[論文レビュー] 80-Gbit/s 100-m Free-Space Optical Data Transmission Link via a Flying UAV Using Multiplexing of Orbital-Angular-Momentum Beams

Long Li, Runzhou Zhang+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、地上局と飛行中の無人航空機（UAV）の間で、100mの往復距離において、軌道角運動量（OAM）多重を用いた80-Gbit/sの自由空間光通信リンクを実証している。2つのOAMモードを送信し、それぞれに40-Gbit/sのQPSK信号を変調することで、UAVの移動、トラッキングエラー、大気乱流などの動的条件下での性能を分析しながら、高いデータレートを達成している。

ABSTRACT

We explore the use of orbital-angular-momentum (OAM)-multiplexing to increase the capacity of free-space data transmission to moving platforms, with an added potential benefit of decreasing the probability of data intercept. Specifically, we experimentally demonstrate and characterize the performance of an OAM-multiplexed, free-space optical (FSO) communications link between a ground station and a moving unmanned-aerial-vehicle (UAV). We achieve a total capacity of 80 Gbit/s up to 100-m-roundtrip link by multiplexing 2 OAM beams, each carrying a 40-Gbit/s quadrature-phase-shift-keying (QPSK) signal. Moreover, we investigate for static, hovering, and moving conditions the effects of channel impairments, including: tracking errors, propeller-induced airflows, power loss, intermodal crosstalk, and system bit error rate (BER). We find the following: (a) when the UAV hovers in the air, the power on the desired mode fluctuates by 2.1 dB, while the crosstalk to the other mode is -19 dB below the power on the desired mode; and (b) when the UAV moves in the air, the power fluctuation on the desired mode increases to 4.3 dB and the crosstalk to the other mode increases to -10 dB. Furthermore, the channel crosstalk decreases with an increase in OAM mode spacing.

研究の動機と目的

• 軌道角運動量（OAM）多重を用いて、移動プラットフォームと高容量の自由空間光（FSO）通信を実現すること。
• UAVの移動や環境的擾乱などの動的条件下におけるOAM多重FSOリンクの性能を評価すること。
• チャネル劣化要因（トラッキングエラー、気流、電力損失、モード間串音、ビット誤り率（BER））がシステム信頼性に与える影響を評価すること。
• OAMモード間隔がモバイルFSOリンクにおける串音とシステム性能に与える影響を調査すること。
• 実用的で、低確率の検出が可能な高データレートFSOリンクを、実世界の動的条件下で実証すること。

提案手法

• ℓ = +1およびℓ = -1の2つのOAMビームを多重し、40-Gbit/s QPSK信号を空間的に分離することで、合計80 Gbit/sの容量を達成する。
• 地上に設置された送信機が、移動するUAVに搭載された受信アレイに向けてOAMを運ぶ光ビームを生成・送信する。
• 適応オプティクスおよびビームトラッキングシステムを用いて、UAV飛行中のアライメント維持とポイントエラーの低減を図る。
• 異なる飛行状態における目的のOAMモードの電力変動およびモード間串音レベルを測定し、信号整合性を定量的に評価する。
• 静止、ホバリング、移動状態のUAVにおけるビット誤り率（BER）性能を分析し、システムの頑健性を評価する。
• OAMモード間隔を変化させ、その影響が串音低減に与える効果を調査し、結果として、モード間隔が大きいほど信号分離が向上することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OAM多重を用いた地上局と飛行中のUAV間の自由空間光リンクで、達成可能な最大データレートは何か？
• RQ2 UAVのプロペラによる空気の乱流とトラッキングエラーは、OAM多重FSOシステムにおける信号電力安定性と串音にどのように影響するか？
• RQ3 静止、ホバリング、移動状態のUAVにおけるビット誤り率（BER）性能は、どのように変化するか？
• RQ4 OAMモード間隔を広げることで、モバイルFSOリンクにおけるモード間串音はどの程度低減されるか？
• RQ5 OAM多重は、現実の動的条件下で、実用的かつ安全な高容量通信リンクを航空機プラットフォームに提供できるか？

主な発見

• 本システムは、2つのOAMモード（それぞれ40-Gbit/sのQPSK変調）を用いて、100mの往復距離の自由空間光リンクで合計80 Gbit/sのデータレートを達成した。
• UAVがホバリングしている状態では、目的のOAMモードの電力変動は2.1 dBであり、他のモードへの串音は目的モード電力に対して-19 dBであった。
• UAVが飛行中は、目的モードの電力変動が4.3 dBに増加し、他のモードへの串音も-10 dBに悪化した。
• OAMモード間隔を広げることでモード間串音が低下し、モード間隔が大きいほど信号分離が向上することが示された。
• すべてのテスト条件下でも、システムは許容可能なBER性能を維持しており、モバイルFSO通信の実現可能性を示した。
• 結果から、OAM多重は動的条件下でも高容量・高セキュリティなFSOリンクを移動プラットフォームに提供可能であるが、動的要因に起因する測定可能な劣化要因が存在することが示唆された。