Анализ адаптивных алгоритмов кодирования, использующих орбитальный угловой момент как дополнительную степень свободы

Постановка проблемы. С помощью вихревых волн, несущих орбитальный угловой момент (ОУМ), можно получить практически неограниченное число ортогональных состояний, что открывает новые возможности для высокоскоростной передачи данных и увеличения емкости каналов связи. Однако спиральный фазовый фронт таких волн чрезвычайно чувствителен к внешним воздействиям. Так, в свободном пространстве атмосферная турбулентность приводит к сильным искажениям волнового фронта и разрушению когерентности, вследствие чего возникают перекрестные помехи между соседними ОУМ-модами и резко уменьшается эффективность кодирования. В то же время существующие методы компенсации искажений (например, адаптивная оптика), требующие значительного времени сходимости, не всегда применимы для каналов с быстро меняющимися условиями. Поскольку традиционные подходы к ОУМ-кодированию, включая суперпозицию мод Лагерра-Гаусса, не зависят от текущего состояния канала и не обладают адаптивностью, их применение на практике ограничено. Таким образом, разработка адаптивных алгоритмов кодирования с ОУМ в качестве дополнительной степени свободы с возможностью корректировки искажения и подстройки параметров кодирования под изменяющиеся условия распространения в реальном времени является актуальной задачей.

Цель. Выполнить исследование адаптивных алгоритмов кодирования с ОУМ в качестве дополнительной степени свободы, предназначенных для компенсации вызванных атмосферной турбулентностью искажений и повышения скорости передачи, помехозащищенности и скрытности радиоканала с акцентом на их практическую реализацию и экспериментальную верификацию.

Результаты. Проведен анализ влияния атмосферной турбулентности на чистоту ОУМ-мод. Показано, что применение сверточной нейронной сети с архитектурой «кодировщик-декодировщик» позволяет прогнозировать фазовые искажения и восстанавливать исходную структуру волнового фронта. В результате моделирования установлено, что использование предложенного адаптивного алгоритма повышает чистоту моды с 32,5 до 97,1%, что подтверждает эффективность коррекции с использованием сверточных нейронных сетей (CNN) для компенсации турбулентных возмущений в реальном времени.

Практическая значимость. Результаты проведенного исследования адаптивных алгоритмов кодирования с использованием ОУМ могут быть использованы в системах спутниковой и наземной свободно-оптической связи для повышения пропускной способности и помехозащищенности каналов.