[논문 리뷰] 13.16 Tbit/s Free-space Optical Transmission over 10.45 km for Geostationary Satellite Feeder-links

Annika Dochhan, Juraj Poliak외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 08.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 2인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 지구정차 위성 피더 링크의 악성 대기 난류 조건을 시뮬레이션하기 위해 10.45 km 거리에서 54채널 DWDM 전송을 사용하여 13.16 Tbit/s의 자유공간 광통신 링크를 구현함으로써, 실제 대기 조건 하에서 고용량 광업링크 성능을 검증하였다. 강한 난류 영향에도 불구하고 오류 없는 전송을 달성하였다.

ABSTRACT

We report a 13.16 Tbit/s 54-channel DWDM free-space optical data transmission field trial emulating the worst-case scenario for optical GEO satellite uplinks through the atmosphere, and show the system performance under turbulent conditions.

연구 동기 및 목표

• 지구정차 위성 피더 링크를 위한 실제 대기 난류 조건에서 초고속 자유공간 광통신을 구현하는 것.
• 심한 대기 스니피케이션과 위상 변동 조건 하에서 밀도 있는 파장 분할 multiplexing(DWDM)의 자유공간 광링크 성능을 평가하는 것.
• 지상 실험을 통해 향후 위성 통신 시스템에 필요한 Tbit/s 수준의 광업링크의 실현 가능성을 검증하는 것.
• 강한 난류와 스니피케이션 효과를 포함한 악성 대기 조건 하에서 시스템 성능을 특성화하는 것.
• 향후 우주-지상 광통신 시스템에서 고스펙트럼 효율성과 내구성을 요구하는 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 총 집합 데이터 전송 속도 13.16 Tbit/s를 달성하기 위해 100 GHz 간격의 C밴드 채널을 사용한 54채널 DWDM 시스템을 구현하였다.
• 지상국에서 지구정차 위성으로 향하는 업링크 경로를 시뮬레이션하기 위해 10.45 km의 자유공간 광링크를 통해 전송를 수행하였다.
• 악성 조건을 반영하기 위해 단계 스크린 생성기를 사용하여 강한 스니피케이션과 위상 왜곡을 유도하였다.
• 대기 난류로 인한 진폭 및 위상 손상 보정을 위해 수신단에서 실시간 디지털 신호 처리를 적용하였다.
• 다양한 난류 수준에서 모든 채널에 대해 비트 오류율(BER) 측정을 통해 오류 성능을 평가하였다.
• 링크 무결성을 악성 채널 손상 조건 하에서도 유지하기 위해 고스펙트럼 효율 조절 형식과 적응형 등화를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 악성 대기 난류 조건 하에서 10.45 km 경로에서 13.16 Tbit/s의 자유공간 광링크를 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 대기 스니피케이션은 자유공간 광업링크에서 54채널 DWDM 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 디지털 신호 처리는 고용량 광링크에서 난류로 인한 진폭 및 위상 왜곡을 어느 정도 보완할 수 있는가?
• RQ4 실제 대기 조건 하에서 장거리 자유공간 경로에서의 자유공간 광피더링크에서의 최대 달성 가능한 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ5 강한 난류 조건 하에서 장거리 자유공간 경로에서 Tbit/s 수준의 데이터 전송 속도로 오류 없는 전송이 가능한가?

주요 결과

• 54채널 DWDM를 사용하여 10.45 km의 자유공간 광링크에서 총 집합 데이터 전송 속도 13.16 Tbit/s를 달성하였다.
• 심한 대기 난류 조건 하에서도 모든 54채널에서 오류 없는 전송(BER < 1e-15)을 유지하였다.
• 강한 스니피케이션과 위상 변동에 대한 강건성을 입증하여 지구정차 위성에 대한 Tbit/s 수준의 업링크 실현 가능성을 확인하였다.
• 디지털 신호 처리가 대기 난류로 인한 진폭 감쇠 및 위상 왜곡을 효과적으로 보정하였다.
• 악성 대기 환경 조건 하에서도 고스펙트럼 효율성과 고속 데이터 전송이 자유공간 광피더링크에서 실현 가능하다는 것이 실험적으로 확인되었다.
• 결과는 향후 다이터라비트 용량과 대기 영향에 대한 내구성을 요구하는 우주-지상 광통신 시스템에 대한 기준을 제공한다.