비(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio, SLNR) 기반 프리코딩(precoding) 기법을 제안한다. 제안된 기법은 사용자 간 간섭을 최소화하면서 유효 신호 전력을 극대화하기 위한 누설 기반 최적화 문제로 구성된다. 균일 원형 배열(Uniform Circular Array, UCA)을 이용하여 OAM 모드를 생성함으로써 공간 직교성과 안정적인 빔 형성을 보장한다. 시뮬레이션 결과, SLNR 프리코딩 기법은 기존의 블록 대각화(Block Diagonalization, BD), 영강제(Zero-Forcing, ZF), 정규화 ZF(Regularized ZF, RZF) 기법에 비해 용량 및 비트오율(Bit Error Rate, BER) 성능이 현저히 우수함을 확인하였다. 이러한 결과는 제안된 기법이 실내 광 통신 시스템에서 고용량 및 간섭 회복력이 뛰어난 확장 가능한 설계임을 입증한다.
더 나아가, 제 4 장에서는 대기 난류 환경에서의 FSO 통신을 위해 OAM 다중화와 인덱스 변조를 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation, OFDM-IM)의 통합 방안을 제시한다. 본 시스템은 OAM 의 공간 다이버시티(spatial diversity)와 OFDM- IM 의 주파수 효율성(spectral efficiency)을 동시에 활용하여 데이터 처리량과 용량을 향상시킨다. 난류로 인한 페이딩 채널을 고려한 수학적 모델을 유도하고, 수신단에서 로그 가능도 비율(Log-Likelihood Ratio, LLR) 기반 검출 기법을 개발하였다. 제안된 LLR 검출기는 활성 부반송파 인덱스와 해당 M 진 변조 심볼을 동시에 판별하며, 최대 가능도(Maximum Likelihood, ML) 검출에 비해 훨씬 낮은 계산 복잡도로 준최적 성능을 달성한다. 분석적 및 시뮬레이션 결과, 제안된 OAM-OFDM-IM 시스템은 약한 난류에서 강한 난류에 이르는 다양한 환경에서 높은 오류 복원력(error resilience)을 유지하며, 다양한 SNR 구간에서도 꾸준한 용량 향상을 보였다. 또한 복잡도 분석 결과, LLR 검출은 정확도와 효율성 간의 균형을 달성하여 실시간 FSO 통신 시스템에 적합한 실용적 솔루션임을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 차세대 실내 및 FSO 통신 시스템을 위한 OAM 기반 광 무선 통신의 견고성, 주파수 효율성, 확장성을 향상시키는 포괄적인 프레임워크를 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Optical Wireless Communication 1
• 1.2 Motivation and Objectives 5
• 1.3 Chapter Organization 6
• 2. Orbital Angular Momentum Communications 7
• 2.1 Orbital Angular Momentum (OAM) 7
• 2.2 OAM Multiplexing and Demultiplexing Techniques 11
• 2.3 OAM Detection and Precoding 15
• 2.4 Channel Modelling and Decoding 18
• 2.5 OAM in Indoor and Free-Space Optical (FSO) Channels 22
• 2.5.1 Challenges in Multiuser OAM Systems 22
• 2.6 OAM with Modulation Techniques 23
• 2.6.1 OAM with OFDM Modulation 23
• 2.6.2 OAM with Index Modulation (IM) 24
• 2.7 Summary 26
• 3. Leakage-based Performance Enhancement Scheme for Multi-user OAM Communications 28
• 3.1 Introduction 28
• 3.2 OAM Generation and Signal Model 39
• 3.3 Proposed SLNR-based Precoding Scheme 42
• 3.4 Computational Complexity 48
• 3.5 Simulation Results and Discussion 50
• 3.6 Summary 62
• 4. OAM with OFDM-IM for FSO Communications Using LLR Detection 64
• 4.1 Introduction 64
• 4.2 System Model and OAM Mode Design Principles 71
• 4.2.1 OAM-carrying Beam Modal Distribution 72
• 4.2.2 OAM Multiplexing 74
• 4.2.3 Turbulence Channel Model 75
• 4.3 Performance Analysis 77
• 4.3.1 Signal Model 77
• 4.3.2 BER Analysis 81
• 4.3.3 Capacity Analysis 85
• 4.4 Complexity Analysis 86
• 4.5 Simulation Results and Discussion 88
• 4.6 Summary 96
• 5. Conclusion and Future Work 98
• 5.1 Conclusion 98
• 5.2 Future Work 99