자유공간 광통신(Free-space optical, FSO) 시스템의 영역에서, 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM) 다중화의 활용은 상당한 주목을 받아 왔다. 그러나 OAM 빔은 자유공간에서 전송되는 동안 대기 난류(atmospheric turbulence, AT)의 영향을 받아, 위상 전면의 왜곡, 모드 간 크로스토크(intermodal crosstalk), 그리고 모드 의존 손실(mode-dependent loss, MDL)을 초래한다. 적응 광학(adaptive optics) 및 디지털 신호처리(digital signal processing)와 같은 기법들이 이러한 효과를 완화할 수는 있지만, MDL로 인해 OAM 모드 성능의 불일치가 지속된다. 일부 연구에서는 최대우도(maximum likelihood) 검출에 기반한 비단일(unity가 아닌) 다중입력 다중출력(multiple input multiple output, MIMO) 채널을 대상으로, MDL이 손상된 모드 분할 다중화(mode division multiplexing) 시스템을 평가하였다. 그럼에도 불구하고, 계산 복잡도는 연속 간섭 제거(succesive interference cancellation, SIC)와 같은 상대적으로 단순하지만 성능이 최적은 아닌 고급 MIMO 디코더, 특히 영힘 제로(forcing, zero-forcing) / 최소 평균제곱오차(minimum mean square error, ZF/MMSE) 기반 디코더에 비해 상당히 더 높다. 한편, OAM 모드와 방사 인덱스(radial index)는 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian, LG) 모드의 서로 다른 두 가지 인덱스로서, 많은 양의 정보를 전달할 잠재력이 있다. 본 연구자들이 아는 한, OAM 모드와 방사 인덱스 다중화를 MMSE-SIC 수신기와 함께 사용하는 FSO 시스템에서 대기 난류가 유발하는 MDL의 영향과 완화 전략을 다룬 선행 연구는 없었다. 본 논문은 OAM 다중화 홀로그래피를 도입하여 OAM 모드를 생성한다. 우리는 왜곡된 단일 모드 및 다중화된 LG 빔과 관련된 궤도 각운동량 스펙트럼(orbital angular momentum spectra)에 대해 해석적 및 수치적 분석을 모두 수행한다. 이를 위해 전파 경로를 따라 무작위 위상 스크린을 포함시키고 굴절률 구조 상수(refractive index structure constants)를 변화시키는 방식으로 홀로그래프를 생성한다. 또한, 서로 다른 방사 값에 대해 OAM 다중화 FSO를 위한 MMSE-SIC 수신기를 수학적으로 개발하고 처음으로 시뮬레이션한 뒤, 그 BER을 제로 포싱- SIC(Zero Forcing-SIC) 및 K-best 검출기와 비교한다. 아울러, 시스템의 전반적 성능을 향상시키기 위해 송신기에서 직교 공간-시간 블록 코딩(orthogonal space-time block coding)을 적용한다.

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