[논문 리뷰] 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 Zhang외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 09.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지상국과 비행 중인 무인항공기(UAV) 사이에서 오비탈각운동량(OAM) multiplexing를 사용하여 100m의 왕복 거리에서 80-Gbit/s의 자유공간 광통신 링크를 구현한다. 두 개의 OAM 모드를 전송하며, 각각 40-Gbit/s QPSK 신호로 변조함으로써 높은 데이터 전송 속도를 달성하면서도 UAV의 이동, 추적 오차, 대기 난류와 같은 동적 조건에서의 성능을 분석한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이론적 각운동량(OAM) multiplexing를 사용하여 이동 플랫폼과의 고용량 자유공간 광(FSO) 통신을 가능하게 하기 위해.
• UAV 운동 및 환경적 요동과 같은 동적 조건에서 OAM-multiplexed FSO 링크의 성능을 평가하기 위해.
• 추적 오차, 바람, 전력 손실, 모드 간 간섭(crosstalk), 비트 오류율(BER) 등의 채널 손상이 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• OAM 모드 간격이 이동성 있는 FSO 링크에서의 간섭과 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 동적 조건에서 저확률간섭 통신이 가능한 실용적인 고속도 FSO 링크를 구현하기 위해.

제안 방법

• ℓ = +1 및 ℓ = -1의 두 OAM 빔을 멀티플렉싱하여 40-Gbit/s QPSK 신호를 공간적으로 분리함으로써 총 용량 80 Gbit/s를 달성한다.
• 지상 기반 송신기가 이동 중인 UAV에 장착된 수신기 어레이로 향해 OAM을 지닌 광 빔을 생성하고 전송한다.
• 적응광학 및 빔 추적 시스템을 활용하여 UAV 비행 중 정렬을 유지하고 포인팅 오차를 최소화한다.
• 다양한 비행 상태에서 원하는 OAM 모드의 전력 변동과 모드 간 간섭 수준을 측정하여 신호 무결성의 정량적 평가를 수행한다.
• 정적, 정지, 이동 조건에서의 비트 오류율(BER) 성능을 분석하여 시스템의 내구성을 평가한다.
• OAM 모드 간격을 변화시켜 간섭 감소에 미치는 영향을 연구하였으며, 결과적으로 더 큰 모드 간격에서 고립도 향상이 관찰되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상국과 비행 중인 UAV 사이에서 OAM multiplexing를 사용한 자유공간 광(FSO) 링크에서 달성 가능한 최대 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ2 UAV의 추적 오차 및 프로펠러로 인한 바람은 OAM-multiplexed FSO 시스템에서 신호 전력 안정성과 간섭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정적, 정지, 이동 조건에서 비트 오류율(BER) 성능은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 OAM 모드 간격을 증가시킬 경우 이동성 있는 FSO 링크에서 모드 간 간섭은 어느 정도 감소하는가?
• RQ5 OAM multiplexing는 실세계의 동적 조건에서 비행 플랫폼에 대한 실용적이고 안전한 고용량 통신 링크를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 OAM 모드를 사용하여 100m의 왕복 자유공간 광 링크에서 총 데이터 전송 속도 80 Gbit/s를 달성하였으며, 각각 40 Gbit/s의 QPSK 변조를 통해 구현되었다.
• UAV가 정지 상태일 경우 원하는 OAM 모드의 전력 변동은 2.1 dB였고, 다른 모드로의 간섭은 원하는 모드 전력 대비 -19 dB였다.
• UAV 비행 중에는 원하는 모드의 전력 변동이 4.3 dB로 증가하였고, 간섭 수준은 -10 dB로 악화되었다.
• OAM 모드 간격이 증가할수록 모드 간 간섭이 감소하여 더 큰 모드 간격이 신호 고립도 향상에 기여하는 것으로 나타났다.
• 모든 시험 조건에서 만족스러운 BER 성능을 유지하여 이동성 있는 FSO 통신의 실현 가능성을 입증하였다.
• 결과적으로 OAM multiplexing는 이동 플랫폼과의 고용량·안전한 FSO 링크를 지원할 수 있으며, 동적 조건에서는 측정 가능한 손상이 존재함을 시사한다.